硫酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化工序開工爐系統(tǒng)的使用與改造

汪滿清

（銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司金冠銅業(yè)分公司，安徽銅陵244000）

目前大多數(shù)硫酸生產(chǎn)企業(yè)轉(zhuǎn)化工序配置的系統(tǒng)開車升溫使用的開工爐系統(tǒng)使用化石燃料如輕柴油、天然氣等提供熱源，通過換熱器進(jìn)行熱量交換，從而將催化劑床層溫度升高至生產(chǎn)所需的溫度。由于加熱要求的特殊性，開工爐在運(yùn)行過程中普遍存在空氣過剩系數(shù)大、排煙溫度高、啟停期間存在急冷急熱的特點(diǎn)，導(dǎo)致開工爐既浪費(fèi)燃料，又排放大量的氮氧化物等污染物。此外，還普遍存在換熱器下管板或換熱管開裂漏煙、現(xiàn)場(chǎng)低空污染嚴(yán)重的問題。如何穩(wěn)定而高效地利用且低污染排放成了開工爐系統(tǒng)在使用中必須解決的現(xiàn)實(shí)問題。

1 開工爐系統(tǒng)的配置與生產(chǎn)現(xiàn)狀

開工爐是利用燃料燃燒或電能加熱將物料或介質(zhì)加熱至合適的溫度，以滿足生產(chǎn)工藝需要的一種工業(yè)爐窯。開工爐系統(tǒng)通常包含由金屬爐體、耐火材料和保溫材料組成的加熱爐，燃燒器及配套的燃燒風(fēng)機(jī)，稀釋風(fēng)機(jī)和換熱器等設(shè)備，燃燒器和換熱器是開工爐系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。

銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司金冠銅業(yè)分公司（以下簡(jiǎn)稱金冠銅業(yè)）現(xiàn)有2套制酸系統(tǒng)，開工爐系統(tǒng)中被加熱介質(zhì)為干燥空氣或含SO2的干燥煙氣，設(shè)計(jì)參數(shù)為：介質(zhì)流量60 000～70 000 m3/h，進(jìn)口溫度75 ℃、預(yù)熱后的溫度515～550 ℃。原設(shè)計(jì)采用輕柴油為燃料，設(shè)計(jì)燃料流量為1 800 kg/h，油槍采用壓縮空氣霧化方式，燃燒風(fēng)機(jī)型號(hào)為9-26-10D、流量27 905 m3/h，稀釋風(fēng)機(jī)型號(hào)為4-73-12D、流量61 574 m3/h，燃燒控制系統(tǒng)采用SIEMENS S7200 PLC，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)啟?？刂萍叭紵?fù)荷的調(diào)節(jié)。

裝置自2012年投產(chǎn)運(yùn)行以來使用效果較好，但依然存在一些問題：一是使用的柴油燃燒器在系統(tǒng)開車點(diǎn)火燃燒的初期，存在換熱器頂部排放煙囪冒黑煙或白煙的環(huán)境污染問題；二是燃燒煙氣污染物排放超標(biāo)，特別是氮氧化物超標(biāo)；三是開工爐系統(tǒng)配套的換熱器下管板易開裂而出現(xiàn)煙氣泄漏，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)存在SO2低空污染。近幾年來，隨著國(guó)家環(huán)保政策越來越嚴(yán)格，原設(shè)計(jì)配置的開工爐系統(tǒng)已不能滿足生產(chǎn)需要。

2 升級(jí)改造內(nèi)容

針對(duì)上述問題，主要從燃燒系統(tǒng)和換熱器兩方面進(jìn)行改造。

2.1 低氮燃燒技術(shù)的應(yīng)用

為解決開車點(diǎn)火燃燒初期存在的冒黑煙以及氮氧化物超標(biāo)問題，將燃料由輕柴油改為天然氣，新增燃?xì)庀到y(tǒng)管道，采用低氮燃燒器。低氮燃燒器具有如下特點(diǎn)：

1）為保證燃料穩(wěn)定高效燃燒，燃燒器設(shè)有旋流式穩(wěn)焰器，在旋流噴口的前方形成穩(wěn)定的回流區(qū)，使空氣和燃料混合得更加均勻，避免游離碳的生成。氣槍噴頭、燃燒器噴口及旋流穩(wěn)焰器由于受爐膛高溫?zé)彷椛洳捎昧四蜔岵讳P鋼。

2）通過降低燃燒過?？諝庀禂?shù)和火焰溫度減少NOx的生成量；通過強(qiáng)化燃料與空氣的混合，確保在較低的過?？諝庀禂?shù)下實(shí)現(xiàn)完全燃燒；通過分級(jí)分段配風(fēng)控制火焰的溫度實(shí)現(xiàn)減少NOx的生成量。

3）燃燒器使用過程中燃料量與助燃風(fēng)量按設(shè)定的風(fēng)燃比進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且根據(jù)被加熱工藝介質(zhì)的溫度需要調(diào)整稀釋風(fēng)流量，將工藝介質(zhì)加熱到系統(tǒng)要求的溫度。

