硫磺制酸过热器的设计和制造工艺
硫磺制酸过热器的设计和制造工艺
1 绪论1
2 过热器现状1
2.1 过热器分类2
2.2 过热蒸汽的应用4
2.3 过热器的性能4
2.4 过热器结构方案选择5
3 过热器结构设计和焊接工艺5
3.1 基本参数的设计和计算5
3.2 蒸汽进出口集箱6
3.3 翅片管子11
4 中温过热器结构示意图14
结论 19
致谢 20
参考文献 21
过热：通俗地说就是开水在大气压环境下继续加热就会产生蒸汽，这些蒸汽是饱和蒸汽。就是说在大气压下，通过加热刚好变成蒸汽。而过热蒸汽就是，将饱和蒸汽继续加热，在大气压下，继续被加热的蒸汽的温度比饱和蒸汽温度高，高了100度，这100度就叫过热度，这些蒸汽叫做过热蒸汽。过热蒸汽比饱和蒸汽拥有更多能量。比饱和蒸汽的做功能力强。也比饱和蒸汽不容易凝结。因为加热成为饱和蒸汽所需的热量较多，而做功能力不强，并且稍微做功就会有一部分蒸汽凝结成水。所以将饱和蒸汽加热成为过热蒸汽会得到更高的做功能力和效率。一般工业上都需要用过热蒸汽。
过热器(superheater)是锅炉中将一定压力下的饱和水蒸气加热成相应压力下的过热水蒸气的受热面。锅炉中将蒸汽从饱和温度进一步加热至过热温度的部件，又称蒸汽过热器。过热器一般在锅炉里使用，高温烟气流过过热器，过热器内是饱和或者有一定过热度的蒸汽。烟气温度比过热器内的蒸汽温度高，所以烟气传递热量给过热器内的蒸汽。让过热器内的蒸汽温度和压力上升，达到设计或者要求的参数。
在电站、机车和船用锅炉中，为了提高整个蒸汽动力装置的循环热效率，一般都装有过热器。采用过热蒸汽可以减少汽轮机排汽中的含水率。过热蒸汽温度的高低取决于锅炉的压力、蒸发量、钢材的耐高温性能以及燃料与钢材的比价等因素，对电站锅炉来说,4兆帕的锅炉一般为450℃左右，10兆帕以上的锅炉为540～570℃。少数电站锅炉也有采用更高过热汽温的（甚至可达650℃）。
2 过热器的现状
在工业锅炉中，一般采用饱和蒸汽，常把过热器看作为辅助受热面，过热汽温不超过400℃，通常布置在对流管束中间的烟温小于700～800℃的区域中，工作是可靠的。
在电站锅炉中，提高过热蒸汽的参数是提高火力发电站热经济性的重要途径。过热蒸汽参数的提高受到金属材料的限制。过热器的设计必须确保受热面管子的外壁温度低于钢材的抗氧化允许温度并保证其机械强度。随着锅炉用金属材料的发展，我国电站锅炉已普遍采用了高压高温（9.8MPa，540℃）和超高压参数（13.7MPa，540和555℃），并已发展亚临界压力参数（16.7MPa，540和555℃），国外已有不少锅炉采用超临界压力（24.5MPa，540～570℃）参数，也有个别机组采用更高的压力和温度参数。
在电站锅炉中，提高过热蒸汽的参数是提高火力发电站热经济性的重要途径。过热蒸汽参数的提高受到金属材料的限制。过热器的设计必须确保受热面管子的外壁温度低于钢材的抗氧化允许温度并保证其机械强度。随着锅炉用金属材料的发展，我国电站锅炉已普遍采用了高压高温（9.8MPa，540℃）和超高压参数（13.7MPa，540和555℃），并已发展亚临界压力参数（16.7MPa，540和555℃），国外已有不少锅炉采用超临界压力（24.5MPa，540～570℃）参数，也有个别机组采用更高的压力和温度参数。
