焚硫炉结构设计及材质选择.docx

焚 硫 炉 结 构 设 计 及 材 质 选 择夏 毓 芳摘 要 结合实例介绍了大型焚硫炉的设计 ,并对耐火砌体材质的 选 择 、 膨 胀 缝 的 留 设 、 机 械 雾 化 磺 枪 的 选用 、 设备内挡墙和旋流装置的设置等进行了详述 关键词 硫酸厂 焚硫炉 结构 设计 材质接 触燃烧 炉 内 设 置 几 道 挡 墙 ,以 强 化 硫 磺 与 空气的混合 为防止燃烧不够完全 ,常设二次风 ,用 于补充氧量及调节炉膛温度 ,促使反应完全 ,不致 产生升华硫 现 以 某 300 kt / a 硫 磺 制 酸 装 置 中 Ø4 200 mm 焚硫炉 (见图 1) 为例 ,介绍设备结构的设计和 主要部件的选材 引 言1焚硫炉是硫磺制酸装置中的关键设备 目前使用较多的为喷雾式焚硫炉 ,其结构简单 、 容积强 度 大 炉型为 卧 式 ,一 般 均 为 钢 制 圆 筒 内 衬 保 温 砖和耐火砖 硫 磺 通 过 喷 枪 喷 入 炉 内 ,空 气 由 端部进气口进入 ,经旋流装置与雾化后的硫磺充分图 1 焚 硫 炉 结 构空气流量 70 638 m3 / h液硫温度 135～ 145 ℃焚硫炉的主要工艺参数及特性如下 :炉膛操作温度 1 100 ℃ 炉膛操作压力 01035 M Pa 雾化方式 机械雾化 喷硫量 618 m3 / h空气温度 100 ℃设备外壳温度 ≤ 50 ℃ (无外保 温 )2 炉 墙 设 计211 炉 墙 结 构耐 火砌体是 构 成 焚 硫 炉 的 主 要 部 分 ,根 据 工夏 毓芳 , 女 , 工程 师 , 南 化 集 团 设 计 院 , 南 京 市 大 厂 区葛关路 268 号 210048收稿日期 : 1999 - 05 - 31艺要求 ,设备不设外保温 ,钢壳在操作时的温度不高 于 50 ℃, 因 此 ,炉 体 隔 热 保 温 是 靠 钢 壳 内 部 的设 备 材 料·21 ·夏毓芳 焚硫炉结构设计及材质选择保温砖和耐火砖 。

筑 炉前 ,先在 钢 壳 内 表 面 涂 刷 石 墨 粉 水 玻 璃 防 腐涂料两遍 ,目 的 是 为 防 止 钢 壳 制 成 后 至 筑 炉这一段时间 内 大 气 的 氧 化 腐 蚀 筑 炉 时 , 首 先 衬一层 3 mm 厚的石棉板 ,用 水 玻 璃 粘 贴 ,在 钢 壳 和 砌 体之间起 衬 垫 作 用 ; 其 次 , 砌 保 温 砖 , 厚 度 230mm ;再砌耐火砖两层 ,厚度分别为 114 mm 和 230 mm 筑炉 后 , 在 耐 火 砖 体 表 面 涂 刷 两 层 磷 酸 盐防 磨涂料 ,以减 缓 气 流 和 火 焰 对 耐 火 砖 墙 的 冲 刷 和磨蚀 ,延长炉体使用寿命 小 、 热导率低 的 特 点 其 多 孔 结 构 使 其 具 有 较 好的保温性能 但由于粘土质隔热耐火砖气孔率较 大 ,组 织 疏 松 ,抗 渣 性 能 较 差 ,熔 渣 易 侵 入 砖 体 气 孔内 ,使之破坏 而且机械强度低 ,耐磨性能和热震稳定性不 好 所 以 一 般 仅 作 为 隔 热 保 温 层 ,不直接用于迎火面 粘土质隔热耐火砖的理化指标和尺寸允差应符合国家标准 GB3994 - 83《 粘土质隔热耐火砖 》 。

