大型硫磺制酸装置热力系统的几点技术探讨

李若松，普红英

（云南化工设计院有限公司，云南 昆明 650041）

大型硫磺制酸装置热力系统的几点技术探讨

李若松，普红英

（云南化工设计院有限公司，云南 昆明 650041）

根据我公司设计及工程总承包的大型硫磺制酸装置热力系统的设备选型、运行情况，对热力系统的主要设备废热锅炉、过热器及省煤器进行技术探讨。

硫酸；硫磺；热力系统；大型

硫酸是重要的基础化工原料之一，目前我国70%左右的硫酸用于化肥生产，在国民经济中占有重要地位，形成了以硫磺、硫金属矿和冶炼烟气为主的原料结构。

硫酸生产装置的大型化、国产化一直是我国硫酸工作者研究的课题，我公司开展硫酸装置设计业务已有近40 a，设计和总承包建成的硫磺制酸装置共计30多套，规模为4万～80万t／a。大型装置如云南云天化国际化工股份有限公司红磷分公司节能降耗技改项目800 kt／a硫磺制酸总承包工程、宜都兴发化工有限公司60万t／a磷铵项目配套80万t／a硫磺制酸项目、云南三环中化化肥有限公司120万t／a磷铵工程Ⅱ期80万t／a硫酸EPC工程。

随着硫酸装置向大型化发展，对装置长周期连续稳定运行提出了更高的要求，特别对系统中关键设备的要求越来越高。热力系统作为硫磺制酸装置的关键设备设置于焚硫转化工段用于回收高、中温位热能，其稳定性和可靠性是装置能否长周期稳定运行的关键。

根据近年来我公司设计及EPC工程的几套大型硫磺制酸装置热力系统的实际使用情况来看，热力系统的主要设备废热锅炉、过热器及省煤器成熟可靠，能满足装置大型化及长周期稳定运行的要求，但也存在一些问题尚待解决。

1 热力系统蒸汽运行参数的选择

目前国内硫磺制酸装置的热力系统一般以副产3.82 MPa、450℃的过热蒸汽为主流，中压过热蒸汽用于驱动空气风机及用于发电。随着装置向大型化发展，提高热力系统的参数副产次高压（5.3 MPa、475℃）或高压（9.8 MPa、540℃）过热蒸汽，可以获得更高的蒸汽循环热功效率，可多做功、多发电，装置的规模效益显得更为明显。国内引进MECS技术建造的双狮100万t／a硫磺制酸装置采用了6.4 MPa、492℃的蒸汽参数，宜化60万t／a硫磺制酸装置采用了5.3 MPa、485℃的蒸汽参数，虽然由于蒸汽参数的提高会导致热力系统的设备造价、运行费用提高，但可以大幅提高发电量，经生产实践检验，经济效益较好。在今后新建大型硫磺制酸装置时，预计热力系统蒸汽运行参数将会向次高压或高压发展。

2 废热锅炉

2.1 炉型的选择

2.2 锅炉副线方案的选择

目前国内大型硫磺制酸装置火管锅炉副线的设置有两种方式，分别为：①采用高温副线配钟罩阀调节进转化器一段进口温度；②采用高低温两段式锅筒并从中间抽出部分气体设置高温蝶阀调节进转化器一段进口温度。

设置高温副线采用钟罩阀调节一段进口温度经我公司设计、总包的几套80万t／a硫磺制酸装置应用情况来看是可行的，采用电动钟罩阀调节具有操作方便、温度控制容易的特点，低负荷工况也能保证一段进口温度达到催化剂要求的最佳温度，经过近年来对细节设计的不断完善，钟罩阀已能满足大型装置长周期稳定运行的要求。

采用高低温两段式锅筒并从中间抽出部分气体设置高温蝶阀调节进转化器一段进口温度的副线方案，将副线烟气温度从1 100～1 000℃降低到600℃左右，可延长副线高温蝶阀的寿命，保证装置长周期稳定运行，此副线调节方案在贵州开磷集团的60～80万t／a硫磺制酸装置中得到应用，并取得很好的效果。

以上两种方案都是成熟、可靠的锅炉出口温度调节方案，如今后装置规模进一步向大型化发展，估计采用两段锅筒的方案运输可能受到限制，而采用钟罩阀的方案不会受到装置大型化的影响，是大型化装置的首选副线调节方案。

3 高温过热器

国内有几套80万t／a硫磺制酸装置采用混凝土框架支撑高温过热器，由于转化器一段出口温度较高达到610℃左右，与冷态时相比热膨胀量很大，转化器一段出口烟气管道对高温过热器的推力很大，经常出现烟气管道泄漏，影响正常生产的情况发生。大型硫磺制酸装置烟气管道直径较大，一旦设备布置确定后，烟气管道的走向也就基本确定，膨胀节的选用方案也就基本确定，高温过热器烟气进口温度高达610℃左右，热膨胀量大，对设备的推力很大，要解决好高温过热器烟气进口管道的泄漏问题，在设计之初就要对设备布置、管道布置及管道应力等问题进行综合考虑。近年来我公司设计、EPC总包的几套80万t／a硫磺制酸装置高温过热器均采用不锈钢下箱体结构，高温过热器坐落在下箱体上，转化器一段出口至高温过热器烟气管道为一段直管，采用轴向型膨胀节就能很好的解决热膨胀问题，取得了很好的效果。

