硫磺制酸裝置9.8 MPa高壓余熱回收系統及設備

朱美昌，許勝利

（蘇州海陸重工股份有限公司，江蘇蘇州215600）

二十世紀八十年代以來，隨著國內工業特別是磷復肥工業的快速發展和環境保護工作的日益重視，硫磺制酸以其工藝簡單、污染小、熱能回收率高等優點而得到了迅猛發展。目前國內已建有數百套硫磺制酸裝置，單系列最大硫酸產能已達1 000 kt/a；國際上最大的硫磺制酸更是達到了5 000 t/d的產酸能力。硫磺制酸裝置均配套余熱回收系統用于回收焚硫和轉化工序的高、中溫位熱能，余熱回收系統一般以副產3.82 MPa、450 ℃的中壓過熱蒸汽為主流，中壓過熱蒸汽用于驅動空氣風機及用于發電。隨著裝置向大型化發展，為了獲得更高的蒸汽循環熱功效率，多做功、多發電，提高裝置的規模效益，特別是為了滿足下游用戶的蒸汽參數要求，一些企業采用了次高壓參數的余熱回收系統，如湖北宜化600 kt/a硫磺制酸裝置采用了5.3 MPa、485℃的余熱回收系統、中化涪陵800 kt/a硫磺制酸裝置采用了6.4 MPa、480 ℃的余熱回收系統、張家港雙獅 1 000 kt/a 硫磺制酸裝置采用了 6.4 MPa、492 ℃的余熱回收系統。

國內某化工企業為滿足下游氰尿酸合成工序9.0 MPa高壓過熱蒸汽的需要，使其200 kt/a硫磺制酸裝置配套的余熱回收系統生產9.0 MPa、450℃的高壓過熱蒸汽，蒸汽產量為26 t/h。高壓余熱回收系統中的余熱鍋爐仍采用通常的火管鍋爐爐型，工作壓力9.8 MPa，如此參數的運行工況在國內硫磺制酸裝置上尚屬首例，國際上也鮮有報道。

1 余熱回收系統流程

基于硫酸工藝的特性，該套硫磺制酸裝置高壓余熱回收系統的流程和熱工設備的布置，與常規的硫磺制酸裝置高、中溫余熱回收系統基本一致，由火管鍋爐、高溫過熱器、低溫過熱器、省煤器等組成。該高壓余熱回收系統流程見圖1。

圖1 高壓余熱回收系統流程

圖1中，設備名稱的后綴數字代表轉化器床層的段數，英文字母代表汽水側的流程順序，如省煤器4A表示此臺省煤器是布置在轉化器4床層出口，水側流程的第1個設備；高溫過熱器1B表示此臺過熱器是布置在轉化器一段床層出口，汽側流程的第2個設備。

在焚硫爐后設置火管鍋爐將煙氣由1 000 ℃冷卻至約415 ℃，在轉化器一段出口設置高溫過熱器1B將煙氣由615 ℃冷卻至450 ℃，在轉化器三段出口設置省煤器3B將煙氣由285 ℃冷卻至175℃，在轉化器四段出口設置低溫過熱器4A、省煤器4A/4C將煙氣由420 ℃冷卻至160 ℃。焚燒和轉化工序設置的5臺熱工設備，組成了硫磺制酸余熱回收系統，回收焚硫和轉化反應生成的高、中溫反應熱。

汽水側流程是除氧水經給水泵加壓后，依次流經省煤器4A、3B、4C，加熱至270 ℃后進入火管鍋爐汽包，經火管鍋爐鍋殼換熱，蒸發為9.8 MPa、310 ℃的飽和蒸汽，再依次經過低溫過熱器4A、高溫過熱器1B過熱，最終加熱成為9.0 MPa、450℃的過熱蒸汽，送入后續裝置參與合成反應。

