摘要：文章详细分析了传统硫磺喷枪的雾化方式、枪体弯曲变形及蒸汽泄漏原因。针对这些问题，提出了相应的解决方案。通过采用高效硫磺喷嘴技术，有效解决了雾化空心问题，提高了焚硫炉的使用容积。采用保温蒸汽均匀分布环和轴向滑动套密封结构，有效解决了枪体弯曲问题。同时，将补偿膨胀节置于焚硫炉外，并对枪体焊缝进行优化设计，有效解决了蒸汽泄漏问题。这些改进措施提高了硫磺喷枪的性能和使用寿命。

　　关键词：硫磺喷枪,结构优化,雾化空心,弯曲变形,蒸汽泄漏

　　Optimize the Structural Design and Application of Sulfur Spray Gun

　　ZHANG Yongyun

　　(Yunnan Sanhuan Sinochem Fertilizer Co.,Ltd.,Kunming 650113,China)

　　Abstract:This paper thoroughly analyzes the atomization methods,gun body bending deformations,and causes of steam leakage in traditional sulfur spray guns.In response to these issues,corresponding solutions were proposed.By adopting efficient sulfur spray nozzles,the problem of hollow atomization was effectively solved,thereby improving the usage volume of the incinerator.The use of uniformly distributed insulation steam rings and axial sliding sleevesealing structures effectively addressed the issue of gun body bending.Additionally,placing compensation expansion joints outside the incinerator and optimizing the welding seam design of the gun body effectively resolved the steam leakage problem.These improvement measures were implemented to enhance the performance and service life of sulfur spray guns.

　　Keywords:sulfur spray gun;structural optimization;atomized hollow;bending deformation;steam leakage

　　0引言

　　在硫磺制酸装置中，液体硫磺喷枪是焚硫炉设备中重要的硫磺雾化燃烧设备。硫磺喷枪体通过内管输送温度为130～145℃的液体硫磺，管外环绕着0.2～0.5 MPa、120～150℃的保温蒸汽，通过换热保障液体硫磺的输送和枪体的冷却(相对于炉内的高温)。该设备的好坏直接关系到硫酸装置的长周期安全稳定运行。本文将对硫磺喷枪的结构设计进行深入研究与改进，提出解决传统硫磺喷枪存在的雾化效果差、枪体弯曲、蒸汽泄漏等问题，以供参考借鉴，进一步推动装置装备水平升级。

　　1硫磺喷枪的现状

　　1.1压力式雾化

　　压力式雾化喷枪是当前硫磺制酸装置中硫磺喷枪采用的主要雾化方式之一。这种喷枪利用压力使液体硫磺高速通过喷嘴，将液硫的静压能转变为动能，经喷嘴高速喷出并形成雾滴，从而实现液硫的雾化。单纯依靠压力通过小孔喷射往往不能达到理想的雾化效果，因此硫磺喷枪的压力雾化器一般采用液体加压与切线旋转运动相结合的方式。这种方式使得高速喷出的液硫形成锥形薄片，液膜逐渐变薄并最终碎裂成为雾滴。压力是影响喷嘴雾化性能的重要参数，为保证良好的雾化效果，压力一般要求在0.5～1.4 MPa之间。此外，喷嘴的流量、雾化角、液滴直径、液滴分布等性能都与压力密切相关。由于压力式喷嘴是通过液膜碎裂形成雾滴的[1]，在保持压力和切线旋转不变的前提下，液膜还会受到液硫的密度和黏度的影响。而液硫的密度和黏度会随着操作温度的变化而变化。在生产过程中，液硫的密度和黏度是不断变化的，尤其是黏度对喷嘴的喷雾角和雾滴直径具有显著影响。

　　压力式喷嘴是使液硫获得旋转运动，即液体获得离心惯性力，然后经喷嘴高速喷出。压力式喷嘴一般分为旋转式和离心式两类。旋转式压力喷嘴在结构上有两个显著特点：一是拥有一个液硫旋转室，使液硫在喷出前能获得旋转运动；二是拥有一个旋转室的切线入口，使液硫能以一定速度和角度进入旋转室，从而获得旋转运动。离心式压力喷嘴的结构特点是喷嘴内装有喷嘴芯，其作用是使液硫获得旋转运动。喷嘴结构对喷嘴的雾化性能具有决定性的影响，主要涉及喷嘴进出口尺寸、旋转室半径、旋转室长度和锥度、旋转半径等因素。其中，喷嘴出口直径对喷雾角、液滴直径以及液滴的分布影响较大。

