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1、信息科学与工程技术浓硫酸冷却设备的技术评价杨桂花 内蒙古包头明天科技股份有限公司包头014000摘要：从传动系数、传热面积、正常使用温度、冷却水使用、热能回收、环境污染、 使用情况和经济比较等方面，对铸铁排管酸冷却器、管壳武酸冷却器和板式酸冷却器 进行了比较，认为在目前情况下，国产阳极保护管式酸冷却器更适合于我国的硫酸生 产。 关键词：浓硫酸冷却器技术经济比较1酸冷却器简介11铸铁排管酸冷却器 铸铁排管酸冷却器(以下简称“排管”)采用淋洒式降温，材质多为HTl50灰121铸铁，也采用RTCr2低铬铸铁的。为保证设备正常运转，铸铁管件必须严格按有关技术要求制造，并经 2 452Mpa的水压试验合
2、格后才能安装，安装后在经试压方可使用。12管壳式酸冷却器管壳式酸冷却器采用固定管壳式结构，酸走壳侧，水走管内，目前，用于浓硫酸冷却的有带阳极 保护和不带阳极保护两种管壳式酸冷却器。l 21阳极保护管壳式酸冷却器阳极保护管壳式酸冷却器(以下简称“管壳式”)管子和管板材质为316L不锈钢，管壳材质多 为304L或316L不锈钢耐高温浓硫酸腐蚀的能力不强，故采用了阳极保护、利用电化学原理，将管 子、管板、管壳作为阳极，通以阳极电流，使阳极表面形成钝化膜，进入钝化状态，从而达到减轻或防 止设备腐蚀，阳极保护系统一般的控制指标见表1，阳极构成回路的阴极，其材质的不同使用寿命 不尽相同，目前阴极的主要材质
3、有：哈氏合金B2，啥氏合金(2276、NSW、1Crl8Ni9Ti、Pt合金等。l 2 2不带阳极保护管壳式酸冷却器国内使用的不带阳极保护管壳式酸冷却器就是指sx管壳式酸冷却器(以下简称“sx”)，材质 为SandviR sx合金。SandviR sx合金具有极强的耐高温浓硫酸腐蚀性能，作为酸冷却器的材料， 不需要设置电化学防腐蚀装置，同时其具有良好的机械性能(见表2)，修补(特别是对壳体潺酸故 障的处理)极容易。 表1阳极保护系统控制指标指 标 控制值 电动给定值v O2O3 参比电位v 0104 阳极电流A 3010 高位报警v O 5 低位报警v00501630改革铷新发展立足本地资源优
4、势构筑特色产业新格局13板式酸冷却器 板式酸冷却器是由一组金属波纹板片组成，板片器角开口，作为冷热流体的出入口。金属板片 安装在一个侧面有固定板和活动压紧的框架内，并用夹紧螺栓夹紧。冷热流体在板片形成的流道 中相间流过、进行换热。板片四周以垫片或焊接密封，四个角孔周围也有垫圈，兼起密封和冷热流 体分配作用。目前，用于浓硫酸冷却的也有带阳极保护和不带阳极保护两种板式酸冷却器。13 1阳极保护板式冷却器 阳极保护板式酸冷却器由两部分组成，即板式酸冷却器主体和阳极保护系统。酸冷却器板片材质多为316L不锈钢，酸侧采用氟橡胶垫圈或焊接密封，水侧采用丁基橡胶垫圈密封。132不带阳极保护板式酸冷却器 不带
5、阳极保护板式酸冷却器(以下简称“板式”)板式材质多 为哈氏合金C276和I)205、RS一2不锈钢、Alloy2合金，酸侧采用氟橡胶垫圈或焊接密封，水侧采用丁基橡胶垫圈密封。2技术经济比较现从技术和经济两方面对几种酸冷却器进行比较，随着技术、经济的发展，高效的浓硫酸冷却 器在国内硫酸厂家中的使用日益增多，而且当前流行的几种类型，都有不少应用，各种酸冷却器的 主要技术参数统计结果见表3。 表2SandviR SX机械性能(201221传热系数“排管”采用淋洒式降温，传热系数低，一般为145-256W(m2k)，国产“管壳式”的传热系数 为700-930W(m2k)，进口“管壳式”的传热系数为90