硫磺制酸装置运行中，高温过热器烟气进口温度在610℃左右，过热蒸汽出口温度达到450℃，设备壳体与翅片管有160℃的温差，目前采用双头浮动管板使翅片管可以自由滑动，取得了一定效果。

4 省煤器

大型硫磺制酸装置省煤器为增加换热面积强化传热多采用翅片管，分高温、低温两段，为提高换热管壁温防止露点腐蚀，低温段多采用烟气与水并流的换热流程并采用热管；在近年的工程应用中，还有以下问题需要注意。

1.3.1 课前准备 两班均按前期成绩及性别搭配分组，保证各组成员的性别、成绩优劣比例一致，每组选组长一名，负责组内人员的协调及合作工作。于实验课前一周告知TBL班学生实验内容，强调实验目的中需要熟悉和掌握的部分，挑出重点概念要求学生预习，简要介绍实验关键步骤。随后学生以团队形式根据实验目的和教师要求，结合理论课学习内容及查阅文献，理清所涉及的概念与知识点，理解实验原理，设计制剂处方并熟悉操作步骤及流程，预判实验结果，指出注意事项。课前准备由各组组长组织组员进行，自行分工，共同讨论，时间长短不做要求。对照班同样指出实验内容，但不做其他要求。

1）省煤器的烟气流向

由于省煤器换热管是翅片管，容易积灰堵塞，影响换热效果并增加阻力，烟气在省煤器中的流向应设计成向下流动，与重力方向一致以利于灰尘下降而不粘附在翅片管上，而如果烟气自下向上流动，与重力相反，灰尘易形成悬浮状附着于翅片管上。

2）省煤器换热面积富余量

省煤器烟气侧不设副线调节，在管内水侧设有副线，通过调节进入省煤器的水量来控制出省煤器的烟气温度，这要求省煤器的传热系数计算准确，换热器面积富余量取值合理，换热面积不能富余过大。我公司总承包的云南云天化国际化工股份有限公司红磷分公司节能降耗技改项目800 kt／a硫磺制酸装置四段出口省煤器高温段内部发出异常响声，究其原因，是换热器面积富余过大，从省煤器调节副线走的水过多，而进入省煤器管内参与换热水量过少，造成省煤器换热管内水超温沸腾，引起水击而发出异响。

3）省煤器下气室结构设计

近年来，省煤器也采用下箱体结构，由下箱体作为结构支撑的设计推广开来，下箱体的设计除考虑结构外还应考虑气流冲击引起振动问题；我公司总承包的云南云天化国际化工股份有限公司红磷分公司节能降耗技改项目800 kt／a硫磺制酸装置两台省煤器采用了下烟箱支撑的结构，开到满负荷后，省煤器发出异常响声，经专业公司振动测量，分析是气流冲击下气室引起共振而发出响声，需要对下气室结构作处理以消除响声。

4）省煤器下气室底板防腐

我公司在云南三环中化Ⅱ期80万t／a硫酸总承包工程中，两台省煤器底板曾浇筑耐酸混凝土作防腐，但运行两年后停车检查，发现混凝土有裂缝，未起防腐作用。我们认为省煤器底板在气流冲击下有振动，不适合用混凝土防腐。如果需要防腐应用其它方法，同时发现省煤器底部并没有冷凝酸，只要烟气温度控制合理不会出现冷凝酸，此处不需要做防腐层。

5）省煤器出口烟气温度

目前很多企业通常一吸塔进口温度控制在170～180℃，二吸塔进口温度控制在160～170℃，温度过低会引起省煤器露点腐蚀，温度控制过高省煤器回收热量减少，不利于节能，根据计算一吸塔进口的烟气的露点在115℃左右，二吸塔进口的烟气露点在105℃左右，一般控制烟气温度高于露点30℃已很安全，而目前企业控制的温度普遍过于保守。我公司在云南云天化国际化工股份有限公司红磷分公司节能降耗技改项目800 kt／a硫磺制酸项目中，一吸塔进口温度控制170℃，二吸塔控制在140℃，已运行多年没有发生设备损坏。

5 总结

热力系统是大型硫磺制酸装置长周期稳定运行的关键，在此希望与业内专家共同探讨，使我国的大型硫磺制酸装置设计、EPC工程水平再上新台阶，在提高热能回收效率和热能回收质量的同时，不断提高设备的可靠性，使装置能长周期稳定运行，减少开停车及检修带来的损失，从而降低企业生产成本、增强市场竞争力。

Several Techniques of Thermodynamic System in Large－scale Sulfuric Acid Plants

LI Ruo－song，PU Hong－ying

（Chemical Design Institute Co.，Ltd.，Kunming 650041，China）

According to equipment selection and operation conditioin of the thermodynamic system of the large sulfuric acid plants designed by our company or contracted by Engineering，the operation of the main equipment of the thermal system and waste heat boiler，superheater and economizer were technically discussed.

sulfuric acid；sulfur；thermal system；large

TQ111.1

A

1004-275X（2014）05-0041-03

12.3969／j.issn.1004-275X.2014.05.010

收稿：2014-08-06

李若松（1969-），男，云南昆明人，高级工程师，中国硫磷技术委员，主要从事化工建设项目的总承包工作。