化工廠生產系統余熱資源調研

劉建國，王建華 ，馬軍民，郭效瑛

（1.金川萬方實業公司，甘肅 金昌 737102；2.金川集團有限公司工程建設分公司，甘肅 金昌 737102；3.金川集團有限公司化工廠，甘肅 金昌 737104）

化工廠生產系統余熱資源調研

劉建國1，王建華2，馬軍民3，郭效瑛3

（1.金川萬方實業公司，甘肅 金昌 737102；2.金川集團有限公司工程建設分公司，甘肅 金昌 737102；3.金川集團有限公司化工廠，甘肅 金昌 737104）

為了更好地利用生產工藝的余熱，對所屬車間和工藝系統產生的熱量和生產、生活的熱需求進行了系統的調研工作。經過調查，整個化工廠現有正常生產的工藝系統可回收的中低溫余熱折成標煤，每年節省100 632 t，相當于其自身消耗生活蒸汽的8倍，充分說明化工廠具有極大的余熱回收再利用潛力。

工業余熱；回收利用；中溫余熱；低溫余熱

1 前言

隨著社會的日益發展與進步，國家對資源節約、環境保護、能源的綜合利用等方面的要求逐步提高。為了建設節能低碳型社會，國家出臺了一系列法律法規，其目的是加快重點節能技術的推廣普及，引導用能單位采用先進的節能新工藝、新技術和新設備，提高能源利用效率。余熱回收已經成為工業上降低碳足跡最有效的手段之一。

金川集團股份有限公司為國際化運營的集有色金屬礦產的開采、選別、火法冶煉、濕法精煉和環保處理于一體的特大型企業，是典型的耗能大戶。化工廠承擔的是火法冶煉煙氣的環保制酸工作和公司大宗氯堿產品的生產業務，其中，某些工藝段是典型的放熱反應，另外一些則需要消耗熱量。因此，為摸清化工廠生產和生活用汽余熱資源的情況，為低品位余熱回收利用研究奠定基礎并提供研究依據，詳細地掌握各生產系統在生產過程中產生的中、低溫余熱，生活用汽是否可用熱水代替，化工廠對各生產系統開展了較為深入的調查研究，各系統基本參數的調研時間是2011年1-4月，每隔5天統計一天，每天統計 4 次，分別為 00：00、06：00、12：00、18：00。

2 化工廠的基本情況

目前，化工廠擁有三大生產系統。主要產品有硫酸、燒堿、亞硫酸鈉，其年生產能力分別為252萬t、26萬t和15萬t。氯堿生產系統有金屬陽極隔膜電解和離子膜電解2套生產裝置；硫酸生產系統有6套生產裝置，其中，2套采用“絕熱增濕凈化、單轉單吸”接觸法工藝，4套采用“絕熱蒸發稀酸洗滌凈化、一級干燥、兩轉兩吸”接觸法工藝；亞硫酸鈉生產系統采用連續式雙效蒸發和冷結晶2種工藝，生產無水亞硫酸鈉和七水亞硫酸鈉2種產品。在生產過程中，系統均產生大量的中、低溫余熱，需要采用循環水或空氣將多余的熱量帶走，每年從涼水塔蒸發的水量在400萬t以上，造成大量水資源浪費。生活采暖方面，除硫酸三車間、氯堿二車間及維修車間的生活采暖采用熱水外，其他車間及廠機關的生活采暖仍采用蒸汽。

3 工業余熱產生情況

3.1 中溫余熱

習慣上將200～600℃的廢熱稱為中溫余熱。中溫余熱，對化工廠硫酸和氯堿系統來講，一是產生于硫酸生產系統，是指冷熱交換器及層間冷熱交換器管程出口的SO3氣體從230℃左右冷卻到190℃進干吸工段吸收產生的熱量[2]，由于進入各生產系統的煙氣濃度、煙氣量不一樣，只有53萬t/a、70萬t/a及48萬t/a硫酸能產生中溫余熱，采用空氣將這部分余熱帶走，排入大氣中；二是產生于氯堿系統合成工序，是指合成爐合成段的600℃氯化氫氣體，需要將這部分氣體溫度冷卻到45℃以下，送入吸收單元，目前，采用循環水將這部分熱量帶走。