　　1.2枪体结构

　　在硫磺制酸化工装置内，传统硫磺喷枪由液硫管、夹套管、外保护管以及波纹补偿器组成。波纹补偿器通常被设置在炉体连接法兰焚硫炉的内侧。图1展示了传统硫磺喷枪的结构示意图。

　　硫磺喷枪在正常运行时，干燥塔出口的70℃干燥工艺空气在焚硫炉风箱内对硫磺枪体有一定的冷却作用。喷枪体外管热膨胀量约为5 mm。然而，在装置因故障临时停车时，炉体内热辐射会导致硫磺喷枪环境温度急剧上升至500～600℃。此时，喷枪体外管热膨胀量将增加到15～20 mm。这种膨胀量的计算公式为：

　　X=a×L×∆T     (1)

　　式中：X为枪体膨胀量(mm)，a为线膨胀系数(取值为18.3×10-6/℃)；L为炉体内枪体长度(mm)；∆T为温差(介质温度—安装时环境温度)。

　　这种膨胀量主要通过波纹补偿器进行补偿吸收。在上述工艺情况下，硫磺喷枪体的刚度会降低。喷枪体外管在刚度降低及热应力的作用下，枪体会形成热弯曲现象。一旦硫磺喷枪体弯曲，就会偏离液硫雾化燃烧中心，从而影响到工艺气和液体硫磺雾化后的混合燃烧。严重时，可能导致焚硫炉设备耐火衬里过热损坏，引起结构性安全问题[2]。

　　从实际使用情况来看，硫磺喷枪枪体的变形主要朝上弯曲。这表明枪体的弯曲不是由于枪体被加热后受到重力作用向下弯曲。因此，可以排除重力对枪体弯曲的影响，确定其他原因导致了枪体的弯曲。从枪体结构向上弯曲的分析来看，导致枪体弯曲的原因是枪体受到热应力的作用。由于硫磺喷枪的三层管道所受热应力不一致，导致出现热应力拉伸弯曲。当保温蒸汽采用内管进入时，液硫管的受热温度为保温蒸汽温度。保温蒸汽通过夹套管进入枪体外管后，由于枪体外管受到焚硫炉的热辐射，此时保温蒸汽在枪体外管内被热辐射加热形成过热蒸汽。因此，硫磺喷枪的保温夹套外管温度高于内管和液硫管。当外管受热应力膨胀较大，而内管受热应力膨胀较小，因此出现硫磺喷枪的热应力弯曲。

　　在实际运行过程中，传统硫磺喷枪将保温蒸汽从保温夹套外管进入，内管出，同样也出现了向上弯曲的现象。通过对弯曲的硫磺喷枪夹套进行“解剖”发现，外夹套管与内夹套管在枪体两端有支撑块，管间间距为10 mm。外夹套管尺寸为φ89 mm×4.5 mm，内夹套管尺寸为φ57 mm×3.5 mm，管流通截面积为2 473 mm2。接入保温蒸汽管道为φ32 mm×3.5 mm，流通截面积为490 mm2。保温夹套内流通截面积是保温蒸汽进口管道面积的5.05倍。由于保温夹套的截面积增加，保温蒸汽在保温夹套内的流速相应减慢5.05倍。当保温蒸汽流速变慢，蒸汽在保温夹套的停留时间增长，导致保温蒸汽被快速加热。当蒸汽被加热后，蒸汽的密度变小，蒸汽密度变小后，蒸汽就会沿着夹套管顶部流动，使枪体底部失去保温蒸汽降温。因此，外夹套管底部的温度高于上部的温度，从而导致枪体底部膨胀大于上部膨胀，使枪体出现类似“弓”字的形变。传统硫磺喷枪结弯曲现象如图2所示。

　　1.3蒸汽泄漏

　　传统硫磺喷枪经常出现蒸汽泄漏，主要的泄漏点在枪体上的波纹补偿器和枪头的外夹套焊缝位置。传统硫磺喷枪的波纹补偿器设计在焚硫炉内侧的硫磺喷枪体上。为了达到补偿效果和蠕变使用次数，制造波纹补偿器使用的材料厚度在0.8 mm以下，其壁厚较薄。在反复热应力和从干燥塔带过来的酸雾腐蚀情况下，波纹补偿器极容易造成蒸汽泄漏，影响锅炉系统、转化触媒安全。波纹补偿器的失效如图3所示。传统硫磺喷枪的外夹套焊缝位置泄漏主要是由于三层管道的热应力不一致，导致喷嘴接头焊缝被热应力损坏出现蒸汽泄漏。喷嘴接头焊缝的失效如图4所示。