2 火管鍋爐

2.1 爐型選擇

焚硫爐后的余熱鍋爐是硫磺制酸裝置高壓余熱回收系統最關鍵的熱工設備，它既要承受汽水側的高壓，又要承受煙氣側的高溫、微正壓和腐蝕。

水管爐型余熱鍋爐，汽水側的承壓部件結構已經很成熟，超超臨界水管鍋爐的壓力已達到27.9 MPa，但水管鍋爐的煙氣側氣密性很差，很難承受硫磺制酸裝置約40 kPa的正壓煙氣，極易造成含SO2的煙氣泄漏。同時水管鍋爐結構復雜，氣流不如火管鍋爐通暢，在邊角存在氣體滯留區，易產生冷凝酸，造成鍋爐腐蝕。

與水管鍋爐相比，火管鍋爐有結構簡單、水循環簡單可靠、負荷適應能力強、密封性能好、氣流通暢等諸多無可比擬的優勢，更適應硫磺制酸裝置的特點，但在汽水側承壓部件結構設計和制造方面有一定的難度。筆者設計的某公司2套1 000 kt/a硫磺制酸裝置（一期于2005年4月投運，二期于2010年2月投運）中的火管鍋爐，鍋筒內徑DN3 200，工作壓力6.62 MPa，設計壓力7.3 MPa，遠遠超出當時執行的標準GB/T 16508—1996《鍋殼鍋爐受壓元件強度計算》規定的火管鍋爐額定蒸汽壓力最高值2.5 MPa，如此高的工作壓力和設計壓力在國內尚無先例。筆者多次聯系GB/T 16508標準主要起草人以及歸口單位上海工業鍋爐研究所，并多次組織討論和論證，鑒于硫磺制酸裝置火管鍋爐可以達到7.3 MPa的結構特點，特種設備監督檢驗研究院才允許設計和制造7.3 MPa的火管鍋爐。

目前硫磺制酸裝置的火管鍋爐均采用撓性薄管板結構，設計和制造主要依據GB/T 16508—2013《鍋殼鍋爐》、GB/T 151—2014《熱交換器》、SH/T 3158—2009《石油化工管殼式余熱鍋爐》和《ASME鍋爐及壓力容器規范 國際性規范 Ⅰ 動力鍋爐建造規則》中的PFT篇《火管鍋爐的要求》。其中GB/T 16508—2013和ASME鍋爐及壓力容器規范中《火管鍋爐的要求》未對火管鍋爐的工作壓力作出限制，GB/T 151—2014附錄M規定殼程壓力不大于 5.0 MPa，SH/T 3158—2009規定設計壓力不大于 6.4 MPa。

該套高壓余熱回收系統的設備按GB/T 16508—2013進行設計和制造。為保證設備的安全性、結構計算更為準確，對設計結構使用ANSYS有限元軟件模擬并依據JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》分析設計再進行設計驗證。通過有限元分析法可以實現用三維實體模型模擬真實設備的具體形狀、載荷以及邊界條件，計算出最接近真實狀況下的應力分布狀態，通過強度評定確定更加優化的結構設計方案，特別是對管板圓滑過渡處、管板孔橋處、管板與換熱管的連接處等比較關鍵的部位。

2.2 結構形式

火管鍋爐主要由鍋殼和汽包兩部分組成，在鍋殼和汽包中間布置上升管，兩側布置下降管。鍋殼內產生的汽水混合物由中間的上升管流至汽包，經汽水分離后，水從汽包兩側的下降管再流入鍋殼，形成自然循環回路。給水由給水分配管在汽包內進行均勻分配，分離出的飽和蒸汽由汽包引出管引出。

2.3 材料選擇

中壓及次高壓火管鍋爐汽包和鍋殼的材料大都選用Q345R鋼板，對于9.8 MPa的高壓火管鍋爐，借鑒同壓力的水管鍋爐汽包的材料，選用13MnNiMoR鋼板。換熱管的材料選用20G鋼管，火管鍋爐主要受壓部件選用材料相關數據見表1。

