CN115930195A - 用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器，属于浓硫酸余热利用设备技术领域。本发明包括壳体，其内设置有换热管束；管箱，其内设置有阳极保护装置；隔离腔，其由內管板和外管板围合而成；恒电位仪，其用于向阳极保护装置施加电流使硫酸接触的设备表面形成稳定的钝化膜；管箱、隔离腔和壳体依次相连接，其硫酸浓度能够在大于等于98.5％的范围内波动，其用于硫酸温度为150‑230℃的工况下。本发明通过在管箱内设置阳极保护装置使硫酸接触的设备表面形成稳定的钝化膜以有效的防止大量酸的冲刷造成的腐蚀问题。

Description

用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器

技术领域

本发明涉及浓硫酸余热利用设备技术领域，尤其涉及用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器。

背景技术

浓硫酸蒸汽发生器主要是应用于硫酸低温位余热回收工艺，作为整个工艺的核心设备，与热回收塔、循环酸泵、浓酸稀释器等主要设备，共同组成硫酸余热系统回收装置。通过回收浓硫酸中的余热，生产0.6-1.0MPa的饱和蒸汽。在热回收工艺中，浓硫酸温度最高可达230℃，对设备材质具有强腐蚀性，合金钢在温度高达200℃的硫酸中，具有良好的耐腐蚀性，但是必须保证硫酸浓度≥99％。硫酸浓度随着三氧化硫浓度发生变化，在烟气及冶炼制酸中尤为常见，容易出现因硫酸浓度波动造成的腐蚀加剧，工业应用中为了安全生产，工艺上对硫酸浓度的要求一般在99.3％以上，主要是为了降低高温下酸浓波动造成的腐蚀性加剧，避免酸浓低于99.0％。但是在实际操作中，波动是不可避免的，浓度一旦低于99％这一临界值时，会以3.7倍的速度腐蚀，破坏性很强，难以达到设计寿命，造成设备短时间损坏。

硫酸行业阳极保护装置普遍使用在酸浓范围93％～98％，酸温≤100℃的工况下，具有较低的腐蚀率，尚没有将阳极保护装置应用于高于150℃浓硫酸工况的应用。

其次，蒸汽发生器在换热管束与管板的焊缝连接部位频繁出现损坏。由于硫酸温度高、流量大，高温流体直接冲刷腐蚀换热管与管板的焊缝，导致该部位开裂泄漏，从而降低设备使用寿命，腐蚀严重者使用不足一个月。

再者，根据现场设备损坏位置发现：蒸汽发生器管板最上排为易腐蚀损坏部位，原因是上排换热管持续处于高温浓酸及高浓度盐水排放部位，易发生应力腐蚀开裂。以往的硫酸余热回收蒸汽发生器专利中并没有针对这类情况的改进。

蒸汽发生器作为浓硫酸余热利用的核心设备，无论是哪一种腐蚀原因，都应该及时发现，将设备损坏程度降低。

发明内容

有鉴于此，为解决现有技术中存在的蒸汽发生器的腐蚀性技术问题，本发明提供了用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器，其通过在管箱内设置阳极保护装置使硫酸接触的设备表面形成稳定的钝化膜以有效的防止大量酸的冲刷造成的腐蚀问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器，包括：

