硫磺制酸火管鍋爐上升管設(shè)計(jì)的優(yōu)化

張 健

（中江能源回收揚(yáng)州有限公司，江蘇揚(yáng)州 211400）

硫磺制酸火管鍋爐上升管設(shè)計(jì)的優(yōu)化

張 健

（中江能源回收揚(yáng)州有限公司，江蘇揚(yáng)州 211400）

硫磺制酸火管鍋爐上升管位于汽包和鍋殼之間，既用于傳輸鍋殼產(chǎn)生的高溫蒸汽，又起著支撐汽包重量的作用，其安全性和合理性是整臺(tái)鍋爐設(shè)計(jì)的重要部分之一。通過對(duì)硫磺制酸火管鍋爐上升管幾種作用的分析，并結(jié)合設(shè)備制造和安裝過程中的實(shí)際需要，對(duì)上升管的設(shè)計(jì)提出幾處優(yōu)化。

火管鍋爐；上升管；設(shè)計(jì)優(yōu)化

隨著國內(nèi)硫酸工業(yè)的持續(xù)發(fā)展和對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高，硫磺制酸以其工藝簡(jiǎn)單、污染輕、熱能回收效率高等特點(diǎn)得到了迅猛發(fā)展。在硫磺制酸工藝中，通常會(huì)在焚硫爐后設(shè)置廢熱鍋爐，用于回收硫磺燃燒氣體的高溫、高品位熱能，并以水作為工質(zhì)產(chǎn)生蒸汽拖動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。

1 硫磺制酸火管鍋爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔

硫磺制酸火管鍋爐為臥式自然循環(huán)鍋爐，布置于焚硫爐之后，由汽包和鍋殼、進(jìn)出口煙箱和鍋爐范圍內(nèi)管系等部件組成。煙管固定在鍋殼兩端的管板上。煙氣由進(jìn)口煙箱分流，縱向通過煙管，在出口煙箱內(nèi)匯流引出。整臺(tái)鍋爐會(huì)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置2～4個(gè)鞍式支座，鍋殼前端支座通常為固定支座，其余為滑動(dòng)支座，以保證鍋爐在運(yùn)行時(shí)能按設(shè)計(jì)預(yù)定方向自由膨脹。

2 上升管設(shè)計(jì)的作用

硫磺制酸火管鍋爐上升管位于汽包和鍋殼之間，由于通常汽包不設(shè)支座支撐，而是由汽包底部的上升管兼作支撐結(jié)構(gòu)，使汽包與鍋殼連成一體，所以上升管既用于傳輸鍋殼產(chǎn)生的高溫蒸汽，又起著支撐汽包重量的作用，其安全性和合理性是整臺(tái)鍋爐設(shè)計(jì)的重要部分之一。另外，由于硫磺制酸火管鍋爐的鍋殼內(nèi)部布滿煙管，鍋殼內(nèi)部根本沒有人操作的空間，因而在鍋殼上設(shè)置人孔基本沒有實(shí)際意義。

3 上升管設(shè)計(jì)的幾處要點(diǎn)

綜合上升管的幾種作用，上升管在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)各種需要分別確定其數(shù)量、管徑、布置、壁厚等要點(diǎn)。

3.1 上升管數(shù)量確定

由于通常汽包不設(shè)支座支撐，而是由汽包底部的上升管兼作支撐結(jié)構(gòu)，使汽包與鍋殼連成一體，因而上升管的數(shù)量不宜過少。同時(shí)，由于鍋殼筒體開孔孔橋等強(qiáng)度的原因，上升管數(shù)量又不可能布置太多。綜合強(qiáng)度、剛度及水動(dòng)力等因素，根據(jù)長(zhǎng)期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，上升管的數(shù)量通常以4個(gè)為宜。

3.2 上升管的管徑確定

硫磺制酸火管鍋爐為自然循環(huán)鍋爐，其水循環(huán)是靠下降管內(nèi)的水與上升管內(nèi)的汽水混合物之間的密度差形成的循環(huán)壓頭實(shí)現(xiàn)的。鍋爐循環(huán)流速計(jì)算如公式（1）。

