自控燃硫系統中熔硫裝置的設計

韋河光，盧錦華，馮春亞，黃海鑫

（廣西葉茂機電自動化有限責任公司，廣西南寧530001）

自控燃硫系統中熔硫裝置的設計

韋河光，盧錦華，馮春亞，黃海鑫

（廣西葉茂機電自動化有限責任公司，廣西南寧530001）

近年來亞硫酸法甘蔗糖廠逐漸采用新型的自控燃硫系統來替代傳統的托盤式燃硫爐制備SO2。熔硫裝置作為自控燃硫系統中的一個重要組成部分，通過合理的設計和制作，可以為自控燃硫系統提供充足的、溫度適宜的液態硫磺，確保自控燃硫系統能夠正常運行，從而保證硫熏工藝的穩定。本文結合生產實踐，介紹了熔硫裝置的設計計算過程以及設計中要考慮的各種要點。

硫磺；熔硫；加熱盤管；自動控制

0　前言

我國大部分的甘蔗糖廠采用亞硫酸法澄清工藝，而SO2則是采用該工藝的重要原料。甘蔗糖廠SO2的制備是通過燃硫爐燃燒硫磺的方法獲得。過去幾十年甘蔗糖廠的燃硫爐采用的是托盤自熔式燃硫爐，這種燃硫爐為半敞開式結構，工藝十分落后，不僅滿足不了糖廠穩定控制SO2量和硫熏強度的需要，而且工作條件十分惡劣，對工人身體健康有很大危害。

隨著時代的發展和技術的進步，甘蔗糖廠 SO2的制備設備也在進步。近幾年甘蔗糖廠開始使用全封閉式、自動控制燃燒的新型自控燃硫系統。新型自控燃硫系統不但具有即開即停、全自動運行、無泄漏、硫熏穩定且響應迅速等優點，而且極大地改善了工作條件，解放了勞動力。目前國內甘蔗糖廠使用的新型自控燃硫系統有2種燃燒方式：一種是通過霧化噴槍將液體硫磺充分霧化噴進爐體內，與精確配比的空氣充分混合后瞬間完全燃燒［1-2］；另一種是先將液體硫磺泵送進一級爐體內，與不足量的空氣燃燒后形成SO2與硫蒸汽的混合物，然后再進入二級爐體內與空氣混合燃燒［3］。這 2種新型自控燃硫系統雖然燃燒方式不一樣，但它們有個共同的前提，那就是首先要在熔硫裝置中將固體硫磺熔化為液體硫磺后才能進行下一步的燃燒。本文通過理論計算并結合生產實踐經驗，研究探討如何設計一套適用于自控燃硫系統的熔硫裝置。

1　熔硫裝置的設計

熔硫裝置的作用是將固體硫磺加熱成為液體硫磺。熔硫裝置主要由熔硫槽體、加熱盤管、攪拌器和液硫泵組成（圖1）。為了便于論述，以下將以一套適用于榨量為10000 t/d的亞法甘蔗糖廠的熔硫裝置來進行設計計算，不同規模的甘蔗糖廠可以據此進行類比設計。榨量為10000 t/d的亞法甘蔗糖廠，根據不同的硫熏強度工藝的需要，其每天燃燒消耗的固體硫磺為10～15 t，這里取最大值15 t/d，換算得：15/24=0.625 t/h，即為625 kg/h。

圖1　熔硫裝置結構簡圖

1.1熔硫槽體的設計

熔硫槽體可以設計成圓筒體或方體，考慮到攪拌器和液硫泵的安裝，一般設計成長方體。在長方體熔硫槽中間設置一隔板，將熔硫槽體分隔成為一階熔硫槽和二階熔硫槽。這樣設計有2個好處：①固體硫磺添加在一階熔硫槽內，熔化之后溢流經過中間隔板上的過濾網然后進入二階熔硫槽，可以有效過濾掉混雜在其中的標簽、編織袋絲等雜物；②液硫泵安裝在二階熔硫槽，可以避免因固體顆粒硫磺進入泵內對泵造成損壞。

熔硫槽體的容積取決于液硫消耗量和液硫在槽內的停留時間，其最小容積可根據此公式計算：

V=Qt/fρ··············································（1）

式中：V—槽容積，m3；Q—液硫燃燒消耗量，t/h；t—液硫在槽中的停留時間，h；f—槽容積利用系數，一般取0.6～0.8；ρ—135～145℃下的液硫密度，1.8 t/m3。

取Q=0.625 t/h，t=4 h，f=0.7代入式（1）得：

V=0.625×4/（0.7×1.8）=2 m3

根據計算結果，再綜合考慮攪拌器、液硫泵的安裝以及板材的利用等，可以將熔硫槽體的尺寸設計為長×寬×高：3 m×1.5 m×1 m。槽體在中部由隔板分2階，每階容積2.25 m3。雖然甘蔗糖廠所使用的硫磺符合《GB 3150-2010 食品添加劑 硫磺》的要求，純度很高，但也含有少量游離酸，有一定的腐蝕性，因此制造熔硫槽體的材料宜選用不銹鋼材料。

