硫酸系统转化工序开工炉系统的使用与改造

汪满清

（铜陵有色金属集团股份有限公司金冠铜业分公司，安徽铜陵244000）

目前大多数硫酸生产企业转化工序配置的系统开车升温使用的开工炉系统使用化石燃料如轻柴油、天然气等提供热源，通过换热器进行热量交换，从而将催化剂床层温度升高至生产所需的温度。由于加热要求的特殊性，开工炉在运行过程中普遍存在空气过剩系数大、排烟温度高、启停期间存在急冷急热的特点，导致开工炉既浪费燃料，又排放大量的氮氧化物等污染物。此外，还普遍存在换热器下管板或换热管开裂漏烟、现场低空污染严重的问题。如何稳定而高效地利用且低污染排放成了开工炉系统在使用中必须解决的现实问题。

1 开工炉系统的配置与生产现状

开工炉是利用燃料燃烧或电能加热将物料或介质加热至合适的温度，以满足生产工艺需要的一种工业炉窑。开工炉系统通常包含由金属炉体、耐火材料和保温材料组成的加热炉，燃烧器及配套的燃烧风机，稀释风机和换热器等设备，燃烧器和换热器是开工炉系统平稳运行的关键设备。

铜陵有色金属集团股份有限公司金冠铜业分公司（以下简称金冠铜业）现有2套制酸系统，开工炉系统中被加热介质为干燥空气或含SO2的干燥烟气，设计参数为：介质流量60 000～70 000 m3/h，进口温度75 ℃、预热后的温度515～550 ℃。原设计采用轻柴油为燃料，设计燃料流量为1 800 kg/h，油枪采用压缩空气雾化方式，燃烧风机型号为9-26-10D、流量27 905 m3/h，稀释风机型号为4-73-12D、流量61 574 m3/h，燃烧控制系统采用SIEMENS S7200 PLC，实现全自动启停控制及燃烧负荷的调节。

装置自2012年投产运行以来使用效果较好，但依然存在一些问题：一是使用的柴油燃烧器在系统开车点火燃烧的初期，存在换热器顶部排放烟囱冒黑烟或白烟的环境污染问题；二是燃烧烟气污染物排放超标，特别是氮氧化物超标；三是开工炉系统配套的换热器下管板易开裂而出现烟气泄漏，导致现场存在SO2低空污染。近几年来，随着国家环保政策越来越严格，原设计配置的开工炉系统已不能满足生产需要。

2 升级改造内容

针对上述问题，主要从燃烧系统和换热器两方面进行改造。

2.1 低氮燃烧技术的应用

为解决开车点火燃烧初期存在的冒黑烟以及氮氧化物超标问题，将燃料由轻柴油改为天然气，新增燃气系统管道，采用低氮燃烧器。低氮燃烧器具有如下特点：

1）为保证燃料稳定高效燃烧，燃烧器设有旋流式稳焰器，在旋流喷口的前方形成稳定的回流区，使空气和燃料混合得更加均匀，避免游离碳的生成。气枪喷头、燃烧器喷口及旋流稳焰器由于受炉膛高温热辐射采用了耐热不锈钢。

2）通过降低燃烧过剩空气系数和火焰温度减少NOx的生成量；通过强化燃料与空气的混合，确保在较低的过剩空气系数下实现完全燃烧；通过分级分段配风控制火焰的温度实现减少NOx的生成量。

3）燃烧器使用过程中燃料量与助燃风量按设定的风燃比进行调节，并且根据被加热工艺介质的温度需要调整稀释风流量，将工艺介质加热到系统要求的温度。

4）配套控制系统，能够实现自动点火、灭火报警保护、燃烧风和燃料自动按比例调节及循环风的流量、循环风机进口温度、预热炉出口的温度自动串级调节。控制系统直接连入制酸DCS系统，实现开工炉系统的远程控制和监视。

2.2 换热器的改造

原设计配置的换热器为立式圆筒单管程管式换热器，炉气从下管箱进入，进口温度700 ℃，出口放空温度为300 ℃；干燥空气进口温度为75 ℃，出口温度为515～550 ℃。预热炉操作气流量为81 000 m3/h，空气操作流量为60 000～70 000 m3/h，换热面积约为2 500 m2。

换热器投入运行几年来，开工炉系统长期处于停止运行的常温状态，在制酸系统开停车期间使用开工炉系统时，换热器处在进口烟气温度约700 ℃的使用状况，急冷急热和高温热膨胀致使换热器反复出现下管板开裂、部分换热管热变形开裂，导致制酸系统SO2风机出口高浓度的SO2烟气通过开裂缝泄漏至周边的环境而导致低空污染。

此次换热器改造的重点是解决换热器的热膨胀问题，经反复论证，最终采用了如下技术措施：

1）换热器换热段本体设置具有足够膨胀量的补偿器。

2）换热器下管板支撑采用小立柱的结构形式，小立柱与下管板之间设置支撑隔板。支撑隔板与下管板不焊接，与下立柱焊接。每个立柱外部用耐高温浇注料进行保温处理（要求耐热温度大于800 ℃），缓解急剧温度变化引起的热变形影响。

3）对于高温段的补偿，下气室设置了补偿装置。在详细的补偿量计算、设备承重核算的前提下，在下气室的小立柱上端设置补偿器。补偿器的设置兼顾设备承重需要及在700 ℃进口烟气温度下的热膨胀需要。

4）换热器下管板采用耐高温不锈钢，下管板立柱采用耐高温性能的合金钢，换热器下气室的壳体采用304不锈钢，下气室内壁设置保温加强，采用硅酸铝纤维毡与轻质浇筑保温复合的方式来减缓下气室钢壳体温度波动，避免出现急冷急热的膨胀。

5）换热器下管板设置耐高温保护措施。采用在对应的换热管开孔处焊接长度大于等于100 mm、材质为耐高温不锈钢的保护套管，保护套管的管间隙处浇铸耐高温浇铸料进行保护。

3 改造后效果

开工炉系统改造后，将燃烧器更换为燃烧天然气的低氮燃烧器，采用长明灯点燃主烧嘴二级点火方式，配备紫外光式火焰检测器。自2019年装置投入使用以来，燃烧器应用可靠、安全性高、调节比符合系统使用要求。燃烧器启动及正常运行时不再冒黑烟或白烟，采用低氮燃烧方式氮氧化物排放明显改善。实践证明，更换天然气燃料并采用低氮燃烧器可有效降低开工炉系统的污染物排放，降低燃料使用成本，为企业带来经济效益和社会效益。

换热器在采用上述技术措施的改造后，使用效果良好，目前任何部位均未出现设备变形的问题。

4 结语

开工炉系统在硫酸工业生产中广泛使用，早期大多采用轻柴油作为启动燃料，且都未采取氮氧化物控制措施。随着国家环保政策越来越严格，开工炉的氮氧化物排放问题势必越来越引起重视，低氮燃烧技术将逐步推广使用，金冠铜业开工炉系统改造的成功经验值得借鉴。