应用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的立式蒸汽发生器

技术领域

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

背景技术

硫酸生产过程的低温位余热一直采用卧式蒸汽发生器进行热量的回收利用，可生产0.6-1.0Mpa左右的饱和蒸汽。目前国内现有市场中的蒸汽发生器使用寿命与运行工况有很大的关系，使用寿命在3-5年左右，有的使用寿命1年左右，还有的设备运行不足1个月就会出现大面积泄漏。经过分析，卧式蒸汽发生器在使用过程出现腐蚀泄漏，主要是存在以下缺点：(1)酸浓允许波动范围窄，工艺要求酸浓必须≥99.0％。在烟气制酸及冶炼制酸工艺的进料过程、开停车等特殊工况下，烟气中三氧化硫浓度不稳定，极易出现酸浓＜99％的情况，甚至达到98.5％，此时均匀腐蚀加剧，腐蚀率成3.7倍增加，导致设备腐蚀严重，使用寿命低，有时运行不足一个月就会发生大面积腐蚀泄漏；(2)U型管束弯管以及其水平段处，存在较大的残余拉应力，易出现材料缺陷；(3)随着运行时间的增长，在锅炉连续排污口范围处的氯离子浓度会不断增加，液面附近的U型换热管处在内酸外盐的腐蚀工况中，当不锈钢温度小于200℃时，在含少量的氯化物水溶液中，极易产生应力开裂。

以上腐蚀情况任发生一项，都会造成设备的腐蚀泄漏。如果没有及时发现，让设备持续运行在高温、低浓度硫酸下，不但会造成设备大面积泄露腐蚀报废，甚至还会出现设备爆炸等事故。

发明内容

有鉴于此，为解决上述背景技术中存在的缺点(1)，本发明提供了应用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的立式蒸汽发生器，通过恒电位仪向阳极保护装置施加一定的电流，使将阳极保护装置形成稳定的钝化膜，阻止高温下浓度降低的硫酸对设备的腐蚀，应用于硫酸浓度范围98.5％～100％，使用温度范围150℃～230℃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，提高了酸浓波动范围。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

应用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的立式蒸汽发生器，包括：

壳体，其上端通过上管板连接有上管箱、下端通过下管板连接有下管箱；

阳极保护装置，其设置于所述壳体内；

自然循环装置，其设置于所述壳体内；

恒电位仪，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钝化膜；

所述自然循环装置包括设置于所述壳体内的换热管束和中央循环管；

所述中央循环管分别与所述上管箱和所述下管箱相连通；

所述阳极保护装置包括阳极、阴极、控制参比电极和监测参比电极；

所述恒电位仪分别与所述阳极、所述阴极、所述控制参比电极和所述监测参比电极电连接；

所述换热管束的外表面、所述上管板和所述下管板的内表面、所述壳体的内表面和所述中央循环管的外表面共同构成所述阳极；

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，所述换热管束包括若干根直管，所述直管的两端垂直连接于所述上管板和所述下管板上。