表1 火管鍋爐主要受壓部件選用材料

2.4 換熱管和管板的連接形式

火管鍋爐管程入口是1 000 ℃的高溫微正壓煙氣，殼程是 9.8 MPa、310 ℃的高壓鍋爐汽水混合物，換熱管和管板的連接接頭要承受極強的熱輻射、變形、內外溫差應力、拉脫、汽水沖刷等多重作用，所以換熱管和管板的連接形式是火管鍋爐安全運行的關鍵所在。現中壓和次高壓的火管鍋爐換熱管和管板的連接形式都采用“強度焊+貼脹”方式，殼程的壓力由焊縫來承受，脹接是為了消除換熱管和管板之間的間隙，防止間隙腐蝕。但在實際運行過程中，會發生焊縫的開裂，造成鍋爐泄漏。特別是火管鍋爐運行數年后，隨著裝置開停車次數的增多，換熱管和管板的連接焊縫長期承受高溫、高壓，極易發生失效，造成泄漏。

考慮上述因素，換熱管和管板的連接形式采用全焊透結構，以保證兩者連接有足夠的強度，同時消除了間隙腐蝕。

在換熱管入口處設置有剛玉套管，在前管板表面敷設有微膨脹可塑耐火澆注料，以降低高溫氣體對管板和連接焊縫的熱輻射和熱沖擊，保證鍋爐的長周期安全運行。

3 過熱器

3.1 結構形式

過熱器共有2臺，在轉化器一段出口設置高溫過熱器1B，在轉化器四段出口設置低溫過熱器4A。2臺過熱器結構基本相同，都為鋼制立式矩形箱體結構，主體由進出口集箱和蛇形管束組成，汽水側全部為鋼管，承壓性能好，按照GB/T16507—2013《水管鍋爐》進行設計和制造。為加強傳熱效果，蛇形管的直段上繞有翅片，彎頭部分是光管。直段翅片管位于箱體通道箱內，彎頭布置在兩端的彎頭箱內。進出口集箱則布置在箱體外，以方便安裝與檢修。

3.2 材料選擇

高溫過熱器換熱管常用材質是07Cr19Ni11Ti(S32169)不銹鋼和12Cr1MoVG合金鋼。選用何種材料，需考慮過熱蒸汽的額定溫度以及過熱器出口煙氣和出口蒸汽溫度的控制方法。某些國外公司設計的硫磺制酸裝置，僅用蒸汽旁路同時調節煙氣溫度和過熱蒸汽溫度，而國內一般將二者分開，采用煙氣旁路調節煙氣溫度，用噴水減溫調節過熱蒸汽溫度。從實際使用效果來看，僅用蒸汽旁路調節遠沒有后者效果即時和明顯，并且會給設備運行帶來一定的風險。在裝置開車初期或低負荷工況下，用蒸汽旁路調節，大量蒸汽走旁路，使得高溫過熱器的管束末端、出口集箱及與旁路混合前的過熱蒸汽管道極易發生超溫，如材料選用不當甚至會引起爆管。而采用煙氣旁路+噴水減溫調節時，高溫過熱器運行則不會發生此類超溫現象。

當工藝上選用蒸汽旁路進行調節時，過熱器管束和集箱必須選用07Cr19Ni11Ti(S32169)不銹鋼，才能確保高溫過熱器運行安全；當選用煙氣旁路+噴水減溫調節時，過熱器管束和集箱選用12Cr1MoVG合金鋼即可滿足要求。

在該套硫磺制酸裝置中，工藝上采用了煙氣旁路調節進轉化器二段的煙氣溫度，采用噴水減溫調節過熱蒸汽出口溫度，高溫過熱器的管束和集箱材料采用12Cr1MoVG合金鋼，過熱器主要受壓部件選用材料相關數據見表2。

表2 過熱器主要受壓部件選用材料

3.3 過熱器煙氣泄漏問題的解決措施

2臺過熱器采用雙頭浮動管板，即翅片管束與兩側管板都不焊接，可以自由滑動，較好地解決了殼程和管程的溫差膨脹問題，特別是高溫過熱器1B，煙氣進口溫度達到615 ℃，蒸汽出口溫度達到450 ℃，殼程和管程存在165 ℃的溫差。由于煙溫較高，在實際生產運行中，高溫過熱器1B的殼體很容易開裂發生煙氣泄漏，造成設備腐蝕，該難題一直困擾著生產單位。該套高壓余熱回收系統的高溫過熱器殼體采用了雙重結構，內側304鋼板承受高溫但不密封，外側304鋼板起到密封作用但不承受高溫，內外側之間襯有隔熱材料，徹底解決了高溫過熱器在運行過程中，特別是開停車過程中煙氣易泄漏的難題。