壳体，其内设置有换热管束；

管箱，其内设置有阳极保护装置；

隔离腔，其由內管板和外管板围合而成；

恒电位仪，其用于向所述阳极保护装置施加电流使硫酸接触的设备表面形成稳定的钝化膜；

所述管箱、所述隔离腔和所述壳体依次相连接；

其硫酸浓度能够在大于等于98.5％的范围内波动，其用于硫酸温度为150-230℃的工况下。

优选地，所述管箱上的进酸口为喇叭型扩口接管。

优选地，所述进酸口内设置有带有小孔的防冲挡板。

优选地，所述防冲挡板为梯形结构。

优选地，所述隔离腔底部为锥形结构，且开设有检漏口。

优选地，所述检漏口内设置有与所述恒电位仪电连接的漏酸电极。

优选地，所述阳极保护装置还包括分别设置于所述管箱内的控制参比电极和监测参比电极，所述控制参比电极和所述监测参比电极均与所述恒电位仪电连接。

优选地，所述壳体上的蒸汽出口处设置有丝网除沫器。

优选地，所述换热管束的尾部设置有溢流板。

优选地，所述管箱内设置有分程隔板，所述阳极保护装置的阴极均布在所述分程隔板的上下两层。

本发明相对于现有技术，具有如下的有益效果：

(1)本发明提供的用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器，浓硫酸走管程，脱盐水走壳程，将阳极保护装置应用于酸温为150℃-230℃、酸浓98.5％-100％范围的高温硫酸耐腐蚀设备，腐蚀率为≤0.02mm/a，具有显著的耐腐蚀效果，能够达到现有技术中浓度≥99％的耐腐蚀效果，解决了酸浓低于99％一定范围内，腐蚀率成3.7倍左右增加的问题。施加阳极保护装置后能够形成稳定的钝化膜，在超工艺酸浓范围时更耐腐蚀，有效防止大酸量的冲刷腐蚀。对比现有技术，提高了酸浓允许波动范围，在相同高温下，阳极保护装置后，98.5％≤酸浓＜99％的耐腐蚀效果，能够达到且优于现有技术酸浓≥99％的耐腐蚀效果，腐蚀率下降约86.7％。相同温度下，对比现有技术≥99％酸浓的年腐蚀率，施加阳极保护装置后，年腐蚀率明显降低约50％。

随着循环酸温度的提高，硫酸的腐蚀性也加剧，现有技术中的使用条件为：酸浓93％-98.5％，酸温≤100℃，不能满足蒸汽发生器150-230℃的酸温。此外，现有技术蒸汽发生器在实际使用中，必须严格控制硫酸浓度≥99％，才能降低年腐蚀率。根据实验结果表明：在高温条件下，酸浓＜99％的年腐蚀率相比于酸浓≥99％的年腐蚀率增加了近3.7倍，当施加阳极保护装置后，98.5％≤酸浓＜99％的年腐蚀率，也能够降低到原有的年腐蚀率，即便出现三氧化硫吸收率降低、硫酸浓度低于99％的情况下，也能保证设备的耐腐蚀性和长期稳定的运行。

(2)本发明提供的用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器能够形成稳定的钝化膜，通过向阳极保护装置施加一定的电流，使其产生阳极极化，迅速通过至钝电位，进入钝化区并维持电位在这个区域，使硫酸接触的设备表面形成稳定钝化膜。这层钝化膜能够减缓一定流速的硫酸对设备的冲刷腐蚀，对于换热管与管板的焊缝连接部位的保护尤为明显。

大酸量流体进入管箱后，直接冲刷腐蚀换热管管头的焊接位置，导致该位置焊肉腐蚀开裂，发生泄漏。在施加阳极保护装置后，焊接部位依靠钝化区形成稳定的钝化膜，再一定流速范围，能够有效减缓大酸量对管头焊接部位的冲刷腐蚀。

(3)本发明提供的用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器的底部具有锥形结构的隔离腔，在其检漏口设置漏酸电极，锥形结构便于泄漏流体快速在排液口形成积液。当发生泄漏时，电极信号通过积液由开路形成回路，产生电流传输信号；或者通过金属的自腐蚀电位，发出一定电位信号，通过信号线接入恒电位仪1，对漏液现象进行实时报警。