6、01300W“m2k)，分别是“排管”的45 倍和57倍，这一点从表3就可以看出。进口“管壳式”的酸速较高，减薄了传热膜厚度，降低了传 热阻力，从而提高了传热系数，但是酸速高会影响阳极保护钝化膜的稳定性，对阳极保护系统要求 较高。国产“管壳式”更多地考虑了我国硫酸生产的实际情况，适当降低了传热系数，增加了操作裕 度，更加适合我国国情。但在实际使用中，有的厂酸冷却器传热系数只有493W(m2k)，明显偏 低，分析其原因：a硫酸系统实际生产能力低于设计生产能力，导致酸速降低；或者选用的酸冷却器 的冷却的能力远大于冷却负荷，导致酸水流速较低。具资料介绍，为了控制腐蚀和得到高的传热系 数，应控制酸速2
7、13ms。从表3可见，酸速低的只有034ms，水速低的只有148ms，过低的流速增加了传热膜厚度，使传热阻力加大；而且水速越低，管壁越容易结垢，也增 加传热阻力。b由于酸冷却器长期运行，管壳结垢增加了传热阻力。 “板式”多采用波纹板片，流道狭窄，所以在较低的流速下就能产生絮流(临界絮流系数为10左 右)，加之金属板片薄，只有06-10mm，故传热系数高达16002200W“m2k)，国产“板式”由 于受板片材质、垫片质量限制以及设计过于保守，传热系数取值较低，只有800-1100W“m2k)， 是管壳式的2倍左右，“排管”的814倍。631信息科学与工程技术一表3酸冷却器的技术参数干燥酸“管壳
8、式”一吸酸“管壳式”sx 十媒取酸A l!叹醒假A项 目“排管”“酸侧水侧酸侧水侧 酸侧水侧 酸侧水侧 酸侧水侧 r乏泸百西一丽曩磊I忑飞212 、o Du+3、u。上)龟u。设计流速乒1m s。1连2-356 235-6 口实际流速掣o340 911 48244o 45085 1542 63In s一1进O 621 24l 862 900 560 850 983 0晷(5050(505030503050 伽8眷60606060实际压降产 伸 喜4133 17463396207767110 34130 501109097国7012885允许最高产80国578 22 33 6268 2540实际
9、使用产 ， 温度7喾567-7525 32 6 76120 2552105 57 46 761 2534 8395 2534设计传热垦1452567001000 7001000 8001100 8001100r 小数 用m2 k誉2000300020003000实际传热垦493913 650一935小数 刖m2 k 1誉9801211102511482282061 1933 实际换热璺0 681 38o 41132面积定额严3 96O 99 0160190 27m2 dt一1音 o 350 64 0 400 55单位面积垦 397 28002800 9000广 7000 7000价格 元m一2
10、借6600 6600单位能力璧1900386028003700 价格元J8910 11201330 1890(、-去-)1盛2310一4220 2640一3630 M注：(1)“排管”的数据取自某厂80Kta设计数据2 2换热面积定额 根据调查的情况统计，换热面积定额“板式”为016-027mz(tn2s04d)，国产“管壳式”为o4l138m2(tHzS04d)，排管”为396m2(tH2鼢d)。“板式”采用板片叠装结构，传热面积可以通过增减板片数予以改变，在一台机架上可同时完成多段换热，这种适应性较大的性能是其它632改革创新发展立足本地资源优势构筑特色产业新格局 换热设备无法相比的。“板