4）配套控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)火、滅火報(bào)警保護(hù)、燃燒風(fēng)和燃料自動(dòng)按比例調(diào)節(jié)及循環(huán)風(fēng)的流量、循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)口溫度、預(yù)熱爐出口的溫度自動(dòng)串級(jí)調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)直接連入制酸DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)開工爐系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視。

2.2 換熱器的改造

原設(shè)計(jì)配置的換熱器為立式圓筒單管程管式換熱器，爐氣從下管箱進(jìn)入，進(jìn)口溫度700 ℃，出口放空溫度為300 ℃；干燥空氣進(jìn)口溫度為75 ℃，出口溫度為515～550 ℃。預(yù)熱爐操作氣流量為81 000 m3/h，空氣操作流量為60 000～70 000 m3/h，換熱面積約為2 500 m2。

換熱器投入運(yùn)行幾年來，開工爐系統(tǒng)長(zhǎng)期處于停止運(yùn)行的常溫狀態(tài)，在制酸系統(tǒng)開停車期間使用開工爐系統(tǒng)時(shí)，換熱器處在進(jìn)口煙氣溫度約700 ℃的使用狀況，急冷急熱和高溫?zé)崤蛎浿率箵Q熱器反復(fù)出現(xiàn)下管板開裂、部分換熱管熱變形開裂，導(dǎo)致制酸系統(tǒng)SO2風(fēng)機(jī)出口高濃度的SO2煙氣通過開裂縫泄漏至周邊的環(huán)境而導(dǎo)致低空污染。

此次換熱器改造的重點(diǎn)是解決換熱器的熱膨脹問題，經(jīng)反復(fù)論證，最終采用了如下技術(shù)措施：

1）換熱器換熱段本體設(shè)置具有足夠膨脹量的補(bǔ)償器。

2）換熱器下管板支撐采用小立柱的結(jié)構(gòu)形式，小立柱與下管板之間設(shè)置支撐隔板。支撐隔板與下管板不焊接，與下立柱焊接。每個(gè)立柱外部用耐高溫澆注料進(jìn)行保溫處理（要求耐熱溫度大于800 ℃），緩解急劇溫度變化引起的熱變形影響。

3）對(duì)于高溫段的補(bǔ)償，下氣室設(shè)置了補(bǔ)償裝置。在詳細(xì)的補(bǔ)償量計(jì)算、設(shè)備承重核算的前提下，在下氣室的小立柱上端設(shè)置補(bǔ)償器。補(bǔ)償器的設(shè)置兼顧設(shè)備承重需要及在700 ℃進(jìn)口煙氣溫度下的熱膨脹需要。

4）換熱器下管板采用耐高溫不銹鋼，下管板立柱采用耐高溫性能的合金鋼，換熱器下氣室的殼體采用304不銹鋼，下氣室內(nèi)壁設(shè)置保溫加強(qiáng)，采用硅酸鋁纖維氈與輕質(zhì)澆筑保溫復(fù)合的方式來減緩下氣室鋼殼體溫度波動(dòng)，避免出現(xiàn)急冷急熱的膨脹。

5）換熱器下管板設(shè)置耐高溫保護(hù)措施。采用在對(duì)應(yīng)的換熱管開孔處焊接長(zhǎng)度大于等于100 mm、材質(zhì)為耐高溫不銹鋼的保護(hù)套管，保護(hù)套管的管間隙處澆鑄耐高溫澆鑄料進(jìn)行保護(hù)。

3 改造后效果

開工爐系統(tǒng)改造后，將燃燒器更換為燃燒天然氣的低氮燃燒器，采用長(zhǎng)明燈點(diǎn)燃主燒嘴二級(jí)點(diǎn)火方式，配備紫外光式火焰檢測(cè)器。自2019年裝置投入使用以來，燃燒器應(yīng)用可靠、安全性高、調(diào)節(jié)比符合系統(tǒng)使用要求。燃燒器啟動(dòng)及正常運(yùn)行時(shí)不再冒黑煙或白煙，采用低氮燃燒方式氮氧化物排放明顯改善。實(shí)踐證明，更換天然氣燃料并采用低氮燃燒器可有效降低開工爐系統(tǒng)的污染物排放，降低燃料使用成本，為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

換熱器在采用上述技術(shù)措施的改造后，使用效果良好，目前任何部位均未出現(xiàn)設(shè)備變形的問題。

4 結(jié)語(yǔ)

開工爐系統(tǒng)在硫酸工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用，早期大多采用輕柴油作為啟動(dòng)燃料，且都未采取氮氧化物控制措施。隨著國(guó)家環(huán)保政策越來越嚴(yán)格，開工爐的氮氧化物排放問題勢(shì)必越來越引起重視，低氮燃燒技術(shù)將逐步推廣使用，金冠銅業(yè)開工爐系統(tǒng)改造的成功經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。