式中：ω0——循環(huán)流速，m/s；

G——介質(zhì)重量流量，kg/s；

F——上升管截面積，m2；

γ’——飽和水比重，kg/m3；

上升管內(nèi)汽水混合物流速計(jì)算如公式（2）。

式中：ωh——汽水混合物流速，m/s；

X——介質(zhì)重量含氣率，m/s；

γ”——飽和蒸汽比重，kg/m3；

根據(jù)上升管內(nèi)汽水混合物流速推薦值，由公式（1）和（2）可計(jì)算出上升管截面積，進(jìn)而確定上升管的管徑。同時(shí)，考慮到鍋殼不宜設(shè)置人孔，而且在鍋殼的制造過程中，鍋殼筒體與前后管板之間通常設(shè)計(jì)為內(nèi)坡口，因而上升管中應(yīng)至少有一根上升管內(nèi)徑≥350mm，以在鍋殼制作過程中兼作人孔使用。

3.3 上升管的布置

硫磺制酸火管鍋爐的進(jìn)口煙氣溫度為1 000～1 100℃，出口的煙氣溫度通常為400℃左右，而通常的中壓飽和蒸汽溫度約為260℃，可見火管鍋爐前段的傳熱溫差遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后段的傳熱溫差。根據(jù)硫磺制酸火管鍋爐的水動(dòng)力計(jì)算，火管鍋爐前段的蒸發(fā)量約占整臺(tái)鍋爐蒸發(fā)量的80%以上，也就是說，硫磺制酸火管鍋爐各上升管的流量嚴(yán)重不均勻，由前往后呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。

3.4 上升管的壁厚確定

根據(jù)GB/T 16508—2013《鍋殼鍋爐》進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，上升管的最小需要壁厚通常僅需要幾毫米，但為了補(bǔ)強(qiáng)筒體開孔，上升管的設(shè)計(jì)壁厚通常為幾十毫米，而且隨著鍋爐壓力的提高，厚度越來越高?？紤]到制酸規(guī)模大一些火管鍋爐，整體運(yùn)輸尺寸較大，通常汽包、鍋殼都是分體出廠，現(xiàn)場(chǎng)組焊，而現(xiàn)場(chǎng)組焊處即為上下兩段上升管的對(duì)接。

4 結(jié)論

綜上所述，對(duì)于硫磺制酸火管鍋爐上升管的設(shè)計(jì)，可做以下幾處優(yōu)化：

1）煙氣入口側(cè)第一、二根上升管應(yīng)在滿足結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度的條件下盡量將管徑設(shè)計(jì)的較大且靠前布置，以利于鍋殼前部產(chǎn)生的大量蒸汽快速上升至汽包，避免鍋殼前部熱交換不暢而產(chǎn)生局部高溫。

2）上升管中應(yīng)至少有一根上升管內(nèi)徑≥350mm，以在鍋殼制作過程中兼作人孔使用。

3）上升管對(duì)接處的壁厚可削薄至30mm以內(nèi)，這樣足以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，又避免了焊后熱處理的必要。

[1] 李學(xué)洪，卞清泉.硫磺制酸火管鍋爐的工藝設(shè)計(jì)[J].化學(xué)工程與裝備，2010，（10）：53-55.

[2] 朱傳標(biāo)主編.工業(yè)鍋爐技術(shù)基礎(chǔ)[M].上海：上海遠(yuǎn)東出版社，1996.

[3] 林宗虎等編.熱水鍋爐手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

[4] 勞動(dòng)部鍋爐壓力容器檢測(cè)研究中心等編，鍋爐壓力容器材料手冊(cè)[M].沈陽：東北工學(xué)院出版社，1992.

[5] 章燕謀編.鍋爐與壓力容器用鋼[M].西安：西安交通大學(xué)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

張?。?986—），男，山東德州人，助理工程師，主要研究方向?yàn)榱蛩嵊酂徨仩t及壓力容器設(shè)計(jì)。