對300 kt/a及以上規模的硫磺制酸裝置，建議高溫過熱器采用落地下箱體結構形式，以便化解轉化器一段出口煙氣管道對高溫過熱器的水平膨脹推力和高溫過熱器自身的垂直膨脹應力，防止兩者疊加，造成設備泄漏。

4 省煤器

4.1 結構形式

省煤器共有2臺，分別為轉化器三段出口設置的省煤器3B和轉化器四段低溫過熱器4A出口設置的省煤器4A/4C。

2臺省煤器的結構基本相同，都為鋼制立式矩形箱體結構，主體由進出口集箱和蛇形管束組成，汽水側全部為鋼管，承壓性能好，可按照GB/T 16507—2013進行設計和制造。為加強傳熱效果，蛇形管的直段上繞有翅片，彎頭部分為光管。省煤器4C和省煤器3B高溫段采用普通翅片管，省煤器4A和省煤器3B低溫段采用水平夾套式熱管。

直段翅片管位于箱體通道箱內，進出口集箱和彎頭布置在箱體外側，集箱端管束和管板密封焊接固定，另一端設置有膨脹節，吸收管程和殼程的溫差應力。

4.2 材料選擇

省煤器的換熱管在結構形式上采用熱管避免了露點腐蝕問題，所以翅片管的基管和熱管的內外管都選用20G鋼管，省煤器主要受壓部件選用材料相關數據見表3。

表3 省煤器主要受壓部件選用材料

4.3 露點腐蝕問題的解決措施

轉化器三段出口省煤器工況煙氣的露點在115℃左右，四段出口省煤器煙氣的露點在105 ℃左右，一般控制煙氣溫度高于露點30 ℃以上，以保證安全運行，不易產生露點腐蝕[1]。

省煤器4A和省煤器3B低溫段采用熱管，熱管的特點是熱介質不直接與冷流體傳熱，而是以熱管中的熱介質作為中間介質傳熱，同時管外熱側的拓展面積遠大于管內冷側的面積，很好地提高了外側管壁溫度。在汽水側流程上，104 ℃的鍋爐給水先進省煤器4A，預熱到136 ℃后再進入省煤器3B；在煙氣側流程上，控制省煤器3B煙氣出口溫度在175 ℃左右，省煤器4A煙氣出口溫度在160℃左右，采用熱管后與煙氣接觸的管壁溫度均高于露點，有效地避免了露點腐蝕。

2臺省煤器的煙氣流向都布置成自上向下，與重力方向一致，有利于清除灰塵和排出冷凝酸。特別是在裝置開車初期，負荷低，省煤器出口煙氣溫度低，有少量冷凝酸產生，如果煙氣自下向上流動，產生的酸霧因其慣性和重力相抵，易吸附在管束上，造成管束腐蝕，在正常運行過程中，煙氣從催化劑帶出的粉末也容易附著在翅片之間。省煤器煙氣自上向下的流向克服了上述弊端，延長了省煤器的使用壽命。

5 結語

該高壓余熱回收系統自2020年11月初開始投入運行以來，一直安全、穩定運行，各項參數、指標都達到了設計要求，滿足了后續裝置的生產需要，為用戶帶來了明顯的經濟效益。

該高壓余熱回收系統采用了9.8 MPa高壓火管鍋爐，填補了國內硫磺制酸裝置高壓火管鍋爐的空白，使得我國的硫磺制酸裝置中高溫位余熱回收技術達到了國際先進水平，同時也為大型硫磺制酸裝置采用高壓余熱回收系統奠定了基礎。

致謝：本文得到中國硫酸協會專家委員會副主任、教授級高級工程師王穎先生的審閱，特此感謝！