服务型政府建设的问题:二氧化硫及硫磺炉燃烧管理

一、硫和二氧化硫硫亦称硫黄，是黄色晶状固体，有菱形硫和单斜晶硫两种。它们的熔点为110.2℃和114.5℃。初熔化的硫为浅黄色液体，在温度更高时变成红色以至黑色的粘稠液，再冷却时形成黑色的无定形硫。硫的熔化热为49.8 kJ/kg(菱形硫)和38.5 kJ/kg(单斜晶硫)，液体硫的比热为0.96 kJ/kg·℃，密度为1799～1770kg/m3。液体硫在150℃以下的粘度不大，但在160℃以上则急剧升高。在150℃的粘度(N·s/m2 )为0.0066，165℃为 0.5 ，187℃时升高到 93。硫在高温下气化，硫蒸汽的分压力随温度升高而增大，在360℃以上气化十分强烈，不同温度下的硫蒸汽分压如下表。温度 ℃140180240300360400硫气分压 Pamm Hg1.20.129.30.9578.58.046647.516301663730380硫的气化通常称为升华，它主要是由熔融的硫黄产生，液体硫在444.6℃沸腾变成红褐色的蒸汽。液体硫在250℃着火燃烧。在其上方3～5cm 之处测量，火焰温度在280～460℃之间。火焰的颜色与其温度有关。280～360℃的火焰呈蓝紫色，360～420℃呈红黄色，420～460℃由红转白色。温度升高时颜色的变化是由于火焰中所含的未及燃烧的硫蒸汽的含量增加，火焰的辐射增强。温度高时硫迅速气化，如果它未及燃烧就被带走，在以后冷却时，又复凝结成固体，沉积在管路设备中，甚至将管路堵塞。为避免硫黄升华堵塞管路，燃烧温度不宜过高。硫燃烧时放出大量热能，其燃烧热为 9287 kJ/kg(2218 kcal/kg)。为防止燃硫炉温度过高，炉体必须用水冷却。硫燃烧时生成二氧化硫SO2 。它是无色气体，有强烈刺激性气味，在空气中的含量1ppm 就能感觉到，英美等国规定环境中的SO2 含量极限为 2～5ppm。SO2 的密度为空气的2.26倍，泄漏的SO2 会沉积在空气的下部。SO2 的比热为0.645 kJ/kg·℃。SO2 易溶于水，溶解度随温度升高而降低。在0℃为 185g/l ，在50℃为 43g/l ，比糖汁硫熏的需要量大很多。SO2会被氧化成SO3，后者对制糖过程非常有害。因为它溶于水生成硫酸，与石灰反应生成的硫酸钙能溶于清汁中，在蒸发浓缩时则析出成为罐垢。硫酸钙是糖厂积垢和白糖灰份的主要成份。据广东几个糖厂的测定，燃硫炉的燃烧气中SO3 的含量为0.1～0.6%，与设备和操作有关。SO2氧化成 SO3 的速度，首先决定于气体的温度和含氧量。在700～800℃及含氧较多时进行得较快。为减少这种有害的反应，应当将燃烧生成的气体迅速冷却和减少进入燃硫炉的过量空气。此外，金属及其氧化物对此反应有明显的催化作用。一般来说，用铸铁制的燃烧炉的这种反应较弱，而且较为耐用。二、燃硫炉燃硫炉有多种结构形式。70年代后，国内糖厂研究成功了自熔式液体燃硫炉，效果良好，随后迅速推广，现为国内绝大多数糖厂采用。它有如下的主要优点：1. 硫燃烧完全，没有或极少升华硫。2. 燃气含SO2 浓度较高而且稳定，含SO3 较少。3. 能适应燃烧不同的硫黄。4. 结构简单，制造容易，操作方便。糖厂早期使用的燃硫炉直接燃烧固体硫 (国外也很普遍)，它的缺点是燃烧不稳定：新加入的固体硫占据并减少了燃烧盘的有效面积，使燃烧速度减慢；待固体硫熔化后占满了整个燃烧盘，燃烧速度最高，以后又逐渐减慢，周期性地变化。