1.2加熱盤管的設計

將固體硫磺加熱熔化有2種方式可以選擇：電熱管加熱和蒸汽管加熱。硫磺的物理特性：在118.9℃開始熔化，在120～155℃之間粘度最小流動性也最好；當溫度超過 160℃之后粘度迅速上升，流動性極差，導熱系數下降，易出現局部過熱現象；當達到248℃時開始自燃［4］。針對硫磺的該特性，采用0.6 MPa（絕對壓力）、158℃的飽和蒸汽通過盤管加熱的方式來熔化硫磺，既可以快速地熔化硫磺，又可以確保液硫溫度穩定在所需范圍之內。加熱盤管的傳熱面積可以根據以下經驗公式計算［5］：

A=（171.63+25.41B）×p/（3.60×k×△T）·······（2）

式中：A—傳熱面積，m2；B—硫磺含水量，％；p—熔硫能力，kg/h；k—傳熱系數，對于帶攪拌的方截面槽k為450～550 W/（m2·K），帶攪拌的圓截面槽k為500～600 W/（m2·K）；△T—傳熱溫差，當飽和蒸汽為0.6 MPa、158℃時，△T=18℃。

將B=0.1，p=625 kg/h，k=450 W/（m2·K）代入上式得：

A=（171.63+25.41×0.1）×625/（3.6×450×18）=3.73 m2

加熱盤管的管徑如太小，會使管的總長度很長且不利于蒸汽流通；如管徑太大，則彎管加工困難。一般管徑的設計取值在Φ25～50 mm比較合適。這里取中間值，取管徑為Φ38 mm，壁厚3 mm，則加熱盤管的長度為：

L=3.73/（3.14×（0.038-0.003））=34 m

一階熔硫槽體的長寬均為1.5 m，故加熱盤管的螺旋彎曲直徑可取 1.4 m，計算得加熱盤管的圈數為：

N=34/（3.14×1.4）=7.7≈8

熔硫槽體的高度為1 m，槽容積利用系數為0.7，也即液硫的液位高度為0.7 m，為確保加熱盤管完全浸沒在液硫里，加熱盤管有效加熱部分不能高于0.7 m，因此加熱盤管的螺距為：

h≤0.7/8=0.0875 m

螺距需大于管徑，因此螺距可以取值在 38～87.5 mm之間。由于熔硫槽體分為一階和二階熔硫槽，因此加熱盤管也分為一階和二階加熱盤管。固體硫磺全部在一階熔硫槽內熔化，因此一階加熱盤管的設計可按以上的計算結果進行設計，而二階加熱盤管的目的主要是維持液硫的溫度，因此二階加熱盤管的傳熱面積只需達到一階加熱盤管面積的1/4～1/3即可。同樣，考慮到液硫的微酸腐蝕性，加熱盤管的材料宜選用不銹鋼材料。此外，為了便于日后的安裝和維修，加熱盤管的進出口法蘭應設置在槽體頂部，且應設計成易裝拆的結構形式。

由式（2）可知，硫磺的含水量對熱能的消耗量影響很大，因此固體硫磺在搬運和儲存過程中應注意保持干燥。用于熔硫的蒸汽可以來源于甘蔗糖廠的鍋爐蒸汽，經過減溫減壓后達到 0.6 MPa（絕對壓力）、158℃的要求，但由于甘蔗糖廠是季節性生產周期，停產期間鍋爐停爐，如果這期間需要蒸汽熔硫對熔硫裝置進行維護的話則無法進行。為此，可以配置一臺小型的全自動電熱蒸汽發生器滿足使用要求。

1.3攪拌器的設計

攪拌器的作用是通過攪拌槳的旋轉，使固體和液體充分混合，以加速傳熱過程，提高熔化速度。攪拌器安裝在加熱盤管的中心，這樣加熱盤管可以同時起到擋板和導流筒的作用，減少渦流，強化傳熱。在熔硫槽內，介質固、液態并存，加熱盤管附近的液硫和其他區域的溫度不一致，這就需要攪拌器的擴散和循環能力較大，適應性好。為此，攪拌器必須具有合理的結構和足夠的強度，并具有制作安裝方便、連接穩定等特點。

攪拌槳的種類很多，在熔硫裝置的設計中，一般選用折葉槳式和開啟渦輪式。當裝置規模較小時一般多采用折葉式攪拌槳。折葉式攪拌槳由2片扁鋼制作，對稱焊接于攪拌軸上，成45°折角。攪拌軸與減速機由聯軸器相連，固定于頂蓋上，穩定可靠且易于安裝。