我国生产的高压和超高压自然循环锅炉中，仅采用布置在炉顶的辐射过热器，而未采用布置在四周炉壁的辐射过热器，这显然是从安全可靠的角度里考虑的，但是随着锅炉的发展，辐射过热器必然要得到更多的采用。
2．1 过热器的分类
按照传热方式，过热器可分为对流、辐射及半辐射三种型式。现代大型电站锅炉均采用复杂的辐射－对流多级布置的过热器系统，过热器管则根据管内工质温度和热负荷大小分别采用不同的材质和壁厚。对于过热器，它们都由若干根并联管子和进出口集箱组成。管子的外径一般为30～60毫米。对流式过热器最为常用，采用蛇形管式。它具有比较密集的管组，布置在 450～1000℃烟气温度的烟道中，受烟气的横向和纵向冲刷。烟气主要以对流的方式将热量传递给管子，也有一部分辐射吸热量。
2.1.1 对流过热器
对流过热器布置在锅炉的对流烟道中，主要依靠对流传热从烟气中吸收热量。在中小型锅炉中，一般采用纯对流式过热器；在大型锅炉中，采用复杂的过热器系统，然而对流过热器仍是其中主要的部分。对流过热器有垂直布置和水平布置的两种型式，如图所示。
图2.1 垂直和水平过热器
2.1.2 辐射式过热器
辐射式过热器主要布置在炉膛壁面上，吸收炉膛中辐射热量加热蒸汽，所以也称墙式过热器。如与对流式过热器一起采用，有利于改善汽温调节特性。这种过热器金属耗量少但因炉膛热负荷高和管内蒸汽冷却性能差，应注意运行安全性。在起动时应采用给水冷却或用其他锅炉的蒸汽冷却等方法来保证辐射式过热器管得到冷却。
图2.2 辐射过热器
2.1.3 半辐射过热器
在现代高参数大容量锅炉中，蒸汽过热所需的吸热量增大，必然地把过热器布置在更高的烟温区域，以减少过热器的金属消耗量，但对于燃烧固体燃料的锅炉，对流过热器前的烟气温度受到结渣条件的限制，不能过于提高，因此，在炉膛出口处进入对流烟道之前布置几排稀疏的管屏，既吸收烟气流过时的对流热，又吸收炉膛中的辐射热及屏间烟气的气空辐射热，称为半辐射屏式过热器，应用得非常普遍。
图2.3 半辐射过热器
2．2 过热蒸汽的应用
过热蒸汽有其本身的应用领域，如用在发汽轮机的透平，通过喷嘴至电机，推动电机转动。但是过热蒸汽很少用于工业制程的热量传递过程，这是因为过热蒸汽在冷凝释放蒸发焓之前必须先冷却到饱和温度，很显然，与饱和蒸汽的蒸发焓相比，过热蒸汽冷却到饱和温度释放的热量是很小的，从而会降低工艺制程设备的性能。
同时，过热蒸汽还能应用在食品加工领域、干燥行业应用领域、工业领域等许许多多的领域。
所以，如何有效利用过热蒸汽对于能量的再利用和环保具有重大的意义。
2．3 过热器的性能
锅炉运行工况的变化，例如负荷高低、燃料变化、燃烧工况变动等,都对过热器出口汽温有影响,所以在电站锅炉中都有调节锅炉出口汽温使其稳定在规定值的手段。常用手段有：①用喷水式或表面式减温器直接调节汽温；②用摆动燃烧器改变炉膛出口烟气温度；③用烟气再循环调节过热器吸热量（见锅炉汽温调节）。锅炉负荷升高时，对流式过热器的进出口蒸汽温度升高值增大，辐射式过热器的温度升高值减小。若将对流式、辐射式和半辐射式过热器合理组合配置，则可在负荷、燃烧工况等变化时使出口汽温变化较小。过热器管组中各并联管子的吸热量和蒸汽流量在运行中都会有差别。为避免个别管子中温度过高，在大型锅炉中把过热器分成若干管组，用炉外的集箱对各管组蒸汽进行混合并用导汽管使各管组换位，以避免各管间出现过大的温度差。
