在線自動清灰系統在烷基化廢硫酸裂解裝置鍋爐中的應用

陳建軍

（云南天安化工有限公司，云南 安寧 650309）

某公司烷基化廢硫酸裂解裝置是將前期烷基化裝置產生的廢硫酸高溫裂解生成SO2煙氣，SO2煙氣經處理合格后送入硫黃制硫酸裝置生產硫酸。烷基化廢硫酸在高溫裂解過程中，金屬離子蒸發形成極小的原始粒子，在隨著煙氣進入余熱鍋爐換熱冷卻時，這些原始粒子形成團聚體，加劇了垢的產生，使鍋爐火管堵塞嚴重，影響鍋爐及換熱設備的換熱效率，導致受熱面的腐蝕、爆管，造成鍋爐意外停爐［1］，對鍋爐安全危害極大，影響裝置正常運行。

1 現狀分析及存在問題

1.1 現狀分析

根據烷基化廢硫酸的物理特性，其在裂解過程中本身就會結垢［2］。對廢硫酸進行全分析，結果見表1。鍋爐垢樣分析結果見表2。

表1 廢硫酸全分析結果

表2 鍋爐垢樣分析結果 %

由表2可知，余熱鍋爐垢的主要成分是鐵、鈉的硫酸鹽或氧化物，與原料廢硫酸中的金屬離子情況相一致。原料廢硫酸設計要求ρ（Fe3+）＜110 mg/L、ρ（Na+）＜11 mg/L，而實際運行時鐵離子和鈉離子含量遠遠超過設計值。廢硫酸在高溫裂解過程中，金屬離子蒸發形成極小的原始粒子，煙氣進入余熱鍋爐換熱冷卻時，這些原始粒子接觸并融聚在一起，快速聚集成較大的結構，形成團聚體，這表示存在金屬化合物的蒸發和冷凝情況。

1.2 存在問題

烷基化廢硫酸裂解裝置鍋爐有55個清灰盲板、299根換熱管，換熱排管長度8.5 m，管內煙氣溫度960～1 150 ℃，現有技術中的鍋爐換熱管清理多采用人工清灰或半自動壓縮空氣脈沖清灰。人工清灰的方式有很多弊端：人員勞動強度大；人員勞務費用開支大（每周清理7 次，每次投入9 人，按每人每天180元計，一年費用為589 680元）；容易引發安全事故。半自動壓縮空氣脈沖利用壓縮空氣脈沖在鍋爐換熱管出口端對積灰的作用力以達到清灰的目的，作用效果與噴口距離有關（一般在2.0～2.5 m）［3］，而換熱排管長度達8.5 m，有效清灰長度過于局限，經多次現場實踐，效果不佳，無法滿足生產需求。

2 解決思路探尋

鍋爐在線清灰設備經過多次摸索、試驗，通過定位機構準確有效地將清灰桿定位至需清理的換熱管口位置，通過前后運行導軌驅動清灰桿對換熱管內的灰塵進行有效清理，通過PLC及驅動電機的配合，實現在線自動清灰。

2.1 在線自動清灰工作原理

在清灰設備上配置定位系統、向導系統、控制系統、距離傳感器等，通過各設備機構的運動，帶動固定在主導軌上的耐熱清灰桿，壓縮空氣經安裝在清灰桿頂端的噴頭射出，對硫化氫鍋爐內的列管逐一疏通。耐熱清灰桿在疏通每一根列管時都經相應設備機構帶動進入列管深處，達到列管尾端后再返回，確保沒有清灰盲區。通過系統自動定位清灰管位置，由控制設備輸送耐熱清灰桿進入列管內，設備前橫梁上設有傳感器，當耐熱清灰桿的尾端觸碰到橫梁上的傳感器時，說明耐熱鋼管頂端已到達列管尾端，此時耐熱清灰桿經機構帶動自動返回到初始位置，完成一根列管的清洗。操作人員只需掌握設備操作流程以及負責爐子端蓋上蓋板的拆卸與安裝。

2.2 在線自動清灰設計

該設備實際上是一臺非標桁架機械，主要分為電控、動力、傳動、執行以及氣源五大部分。

1） 電控系統 采用目前最常用的PLC控制方式，使在線清灰設備具有自動定位、前進、后退等功能，實現程序控制并帶有危險狀態保護功能。

2） 動力系統 采用伺服電機經小型減速機后輸出動力，帶動清灰桿低速轉動。伺服電機具有控制精度高、運轉平穩、力矩輸出恒定、過載能力強、響應快等優點。

3） 傳動部分 主要以伺服電機驅動齒輪在齒條上行走來實現機構的前后、左右方向的運動，上下方向采用伺服電機驅動滾珠絲桿在螺母內轉動后發生的相對位移帶動機構上下運動。

4） 執行機構 依靠輪組與導軌間的滾動減小摩擦力，輪組經輪板、托板帶動執行機構（耐熱鋼管）實現設備的最終功能，輪組、導軌易于加工、成本低以及實用性強。頂部設計壓縮空氣噴頭，噴頭沿著圓周方向均勻開8 個孔，向后方傾斜45°角，利于灰塵順著煙氣管道方向流出鍋爐。由于清灰桿較長，通過可移動清灰桿支撐架對清灰桿進行支撐，以防止清灰桿因重力及阻力作用導致的形變，以避免定位不準確。

5） 氣源部分 由高壓力低流量的空氣壓縮機、油水過濾器、儲氣罐以及管路組成，必要時可配備脫水裝置，以減少壓縮空氣中的水分。

2.3 在線自動清灰設備選擇

伺服電機，功率0.55 kW，額定轉速3 000 r/min，輸出轉矩315 N·m；斜齒輪行星減速機，輸出轉速20～30 r/min，額定輸出轉矩45 N · m，減速比100；PLC控制器優選西門子S7-1200，PLC控制器通過與本裝置的各個機構有線或者無線連接，達到控制各個機構運轉的效果；導軌及滾輪，材質45#鋼，調質、淬火處理；框架，材質采用工業機械自動化用鋁合金型材，特點是輕便；清灰桿，310S耐熱材料。

2.4 在線自動清灰設備參數

設備外形尺寸14.0 m×3.0 m×1.5 m（長×寬×高），清灰速度5 m/min，設備質量＜1.5 t，清灰桿規格φ38 mm×9 m，壓縮空氣壓力≤1.0 MPa，流量≤1 m3/min。

3 預期效果

通過實驗攻關在鍋爐尾部設計在線自動清灰裝置，每2～3 d投用一次，每次3 h就可將鍋爐受熱面積灰迅速清除干凈，鍋爐排煙溫度降幅達20～50 ℃，鍋爐熱效率提高1%～3%。在線機械自動清灰裝置具有較好的清灰能力，操作智能化，安全可靠性高，綜合節能效果佳，不再需要人員進行人工清灰操作，隔離了人員與高熱的鍋爐設備，避免了安全隱患，同時提高了作業效率，省時省力，且裝置整體設計新穎，實用性強，易于推廣使用。