优选地，所述中央循环管设置有绝热夹层。

优选地，所述上管箱和/或下管箱内设置有漏酸电极，所述漏酸电极与所述恒电位仪电连接。

优选地，所述中央循环管与所述上管箱和所述下管箱相连通的部分为伸出式喇叭口结构。

优选地，所述壳体上设置有膨胀节。

优选地，所述壳体的进酸口设置有表面开设有小孔的防冲板。

优选地，所述上管箱为蒸发室，所述上管箱上的连续排污口设置于所述蒸发室的蒸发液面含盐浓度最高处。

优选地，所述蒸发室内设置有挡液板和/或所述蒸发室的蒸汽出口设置丝网除沫器。

优选地，所述上管箱的封头上设置有安全阀和压力表。

本发明相对于现有技术，具有如下的有益效果：

(1)本发明提供的应用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的立式蒸汽发生器，将阳极保护装置应用于硫酸浓度范围98.5％～100％，使用温度范围150℃～230℃的高温硫酸耐腐蚀设备，具有显著的耐腐蚀效果，年腐蚀率≤0.02mm。相对于现有技术，浓硫酸蒸汽发生器设计使用寿命≥10年，提高了酸浓波动范围，优于现有设备。在相同高温下，施加阳极保护装置后，具有98.5％≤酸浓＜99％的耐腐蚀效果，酸浓允许波动范围变宽，能够达到且优于现有技术≥99％酸浓的耐腐蚀效果，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，现有技术中阳极保护装置采用316L/304L不锈钢的使用条件为：酸浓93％-98.5％，酸温≤100℃，不能满足蒸汽发生器150-230℃的酸温。此外，现有技术中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3.7倍，当施加阳极保护装置后，酸浓＜99％的年腐蚀率，也能够降低到原有的年腐蚀率，也就是说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，延长设备的使用寿命。

(2)本发明提供的应用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的立式蒸汽发生器，通过阳极保护装置能够形成稳定的钝化膜，恒电位仪通过向阳极保护装置施加一定的电流，使其产生阳极极化，迅速达到至钝电位，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整个管束区的冲刷腐蚀及均匀腐蚀，提高换热管束的使用寿命。

来自进酸接管的大酸量流体，进入壳体后直接冲刷腐蚀换热管束，导致该位置换热管束磨损腐蚀严重，易发生泄漏。在施加阳极保护装置后，换热管束冲刷部位依靠钝化区形成稳定的钝化膜，在一定流速范围，能够有效减缓大酸量对换热管的冲刷腐蚀及均匀腐蚀。

(3)本发明提供的应用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的立式蒸汽发生器，以中央循环管作为下降管，换热管束作为上升管，上管箱和下管箱通过壳体内置中央循环管连接形成自然循环装置，浓硫酸在管间放热，加热管内介质逐步沸腾向上，由于管内溶液的相对受热率大于中央循环管的受热率，使流体依靠自身密度差在下降管与上升管间形成一定倍率的自然内循环，降低汽水混合物的流动阻力，提高换热管束内流体的流动速度，增强换热管束的换热性能，从而起到强化传热的目的，传热效率可有效提高约10-20％。

自然循环装置使立式蒸汽发生器换热效率高，性能安全可靠，结构紧凑、占地面积小。

中央循环管外壁接触硫酸，须通过阳极保护装置降低腐蚀率，同时中央循环管内介质的温度要低于上升管内的介质温度，内筒需要设置绝热夹层，杜绝壳程介质与中央循环管之间的热量传递。运行过程中当出现酸浓＜99％工况时，会导致腐蚀率成3.7倍增加，因此也需要通过阳极保护装置形成稳定的钝化膜，有效降低正常工况及特殊工况的腐蚀率。

中央循环管上下均为喇叭口结构，可以有效减小局部阻力，增大了有效流动压头；中央循环管应伸出上管板一定高度，伸出高度避开汽化段，防止上管板蒸汽没有到达蒸汽室被带回循环系统，发生短路现象；伸出下管板一定高度，保证水渣等杂质顺利从底部定期排污口排出；立式蒸汽发生器的阴极垂直壳体，中央循环管与换热管束平行布置，阴极设置应避开中央循环管与换热管束。

(4)本发明提供的应用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的立式蒸汽发生器，相对于现有的卧式蒸汽发生器，还具有以下有益效果：

1)壳程走高温硫酸，在正常运行工况下，其管壳程金属壁温温差≤10℃，有效降低了设备管壳程温差应力；浓硫酸在壳程运行，避开了卧式蒸汽发生器大流体酸量，对换热管管头直接冲刷造成的腐蚀；

2)换热管采用直管，完全不存在U型换热管束可能出现的材料缺陷，如U型换热管冷弯时存在塑形变形，弯管外缘存在较大的残余拉应力，以及由于温差产生的拉应力，这些拉伸应力区域和硫酸介质联合作用下极易发生应力腐蚀开裂；