过热器管壁金属在锅炉受压部件中承受的温度最高，因此必须采用耐高温的优质低碳钢和各种铬钼合金钢等，在最高的温度部分有时还要用奥氏体铬镍不锈钢。锅炉运行中如果管道承受的温度超过材料的持久强度、疲劳强度或表面氧化所容许的温度限值，则会发生管道爆裂等事故。
2．4 过热器结构方案选择
过热器按传热方式可分为对流式、辐射式和半辐射式；按结构特点可分为蛇形管式、屏式、墙式和包墙式。它们都由若干根并联管子和进出口集箱组成。管子的外径一般为30～60毫米。
对流式过热器最为常用，采用蛇形管式。它具有比较密集的管组，布置在 450～1000℃烟气温度的烟道中，受烟气的横向和纵向冲刷。烟气主要以对流的方式将热量传递给管子，也有一部分辐射吸热量。
屏式过热器由多片管屏组成，布置在炉膛内上部或出口处，属于辐射或半辐射式过热器。前者吸收炉膛火焰的辐射热，后者还吸收一部分对流热量。在10兆帕以上的电站锅炉中，一般都兼用屏式和蛇形管式两种过热器，以增加吸热量。敷在炉膛内壁上的墙式过热器为辐射式过热器，较少采用。
包墙式过热器用在大容量的电站锅炉中构成炉顶和对流烟道的壁面，外面敷以绝热材料组成轻型炉墙。
2.5.1 选定受热管种类
硫磺制酸工艺烟气的特点：烟气量大，烟温低，而且进、出口温差小。如此的烟气条件，采用以往的光管蛇形管过热器将会很庞大，阻力也大，很不现实。经过多方调研讨论，我们选定：过热器管选用U型高频焊螺旋翅片管。
1 绪论1
2 过热器现状1
2.1 过热器分类2
2.2 过热蒸汽的应用4
2.3 过热器的性能4
2.4 过热器结构方案选择5
3 过热器结构设计和焊接工艺5
3.1 基本参数的设计和计算5
3.2 蒸汽进出口集箱6
3.3 翅片管子11
4 中温过热器结构示意图14
结论 19
致谢 20
参考文献 21
过热：通俗地说就是开水在大气压环境下继续加热就会产生蒸汽，这些蒸汽是饱和蒸汽。就是说在大气压下，通过加热刚好变成蒸汽。而过热蒸汽就是，将饱和蒸汽继续加热，在大气压下，继续被加热的蒸汽的温度比饱和蒸汽温度高，高了100度，这100度就叫过热度，这些蒸汽叫做过热蒸汽。过热蒸汽比饱和蒸汽拥有更多能量。比饱和蒸汽的做功能力强。也比饱和蒸汽不容易凝结。因为加热成为饱和蒸汽所需的热量较多，而做功能力不强，并且稍微做功就会有一部分蒸汽凝结成水。所以将饱和蒸汽加热成为过热蒸汽会得到更高的做功能力和效率。一般工业上都需要用过热蒸汽。
过热器(superheater)是锅炉中将一定压力下的饱和水蒸气加热成相应压力下的过热水蒸气的受热面。锅炉中将蒸汽从饱和温度进一步加热至过热温度的部件，又称蒸汽过热器。过热器一般在锅炉里使用，高温烟气流过过热器，过热器内是饱和或者有一定过热度的蒸汽。烟气温度比过热器内的蒸汽温度高，所以烟气传递热量给过热器内的蒸汽。让过热器内的蒸汽温度和压力上升，达到设计或者要求的参数。
在电站、机车和船用锅炉中，为了提高整个蒸汽动力装置的循环热效率，一般都装有过热器。采用过热蒸汽可以减少汽轮机排汽中的含水率。过热蒸汽温度的高低取决于锅炉的压力、蒸发量、钢材的耐高温性能以及燃料与钢材的比价等因素，对电站锅炉来说,4兆帕的锅炉一般为450℃左右，10兆帕以上的锅炉为540～570℃。少数电站锅炉也有采用更高过热汽温的（甚至可达650℃）。