攪拌器可以參考相關手冊進行設計，但在實際應用中有諸多因素影響攪拌器的效果，所以若在設計時能在采納標準數據的同時不斷收集現場數據，并通過現場試驗的手段進行優化，會使攪拌器的結構更加合理、攪拌效果更好。根據筆者的實踐經驗對于1.5 m×1.5 m規格的熔硫槽，折葉槳的回旋直徑為300 mm，槳葉寬80 mm，攪拌轉速在60～80 r/min時，以加熱盤管為擋板的情況下循環能力較強，攪拌較均勻，可以達到較好的傳熱效果。

1.4液硫泵的選型

液硫泵的作用是將 130～150℃的液態硫磺泵送至燃硫爐內燃燒。由于硫熏強度的精確性和穩定性對于甘蔗糖廠的澄清工藝非常重要，因而硫磺燃燒量的精確性和穩定性也就十分的重要。在過去，液硫的霧化燃燒使用的是機械霧化噴槍，要求液硫泵必須提供較大的壓力才能使液硫足夠霧化以達到瞬間完全燃燒的目的?，F在氣泡霧化噴槍已取代了機械霧化噴槍，液硫泵不需要提供很大的壓力就能使液硫達到非常好的霧化效果。因此，對液硫泵的要求主要是2點：①耐高溫，能在130～150℃的環境下運行；②流量穩定且可調。在硫磺制酸行業，用于泵送液態硫磺的有離心泵、漩渦泵、部分流泵等各種泵類，但在甘蔗糖廠這種燃硫量很小的工況下（液硫密度為1.8 t/m3，燃硫量0.625 t/h相當于347 L/h），筆者在多次試驗以及在實際中的應用表明，齒輪定量泵能同時滿足以上2種要求，而且齒輪定量泵還具有結構簡單，易于安裝和維護等優點。

1.5設計過程要注意的其他事項

在熔硫裝置的設計過程中，還有以下幾點需要注意的地方：①固體硫磺的加料口位于槽體頂部，為避免添加硫磺時液硫飛濺，加料口應設計成斜坡狀；②一、二階熔硫槽內應配置溫度計，以便實時監測液硫的溫度；③熔硫槽體四周應增加保溫層，可以防止熱量損失，減少能耗；④熔硫槽體底部應設置夾套保溫閥門，在長時間的使用之后，可以通過夾套保溫閥門來排出槽體內的物料，以便清除槽體內的沉渣等雜物。

2　結語

自控燃硫系統的出現極大地改善了甘蔗糖廠澄清車間制備SO2工段的工作環境，減輕了工人的勞動強度。熔硫裝置作為自控燃硫系統的重要組成部分，通過合理的設計和制作，可以為系統提供足夠的、溫度適宜的液態硫磺，確保了自控燃硫系統的正常運行，從而滿足了糖廠穩定硫熏工藝的需要，對提高白砂糖的質量有積極的作用。

［1］何華柱，黃財，何雅林，等.噴射式燃硫爐在制糖行業應用的可行性分析［J］.甘蔗糖業，2008（5）：39-44.

［2］葉麗娜，林興盛，甘迪寧，等.全自動噴霧燃硫系統技術原理及應用［J］.甘蔗糖業，2012（5）：44-48.

［3］黃映成，藍紅勇，藍勝宇，等.汽化旋風燃硫爐及其在糖廠的應用［J］.廣西蔗糖，2011（3）：19-22.

［4］南京化學工業公司設計院.硫酸工藝設計手冊物化數據篇［M］.南京：化工部硫酸工業科技情報中心站，1990：57-61.

［5］鄒玉霜.固體硫磺熔融裝置設計要點［J］.硫磷設計與粉體工程，2006（2）：34-36.

（本篇責任編校：鄧丹丹）

The Design of Sulphur Melting Device in the Auto-Control Sulphur Burning System

WEI He-guang，LU Jin-hua，FENG Chun-ya，HUANG Hai-xin
（Guangxi Yemao Electromechanical Automation Co.Ltd.，Nanning 530001）

Sulfurous method of sugarcane factories gradually adopted new-type auto-control sulphur burning system instead of traditional tray type furnace sulphur burning to produce sulphur dioxide in recent years.Sulphur melting device，an important component of auto-control sulphur burning system，could provided enough liquid sulfur with moderate-temperature through reasonable design and production，which could ensure auto-control sulphur burning system normal running and stoving process stable.This paper introduced design calculation process of sulphur melting device and considered various points in the design combining with production practice.

Sulphur； Sulphur melting； Heating coil； Auto-control

TS243

B

1005-9695（2016）04-0049-04

2016-06-24；

2016-08-09

韋河光（1982-），男，廣西橫縣人，工程師，主要從事制糖裝備的設計研究及制造工作

韋河光，盧錦華，馮春亞，等.自控燃硫系統中熔硫裝置的設計［J］.甘蔗糖業，2016（4）：49-52.