燃气中SO2 浓度也随之周期性波动，影响蔗汁硫熏强度波动。自熔式液体燃硫炉利用燃硫产生的热量将固体硫熔化成液体，并使其均匀地连续地流入燃烧盘。盘中布满溶硫液及燃烧火焰，硫的燃烧速度稳定，硫气浓度较高。由于燃硫炉的结构简单，不少糖厂自行制造，具体结构尺寸有所不同。有部分设备用得较好，但也有一些因问题较多而被淘汰。根据广东各糖厂的实践经验，液体燃硫炉在结构和操作上应注意下列问题。(1) 燃烧温度和强度这是燃硫炉的最重要参数。燃烧温度以320～360℃为宜，温度过高会增加升华硫。燃烧盘每单位面积每小时燃烧硫黄量 kg/m2 称为燃烧强度，它与燃烧温度有对应关系。在上述温度下的燃烧强度约为20kg/m2 ，温度高时燃烧强度较大。实践证明，当燃烧强度增大到25 kg/m2 左右时，形成升华硫的危险就明显增加；而在燃烧强度不超过20kg/m2 时是很少出现升华硫的。有些厂因燃硫面积不足，曾试将熔硫液拨到燃烧盘外燃烧，至使炉温更高，升华硫很快就堵塞硫气管路。但燃烧温度与强度过低亦不好，此时硫气浓度较低。如作者在中山糖厂的一组试验测出燃烧温度与燃气中SO2 浓度的关系如下表。燃烧温度℃285315325330338348硫气浓度 %9.811.812.413.013.414.0影响燃烧温度和燃烧强度的主要因素是抽风量、炉体的冷却及熔硫的供应。燃硫炉的顶部要运水冷却，炉口风门的大小要和抽吸力大小适当配合。抽吸力强时宜适当关小入风口。熔硫的供应要充足，使整个燃烧盘上复盖着适当厚度的液体硫，燃烧旺盛均匀，火焰呈蓝紫色，不使盘底露空，不让灰渣占去燃烧面积 (有积渣时要及时清理) 。空气应由炉口进入，从燃烧盘上方通过，不可走短路或从炉后漏入。(2) 辅助燃烧室的设置不少燃硫炉在其后设置辅助燃烧室，其意图是让未完全燃烧的气化硫继续燃烧。实际使用情况说明，这种炉有些效果较好，亦有些仍然有升华硫堵塞管路。另一方面，有些燃硫炉不设辅燃室，只将炉后留空一些位置，或本身燃烧空间较大，亦很少升华硫。对这个问题要作具体分析。当燃硫炉燃烧温度较高，燃烧强度较大时，会有一些液体硫变成气体后未及燃烧就被带走。在其后的辅燃室或气管中，如温度仍较高，残余的硫可继续燃烧；但如已经冷却降温，低于硫的燃点，就不能再燃烧。大体上，辅燃室的进气温度要高于260℃才有作用， 温度低就失效。另一方面，如果燃硫炉的燃烧温度和燃烧强度不过高，且炉内有足够的燃烧空间，硫黄在炉内已燃烧完全，就无需设辅燃室。由于燃烧炉内的温度总高于炉外的辅燃室，燃烧速度较快，较易达到燃烧完全。因此，较好的方法是在炉体后部留一些空间 (如炉体长度的20%) 使硫完全燃烧，其效果优于另设辅燃室，设备还较简单而紧凑；不设辅燃室还可以缩短气体在高温下的时间以及和铁器的接触面积，减少三氧化硫的生成。(3) 熔硫盘的配置熔硫盘的配置要适当，使加入的固体硫能及时熔化，供给足够的液体硫，而熔硫液的温度亦不过高， 如在150℃左右。有一些炉的熔硫盘受热过度，硫液温度过高，强烈气化甚至自燃着火，将燃硫间空气严重污染，影响工人操作。但也有一些炉的熔硫量不足， 要另行加固体硫入燃烧盘。通常，熔硫盘面积为燃烧盘面积的20～30%，熔硫盘底离燃烧盘距离250～350mm，并低于冷却盘，就基本适合。熔硫盘应与水冷部分离开，熔硫盘侧壁不要被水冷，否则会影响熔硫速度。(4) 双层和多层燃硫炉有些燃硫炉设计成内装两层或多层燃烧盘，以增大燃烧面积和减少占地面积[5] 。