2 过热器的现状
在工业锅炉中，一般采用饱和蒸汽，常把过热器看作为辅助受热面，过热汽温不超过400℃，通常布置在对流管束中间的烟温小于700～800℃的区域中，工作是可靠的。
在电站锅炉中，提高过热蒸汽的参数是提高火力发电站热经济性的重要途径。过热蒸汽参数的提高受到金属材料的限制。过热器的设计必须确保受热面管子的外壁温度低于钢材的抗氧化允许温度并保证其机械强度。随着锅炉用金属材料的发展，我国电站锅炉已普遍采用了高压高温（9.8MPa，540℃）和超高压参数（13.7MPa，540和555℃），并已发展亚临界压力参数（16.7MPa，540和555℃），国外已有不少锅炉采用超临界压力（24.5MPa，540～570℃）参数，也有个别机组采用更高的压力和温度参数。
在电站锅炉中，提高过热蒸汽的参数是提高火力发电站热经济性的重要途径。过热蒸汽参数的提高受到金属材料的限制。过热器的设计必须确保受热面管子的外壁温度低于钢材的抗氧化允许温度并保证其机械强度。随着锅炉用金属材料的发展，我国电站锅炉已普遍采用了高压高温（9.8MPa，540℃）和超高压参数（13.7MPa，540和555℃），并已发展亚临界压力参数（16.7MPa，540和555℃），国外已有不少锅炉采用超临界压力（24.5MPa，540～570℃）参数，也有个别机组采用更高的压力和温度参数。
我国生产的高压和超高压自然循环锅炉中，仅采用布置在炉顶的辐射过热器，而未采用布置在四周炉壁的辐射过热器，这显然是从安全可靠的角度里考虑的，但是随着锅炉的发展，辐射过热器必然要得到更多的采用。
2．1 过热器的分类
按照传热方式，过热器可分为对流、辐射及半辐射三种型式。现代大型电站锅炉均采用复杂的辐射－对流多级布置的过热器系统，过热器管则根据管内工质温度和热负荷大小分别采用不同的材质和壁厚。对于过热器，它们都由若干根并联管子和进出口集箱组成。管子的外径一般为30～60毫米。对流式过热器最为常用，采用蛇形管式。它具有比较密集的管组，布置在 450～1000℃烟气温度的烟道中，受烟气的横向和纵向冲刷。烟气主要以对流的方式将热量传递给管子，也有一部分辐射吸热量。
2.1.1 对流过热器
对流过热器布置在锅炉的对流烟道中，主要依靠对流传热从烟气中吸收热量。在中小型锅炉中，一般采用纯对流式过热器；在大型锅炉中，采用复杂的过热器系统，然而对流过热器仍是其中主要的部分。对流过热器有垂直布置和水平布置的两种型式，如图所示。
图2.1 垂直和水平过热器
2.1.2 辐射式过热器
辐射式过热器主要布置在炉膛壁面上，吸收炉膛中辐射热量加热蒸汽，所以也称墙式过热器。如与对流式过热器一起采用，有利于改善汽温调节特性。这种过热器金属耗量少但因炉膛热负荷高和管内蒸汽冷却性能差，应注意运行安全性。在起动时应采用给水冷却或用其他锅炉的蒸汽冷却等方法来保证辐射式过热器管得到冷却。
图2.2 辐射过热器
2.1.3 半辐射过热器