设计中 ,选用牌号为 N G - 014 213 钢 壳 温 度 校 核根 据钢壳的 操 作 温 度 ,设 计 时 选 用 普 通 碳 钢21221211炉 墙 材 料耐 火 砖 Q235 - A 为壳体材料 计 算时忽略 钢 壳 及 石 棉 板 的 热 阻 ,根 据 多 层 圆筒壁导热计算公式 〔 1〕 (参见图 2) 进行计算 粘 土 质 耐 火 砖 是 w ( Al2 O3 ) 含 量 为 30 %～48 %的硅酸铝质耐热制品 ,它是以熟料作瘠化剂 , 以 软质 粘 土 作 结 合 剂 ,在 1 300～ 1 400 ℃ 温 度 下 烧成的 ,最高使用温度为 1 250 ℃, 并 具 有 良 好 的 热震稳定性 粘 土 质 耐 火 砖 属 弱 酸 性 耐 火 材 料 ,具 有较强的抗 酸 性 渣 侵 蚀 能 力 ,抗 熔 渣 渗 透 性 也 好 上述特性 能 够 满 足 焚 硫 炉 操 作 工 况 的 要 求 而且该材质 价 格 低 廉 ,可 降 低 筑 炉 成 本 所 以 焚 硫炉耐火砖全部采用粘土质耐火砖 本炉砌体所用耐火砖 , 大部分为矩形砖和楔 形砖 根据 国 家 标 准 GB4415 - 84 《 粘 土 质 耐 火砖 》 , 选用牌 号 为 N - 1 的 耐 火 砖 , 其 物 理 指 标 最佳 , 耐火度高达 1 750 ℃, 常 温 耐 压 强 度 大 于30 M Pa 。

耐 火 砖 形 状 尺 寸 偏 差 须 严 格 按 照 国 家 标准的规定 , 这是方便砌筑 、 保证砌体质量的前 提 图 2 砌 体 导 热 示 意2πl ( t 1 - t a)Q =1 (1) r2 r3 1 1 ln + ln +λ1 λ2 r3α0r1 r2式中 : Q ———传热量 ,W ;l ———圆筒长度 ,m ;r1 、 r2 、 r3 ———耐 火 砖 层 和 保 温 砖 层 的 内 外径 ,m ;λ1 、 λ2 ———耐 火 砖 、 保 温 砖 的 导 热 系 数 , W/( m·℃ ) ;α0 ———炉 外 墙 与 空 气 间 的 给 热 系 数 , W/21212 保 温 砖每种保温材料都有它的适用温度 , 在选用时不能超过其范围 , 否则达不到保温效果 , 甚至会 造 成事故 以 往 焚 硫 炉 保 温 砖 多 采 用 硅 藻 土 砖 , 一般钢壳温度为 70～ 100 ℃ 但本设计要求钢壳温度不大于 50 ℃, 这就对保温砖的要求提高了 经 传热计算 ,保 温 砖 与 耐 火 砖 接 触 面 温 度 高达 917 ℃ 而 硅 藻 土 砖 的 最 高 使 用 温 度 为 900℃,不能满足要求 。

粘 土质隔热 耐 火 砖 属 轻 质 砖 ,是 在 制 砖 时 加 入某些特殊 物 质 后 烧 成 的 具 有 气 孔 率 高 、 密 度2( m ·℃ ) ,由下式计算 :α0 = 1116 + 7 ww ———风速 ,m/ s ;t 1 ———耐火砖内表面温度 , ℃ ;t a ———焚硫炉外环境温度 , ℃ 由 (1) 式求得多层圆筒壁的传热量 ,即可计算·22 · 硫 酸 工 业 1999 年第 6 期α———平均线膨胀系数 ,1/ ℃ ;L ———冷态温度下的砌体长度 ,mm ;t ———砌体最高工作温度 , ℃ ;t 0 ———冷态温度 , ℃ 本设计选用的耐火砖和保温砖的平均线膨胀系 数分别为 6 ×10 - 6 / ℃ 和 512 ×10 - 6 / ℃ 耐 火砖 的设计长 度 为 13 600 mm ,保 温 砖 的 设 计 长 度 为 14 070 mm 在操作状态 下 ,由 ( 7) 式 得 内 层 耐 火 砖 、 外层耐火砖和保温 砖 的 热 膨 胀 量 分 别 为 88 mm 、 78 mm 和 66 mm 因此 , 设计时在筒体炉墙与前端墙和后端墙 之间均分别 留 设 了 20 ～ 25 mm 的 膨 胀 缝 。

