硫磺制酸火管鍋爐上升管設計的優化

張 健

（中江能源回收揚州有限公司，江蘇揚州 211400）

硫磺制酸火管鍋爐上升管設計的優化

張 健

（中江能源回收揚州有限公司，江蘇揚州 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鍋爐設計的重要部分之一。通過對硫磺制酸火管鍋爐上升管幾種作用的分析，并結合設備制造和安裝過程中的實際需要，對上升管的設計提出幾處優化。

火管鍋爐；上升管；設計優化

隨著國內硫酸工業的持續發展和對環境保護要求的不斷提高，硫磺制酸以其工藝簡單、污染輕、熱能回收效率高等特點得到了迅猛發展。在硫磺制酸工藝中，通常會在焚硫爐后設置廢熱鍋爐，用于回收硫磺燃燒氣體的高溫、高品位熱能，并以水作為工質產生蒸汽拖動汽輪機發電。

1 硫磺制酸火管鍋爐結構簡潔

硫磺制酸火管鍋爐為臥式自然循環鍋爐，布置于焚硫爐之后，由汽包和鍋殼、進出口煙箱和鍋爐范圍內管系等部件組成。煙管固定在鍋殼兩端的管板上。煙氣由進口煙箱分流，縱向通過煙管，在出口煙箱內匯流引出。整臺鍋爐會根據實際情況設置2～4個鞍式支座，鍋殼前端支座通常為固定支座，其余為滑動支座，以保證鍋爐在運行時能按設計預定方向自由膨脹。

2 上升管設計的作用

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

3 上升管設計的幾處要點

綜合上升管的幾種作用，上升管在設計時應根據各種需要分別確定其數量、管徑、布置、壁厚等要點。

3.1 上升管數量確定

由于通常汽包不設支座支撐，而是由汽包底部的上升管兼作支撐結構，使汽包與鍋殼連成一體，因而上升管的數量不宜過少。同時，由于鍋殼筒體開孔孔橋等強度的原因，上升管數量又不可能布置太多。綜合強度、剛度及水動力等因素，根據長期設計經驗，上升管的數量通常以4個為宜。

3.2 上升管的管徑確定

硫磺制酸火管鍋爐為自然循環鍋爐，其水循環是靠下降管內的水與上升管內的汽水混合物之間的密度差形成的循環壓頭實現的。鍋爐循環流速計算如公式（1）。

式中：ω0——循環流速，m/s；

G——介質重量流量，kg/s；

F——上升管截面積，m2；

γ’——飽和水比重，kg/m3；

上升管內汽水混合物流速計算如公式（2）。

式中：ωh——汽水混合物流速，m/s；

X——介質重量含氣率，m/s；

γ”——飽和蒸汽比重，kg/m3；

根據上升管內汽水混合物流速推薦值，由公式（1）和（2）可計算出上升管截面積，進而確定上升管的管徑。同時，考慮到鍋殼不宜設置人孔，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計為內坡口，因而上升管中應至少有一根上升管內徑≥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遠高于后段的傳熱溫差。根據硫磺制酸火管鍋爐的水動力計算，火管鍋爐前段的蒸發量約占整臺鍋爐蒸發量的80%以上，也就是說，硫磺制酸火管鍋爐各上升管的流量嚴重不均勻，由前往后呈現逐漸降低的趨勢。

3.4 上升管的壁厚確定

根據GB/T 16508—2013《鍋殼鍋爐》進行強度計算，上升管的最小需要壁厚通常僅需要幾毫米，但為了補強筒體開孔，上升管的設計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。考慮到制酸規模大一些火管鍋爐，整體運輸尺寸較大，通常汽包、鍋殼都是分體出廠，現場組焊，而現場組焊處即為上下兩段上升管的對接。

4 結論

綜上所述，對于硫磺制酸火管鍋爐上升管的設計，可做以下幾處優化：

1）煙氣入口側第一、二根上升管應在滿足結構、強度的條件下盡量將管徑設計的較大且靠前布置，以利于鍋殼前部產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生局部高溫。

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

3）上升管對接處的壁厚可削薄至30mm以內，這樣足以滿足結構強度要求，又避免了焊后熱處理的必要。

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

[2] 朱傳標主編.工業鍋爐技術基礎[M].上海：上海遠東出版社，1996.

[3] 林宗虎等編.熱水鍋爐手冊[M].北京：機械工業出版社，1994.

[4] 勞動部鍋爐壓力容器檢測研究中心等編，鍋爐壓力容器材料手冊[M].沈陽：東北工學院出版社，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

張健（1986—），男，山東德州人，助理工程師，主要研究方向為硫酸余熱鍋爐及壓力容器設計。