3.1.1 53萬t/a硫酸系統

化工廠的硫酸系統全部為冶煉煙氣制酸。在該制酸過程中，二氧化硫濃度較低，且波動很大。其中的53萬t/a硫酸系統于2005年10月投入生產，采用“絕熱蒸發稀酸洗滌凈化、一級干燥、兩轉兩吸”接觸法工藝，系統包括凈化工段、干洗工段、轉化工段、循環水系統等。該系統設計煙氣處理能力為160 000~200000m3/h，正常設計值為 180000m3/h，目前實際處理的煙氣量為140 000~200 000 m3/h，處理的煙氣主要是銅合成爐煙氣、大部分銅轉爐煙氣，混合煙氣總量為184 108.40 m3/h。

中溫余熱產生于轉化工序，根據轉化熱量衡算，需將轉化來的162 633.6 m3/h煙氣通過SO3冷卻器，用空氣將煙氣從288℃降到200℃以下，再送往一、二吸塔進行吸收。目前，從SO3冷卻器出來約180℃的熱空氣直接排空。

SO3冷卻器的參數和運行情況為，1#SO3冷卻器在用，設計風量為97 754 m3/h；2#SO3冷卻器已作為風機出口煙氣升溫的輔助換熱設備。由于在冶煉煙氣制酸系統中，煙氣的穩定性、連續性相對較差，如果系統的SO2濃度為7.50%以下，則系統不會產生中溫余熱。若SO2濃度為8.00%以上，進口空氣溫度年平均按24℃、出口溫度按200℃計算，則其余熱量為 20.31×106kJ/h。

目前53萬t/a系統的煙氣濃度為7.5%以下，轉化釋放的熱量僅能維持系統自身熱平衡，沒有余熱。

3.1.2 70萬t/a硫酸系統

70萬t/a硫酸系統于2008年10月投入生產，其設計生產規模為64萬t/a（100%硫酸計），采用“絕熱蒸發稀酸洗滌凈化、一級干燥、兩轉兩吸”接觸法工藝，系統包括凈化工段、干洗工段、轉化工段、循環水、尾氣脫硫系統等。硫酸系統設計煙氣處理能力為205 855.50~281 342.14 m3/h，入轉化系統正常設計值為2 499 043.7 m3/h，目前實際生產處理的煙氣量為180 000~270 000 m3/h，處理的煙氣主要是頂吹爐煙氣、轉爐、沉降電爐、貧化電爐煙氣。

中溫余熱產生于轉化工序，根據轉化熱量衡算，需將轉化來的229 999 m3/h煙氣通過SO3冷卻器，用空氣將煙氣從240℃降到180℃以下，再送往一、二吸塔進行吸收。從SO3冷卻器出來約180℃左右的熱空氣，目前直接排空。

SO3冷卻器的參數和運行情況為，1#SO3冷卻器設計風量122 000 m3/h，2#SO3冷卻器設計風量為155 000 m3/h；SO2濃度為8%以下時，運行2#SO3冷卻器，負荷為25%；SO2濃度為9.0%左右時，運行2#SO3冷卻器，負荷為80%；SO2濃度為9.5%以上時，1#、2#SO3冷卻器同時運行，負荷為80%。

若SO2濃度為7.5%~8.0%，2#SO3冷卻器空氣進口年平均溫度按24℃計、1-4月空氣出口平均溫度為 196.83℃，則余熱量為 7.88×106kJ/h；若 SO2濃度為9.0%左右，2#SO3冷卻器空氣進口年平均溫度按24℃計、1-4月空氣出口平均溫度為196.83℃，則余熱量為 25.23×106kJ/h；若SO2濃度為9.5%以上，1#SO3冷卻器空氣進口年平均溫度按24℃計、1-4月空氣出口平均溫度為196.83℃，則余熱量為19.85×106kJ/h；2#SO3冷卻器空氣進口年平均溫度按24℃計、空氣出口平均溫度為196.83℃，熱量為25.23×106kJ/h；合計余熱量為 45.08×106kJ。

2011年1-4月，SO2濃度為7.5%~8.0%，熱量為7.88×106kJ/h。

3.1.3 48萬t/a硫酸系統

化工廠48萬t/a系統于2010年9月冷修擴能改造后投入生產，其設計生產規模為48.97萬t/a（100%硫酸計），采用“絕熱蒸發稀酸洗滌凈化、一級干燥、兩轉兩吸”接觸法工藝，系統包括凈化工段、干洗工段、轉化工段、循環水、尾氣脫硫系統等。硫酸系統設計煙氣處理能力為110 000~200 000 m3/h，入轉化系統正常設計值為193 555.12 m3/h，SO2濃度為10.79%，目前實際生產處理的煙氣量為：220 000~250 000 m3/h，處理的煙氣主要是閃速爐煙氣、轉爐、貧化電爐煙氣等。