对 内 层耐火砖而言 , 由于挡墙被砌入内层耐火砖 , 每 堵 挡墙两 侧 分 别 留 设 了 10 mm 的 膨 胀 缝 , 可 以 保 证其 总 的 膨 胀 量 对 外 层 耐 火 砖 及 保 温 砖 而 言 , 除两端所留膨胀缝外 , 还在砌筑时基本等间 距 设置 10 mm 膨 胀 缝 若 干 条 , 以 保 证 总 的 膨 胀 量 出耐火砖与保温砖接触面温度以及保温砖外侧表面温度 ,即钢壳表面温度 :r2Q (3)t 2 = t 1 - ln2πlλ1 r1r3Qt 3 = t 2 - ln ( 4)2πlλ2 r2式中 : t 2 ———耐火砖与保温砖接触面温度 , ℃ ;t 3 ———保温砖外侧表面温度 , ℃ 对 于设计所 选 用 的 耐 火 砖 和 保 温 砖 ,其 导 热 系数关系式分别为 :粘土质耐火砖 :λ1 = 0184 + 0158 ×10 - 3 t m粘土质隔热耐火砖 :λ2 = 0109 + 0116 ×10 - 3 t m式中 : t m ———耐火砖或保温砖平均温度 , ℃ 5)(6)由 于焚硫炉 散 热 损 失 相 对 较 小 ,焚 硫 炉 内 耐火 砖表面温度就等于炉气主体 温 度 ,即 t 1 = 1 100℃ 。

大气温度以年平 均 温 度 计 ,则 t a = 16 ℃ 设 计风速取当 地 年 平 均 风 速 3 m/ s ,由 式 ( 2) 得 ,α0= 2317 W/ ( m2 ·℃ ) 初 设 t 2 = 915 ℃ 、 t 3 = 45 ℃ ,由 ( 5) 式 得 粘 土 质 耐 火 砖 的 导 热 系 数 λ1 = 1142 W/ ( m ·℃ ) ; 由 (6) 式得粘 土 质 隔 热 砖 的 导 热 系 数 λ2 = 0117 W/( m·℃ ) 通过迭代计算 ,得到 t 2 = 917 ℃ 、 t 3 = 42℃, 即钢壳 表 面 温 度 为 42 ℃ 核 算 结 果 表 明 ,该 炉墙结构已满足设计对温度的要求 3 挡 墙 设 计焚 硫炉内折 流 挡 墙 的 设 置 ,可 增 强 炉 气 湍 动的程度 ,增加炉气流动速度 ,改善炉气在焚硫炉内 的 分布和延长 停 留 时 间 ,促 使 硫 磺 在 炉 内 充 分 燃 烧 ,减小炉气 流 动 过 程 中 的 死 区 根 据 本 炉 的 出 气口 方 位 ,第 一 、 三 堵 挡 墙 开 口 位 于 上 部 ,第 二 堵 挡墙开口位于下部 。

由于挡墙直接受到气流的冲击并且前后两侧存在温差 ,往 往 会 逐 渐 倾 斜 倒 塌 为 避 免 发 生 上 述现象 ,挡墙设计为嵌入内层耐火砖砌体内 ,并在 四周设置了 膨 胀 缝 另 外 ,还 要 求 挡 墙 必 须 错 缝 砌筑 ,以提高抗冲击能力 对 整个炉墙 而 言 ,挡 墙 位 置 的 载 荷 为 集 中 载 荷 ,由 图 1 可 见 ,在 每 堵 挡 墙 位 置 均 设 计 了 支 座 考 虑到保温砖 的 耐 压 强 度 较 低 ,不 能 用 于 承 重 结 构 需将保温层下部 120°圆锥角范围内的 5 圈保 温砖用耐火砖替代 该替代将使此范围内的钢壳214 膨 胀 缝 设 置砌 体在操作 状 态 , 因 温 度 升 高 体 积 会 发 生 膨胀 ,由于其膨胀 量 与 泥 浆 收 缩 或 砖 的 残 余 变 形 不完全相等 ,若炉砌体没有留设膨胀缝 ,产生的内应 力会使炉子变形 ,或使砌体挤碎 、 拱起 膨胀缝的 作 用 , 就 是 消 除 砌 体 受 热 膨 胀 所 产 生 的 内 应 力 膨胀缝留设的原则是 :不减弱砌体的强度 ,不得成 为炉气流通的缝隙 。

同时 ,还应均匀地分开留设 膨胀缝的大小主要取决于耐火材料的性质和工作 温度 热膨胀量线性关系式为 〔 2〕 :温度升高 根据 (1) 式 ,此时式中的 λ 、 λ 均为耐1 2ΔL = αL ( t - t 0 )式中 :ΔL ———热膨胀量 ,mm ;( 7) 火 砖的导热系 数 ,经 迭 代 计 算 后 得 此 处 钢 壳 表 面温度为 93 ℃ ·23 ·夏毓芳 焚硫炉结构设计及材质选择与 焚 硫 炉 主 体 钢 壳 温 度 接 近 ,满 足 设 计 要 求 由 于粘土隔 热 耐 火 砖 不 能 。