自控燃硫系統(tǒng)中熔硫裝置的設(shè)計(jì)

韋河光，盧錦華，馮春亞，黃海鑫

（廣西葉茂機(jī)電自動(dòng)化有限責(zé)任公司，廣西南寧530001）

自控燃硫系統(tǒng)中熔硫裝置的設(shè)計(jì)

韋河光，盧錦華，馮春亞，黃海鑫

（廣西葉茂機(jī)電自動(dòng)化有限責(zé)任公司，廣西南寧530001）

近年來(lái)亞硫酸法甘蔗糖廠(chǎng)逐漸采用新型的自控燃硫系統(tǒng)來(lái)替代傳統(tǒng)的托盤(pán)式燃硫爐制備SO2。熔硫裝置作為自控燃硫系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和制作，可以為自控燃硫系統(tǒng)提供充足的、溫度適宜的液態(tài)硫磺，確保自控燃硫系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，從而保證硫熏工藝的穩(wěn)定。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，介紹了熔硫裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程以及設(shè)計(jì)中要考慮的各種要點(diǎn)。

硫磺；熔硫；加熱盤(pán)管；自動(dòng)控制

0　前言

我國(guó)大部分的甘蔗糖廠(chǎng)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(chǎng)SO2的制備是通過(guò)燃硫爐燃燒硫磺的方法獲得。過(guò)去幾十年甘蔗糖廠(chǎng)的燃硫爐采用的是托盤(pán)自熔式燃硫爐，這種燃硫爐為半敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，工藝十分落后，不僅滿(mǎn)足不了糖廠(chǎng)穩(wěn)定控制SO2量和硫熏強(qiáng)度的需要，而且工作條件十分惡劣，對(duì)工人身體健康有很大危害。

隨著時(shí)代的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，甘蔗糖廠(chǎng) SO2的制備設(shè)備也在進(jìn)步。近幾年甘蔗糖廠(chǎng)開(kāi)始使用全封閉式、自動(dòng)控制燃燒的新型自控燃硫系統(tǒng)。新型自控燃硫系統(tǒng)不但具有即開(kāi)即停、全自動(dòng)運(yùn)行、無(wú)泄漏、硫熏穩(wěn)定且響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，而且極大地改善了工作條件，解放了勞動(dòng)力。目前國(guó)內(nèi)甘蔗糖廠(chǎng)使用的新型自控燃硫系統(tǒng)有2種燃燒方式：一種是通過(guò)霧化噴槍將液體硫磺充分霧化噴進(jìn)爐體內(nèi)，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(jìn)一級(jí)爐體內(nèi)，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(jìn)入二級(jí)爐體內(nèi)與空氣混合燃燒［3］。這 2種新型自控燃硫系統(tǒng)雖然燃燒方式不一樣，但它們有個(gè)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(jìn)行下一步的燃燒。本文通過(guò)理論計(jì)算并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研究探討如何設(shè)計(jì)一套適用于自控燃硫系統(tǒng)的熔硫裝置。

1　熔硫裝置的設(shè)計(jì)

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(pán)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(chǎng)的熔硫裝置來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，不同規(guī)模的甘蔗糖廠(chǎng)可以據(jù)此進(jìn)行類(lèi)比設(shè)計(jì)。榨量為10000 t/d的亞法甘蔗糖廠(chǎng)，根據(jù)不同的硫熏強(qiáng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.1熔硫槽體的設(shè)計(jì)

熔硫槽體可以設(shè)計(jì)成圓筒體或方體，考慮到攪拌器和液硫泵的安裝，一般設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方體。在長(zhǎng)方體熔硫槽中間設(shè)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(shè)計(jì)有2個(gè)好處：①固體硫磺添加在一階熔硫槽內(nèi)，熔化之后溢流經(jīng)過(guò)中間隔板上的過(guò)濾網(wǎng)然后進(jìn)入二階熔硫槽，可以有效過(guò)濾掉混雜在其中的標(biāo)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(jìn)入泵內(nèi)對(duì)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(nèi)的停留時(shí)間，其最小容積可根據(jù)此公式計(jì)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(shí)間，h；f—槽容積利用系數(shù)，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(jù)計(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)為長(zhǎng)×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(chǎng)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(pán)管的設(shè)計(jì)