现有在役设备大多是单管板蒸汽发生器，浓硫酸蒸汽发生器在腐蚀泄漏检测方面，主要是通过脱盐水侧管路设置电导率仪，目的是为了防止系统运行初期，蒸汽发生器发生泄漏对整个系统造成污染或者腐蚀。除此以外，现有专利技术中通过人为观察检漏口是否有液体流出，这种方法在设备维护管理出现“盲点”时，会导致发现不及时，扩大腐蚀范围，对环境和人员产生极大的危害，因此对于硫酸设备腐蚀状态的实施监测极为重要。

(4)本发明提供的用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器的管箱中，设置喇叭扩口+防冲板组合结构，喇叭扩口可以减缓进入接管的大酸量流速，随后当大酸量经过防冲板时，通过改变流体的流动方向，分散大流体的冲击，使流体不仅有径向速度，也有轴向速度，通过旁边流道的分流、使流体均匀缓慢的流过管箱，减轻硫酸进入管箱对分程隔板的冲击，还能减缓大流体对管口造成的冲刷腐蚀。通过现有技术的对比发现，相对于没有防冲板的U型管结构，喇叭扩口+防冲板组合结构ρv²可降低约39％，有利于减小管箱进口和对管口的冲刷力。

(5)本发明提供的用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器，其稳定的钝化膜+增加喇叭扩口结构+防冲板结构，能够大幅降低管口及分程隔板的冲刷力和年腐蚀率。电化学防腐和管箱耐冲刷结构的联合使用，能够有效增加设备整体的耐腐蚀性能。双管板+漏液检测结构(检漏口内设置的漏酸电极)，当管口焊缝或胀接位置发生泄漏时，阻止两侧介质的接触，并且能够及时对泄漏液体进行报警，避免了管理盲点、不及时发现造成的后果，提升设备的安全性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明低温位余热回收系统示意图；

图中，1.恒电位仪；2.阴极；3.出酸口；4.隔离腔；5.管板；6.换热管束；7.壳体；8.给水口；9.控制参比电极；10.安全阀；11.蒸汽出口；12.连续排污口；13.监测参比电极；14.封头；15.人孔；16.溢流板；17.鞍座；18.定期排污口；19.漏酸电极；20.进酸口；21.防冲挡板；22.分程隔板；23.管箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明提供了用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器，其是在常规的卧式蒸汽发生器的基础上进行的改进，其包括：

壳体7，其内设置有换热管束6；

管箱23，其内设置有阳极保护装置；

隔离腔4，其由內管板和外管板围合而成；

恒电位仪1，其用于向所述阳极保护装置施加电流使硫酸接触的设备表面形成稳定的钝化膜；

所述管箱23、所述隔离腔4和所述壳体7依次相连接；

其硫酸浓度能够在大于等于98.5％的范围内波动，其用于硫酸温度为150-230℃的工况下。

本发明提供的上述用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器，浓硫酸走管程，脱盐水走壳程，其将阳极保护装置用于硫酸温度在150℃-230℃的高温蒸汽发生器内，其硫酸浓度可以在98.5％≤浓度≤100％的范围内波动。

该蒸汽发生器的管箱23上具有进酸口20和出酸口3，换热管束6贯穿整个隔离腔4与内管板胀接，与外管板焊接，管箱23通过管箱法兰与外管板连接，壳体7(壳程)通过壳体法兰与内管板连接，內管板和外管板围合形成隔离腔4，蒸汽发生器内上层为蒸发空间，壳体7的后端连接封头14，封头14上开设人孔15，壳体7上方设置蒸汽出口11，顶部分别设置安全阀10、压力表，蒸汽出口前设置丝网除沫器，壳体蒸发液面附近设置连续排污口12、液位计，壳体7底部设置定期排污口18，壳体7上具有给水口8。

本发明中，换热管束6优选为U型管束，U型管束管径可采用

等不同管径的换热管，通过换热管不等径的管间距分布，根据汽化率匹配流通截面积，降低汽水混合物的流动阻力，保证流速均匀顺畅，避免汽泡附着于换热管金属表面，形成污垢附着于管外壁，降低传热效率，同时也能有效防止出现污垢附着及垢下氯离子聚集导致孔蚀现象。

