硫磺制酸火管锅炉上升管设计的优化

张 健

（中江能源回收扬州有限公司，江苏扬州 211400）

硫磺制酸火管锅炉上升管设计的优化

张 健

（中江能源回收扬州有限公司，江苏扬州 211400）

硫磺制酸火管锅炉上升管位于汽包和锅壳之间，既用于传输锅壳产生的高温蒸汽，又起着支撑汽包重量的作用，其安全性和合理性是整台锅炉设计的重要部分之一。通过对硫磺制酸火管锅炉上升管几种作用的分析，并结合设备制造和安装过程中的实际需要，对上升管的设计提出几处优化。

火管锅炉；上升管；设计优化

随着国内硫酸工业的持续发展和对环境保护要求的不断提高，硫磺制酸以其工艺简单、污染轻、热能回收效率高等特点得到了迅猛发展。在硫磺制酸工艺中，通常会在焚硫炉后设置废热锅炉，用于回收硫磺燃烧气体的高温、高品位热能，并以水作为工质产生蒸汽拖动汽轮机发电。

1 硫磺制酸火管锅炉结构简洁

硫磺制酸火管锅炉为卧式自然循环锅炉，布置于焚硫炉之后，由汽包和锅壳、进出口烟箱和锅炉范围内管系等部件组成。烟管固定在锅壳两端的管板上。烟气由进口烟箱分流，纵向通过烟管，在出口烟箱内汇流引出。整台锅炉会根据实际情况设置2～4个鞍式支座，锅壳前端支座通常为固定支座，其余为滑动支座，以保证锅炉在运行时能按设计预定方向自由膨胀。

2 上升管设计的作用

硫磺制酸火管锅炉上升管位于汽包和锅壳之间，由于通常汽包不设支座支撑，而是由汽包底部的上升管兼作支撑结构，使汽包与锅壳连成一体，所以上升管既用于传输锅壳产生的高温蒸汽，又起着支撑汽包重量的作用，其安全性和合理性是整台锅炉设计的重要部分之一。另外，由于硫磺制酸火管锅炉的锅壳内部布满烟管，锅壳内部根本没有人操作的空间，因而在锅壳上设置人孔基本没有实际意义。

3 上升管设计的几处要点

综合上升管的几种作用，上升管在设计时应根据各种需要分别确定其数量、管径、布置、壁厚等要点。

3.1 上升管数量确定

由于通常汽包不设支座支撑，而是由汽包底部的上升管兼作支撑结构，使汽包与锅壳连成一体，因而上升管的数量不宜过少。同时，由于锅壳筒体开孔孔桥等强度的原因，上升管数量又不可能布置太多。综合强度、刚度及水动力等因素，根据长期设计经验，上升管的数量通常以4个为宜。

3.2 上升管的管径确定

硫磺制酸火管锅炉为自然循环锅炉，其水循环是靠下降管内的水与上升管内的汽水混合物之间的密度差形成的循环压头实现的。锅炉循环流速计算如公式（1）。

式中：ω0——循环流速，m/s；

G——介质重量流量，kg/s；

F——上升管截面积，m2；

γ’——饱和水比重，kg/m3；

上升管内汽水混合物流速计算如公式（2）。

式中：ωh——汽水混合物流速，m/s；

X——介质重量含气率，m/s；

γ”——饱和蒸汽比重，kg/m3；

根据上升管内汽水混合物流速推荐值，由公式（1）和（2）可计算出上升管截面积，进而确定上升管的管径。同时，考虑到锅壳不宜设置人孔，而且在锅壳的制造过程中，锅壳筒体与前后管板之间通常设计为内坡口，因而上升管中应至少有一根上升管内径≥350mm，以在锅壳制作过程中兼作人孔使用。

3.3 上升管的布置

硫磺制酸火管锅炉的进口烟气温度为1 000～1 100℃，出口的烟气温度通常为400℃左右，而通常的中压饱和蒸汽温度约为260℃，可见火管锅炉前段的传热温差远远高于后段的传热温差。根据硫磺制酸火管锅炉的水动力计算，火管锅炉前段的蒸发量约占整台锅炉蒸发量的80%以上，也就是说，硫磺制酸火管锅炉各上升管的流量严重不均匀，由前往后呈现逐渐降低的趋势。

3.4 上升管的壁厚确定

根据GB/T 16508—2013《锅壳锅炉》进行强度计算，上升管的最小需要壁厚通常仅需要几毫米，但为了补强筒体开孔，上升管的设计壁厚通常为几十毫米，而且随着锅炉压力的提高，厚度越来越高。考虑到制酸规模大一些火管锅炉，整体运输尺寸较大，通常汽包、锅壳都是分体出厂，现场组焊，而现场组焊处即为上下两段上升管的对接。

4 结论

综上所述，对于硫磺制酸火管锅炉上升管的设计，可做以下几处优化：

1）烟气入口侧第一、二根上升管应在满足结构、强度的条件下尽量将管径设计的较大且靠前布置，以利于锅壳前部产生的大量蒸汽快速上升至汽包，避免锅壳前部热交换不畅而产生局部高温。

2）上升管中应至少有一根上升管内径≥350mm，以在锅壳制作过程中兼作人孔使用。

3）上升管对接处的壁厚可削薄至30mm以内，这样足以满足结构强度要求，又避免了焊后热处理的必要。

[1] 李学洪，卞清泉.硫磺制酸火管锅炉的工艺设计[J].化学工程与装备，2010，（10）：53-55.

[2] 朱传标主编.工业锅炉技术基础[M].上海：上海远东出版社，1996.

[3] 林宗虎等编.热水锅炉手册[M].北京：机械工业出版社，1994.

[4] 劳动部锅炉压力容器检测研究中心等编，锅炉压力容器材料手册[M].沈阳：东北工学院出版社，1992.

[5] 章燕谋编.锅炉与压力容器用钢[M].西安：西安交通大学出版社，1984.

O p t i mi z a t i o n o f t h e D e s i g n o f t h e R i s e r f o r S u l f u r A c i d F i r e T u b e B o i l e r

Zhang Jian

The sulfuric acid fi re tube boiler drum and the shell in the riser，both for high temperature steam transmission shell produced，and plays a supporting role in weight of drum，the safety and rationality is one of the most important part of the design of the whole boiler.In this paper，some optimization of the design of the riser is put forward through the analysis of several functions of the riser of the sulfuric acid boiler and the actual needs of the equipment during the process of its manufacture and installation.

f i re tube boiler；riser；design optimization

TQ111.16

A

1003-6490（2017）08-0118-01

2017-05-17

张健（1986—），男，山东德州人，助理工程师，主要研究方向为硫酸余热锅炉及压力容器设计。