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摘 要：本文简要介绍了晋煤金石化工投资集团藁城分公司4万吨/a硫回收装置中废热锅炉的设计，着重叙述了废热锅炉的管板设计结构形式和高温腐蚀机理及防护措施。
关键词：废热锅炉；管板；热应力；高温硫腐蚀
晋煤金石化工投资集团藁城分公司年产60万吨合成氨项目配套硫回收装置，采用了荷兰荷丰公司提供的雅克布斯荷兰公司（Jacobs Engineering Nederland B.V.）的超级克劳斯硫回收专利技术，设计生产能力为年产硫磺4万吨/年（按300天计算），除少数设备从国外进口外，大部分设备是由外方提供设计参数，国内进行设计、制造，其中废热锅炉是技术招标过程中遇到问题较多的一台设备。
1 废热锅炉结构型式及主要技术参数
按照荷丰公司提供的技术要求，焚烧炉废热锅炉采用固定管板式结构，换热面积为141.8㎡，其主要技术参数见表1
表1 焚烧炉废热锅炉主要技术参数
2 面临的问题及解决办法
2.1 如何選取满足该设计条件下的管板结构？
由于该设备管板要求采用固定式管板，从表1技术参数中可以知道该换热器承受的是一个高温高压的环境，而高温、高压对管板的要求是矛盾的。增大管板厚度，可以提高承压能力，但管板两侧流体又存在较大的温差，管板内部沿厚度方向的热应力增大；减薄管板厚度，可以降低热应力，但承受能力降低。此外，在开车、停车时，由于厚管板的温度变化慢，换热管的温度变化快，在换热管和管板连接处会产生较大的热应力（有资料表明：每增加1mm的变形，应力可增加100MPa以上）。当迅速停车或进气温度突然变化时，热应力往往会导致管板和换热管在连接处发生破坏。新疆泽普石化厂、黑龙江黑化集团有限责任公司曾多次发生二段炉后废热锅炉换热管与管板焊缝开裂的情况，而两者共同之处在于管板设计之初对换热管和管板连接处因热应力产生的拉脱力考虑不足，在设计中管板厚度设计过大，而且管板与废锅壳体的连接为刚性连接，无弹性补偿结构，从而导致换热管管束与壳体因温差变形在管子与管板焊缝之间产生很大的附加应力而开裂的情况。综合以上情况，笔者认为采用当下比较先进的挠性薄管板结构（见图2）可以满足该焚烧炉废热锅炉的设计要求。
该挠性薄管板主要有以下特点：
1） 它除了承受内压之外，还能补偿和平衡换热管同壳体之间的温差应力。
2） 由于采用薄管板（厚度在30mm以下），在一定程度上提高了热效率，而管板本身的温度差极小，从而减少了管板在工作中的内应力。
3） 减轻了余热锅炉的重量，改善了管板同管子连接的受力型式，且全部采用焊接，减少了胀接工序，能减少投资，降低成本。
2.2 如何避免高温气流直接接触管板、管头部位而可能造成的管板、管头损坏以及换热管的高温腐蚀？
由于焚烧后的烟气温度高达800℃，对与碳素钢和碳锰钢来说，当在温度425℃以上的环境中长期工作时都有可能发生石墨化的现象；另外通过焚烧炉燃烧后的烟气中还残存H2S、SO2酸性气体，使得管板及管头又处在一个硫化物型高温腐蚀环境。研究表明原子态的硫和硫化氢容易与金属基体铁和铁的氧化物发生反应生成铁的硫化物。当管子附近有一定浓度的H2S和SO2时，两者会发生反应生成自由的原子硫：2H2S+SO2 → 2H2O+3［S］；硫化氢与氧气也会发生反应生成自由的原子硫：2H2S+O2 → 2H2O+2［S］，在还原性气氛当中，单独的原子硫，在接触部位温度达到350℃时，便发生硫化作用：Fe + ［S］→FeS，尽管管板与管头部位处于高温侧发生氧化会形成3层连续的由外向内依次为Fe2O3-Fe3O4-FeO的具有保护性的氧化膜，但［S］对金属氧化膜仍具有破坏作用，它可以直接渗透的方式穿过氧化膜，并沿金属晶界渗透，促使内部硫化，同时使氧化膜疏松、开裂、甚至剥落。H2S也会破坏氧化物保护膜，H2S可以透过Fe2O3与磁性氧化铁层Fe3O4（Fe3O4-FeO）中复合的FeO发生反应：FeO+H2S→FeS+ H2O，保护膜破坏后，H2S还会与基体铁发生反应:Fe+H2S→FeS+H2，由于S2-具有较强的还原性，在还原性气体中能保持稳定，当烟气中氧化性气体达到一定分压时，则会被氧化成单质硫或更高价的氧化物，反应如下：2FeS+O2→2FeO+2［S］，生成的原子硫会进一步腐蚀直接接触的部位。因此，控制管板和换热管管头焊接部位温度就成了废热锅炉设计的关键。必须设计合理的保护结构，将管板和管头温度控制在抗高温硫化腐蚀允许的温度范围内。在废锅高温侧管板采用如图3所示的保护结构：