11、式”结构紧凑，在相同条件下，占地面积仅为“管壳式”的1512，“排管”的150。2 3正常使用温度由于铸铁管件耐高温浓度腐蚀的能力不强，冷却酸浓为98时，“排管”允许最高使用温度 80。冷却酸浓为93、98时，“管壳式”允许最高酸温分别为70、120“C。由316L不锈钢在浓 硫酸中的阳极保护钝化效果与硫酸浓度和温度的关系可知，酸浓98、酸温100时，“管壳式”处 于安全保护操作区，能安全运行。浓硫酸的温度和浓度对阳极保护电流、电位影响较大，酸浓一定， 保护电流随酸温升高而升高，酸温一定，保护电流随酸浓降低而升高，而且酸浓的影响比酸温的影 响大。93硫酸在70“C时，阳极保护电位区域很小，维钝
12、电流很大，安全操作的裕度小，腐蚀速度 比98硫酸在110“C时大得多。2 4冷却水“排管”对冷却水水质要求不高。“管壳式”使用的冷却水，有脱盐软化水、工业循环水、自来水， 也有厂使用初步处理的清江水、河水作为冷却水。目前，多数厂采用脱盐软化水作为冷却水。冷却 水水质的好坏是“管壳式”能否正常、高效运行的关键因素之一，对于脱盐软化水主要控制pH值和 cl。1浓度。“板式”流道狭窄，波纹板结构增加了水结垢可能性，所以对水质要求较高，特别是 中4rnrn以上的刚性颗粒物和较小的弹性附着物对冷却器运行危害很大、多数厂使用净化软水作为 冷却水。2 5热能回收在硫铁矿制酸系统中，干燥、吸收系统酸冷却器带走
13、的热量约占整个系统产热量的34，使用 “排管”基本上无法回收这部分热量，“管壳式”和“板式”的使用，为回收这部分热量提供可能性。目 前，大部分厂没有利用这部分热量，甚为可惜。这也说明，如何在使用酸冷却器的同时利用好低温 位热能还有很多工作要做。 2 6环境污染由于受铸铁材质、结构和铸造质量的限制，“排管”较易发生泄漏事故，不仅造成硫酸的损失，也 严重污染了环境，“排管”采用冷却水淋洒冷却，水雾弥漫，污染环境，并会如剧邻近构筑物的腐蚀。 “管壳式”和“板式”很少发生酸泄漏事故，同时冷却水一般循环使用，对环境很少产生污染。27使用情况 “排管”受硫酸的腐蚀较严重，每年更换管件约22，“排管”泄漏事
14、故造成的停车，占各种非正 常停车的20-30，成为制酸系统停车的主要事故。当然，冷却排管使用时间较长的例子也不 少，主要是排管的铸造质量的影响。相对来说确保排管质量还是有一定难度的。 阳极保护管壳式酸冷却器在国内的研制工作始于20世纪80年代初，投入工业应用时，已近 90年代。到目前为止，已有200多家硫酸厂应用了阳极保护管壳式酸冷却器，且基本处于良好运行状态。“管壳式”的酸进口侧易被碎瓷填料堵塞(特别是吸收酸“管壳式”)，虽然加装了不锈钢过滤网 有时仍有少量填料碎片带人。“管壳式”长期运行后有酸泥沉积，会降低传热系数，增加流体阻力， 采用全焊接结构会给清洗带来一定的难度。另外，阳极保护系统中
15、的参比电极密封结构复杂，导线 易受酸腐蚀，电位易发生漂移，造成电位指示故障。在夏季酸温高时，干燥酸“管壳式”的阳极保护 电流经常超过高位报警限，酸浓只得提高到94-95，才能安全运行。 “板式”在正常运行的情况下，制造厂家保证使用寿命在10年左右。在实际运行中，板式垫片 长度往往达数百米，据计算，一台板片面积为0 2m2，100块板片的中型设备，其垫片长度达450m 这么长的密封周边增加了泄漏可能性，假如设备经常开停车，则由于热胀冷缩，更易导致渗漏。对 于浓硫酸，氟橡胶垫片耐温上限为9095“C，限制了进口酸温度。但在应用中存在使用寿命较短， 易发生故障的问题。分析原因，有水质、工薇、材料等方面的影响；因而很多使用厂家，多在考虑以 一633信息科学与工程技术“管壳式”取而代之。 28经济评价 从表3可见，从价格上讲，以每平方米换热面积计，进口“管壳式”最高，进口“板式”次之，国产 “管壳式”再次之，“排管”最低；以每天生产1吨酸所需酸冷却器设备费用计进口“管壳式”最高，其 它三者相近。另外，“管壳式”和“板式”的冷却水可以循环使用，节约水资源；冷却水的低温位热能， 如加以利用，也是一笔不小的收入，将更能体现它的经济性。谈教