本发明中，恒电位仪1通过向阳极保护设备施加一定电流，使其产生阳极极化，迅速通过致钝电位，进入钝化区并维持电位在这个区域，依靠在钝化区形成的钝化膜减缓浓硫酸对设备的腐蚀。

恒电位仪1的作用是输出直流电到蒸汽发生器上，并自动控制阳极处于钝化状态；恒电位仪1的控制电位范围是以参比电极为基准的E1～E2钝化区间，钝化区内电流与电位的特征是电流基本不变而电位快速升高；不同材质的参比电极在硫酸中的稳定电位并不相同，选用不同材质的参比电极，则以参比电极为基准的E1～E2区间相对变化(举例说明：若选用参比电极A，则E1～E2区间为-200～400mV；若选用参比电极B，则E1～E2区间为100～700mV)。

在本发明中，所述管箱23上的进酸口20为喇叭型扩口接管，焊接于管箱23上，连接处增加加强圈增加强度，减缓进酸管的大酸量流速。

在本发明中，所述进酸口20内设置有防冲装置。

在本发明中，所述防冲装置为带有小孔的防冲挡板21。

在本发明中，所述防冲挡板21为梯形结构，由钢板弯折成梯形面，防冲板焊接在壳体内壁上，且根据流通面积计算，开若干小孔，其设置在进酸口20正上方，其中心线与进酸接管中心线重合，挡板上设置若干小孔，两侧壁板折角直接与管箱内壁牢固焊接，避免大冲力使造成防冲板脱落，出现无规则乱窜，导致防冲结构失效。

在本发明中，所述隔离腔4底部为锥形结构，且开设有检漏口。

在本发明中，所述检漏口内设置有与所述恒电位仪1电连接的漏酸电极19，电极信号线接入恒电位仪1，用于DCS信号传输。当发生泄漏时，由开路形成回路，产生电流传输信号；或者通过金属的自腐蚀电位，发出一定电位信号，通过信号线接入恒电位仪1，对漏液现象进行实时声控报警。

在本发明中，所述壳体7为变径壳体，该变径壳体指的是壳体后端的直径大于其前端的直径。

在本发明中，所述阳极保护装置还包括分别设置于所述管箱23内的控制参比电极9和监测参比电极13，所述控制参比电极9和所述监测参比电极13均与所述恒电位仪1电连接。

本发明中，管箱23内包括多根阴极2，且浓硫酸蒸汽发生器的换热管束6、管板5、分程隔板22、管箱23等与硫酸接触的金属壁面作为阳极；管箱23的进酸口20侧绝缘密封设置控制参比电极9，在管箱23的出酸口3侧绝缘密封设置监测参比电极13，恒电位仪1通过电线电缆与阳极、阴极2、控制参比电极9、监测参比电极13电连接而构成所述阳极保护装置，阴极2为若干根，多行多列设置，阴极2外配有开孔的绝缘套管，使得阴极2不得与阳极接触，开孔密度均匀，保证电流分布均匀；阴极绝缘套管需要在230℃浓硫酸工况下不发生变形、腐蚀。控制参比电极9和监测参比电极13的前端只与浓硫酸接触，而不得与管箱23接触，监测参比电极13用于监测设备内部电位情况，控制参比电极9是用于读取相对于阳极表面的变化值。

在本发明中，所述壳体7上的蒸汽出口11处设置有丝网除沫器。

在本发明中，所述蒸汽出口11前设置有汽水分离装置。

在本发明中，所述换热管束6的尾部设置有溢流板16，优选地，溢流板16的高度需高出换热管束6至少一定距离，保证换热管束6完全淹没在液位中，且保证换热管束6避开污水浓度最高的连续排污口12的设定位置，避免局部应力腐蚀的发生，解决了液位波动，造成局部换热管束温度过高的情况，避免蒸发液面处氯离子浓缩含量高导致应力腐蚀的发生，从而延长设备的使用寿命。