每根换热管管口都装有陶瓷保护套管，采用承插式结构，以保护管板以及管子与管板的连接焊缝。在高温侧管板上敷设了一层硬质耐火浇注料，并用均布的T型抓钉固定，防止绝热层因自重引起的支撑结构失效而垮塌，这样就可以避免高温烟气与管板、管头部位直接接触，对管板和管头起到了降温作用；另外陶瓷套管深入换热管一定长度，使高温烟气直接进入浸泡在汽水混合物中的管子，从而极大降低了管头以及管板的温度，此外，为了避免陶瓷套管与相对低温的管头接触而破裂，在两者之间又增加了一陶瓷保护外套环起缓冲作用。保护套管与换热管之间的环隙中填充均匀缠绕陶纤纸，这样既能减少热量传入，又能对套管起定位作用。
3. 结 语
随着大型煤化工企业的发展，大型企业排除的余热（包括显热和少量可燃物的化学热能）如果均能得到充分利用，其经济性相当可观。但高温、高压以及腐蚀等苛刻的工艺条件对余热回收的主要设备-废热锅炉的设计也提出了很高的要求。本文介绍的挠性薄管板结构的设计型式以及管板、管头的高温保护结构，可以广泛使用在管壳式中、高压余热锅炉和列管式换热设备的挠性薄管板设计中。实践也证明，挠性薄管板结构和管板、管头的高温保护结构能有效的使用在操作条件苛刻的废热锅炉上。
参考文献
［1］、郑津阳， 董其伍，桑芝富。过程设备设计。北京：化学工业出版社，2001.7
［2］宿德民，高清林。余热锅炉特殊结构的分析与设计。压力容器，11（3）：224～225
［3］李斌。新型薄管板废热锅炉的应用。中氮肥，2006，2：54～55
［4］蒋浙梁，朱春艳。废热锅炉换热管开裂原因分析及处理。氮肥信息，2009，6：8～9
［5］赵虹，魏勇。燃煤锅炉水冷壁烟侧高温腐蚀的机理及影响因素。动力工程，2002,22（2）:1700～1703
［6］郝忠义。10×104t/a硫磺回收装置废热锅炉设计。石油化工设备，2007,36（3）：34～37
关键词：废热锅炉；管板；热应力；高温硫腐蚀
晋煤金石化工投资集团藁城分公司年产60万吨合成氨项目配套硫回收装置，采用了荷兰荷丰公司提供的雅克布斯荷兰公司（Jacobs Engineering Nederland B.V.）的超级克劳斯硫回收专利技术，设计生产能力为年产硫磺4万吨/年（按300天计算），除少数设备从国外进口外，大部分设备是由外方提供设计参数，国内进行设计、制造，其中废热锅炉是技术招标过程中遇到问题较多的一台设备。
1 废热锅炉结构型式及主要技术参数
按照荷丰公司提供的技术要求，焚烧炉废热锅炉采用固定管板式结构，换热面积为141.8㎡，其主要技术参数见表1
表1 焚烧炉废热锅炉主要技术参数
2 面临的问题及解决办法
2.1 如何選取满足该设计条件下的管板结构？
由于该设备管板要求采用固定式管板，从表1技术参数中可以知道该换热器承受的是一个高温高压的环境，而高温、高压对管板的要求是矛盾的。增大管板厚度，可以提高承压能力，但管板两侧流体又存在较大的温差，管板内部沿厚度方向的热应力增大；减薄管板厚度，可以降低热应力，但承受能力降低。此外，在开车、停车时，由于厚管板的温度变化慢，换热管的温度变化快，在换热管和管板连接处会产生较大的热应力（有资料表明：每增加1mm的变形，应力可增加100MPa以上）。当迅速停车或进气温度突然变化时，热应力往往会导致管板和换热管在连接处发生破坏。新疆泽普石化厂、黑龙江黑化集团有限责任公司曾多次发生二段炉后废热锅炉换热管与管板焊缝开裂的情况，而两者共同之处在于管板设计之初对换热管和管板连接处因热应力产生的拉脱力考虑不足，在设计中管板厚度设计过大，而且管板与废锅壳体的连接为刚性连接，无弹性补偿结构，从而导致换热管管束与壳体因温差变形在管子与管板焊缝之间产生很大的附加应力而开裂的情况。综合以上情况，笔者认为采用当下比较先进的挠性薄管板结构（见图2）可以满足该焚烧炉废热锅炉的设计要求。