中溫余熱產生于轉化工序，根據轉化熱量衡算，需將轉化來的184 635 m3/h煙氣通過SO3冷卻器，用空氣將煙氣從280℃降至200℃以下，再送往一、二吸塔進行吸收。從SO3冷卻器出來約180℃空氣，目前直接排空。如果系統SO2濃度為7.5%以下，則系統不會產生中溫余熱。

SO3冷卻器參數和運行情況為，SO3冷卻器設計風量為137 000 m3/h，SO2平均濃度為9.50%左右，風機負荷為100%。

SO2濃度為9.5%左右，SO3冷卻器空氣進口年平均溫度按24℃計、1-4月空氣出口平均溫度為207.58℃，則余熱量為 26.77×106kJ/h。

3.1.4 隔膜及離子膜氯堿系統

隔膜氯堿系統經過2004年擴能改造后，生產規模達到5.5萬t/a（100%液堿計），有16型和30型電解2套生產系統。離子膜氯堿系統的設計規模為20萬t/a（100%液堿），中溫余熱產生于合成鹽酸工序。

2011年隔膜燒堿（100%）計劃產量為5萬t/a，則年產氯氣4.65萬t/a，去除液氯1.6萬t/a，每年按8 000 h有效作業時間計算，折合氯化氫為3.8125t/h。

離子膜燒堿（100%）計劃產量為14萬t/a，則年產氯氣 13.02 萬t/a（氯堿產出比按 0.93∶1.00），去除液氯2.3萬t/a、氯氣7.45萬t/a，每年按8 000 h有效作業時間計算，折合氯化氫為4.09 t/h。

（1）氯化氫合成的化學反應方程式為：Cl2+H2=2HCl+92.0（kJ/mol），則氯化氫合成的熱量為：Q反=（7.902 5×106×2×92.0）÷（2×36.5）=19.93×106（kJ/h）。

（2）氯化氫合成段的平均溫度按600℃計算，氯化氫氣體在 600℃的比熱容為 0.85 kJ/（kg·℃），則氯化氫合成段的熱量為 Q出=（7.902 5×103×0.85×600）=40.54×105（kJ/h）。

（3）每小時多余的熱量為 Q反-Q出=15.93×106（kJ/h）

3.1.5 離子膜氯堿系統

3.1.6 中溫余熱總量

化工廠的所有中溫余熱情況統計見表1。

表1 化工廠中溫余熱統計表

按所有硫酸系統最低SO2濃度計算，現有化工廠所有生產系統中溫余熱量為50.58×106kJ。按60%的余熱回收利用效率計算，余熱利用折標煤為1.039 t/h（每公斤標煤的熱值按29 190 kJ計算），則每年按330天計算，可節省標煤8 232 t。

3.2 低溫余熱

習慣上，將100℃以下的余熱稱為低溫余熱。低溫余熱主要產生于硫酸、燒堿和亞硫酸鈉生產系統，目前是采用循環水將這部分余熱帶走。硫酸系統的低溫余熱主要是指干燥93%酸余熱和一吸、二吸98%酸余熱，經過酸冷卻器和板式換熱器，用循環水將93%和98%酸的余熱帶走。

3.2.1 30萬t/a硫酸

30萬t/a及一、二系統硫酸干系和凈化共用1套循環水系統。干燥酸冷卻器平均水量為1.66×106kg/h，進口平均水溫為28.88℃，出口平均水溫為36.28℃，熱量為 5.13×107kJ/h。

一吸酸冷卻器平均水量為1.17×106kg/h，進口平均水溫為28.88℃，出口平均水溫為36.28℃，熱量為3.63×107kJ/h。二吸酸冷卻器平均水量為4.73×105kg/h，進口平均水溫為28.88℃，出口平均水溫為36.28℃，熱量為 1.46×107kJ/h。

總熱量為 10.22×107kJ/h。

3.2.2 53萬t/a硫酸

53萬t/a硫酸干燥和吸收共用1個循環水系統。干燥酸冷卻器平均水量為1.35×106kg/h，進口平均水溫為28℃，出口平均水溫為36℃，熱量為4.50×107kJ/h。一吸酸冷卻器平均水量為2.03×106kg/h，進口平均水溫為28℃，出口平均水溫為36℃，熱量為6.76×107kJ/h。二吸酸冷卻器平均水量8.0×105kg/h，進口平均水溫為28℃，出口平均水溫為36℃，熱量為 2.67×107kJ/h。 總熱量為 13.93×107kJ/h。

