硫酸系統轉化工序開工爐系統的使用與改造

汪滿清

（銅陵有色金屬集團股份有限公司金冠銅業分公司，安徽銅陵244000）

目前大多數硫酸生產企業轉化工序配置的系統開車升溫使用的開工爐系統使用化石燃料如輕柴油、天然氣等提供熱源，通過換熱器進行熱量交換，從而將催化劑床層溫度升高至生產所需的溫度。由于加熱要求的特殊性，開工爐在運行過程中普遍存在空氣過剩系數大、排煙溫度高、啟停期間存在急冷急熱的特點，導致開工爐既浪費燃料，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、現場低空污染嚴重的問題。如何穩定而高效地利用且低污染排放成了開工爐系統在使用中必須解決的現實問題。

1 開工爐系統的配置與生產現狀

開工爐是利用燃料燃燒或電能加熱將物料或介質加熱至合適的溫度，以滿足生產工藝需要的一種工業爐窯。開工爐系統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機，稀釋風機和換熱器等設備，燃燒器和換熱器是開工爐系統平穩運行的關鍵設備。

銅陵有色金屬集團股份有限公司金冠銅業分公司（以下簡稱金冠銅業）現有2套制酸系統，開工爐系統中被加熱介質為干燥空氣或含SO2的干燥煙氣，設計參數為：介質流量60 000～70 000 m3/h，進口溫度75 ℃、預熱后的溫度515～550 ℃。原設計采用輕柴油為燃料，設計燃料流量為1 800 kg/h，油槍采用壓縮空氣霧化方式，燃燒風機型號為9-26-10D、流量27 905 m3/h，稀釋風機型號為4-73-12D、流量61 574 m3/h，燃燒控制系統采用SIEMENS S7200 PLC，實現全自動啟停控制及燃燒負荷的調節。

裝置自2012年投產運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開車點火燃燒的初期，存在換熱器頂部排放煙囪冒黑煙或白煙的環境污染問題；二是燃燒煙氣污染物排放超標，特別是氮氧化物超標；三是開工爐系統配套的換熱器下管板易開裂而出現煙氣泄漏，導致現場存在SO2低空污染。近幾年來，隨著國家環保政策越來越嚴格，原設計配置的開工爐系統已不能滿足生產需要。

2 升級改造內容

針對上述問題，主要從燃燒系統和換熱器兩方面進行改造。

2.1 低氮燃燒技術的應用

為解決開車點火燃燒初期存在的冒黑煙以及氮氧化物超標問題，將燃料由輕柴油改為天然氣，新增燃氣系統管道，采用低氮燃燒器。低氮燃燒器具有如下特點：

1）為保證燃料穩定高效燃燒，燃燒器設有旋流式穩焰器，在旋流噴口的前方形成穩定的回流區，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焰器由于受爐膛高溫熱輻射采用了耐熱不銹鋼。

2）通過降低燃燒過剩空氣系數和火焰溫度減少NOx的生成量；通過強化燃料與空氣的混合，確保在較低的過剩空氣系數下實現完全燃燒；通過分級分段配風控制火焰的溫度實現減少NOx的生成量。

3）燃燒器使用過程中燃料量與助燃風量按設定的風燃比進行調節，并且根據被加熱工藝介質的溫度需要調整稀釋風流量，將工藝介質加熱到系統要求的溫度。

4）配套控制系統，能夠實現自動點火、滅火報警保護、燃燒風和燃料自動按比例調節及循環風的流量、循環風機進口溫度、預熱爐出口的溫度自動串級調節。控制系統直接連入制酸DCS系統，實現開工爐系統的遠程控制和監視。

2.2 換熱器的改造

原設計配置的換熱器為立式圓筒單管程管式換熱器，爐氣從下管箱進入，進口溫度700 ℃，出口放空溫度為300 ℃；干燥空氣進口溫度為75 ℃，出口溫度為515～550 ℃。預熱爐操作氣流量為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。

換熱器投入運行幾年來，開工爐系統長期處于停止運行的常溫狀態，在制酸系統開停車期間使用開工爐系統時，換熱器處在進口煙氣溫度約700 ℃的使用狀況，急冷急熱和高溫熱膨脹致使換熱器反復出現下管板開裂、部分換熱管熱變形開裂，導致制酸系統SO2風機出口高濃度的SO2煙氣通過開裂縫泄漏至周邊的環境而導致低空污染。

此次換熱器改造的重點是解決換熱器的熱膨脹問題，經反復論證，最終采用了如下技術措施：

1）換熱器換熱段本體設置具有足夠膨脹量的補償器。

2）換熱器下管板支撐采用小立柱的結構形式，小立柱與下管板之間設置支撐隔板。支撐隔板與下管板不焊接，與下立柱焊接。每個立柱外部用耐高溫澆注料進行保溫處理（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）對于高溫段的補償，下氣室設置了補償裝置。在詳細的補償量計算、設備承重核算的前提下，在下氣室的小立柱上端設置補償器。補償器的設置兼顧設備承重需要及在700 ℃進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，下氣室內壁設置保溫加強，采用硅酸鋁纖維氈與輕質澆筑保溫復合的方式來減緩下氣室鋼殼體溫度波動，避免出現急冷急熱的膨脹。

5）換熱器下管板設置耐高溫保護措施。采用在對應的換熱管開孔處焊接長度大于等于100 mm、材質為耐高溫不銹鋼的保護套管，保護套管的管間隙處澆鑄耐高溫澆鑄料進行保護。

3 改造后效果

開工爐系統改造后，將燃燒器更換為燃燒天然氣的低氮燃燒器，采用長明燈點燃主燒嘴二級點火方式，配備紫外光式火焰檢測器。自2019年裝置投入使用以來，燃燒器應用可靠、安全性高、調節比符合系統使用要求。燃燒器啟動及正常運行時不再冒黑煙或白煙，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的污染物排放，降低燃料使用成本，為企業帶來經濟效益和社會效益。

換熱器在采用上述技術措施的改造后，使用效果良好，目前任何部位均未出現設備變形的問題。

4 結語

開工爐系統在硫酸工業生產中廣泛使用，早期大多采用輕柴油作為啟動燃料，且都未采取氮氧化物控制措施。隨著國家環保政策越來越嚴格，開工爐的氮氧化物排放問題勢必越來越引起重視，低氮燃燒技術將逐步推廣使用，金冠銅業開工爐系統改造的成功經驗值得借鑒。