3)立式结构形式，蒸汽在管程向上运行流动，完全规避了U型换热管束管外壁受汽、液两相流体的冲刷，以及杜绝换热管外壁汽泡附着、滞留，引起传热恶化的现象，从而提高设备使用寿命；

4)卧式蒸汽发生器流动形式为一半并流、一半逆流，立式蒸汽发生器为全逆流传热结构，传热效率可有效提高约2-5％；5)独有的自然循环装置，提高了管程汽水混合物的对流传热系数，设备整体的换热效率可有效提高约10-20％。

(5)壳程设置膨胀节。冷、热流体温度、压力不同，使壳程和管壁的温度、压力存在差异。当两者温差、压差较大时，膨胀节的设置可有效避免此类差异，防止由于壳程和管子的热膨胀量不同造成的换热管扭弯，甚至毁坏。

(6)本发明提供的应用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的立式蒸汽发生器，在壳程进口处设置带有小孔的防冲板，可有效避免强腐蚀性大循环酸量进入壳程时对换热管造成严重的冲刷腐蚀，避免换热管束的剧烈振动，引起换热器泄露，同时降低流体对换热管的冲击力，避免浓硫酸直接冲击到换热管外壁，而是经过防冲刷结构旁边的流道均匀地缓慢地流过换热管，降低硫酸扰动对钝化膜的影响以及大循环酸量对换热管的磨损。

防冲板的布置需考虑阴极、拉杆等占用的未布管区域，合理计算防冲板及进出口流通面积，保证进入设备内流体流量的均匀性，避免设置防冲板后进口处流通面积不足，不能有效防止流体对换热管的冲击，避免酸速与压降增加、换热管束不均匀加热而产生热应力等问题。

防冲板应牢固焊接，避免大冲击力使防冲刷结构脱落，出现无规则乱窜，撞击管束，造成防冲结构失效。

(7)本发明提供的应用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的立式蒸汽发生器，上管箱为蒸发室兼做汽包，通过给水补充至汽包，作为下降管中循环水的来源，保证自然循环装置获得一定的循环动力。足够的蒸发空间，避免水滴直接被蒸汽带出，在丧失水位时能够维持供水直到停车。

上管箱一定的分离高度，防止蒸汽夹带大量水分，利用水滴的重力作用，保证水滴离开蒸汽流回落至液面；顶部挡液板为初步分离装置，用于大分子液滴的汽液分离，具有消除汽水混合物的功能，使汽水初步分离；同时合理的挡板与汽流的角度，能够平稳的消除动能；顶部的丝网除沫器用于小分子液滴的汽液分离，保证饱和水汽的分离效果。

(8)本发明提供的应用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的立式蒸汽发生器的上管箱蒸发液面附近设置连续排污口。对比现有技术的卧式蒸汽发生器，含盐量浓度最高位置设置在管程，换热管束完全避开高浓度盐水排放部位，避免换热管束发生应力腐蚀开裂的可能性。

(9)本发明提供的用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的立式蒸汽发生器，其稳定的钝化膜+防冲板结构+漏酸预警结构，能够大幅降低管束冲刷及设备年腐蚀率，提升设备的安全性。电化学防腐和自然内循环结构的联合使用，能够有效增加设备整体的耐腐蚀性能，有效避开高浓度污水排放，进而导致的管束发生应力腐蚀，同时保证提高设备整体的传热效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的低温位余热回收系统示意图；

图中，1.恒电位仪；2.裙座；3.下管箱；4.下管板；5.监测参比电极；6.阴极；7.壳体；8.换热管束；9.控制参比电极；10.脱盐水进口；11.中央循环管；12.给水口；13.蒸汽出口；14.安全阀；15.封头；16.液位计；17.连续排污口；18.人孔；19.防冲板；20.进酸口；21.出酸口；22.漏酸电极；23.定期排污口；24.上管箱；25.上管板；26.丝网除沫器。