熔硫液先入上层，再自流入下层。这种炉在上、下层燃烧盘之间要运水冷却。如冷却不好，上盘受下盘火焰加热，温度会过高而产生强烈升华。此运水部分要很好设计与施工，否则容易漏水而不能使用。多层炉因熔硫量相对较大，要较大的熔硫面积。自熔式燃硫炉基本上可适应糖厂的要求，其不足之处是燃烧强度不高，因而大型糖厂的燃硫设备比较庞大。三、主要的计算数据(1) 燃烧气体中含SO2的浓度如果燃烧时空气中的氧完全与硫化合，无剩余O2 ，则燃烧气体中SO2 所占容积为气体总体积的21%，但实际燃烧过程必然有过量空气，以 a 代表过量空气系数，即实际进入空气量与理论所需空气量的比率；则实际燃烧气体中SO2 浓度(按体积计)为 (21/a)%，如 a 分别为1.5及2.0时，SO2 浓度分别14%和10.5%。现在多数糖厂燃硫气中SO2 浓度为10～12%。设计与操作良好者较高，最高可能达14～16%。 但也有一些较差的燃硫炉，硫气浓度低于10%。硫气浓度高有利于下一步SO2的吸收，提高硫熏强度和吸收率，硫气浓度低会影响蔗汁硫熏强度不足，吸收率下降。(2) 燃烧用空气量与燃气体积理论上，燃烧 1kg 硫要 1kg 氧气或 4.33kg 空气，实际所用空气量则为 4.33a kg。所需空气体积按标准状态计算，理论值为 3.33m3 ，实际值为3.33a m3 。每 1kg 硫燃烧后所产生的气体体积可按下式计算：273 + tV = 3.33a × ———  ( m3 )273式中，t 为燃烧气的温度℃ (此处将燃烧气压力与大气压力的微小差别忽略不计)。例如，若 a =1.8，t = 60℃，则燃烧1kg 硫产生的燃气体积为7.3m3。(3) 硫气输送管由燃烧炉至硫熏器的输气管，管中气体流速不高(否则阻力过大)。通常取5～6m/s 来计算所需管道直径。

有些糖厂的硫气管路不时被“升华硫”堵塞，影响正常生产。这种现象以前相当普遍和频繁，近年已比较少见，但一些糖厂仍然被这个问题所困扰。硫黄在高温下气化变成气体，这亦称为升华。随温度升高，硫的气化急速增加。如果气化的硫未及燃烧就被带走，在燃点温度(约250℃)以下就不能继续燃烧，冷却时就复凝结成固体，沉积在管路设备中。为消除这种现象，燃硫炉内的温度不应过高。燃硫火焰上方的温度宜在320～360℃之间，火焰呈蓝紫色。如火焰温度更高，则呈红黄色甚至白色，就易形成升华硫。硫燃烧时放出大量热能，必须用水将它冷却。在实际使用时，要注意燃硫盘的燃烧强度，即燃烧盘每平方米面积每小时燃烧硫黄公斤数。它与燃烧温度有关，温度高时燃烧强度较大。通常，燃烧强度在20～22kg/m2的效果较好， 硫气浓度高，升华硫很少。如果燃烧强度增大到25kg/m2，形成升华硫的危险性就大得多。还要注意不可将熔硫液拨到燃烧盘外燃烧。在燃硫炉中，燃硫盘末端的后面最好留有约30cm长的空间，让已气化的硫继续燃烧完全。不宜将燃硫盘一直延伸至炉尾，不留空间，这会大大增加燃烧不完全的可能性。有些糖厂的燃硫炉后面有辅助燃烧室，但仍有升华硫堵塞硫气管。原因是辅燃室中的温度已经低于硫黄的燃点，硫不能继续燃烧。因此，设置辅燃室并不一定能解决升华硫问题。最可靠的方法还是使硫黄在燃烧炉内燃烧完全，该处温度较高，燃烧速度快，燃烧所需的空间体积相对较小，只要炉尾留下适当的空间即可。应当复算所用燃硫炉的燃烧强度，如果偏高，就是燃硫炉面积不够，要适当扩大。但不可占用炉尾的空间。