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(kāi)始熔化，在120～155℃之間粘度最小流動(dòng)性也最好；當(dāng)溫度超過(guò) 160℃之后粘度迅速上升，流動(dòng)性極差，導(dǎo)熱系數(shù)下降，易出現(xiàn)局部過(guò)熱現(xiàn)象；當(dāng)達(dá)到248℃時(shí)開(kāi)始自燃［4］。針對(duì)硫磺的該特性，采用0.6 MPa（絕對(duì)壓力）、158℃的飽和蒸汽通過(guò)盤(pán)管加熱的方式來(lái)熔化硫磺，既可以快速地熔化硫磺，又可以確保液硫溫度穩(wěn)定在所需范圍之內(nèi)。加熱盤(pán)管的傳熱面積可以根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(shù)，對(duì)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(dāng)飽和蒸汽為0.6 MPa、158℃時(shí)，△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(pán)管的管徑如太小，會(huì)使管的總長(zhǎng)度很長(zhǎng)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(shè)計(jì)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(pán)管的長(zhǎng)度為：

L=3.73/（3.14×（0.038-0.003））=34 m

一階熔硫槽體的長(zhǎng)寬均為1.5 m，故加熱盤(pán)管的螺旋彎曲直徑可取 1.4 m，計(jì)算得加熱盤(pán)管的圈數(shù)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(shù)為0.7，也即液硫的液位高度為0.7 m，為確保加熱盤(pán)管完全浸沒(méi)在液硫里，加熱盤(pán)管有效加熱部分不能高于0.7 m，因此加熱盤(pán)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(pán)管也分為一階和二階加熱盤(pán)管。固體硫磺全部在一階熔硫槽內(nèi)熔化，因此一階加熱盤(pán)管的設(shè)計(jì)可按以上的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，而二階加熱盤(pán)管的目的主要是維持液硫的溫度，因此二階加熱盤(pán)管的傳熱面積只需達(dá)到一階加熱盤(pán)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(pán)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(pán)管的進(jìn)出口法蘭應(yīng)設(shè)置在槽體頂部，且應(yīng)設(shè)計(jì)成易裝拆的結(jié)構(gòu)形式。

由式（2）可知，硫磺的含水量對(duì)熱能的消耗量影響很大，因此固體硫磺在搬運(yùn)和儲(chǔ)存過(guò)程中應(yīng)注意保持干燥。用于熔硫的蒸汽可以來(lái)源于甘蔗糖廠(chǎng)的鍋爐蒸汽，經(jīng)過(guò)減溫減壓后達(dá)到 0.6 MPa（絕對(duì)壓力）、158℃的要求，但由于甘蔗糖廠(chǎng)是季節(jié)性生產(chǎn)周期，停產(chǎn)期間鍋爐停爐，如果這期間需要蒸汽熔硫?qū)θ哿蜓b置進(jìn)行維護(hù)的話(huà)則無(wú)法進(jìn)行。為此，可以配置一臺(tái)小型的全自動(dòng)電熱蒸汽發(fā)生器滿(mǎn)足使用要求。

1.3攪拌器的設(shè)計(jì)

攪拌器的作用是通過(guò)攪拌槳的旋轉(zhuǎn)，使固體和液體充分混合，以加速傳熱過(guò)程，提高熔化速度。攪拌器安裝在加熱盤(pán)管的中心，這樣加熱盤(pán)管可以同時(shí)起到擋板和導(dǎo)流筒的作用，減少渦流，強(qiáng)化傳熱。在熔硫槽內(nèi)，介質(zhì)固、液態(tài)并存，加熱盤(pán)管附近的液硫和其他區(qū)域的溫度不一致，這就需要攪拌器的擴(kuò)散和循環(huán)能力較大，適應(yīng)性好。為此，攪拌器必須具有合理的結(jié)構(gòu)和足夠的強(qiáng)度，并具有制作安裝方便、連接穩(wěn)定等特點(diǎn)。

攪拌槳的種類(lèi)很多，在熔硫裝置的設(shè)計(jì)中，一般選用折葉槳式和開(kāi)啟渦輪式。當(dāng)裝置規(guī)模較小時(shí)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(duì)稱(chēng)焊接于攪拌軸上，成45°折角。攪拌軸與減速機(jī)由聯(lián)軸器相連，固定于頂蓋上，穩(wěn)定可靠且易于安裝。