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，本发明提供了应用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的立式蒸汽发生器，包括：

壳体7，其上端通过上管板25连接有上管箱24、下端通过下管板4连接有下管箱3；

阳极保护装置，其设置于所述壳体7内；

自然循环装置，其设置于所述壳体7内；

恒电位仪1，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钝化膜；

所述自然循环装置包括设置于所述壳体7内的换热管束8和中央循环管11；

所述中央循环管11分别与所述上管箱24和所述下管箱3相连通；

所述阳极保护装置包括阳极、阴极6、控制参比电极9和监测参比电极5；

所述恒电位仪1分别与所述阳极、所述阴极6、所述控制参比电极9和所述监测参比电极5电连接；

所述换热管束8的外表面、所述上管板25和所述下管板4的内表面、所述壳体7的内表面和所述中央循环管11的外表面共同构成所述阳极。

本发明中，上管箱3、下管箱24与壳体7之间通过法兰连接，阳极保护装置设置在壳体7(壳程)内，硫酸走壳程，脱盐水走管程，壳体7与上管板25和下管板4焊接，换热管束8与上管板25和下管板4焊接，上管箱24为蒸发室，蒸发室上开设有给水口12，上管箱24还开设有脱盐水进口10。

本发明中，阴极6的数量为若干根与设备阳极、设备中的浓硫酸构成电流流通的回路；阳极为与硫酸接触的金属壁面，即立式蒸汽发生器的壳体7的内表面、换热管束8的外表面、上管板25内表面、下管板4内表面、中央循环管11的外表面；参比电极分为控制参比电极9和监测参比电极5，通过绝缘密封分别设置在壳体7的进酸口20侧和出酸口21侧；恒电位仪1向阳极保护装置提供直流电，使阳极呈钝化状态，避免高温浓硫酸对接触面的强烈腐蚀，恒电位仪1通过电线电缆与阳极、阴极6、控制参比电极9、监测参比电极5电连接而构成所述阳极保护装置。

阴极的表面优选包覆具有一定数量小孔的耐230℃浓硫酸的绝缘套管，这种材质既耐浓硫酸腐蚀，也不会在高温下发生溶解变形。阴极6避开中央循环管11垂直换热管束8分段设置，依靠在壳体7内部设置的支撑件，或贯穿整个壳体两端进行固定，外部通过电线电缆并联，设备结构紧凑、占地面积小。

控制参比电极9用于读取相对于阳极表面的变化值，前端只与浓硫酸接触，而不得与管箱接触，其绝缘密封材质需耐230℃浓硫酸的腐蚀，这种材质既耐浓硫酸腐蚀，也不会在高温下发生溶解变形。

为避免浓硫酸对接触面的强烈腐蚀，为蒸汽发生器增加阳极保护装置，恒电位仪1输出的直流电由阳极经浓硫酸导通至阴极6，阴极6与阳极共同构成了电流回路，该阴极6外配有开孔的绝缘套管，使得阴极6不得与阳极接触，开孔按照电流密度进行计算，使电流分布均匀；控制参比电极9和监测参比电极5的前端只与浓硫酸接触，而不得与换热管束8或壳体7接触，监测参比电极5可以根据设备内部监测情况设置为一支或多支，控制参比电极9是用以读取相对于阳极表面的变化值。

恒电位仪1的作用是输出直流电到阳极保护装置上，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100～650mV)。

在本发明中，所述换热管束8包括若干根直管，所述直管的两端垂直连接于所述上管板25和所述下管板4上。

在本发明中，所述直管上设置有折流板。

本发明中，换热管束8的多根直管可以采用管径相同的直管，也可以采用

本发明提供的应用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的立式蒸汽发生器，具有一定循环倍率的自然循环，其中硫酸走壳程，脱盐水走管程。