在本发明中，所述管箱内设置有分程隔板22，所述阳极保护装置的阴极2均布在所述分程隔板22的上下两层。

在本发明中，所述壳体7的底端设置有用于支撑所述壳体7的鞍座17，鞍座17用于蒸汽发生器，且呈左右对称设置，左侧鞍座为固定鞍座，右侧鞍座为滑动鞍座。紧急放水口设置在左鞍座侧边，定期排污口18设置右鞍座侧面，接近换热管束6末端。

如图2所示，本发明是以具有阳极保护装置的蒸汽发生器为核心设备，与热回收塔、循环酸泵、浓酸稀释器、预热器、加热器等设备，共同组成硫酸余热系统回收装置。稀释后的浓硫酸在热回收塔内吸收三氧化硫，在塔底形成≤230℃左右、浓度≥98.5％以上的浓硫酸，随后通过循环酸泵送入阳极保护浓硫酸双管板蒸汽发生器，生产0.6～1.0MPa饱和蒸汽。硫酸在吸收SO₃后浓度增加，需再次通过稀释器加水以维持浓度，加水后的循环酸回到热回收塔再进行吸收，即实现一次硫酸的余热回收。

通过循环酸泵将塔底形成≤230℃左右、浓度≥98.5％以上的浓硫酸，输送至施加阳极保护的浓硫酸双管板蒸汽发生器，提高生产饱和蒸汽过程中耐高温、耐一定浓度硫酸腐蚀的能力。保证安全稳定的实现硫酸余热回收的循环过程。

具有阳极保护装置的蒸汽发生器，在施加阳极保护后，浓硫酸的使用工况浓度范围由≥99％，扩大到≥98.5％。当烟气制酸及冶炼制酸工艺出现三氧化硫浓度下降，导致硫酸浓度下降的极端工况时，能够通过阳极保护形成稳定的钝化膜，阻止高温下浓度降低的硫酸对设备的腐蚀，使年腐蚀率能够达到≥99％使用工况的效果。实施阳极保护技术，提高了工艺浓度的操作弹性，延长了蒸汽发生器的使用寿命。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器，其特征在于，包括：

壳体，其内设置有换热管束；

管箱，其内设置有阳极保护装置；

隔离腔，其由內管板和外管板围合而成；

恒电位仪，其用于向所述阳极保护装置施加电流使硫酸接触的设备表面形成稳定的钝化膜；

所述管箱、所述隔离腔和所述壳体依次相连接；

其硫酸浓度能够在大于等于98.5％的范围内波动，其用于硫酸温度为150-230℃的工况下。

2.根据权利要求1所述的用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器，其特征在于，所述管箱上的进酸口为喇叭型扩口接管。

3.根据权利要求2所述的用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器，其特征在于，所述进酸口内设置有带有小孔的防冲挡板。

4.根据权利要求3所述的用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器，其特征在于，所述防冲挡板为梯形结构。

5.根据权利要求1所述的用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器，其特征在于，所述隔离腔底部为锥形结构，且开设有检漏口。

6.根据权利要求5所述的用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器，其特征在于，所述检漏口内设置有与所述恒电位仪电连接的漏酸电极。

7.根据权利要求1所述的用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器，其特征在于，所述阳极保护装置还包括分别设置于所述管箱内的控制参比电极和监测参比电极，所述控制参比电极和所述监测参比电极均与所述恒电位仪电连接。

8.根据权利要求1所述的用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器，其特征在于，所述壳体上的蒸汽出口处设置有丝网除沫器。

9.根据权利要求1所述的用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器，其特征在于，所述换热管束的尾部设置有溢流板。

10.根据权利要求1所述的用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的蒸汽发生器，其特征在于，所述管箱内设置有分程隔板，所述阳极保护装置的阴极均布在所述分程隔板的上下两层。

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