3.2.3 70萬t/a硫酸

70萬t/a硫酸干燥和吸收共用1個循環水系統。干燥酸冷卻器平均水量為2.90×106kg/h，1-4月進口平均水溫為18.55℃，出口平均水溫為32.64℃，熱量為 17.01×107kJ/h。

一吸酸冷卻器平均水量為2.90×106kg/h，1-4月進口平均水溫為18.41℃，出口平均水溫為28.52℃，熱量為12.22×107kJ/h二吸酸冷卻器平均水量1.09×106kg/h，1-4月進口平均水溫為18.41℃，出口平均水溫為28.52℃，熱量為4.59×107kJ/h。總熱量為33.82×107kJ/h。

3.2.4 硫酸三系統

硫酸三系統干燥和吸收共用1個循環水系統。在2010年冷修后，產能由32萬t/a提升至48萬t/a，而干燥和一、二吸陽極保護酸冷卻器均采用原來的，為保證有效的換熱量，同時又增加了3臺板式換熱器。干燥酸冷卻器平均水量為3.0×106kg/h，1-4月進口平均水溫為27.00℃，出口平均水溫為30.25℃，熱量為4.09×107kJ/h。一吸酸冷卻器平均水量為3.0×106kg/h，1-4月進口平均水溫為27.75℃，出口平均水溫為33.25℃，熱量為6.92×107kJ/h。二吸酸冷卻器平均水量為0.83×106kg/h，1-4月進口平均水溫為27.75℃，出口平均水溫為33.25℃，熱量為4.59×107kJ/h。 總熱量為 14.43×107kJ/h。

3.2.5 雙鈉車間

車間有2 000 m3/h、3 500 m3/h 2套循環水系統，設計分別給七水亞硫酸鈉和無水亞硫酸鈉供水，泵出口有連通管。2011年1-2月，系統處于停產狀態，3-4月，由于2個系統處于半負荷（約36%）生產狀態，2個月僅生產無水亞鈉0.6萬t，車間只開1臺3 500 m3/h的供水泵，閥門開度60%就能滿足生產。

2011年3-4月，循環水平均流量為2 250 m3/h，循環水上塔平均溫度為21.6℃，循環水下塔平均溫度為13.4℃，余熱量為7.21 kJ/h。

3.2.6 氯堿一車間

氯堿系統在生產過程中會產生一定的低溫余熱，主要在蒸發工序。

蒸發工序的主要任務是將電解來的8%電解液，通過一效、二效、三效、四效蒸發器，用蒸汽將電解液濃縮到32%或42%。通過循環水對蒸發器出來的二次蒸汽進行降溫，以提高蒸發器內的真空度。蒸發工序有1套單獨的循環水系統。

2011年4-5月，循環水平均流量1 160 m3/h，循環水上塔平均溫度為45.24℃，循環水下塔平均溫度為36.08℃，余熱量為4.42 kJ/h。

3.2.7 低溫余熱總量統計表

化工廠低溫余熱總的情況統計見表2。

4 化工廠總的熱量需求情況

4.1 生活采暖用熱

化工廠2010年全年用汽438 071 t，其中生產用汽量約為35 505 t，主要在氯堿一車間、氯堿二車間、雙鈉車間和草酸車間，要求溫度達到220℃左右；其余蒸汽用于冬季采暖和全澡堂全年供熱，現采暖供熱蒸汽溫度為170～230℃。化工廠2010年生產、生活用汽量見表3。

4.1.1 氯堿車間

氯堿一車間全年用汽284 734 t，其中，生產用汽279 589 t，生活用汽5 147 t。氯堿二車間由于系統未能滿負荷生產，2010年產量為67 420 t，為設計產能的33.71%。全年用汽100 955 t，其中，生產用汽75 955t，生活用汽25000t。生產用汽點主要為溶鹽工序、電解工序和蒸發工序，目前，溶鹽和蒸發的蒸汽冷凝水部分（70%）回用到溶鹽工序化鹽，電解工序的蒸汽冷凝水外排。生活用汽主要供各生產廠房的采暖。

4.1.2 硫酸車間

硫酸車間生產不用蒸汽，消耗的蒸汽全部為生活用汽，2010年生活用汽4 600 t，蒸汽冷凝水全部外排。

4.1.3 雙鈉車間

2010年七水亞鈉亞鈉系統未能滿負荷生產，生產七水亞鈉33 095 t，為設計產能的66.19%，無水亞鈉處于試車階段，產量為6 920 t，為設計產能的6.92%。全年用汽42 510 t，其中生產用汽37 610 t，生活用汽9 700 t，蒸汽冷凝水部分（60%）回用于蒸發器洗效和配堿。生產用汽點主要為蒸發工序和冷結晶廠房，生活用汽主要是廠房、廠浴池及食堂的采暖用汽。如果系統能滿負荷生產，生產蒸汽用量還將大幅度上升。