在本发明中，所述上管箱24和/或下管箱3内设置有漏酸电极22，所述漏酸电极22与所述恒电位仪1电连接，便于准确监测漏酸情况。

本发明的上管箱24和/或下管箱3设置漏酸电极22通过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，通过特定金属的自腐蚀电位，发出一定电位信号，通过信号线接入恒电位仪1，对漏酸现象进行实时监测并进行声控报警，避免泄露发现不及时，扩大腐蚀范围，对环境和人员产生极大的危害。

在本发明中，所述中央循环管11与所述上管箱24和所述下管箱3相连通的部分为伸出式喇叭口结构。

本发明中，中央循环管11通过上管箱24、下管箱3与换热管束8构成内循环系统，从而起到强化传热的目的，传热效率可有效提高约10-20％。中央循环管11至少为一根，平行设置于换热管束8方向，中央循环管11伸出式喇叭口结构，需伸出上管板25一定高度，避免发生短路循环；中央循环管11伸出下管板4一定高度，便于析出盐的沉降。

本发明中，上管箱24和下管箱3均开设有人孔18。

本发明中，壳体7和其内安装的换热管束8均垂直于水平面(上管板25和下管板4)放置，而多根阴极6水平设置，分别与壳体7、换热管束8及中央循环管11相垂直，由支撑条或支撑管支撑；或者阴极6贯穿壳体7设置。阴极6在壳体7外部通过电线电缆并联连接与恒电位仪1，且该阴极6外套有绝缘套管。阴极6的方向优选为垂直换热管束8且交错布置，上管箱24上设置有封头15或平盖。

在本发明中，所述壳体7上设置有膨胀节，冷、热流体温度、压力不同，使壳程和管壁的温度、压力存在差异。当两者温差、压差较大时，膨胀节的设置可有效避免此类差异，防止由于壳程和管子的热膨胀量不同造成的换热管扭弯，甚至毁坏。

在本发明中，所述壳体7上开设有进酸口20和出酸口21，所述进酸口20内设置有表面开设有小孔的防冲板19，防冲板19靠近管束8并焊接在壳体7内壁上，根据流通面积计算，开若干小孔。阳极保护形成钝化膜配合防冲板19，可以有效减缓进并阻止进酸口20大酸量对换热管束8的冲刷和腐蚀。

在本发明中，所述上管箱24为蒸发室，所述上管箱24上的连续排污口17设置于所述蒸发室的蒸发液面含盐浓度最高处，可有效对高浓度盐水进行排污，即水面附近设置连续排污装置，如此设置，对比现有卧式结构的蒸汽发生器，含盐量浓度最高位置设置在管程，而本发明的换热管束8完全避开了高浓度盐水排放部位，不存在氯离子应力腐蚀的问题，避免换热管束8发生应力腐蚀开裂的可能性。

在本发明中，所述上管箱24上设置有液位计16，下管箱3上设置定期排污口23，用于排出沉积在下部的粗粒水渣。

在本发明中，所述蒸发室内设置有挡液板，所述蒸发室的蒸汽出口13设置丝网除沫器26。

蒸发室应保证足够的汽液分离高度，蒸发室内设置挡液板，用于除去大分子液滴，蒸汽出口设置丝网除沫器26，用于除去小分子液滴，避免蒸汽夹带大量水分。

在本发明中，所述上管箱24的封头15上设置有安全阀14和压力表。

在本发明中，所述下管箱3底端设置有裙座2，用于支撑立式蒸汽发生器，且底部的定期排污口垂直向下，从裙座2侧边开孔穿出。

如图2所示，一种阳极保护自然循环蒸汽发生器的低温位余热回收工艺，是以应用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的立式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。该设备组成的系统结构紧凑、占地面积小。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自然循环蒸汽发生器，生产0.6～1.0MPa饱和蒸汽。硫酸在吸收SO

通过循环酸泵将塔底形成≤230℃左右、浓度≥98.5％以上的浓硫酸，送入阳极保护自然循环蒸汽发生器，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。

应用于浓硫酸低温位余热回收工艺中的立式蒸汽发生器，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％的使用工况的效果。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。