在现代高参数大容量锅炉中，蒸汽过热所需的吸热量增大，必然地把过热器布置在更高的烟温区域，以减少过热器的金属消耗量，但对于燃烧固体燃料的锅炉，对流过热器前的烟气温度受到结渣条件的限制，不能过于提高，因此，在炉膛出口处进入对流烟道之前布置几排稀疏的管屏，既吸收烟气流过时的对流热，又吸收炉膛中的辐射热及屏间烟气的气空辐射热，称为半辐射屏式过热器，应用得非常普遍。
图2.3 半辐射过热器
2．2 过热蒸汽的应用
过热蒸汽有其本身的应用领域，如用在发汽轮机的透平，通过喷嘴至电机，推动电机转动。但是过热蒸汽很少用于工业制程的热量传递过程，这是因为过热蒸汽在冷凝释放蒸发焓之前必须先冷却到饱和温度，很显然，与饱和蒸汽的蒸发焓相比，过热蒸汽冷却到饱和温度释放的热量是很小的，从而会降低工艺制程设备的性能。
同时，过热蒸汽还能应用在食品加工领域、干燥行业应用领域、工业领域等许许多多的领域。
所以，如何有效利用过热蒸汽对于能量的再利用和环保具有重大的意义。
2．3 过热器的性能
锅炉运行工况的变化，例如负荷高低、燃料变化、燃烧工况变动等,都对过热器出口汽温有影响,所以在电站锅炉中都有调节锅炉出口汽温使其稳定在规定值的手段。常用手段有：①用喷水式或表面式减温器直接调节汽温；②用摆动燃烧器改变炉膛出口烟气温度；③用烟气再循环调节过热器吸热量（见锅炉汽温调节）。锅炉负荷升高时，对流式过热器的进出口蒸汽温度升高值增大，辐射式过热器的温度升高值减小。若将对流式、辐射式和半辐射式过热器合理组合配置，则可在负荷、燃烧工况等变化时使出口汽温变化较小。过热器管组中各并联管子的吸热量和蒸汽流量在运行中都会有差别。为避免个别管子中温度过高，在大型锅炉中把过热器分成若干管组，用炉外的集箱对各管组蒸汽进行混合并用导汽管使各管组换位，以避免各管间出现过大的温度差。
过热器管壁金属在锅炉受压部件中承受的温度最高，因此必须采用耐高温的优质低碳钢和各种铬钼合金钢等，在最高的温度部分有时还要用奥氏体铬镍不锈钢。锅炉运行中如果管道承受的温度超过材料的持久强度、疲劳强度或表面氧化所容许的温度限值，则会发生管道爆裂等事故。
2．4 过热器结构方案选择
过热器按传热方式可分为对流式、辐射式和半辐射式；按结构特点可分为蛇形管式、屏式、墙式和包墙式。它们都由若干根并联管子和进出口集箱组成。管子的外径一般为30～60毫米。
对流式过热器最为常用，采用蛇形管式。它具有比较密集的管组，布置在 450～1000℃烟气温度的烟道中，受烟气的横向和纵向冲刷。烟气主要以对流的方式将热量传递给管子，也有一部分辐射吸热量。
屏式过热器由多片管屏组成，布置在炉膛内上部或出口处，属于辐射或半辐射式过热器。前者吸收炉膛火焰的辐射热，后者还吸收一部分对流热量。在10兆帕以上的电站锅炉中，一般都兼用屏式和蛇形管式两种过热器，以增加吸热量。敷在炉膛内壁上的墙式过热器为辐射式过热器，较少采用。
包墙式过热器用在大容量的电站锅炉中构成炉顶和对流烟道的壁面，外面敷以绝热材料组成轻型炉墙。
2.5.1 选定受热管种类
硫磺制酸工艺烟气的特点：烟气量大，烟温低，而且进、出口温差小。如此的烟气条件，采用以往的光管蛇形管过热器将会很庞大，阻力也大，很不现实。经过多方调研讨论，我们选定：过热器管选用U型高频焊螺旋翅片管。
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