       2高效硫磺喷枪设计

　　2.1高效喷嘴

　　高效喷嘴采用固定式机械强制螺旋雾化和拉瓦尔喷管增速技术。液体硫磺从液硫管进入喷嘴，经过一级拉瓦尔喷管加速后，进入机械强制螺旋雾化芯。液硫经过机械强制螺旋雾化芯后，变成高速离心旋转体，再次进入二级拉瓦尔喷管，液硫再次被加速。被喷出的液硫获得高速离心力和加速度，使离开喷嘴的液硫被离心力和加速度强制雾化，形成小于20μm的雾化硫磺颗粒。其喷雾角≥80°,雾化行程≤3 600 mm。在拉瓦尔喷管技术的运用下，液硫雾化压力降低至0.4 MPa就能达到高效雾化效果。

　　2.2枪体结构

　　从硫磺喷枪的枪体结构来看，枪体既是支撑喷嘴伸入焚硫炉的结构，又起到给液硫管保温和降温的作用。在硫磺制酸装置开车时，需要对枪体通蒸汽保温，使液硫管温度达到硫磺熔化温度。当装置停车后，由于焚硫炉炉膛的辐射热会加热枪体，因此需要通入蒸汽给枪体降温。然而，在实际使用过程中，给硫磺喷枪枪体通入保温蒸汽或不通入保温蒸汽，都可能导致严重的弯曲变形。

　　经过分析，导致硫磺喷枪弯曲的主要原因是因为枪体受热应力分布不均。高效硫磺喷枪保温夹套在设计时，对枪体受热辐射应力变化做了分析。装置运行时，燃烧火焰受气流漩涡影响，火焰会对硫磺喷枪前部加热，因此硫磺喷枪前部会有热应力膨胀。为了使硫磺喷枪热应力膨胀一致，需要在枪体内部对保温蒸汽分布要均匀一致。因此，设计中在枪体夹套流通面积上设置了4道保温蒸汽均匀分布环，用均匀分布环强制混合每段蒸汽温度，使进入下一段的蒸汽温度一致。这样可以达到硫磺喷枪枪体温度一致，避免热应力膨胀导致枪体变形。其次，液体硫磺喷枪喷枪体外夹套管和炉体连接法兰间，设置轴向滑动套(焊接固定于喷枪体外管)、填料密封结构。这样能保证喷枪在外管在热膨胀应力下，能轴向自由滑移和密封炉体内烟气介质，并将喷枪体外管热膨胀力传递于波纹补偿器消除，该液体硫磺喷枪新型设计结构示意图如图5所示。通过以上结构改进，在实际生产运用中，硫磺枪在使用1年后，抽查检查未发生枪体弯曲变形问题。

　　2.3防泄漏设计

　　高效硫磺喷枪为避免波纹补偿器、枪体泄漏风险，通过枪体热膨胀有限元膨胀量分析计算，在液体硫磺喷枪体外夹套管和炉体连接法兰间，设置了轴向滑动套、填料密封结构。此外，波纹补偿器部件被设计到焚硫炉外部自然空气环境，这极大地改善了其工作工况。在炉体内的枪体受热膨胀时，枪体能自由滑动，从而有效地对枪体进行膨胀补偿，如图5所示。因此，消除了热应力和从干燥塔带过来的酸雾腐蚀问题，从而消除了波纹补偿器蒸汽泄漏的风险。此外，为了减少枪体在焚硫炉内出现焊缝泄漏的几率，通过巧妙设计使枪体在焚硫炉内只有一道焊缝。通过焊缝质量无损检测、焊接应力消除等制造工序，可有效避免该道焊缝因应力集中而撕裂问题。

　　3结语

　　通过生产实践证明，高效硫磺喷枪的结构设计研究是围绕着解决硫磺喷枪雾化效果差、枪体弯曲、蒸汽泄漏的问题进行改进设计。并对硫磺喷枪面临的问题进行了深刻分析，高效硫磺喷枪针对这些问题提出了有效的解决思路，彻底解决了硫磺喷枪雾化效果差、枪体弯曲变形和保温蒸汽夹套泄漏问题，提高了硫磺制酸装置的安全性，保障了装置长周期安全稳定运行，值得推广应用。

参考文献：

　　[1]裴雪莲.液硫磺枪的结构改造和运行[J].硫酸工业，2019(3)：51-52.

　　[2]庞建铭.硫磺喷枪技术改造[J].四川冶金，2007，29(2)：60-61.