该挠性薄管板主要有以下特点：
1） 它除了承受内压之外，还能补偿和平衡换热管同壳体之间的温差应力。
2） 由于采用薄管板（厚度在30mm以下），在一定程度上提高了热效率，而管板本身的温度差极小，从而减少了管板在工作中的内应力。
3） 减轻了余热锅炉的重量，改善了管板同管子连接的受力型式，且全部采用焊接，减少了胀接工序，能减少投资，降低成本。
2.2 如何避免高温气流直接接触管板、管头部位而可能造成的管板、管头损坏以及换热管的高温腐蚀？
由于焚烧后的烟气温度高达800℃，对与碳素钢和碳锰钢来说，当在温度425℃以上的环境中长期工作时都有可能发生石墨化的现象；另外通过焚烧炉燃烧后的烟气中还残存H2S、SO2酸性气体，使得管板及管头又处在一个硫化物型高温腐蚀环境。研究表明原子态的硫和硫化氢容易与金属基体铁和铁的氧化物发生反应生成铁的硫化物。当管子附近有一定浓度的H2S和SO2时，两者会发生反应生成自由的原子硫：2H2S+SO2 → 2H2O+3［S］；硫化氢与氧气也会发生反应生成自由的原子硫：2H2S+O2 → 2H2O+2［S］，在还原性气氛当中，单独的原子硫，在接触部位温度达到350℃时，便发生硫化作用：Fe + ［S］→FeS，尽管管板与管头部位处于高温侧发生氧化会形成3层连续的由外向内依次为Fe2O3-Fe3O4-FeO的具有保护性的氧化膜，但［S］对金属氧化膜仍具有破坏作用，它可以直接渗透的方式穿过氧化膜，并沿金属晶界渗透，促使内部硫化，同时使氧化膜疏松、开裂、甚至剥落。H2S也会破坏氧化物保护膜，H2S可以透过Fe2O3与磁性氧化铁层Fe3O4（Fe3O4-FeO）中复合的FeO发生反应：FeO+H2S→FeS+ H2O，保护膜破坏后，H2S还会与基体铁发生反应:Fe+H2S→FeS+H2，由于S2-具有较强的还原性，在还原性气体中能保持稳定，当烟气中氧化性气体达到一定分压时，则会被氧化成单质硫或更高价的氧化物，反应如下：2FeS+O2→2FeO+2［S］，生成的原子硫会进一步腐蚀直接接触的部位。因此，控制管板和换热管管头焊接部位温度就成了废热锅炉设计的关键。必须设计合理的保护结构，将管板和管头温度控制在抗高温硫化腐蚀允许的温度范围内。在废锅高温侧管板采用如图3所示的保护结构：
每根换热管管口都装有陶瓷保护套管，采用承插式结构，以保护管板以及管子与管板的连接焊缝。在高温侧管板上敷设了一层硬质耐火浇注料，并用均布的T型抓钉固定，防止绝热层因自重引起的支撑结构失效而垮塌，这样就可以避免高温烟气与管板、管头部位直接接触，对管板和管头起到了降温作用；另外陶瓷套管深入换热管一定长度，使高温烟气直接进入浸泡在汽水混合物中的管子，从而极大降低了管头以及管板的温度，此外，为了避免陶瓷套管与相对低温的管头接触而破裂，在两者之间又增加了一陶瓷保护外套环起缓冲作用。保护套管与换热管之间的环隙中填充均匀缠绕陶纤纸，这样既能减少热量传入，又能对套管起定位作用。
3. 结 语
随着大型煤化工企业的发展，大型企业排除的余热（包括显热和少量可燃物的化学热能）如果均能得到充分利用，其经济性相当可观。但高温、高压以及腐蚀等苛刻的工艺条件对余热回收的主要设备-废热锅炉的设计也提出了很高的要求。本文介绍的挠性薄管板结构的设计型式以及管板、管头的高温保护结构，可以广泛使用在管壳式中、高压余热锅炉和列管式换热设备的挠性薄管板设计中。实践也证明，挠性薄管板结构和管板、管头的高温保护结构能有效的使用在操作条件苛刻的废热锅炉上。
参考文献
［1］、郑津阳， 董其伍，桑芝富。过程设备设计。北京：化学工业出版社，2001.7
［2］宿德民，高清林。余热锅炉特殊结构的分析与设计。压力容器，11（3）：224～225
［3］李斌。新型薄管板废热锅炉的应用。中氮肥，2006，2：54～55
［4］蒋浙梁，朱春艳。废热锅炉换热管开裂原因分析及处理。氮肥信息，2009，6：8～9
［5］赵虹，魏勇。燃煤锅炉水冷壁烟侧高温腐蚀的机理及影响因素。动力工程，2002,22（2）:1700～1703
［6］郝忠义。10×104t/a硫磺回收装置废热锅炉设计。石油化工设备，2007,36（3）：34～37