4.1.4 草酸車間

車間2010年用汽20 709 t，其中實驗用蒸汽10 076 t，生活蒸汽10 633 t，蒸汽冷凝水全部外排。

4.1.5 廠辦公樓

廠辦公樓采暖面積為4 500 m2，冬季采暖用精煉廠的生活蒸汽，一個取暖期約消耗蒸汽2 700 t，蒸汽冷凝水外排。

4.1.6 化工廠目前能用熱水替代的生活蒸汽量

經過對各車間生產、生活用汽的調研，認為生活蒸汽可用80℃熱水替代，見表4。

表2 化工廠各生產系統低溫余熱統計表

表3 化工廠2010年生產、生活用汽量

表4 化工廠目前能采用80℃熱水代替的生活蒸汽量一覽表

從表4可以看出，化工廠每年所需要的生活蒸汽如果用80℃熱水代替，則需要320萬t才能滿足需要，假設這些熱水在經取暖、洗浴等用途使用后溫度降至40℃，則每年需要的供熱量折成標煤為17 142 t。

5 結論與展望

經過調查，整個化工廠現有正常生產的工藝系統的中低溫余熱每年可回收相當于100 632 t標煤釋放出的熱量（中低溫余熱回收的效率分別取60%和40%），而化工廠自身消耗的生活蒸汽如果采用回收余熱產生的80℃熱水代替，每年可節省相當于13 700 t標煤產生的熱量，為現在產量下可回收余熱量的1/8。每年金川集團公司有限公司一、二2個廠區的全年取暖和洗浴所用蒸汽量為130萬t蒸汽（每噸蒸汽的熱量值為271.05萬kJ），相當于120 700 t標煤產生的熱量，僅相當于化工廠現在狀態下可回收余熱量的1.2倍。也就是說，當化工廠的40萬t/a離子膜燒堿和30萬t/a PVC項目達產后，整個化工廠可回收的余熱量將超過金川公司的整個礦山廠區（一廠區，面積為6 000畝左右）和選冶化廠區（二廠區，面積為6 300畝）的全部采暖和洗浴所用蒸汽量。因此，化工廠余熱回收的潛力巨大。

從整個金川集團有限公司來說，化工廠只是產生生產余熱的廠礦之一，鎳廠、銅廠、貴金屬廠的火法冶煉工藝爐渣的排放溫度高達1 400～1 600℃，動力廠的每座涼水塔不斷地向空氣中排放熱量，這些工藝產生的高、中、低溫余熱的數量也非常可觀。金川集團有限公司的余熱回收潛力巨大。

［1］施國華，張淑貴，低溫余熱回收，能源技術.2000，（1）：38－40.

［2］門福君，孫文化，宮淑波.中小硫酸裝置中中溫余熱利用的工業實踐.江蘇化工，1996，24（5）： 60－61.

Investigation report on the surplus heat resources of all the processes in chemical plant

LIU Jian-guo1,WANG Jian-hua2，MAJun-min3,GUO Xiao-ying3
(1.Jinchuan Wanfang Enterprise Co.Ltd.,Jinchang,Gansu Province,737102；2.Branch of Project Construction,Jinchuan Group Co.Ltd.,Jinchang,Gansu Province,737100;3.Chemical Plant attached to Jinchuan Group Co.Ltd.,Jinchang,Gansu Province,737104)

In order to have a better idea of the kinds and demand of surplus heat in all of the processes,carried out an systematic investigation for four months on the heat which need to be exchanged by other medias in all the production lines.The total surplus heat produced by chemical plant per year equals to the energy emitted by more than 100 thousand ton standard coal even with the lowest recovering rate,and this amounted to eight times as the whole heat consumed by the living steam of chemical plant,and nearly equaled to the annual energy demand of heating and shower by the two production areas.All the numbers in the investigation illustrate a promising future of the surplus recovering and reutilization.

surplus heat;recover and reutilize;medium temperature surplus heat;low temperature surplus heat

TK11+5

B

1009－1785(2012)09-0036-05

劉建國（1963—），男，無機化學本科畢業，冶金材料學碩士研修，曾在金川集團化工廠任高級工程師和技術主管多年，入選金川公司引軍人才，現任金川萬方實業公司項目主管，主要從事研究方向為冶金環保和再生金屬回收。

2012-04-25