攪拌器可以參考相關(guān)手冊(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但在實(shí)際應(yīng)用中有諸多因素影響攪拌器的效果，所以若在設(shè)計(jì)時(shí)能在采納標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的同時(shí)不斷收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的手段進(jìn)行優(yōu)化，會(huì)使攪拌器的結(jié)構(gòu)更加合理、攪拌效果更好。根據(jù)筆者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)于1.5 m×1.5 m規(guī)格的熔硫槽，折葉槳的回旋直徑為300 mm，槳葉寬80 mm，攪拌轉(zhuǎn)速在60～80 r/min時(shí)，以加熱盤(pán)管為擋板的情況下循環(huán)能力較強(qiáng)，攪拌較均勻，可以達(dá)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(tài)硫磺泵送至燃硫爐內(nèi)燃燒。由于硫熏強(qiáng)度的精確性和穩(wěn)定性對(duì)于甘蔗糖廠(chǎng)的澄清工藝非常重要，因而硫磺燃燒量的精確性和穩(wěn)定性也就十分的重要。在過(guò)去，液硫的霧化燃燒使用的是機(jī)械霧化噴槍?zhuān)笠毫虮帽仨毺峁┹^大的壓力才能使液硫足夠霧化以達(dá)到瞬間完全燃燒的目的?，F(xiàn)在氣泡霧化噴槍已取代了機(jī)械霧化噴槍?zhuān)毫虮貌恍枰峁┖艽蟮膲毫湍苁挂毫蜻_(dá)到非常好的霧化效果。因此，對(duì)液硫泵的要求主要是2點(diǎn)：①耐高溫，能在130～150℃的環(huán)境下運(yùn)行；②流量穩(wěn)定且可調(diào)。在硫磺制酸行業(yè)，用于泵送液態(tài)硫磺的有離心泵、漩渦泵、部分流泵等各種泵類(lèi)，但在甘蔗糖廠(chǎng)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(dāng)于347 L/h），筆者在多次試驗(yàn)以及在實(shí)際中的應(yīng)用表明，齒輪定量泵能同時(shí)滿(mǎn)足以上2種要求，而且齒輪定量泵還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

1.5設(shè)計(jì)過(guò)程要注意的其他事項(xiàng)

在熔硫裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中，還有以下幾點(diǎn)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(shí)液硫飛濺，加料口應(yīng)設(shè)計(jì)成斜坡?tīng)睿虎谝?、二階熔硫槽內(nèi)應(yīng)配置溫度計(jì)，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液硫的溫度；③熔硫槽體四周應(yīng)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(yīng)設(shè)置夾套保溫閥門(mén)，在長(zhǎng)時(shí)間的使用之后，可以通過(guò)夾套保溫閥門(mén)來(lái)排出槽體內(nèi)的物料，以便清除槽體內(nèi)的沉渣等雜物。

2　結(jié)語(yǔ)

自控燃硫系統(tǒng)的出現(xiàn)極大地改善了甘蔗糖廠(chǎng)澄清車(chē)間制備SO2工段的工作環(huán)境，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。熔硫裝置作為自控燃硫系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和制作，可以為系統(tǒng)提供足夠的、溫度適宜的液態(tài)硫磺，確保了自控燃硫系統(tǒng)的正常運(yùn)行，從而滿(mǎn)足了糖廠(chǎng)穩(wěn)定硫熏工藝的需要，對(duì)提高白砂糖的質(zhì)量有積極的作用。

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

［2］葉麗娜，林興盛，甘迪寧，等.全自動(dòng)噴霧燃硫系統(tǒng)技術(shù)原理及應(yīng)用［J］.甘蔗糖業(yè)，2012（5）：44-48.

［3］黃映成，藍(lán)紅勇，藍(lán)勝宇，等.汽化旋風(fēng)燃硫爐及其在糖廠(chǎng)的應(yīng)用［J］.廣西蔗糖，2011（3）：19-22.

［4］南京化學(xué)工業(yè)公司設(shè)計(jì)院.硫酸工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)物化數(shù)據(jù)篇［M］.南京：化工部硫酸工業(yè)科技情報(bào)中心站，1990：57-61.

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

（本篇責(zé)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，F(xiàn)ENG 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(shè)計(jì)研究及制造工作

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