有機胺脫硫系統熱能回收技術探討

李 鵬，文 樂，李煥湘

（長沙華時捷環保科技發展股份有限公司，湖南長沙 410006）

江西某企業冶煉煙氣經過余熱回收、布袋收塵、凈化洗滌后進入有機胺脫硫系統，通過有機胺吸收液的吸收—解吸作用，得到高純度SO2氣體，再經干燥、冷凍，得到符合GB/T 3637—2011《液體二氧化硫》規定的一等品液體SO2。

有機胺脫硫的常規解吸工藝中，解吸二次蒸汽采用循環冷卻水間接冷卻的方式冷凝降溫，冷凝液回流至塔上部進行精餾，不凝氣為高純度SO2氣體，送入后端硫回收工序。冷凝降溫過程中未能對塔頂的低溫位熱能進行利用，還需要消耗大量的循環冷卻水，造成了有機胺脫硫過程中的“冷熱病”。隨著有機胺脫硫技術在有色冶煉行業的推廣和應用，脫硫系統的熱量回收問題逐漸凸顯出來，如何有效回收解吸塔解吸二次蒸汽的熱量成為降低蒸汽消耗的關鍵點。筆者通過多個工程項目的實踐，對有機胺脫硫工藝的熱能回收技術進行探討。

1 有機胺脫硫解吸工藝流程

有機胺脫硫的解吸工藝流程見圖1。

有機胺富液通過貧/富液換熱器和解吸后的貧液進行換熱升溫，回收解吸后貧液的熱量。升溫后的富液進入解吸塔，在解吸塔中上升二次蒸汽的作用下完成富液的解吸。解吸二次蒸汽進入塔頂冷凝器冷凝降溫，含有高純度SO2的不凝氣經氣液分離后，送入液體SO2制備工序。

圖1 有機胺脫硫解吸工藝流程

2 有機胺脫硫系統熱量回收技術

2.1 解吸二次蒸汽再熱富液

一般來說，經過貧/富液換熱器后富液的溫度可達到約90 ℃，使富液再次升溫至泡點（約102 ℃）的溫度差ΔT≈12 ℃，以解吸富液的量為1 kg為例，所需要的熱焓為：

式中：Cp——富液的比熱容，kJ/(kg·K)；

m——富液的質量，kg；

ΔT——富液升高的溫度，K。

在此工況下，使塔頂二次蒸汽完全相變[102℃(g)→102 ℃(l)]需要移出的熱量為：

式中：ΔH——塔頂二次蒸汽相變的焓值，kJ/kg；

m——1 kg富液解吸產生的塔頂二次蒸汽質量，kg。

由式（1）～（2）可知：塔頂二次蒸汽相變移出的熱量比富液升溫至泡點所需的熱量要高一個數量級。如果采用塔頂二次蒸汽對富液進行加熱，僅能回收約10%的塔頂氣熱量，熱量回收效率有限，因此還需對塔頂氣進行冷凝降溫處理。

利用解吸二次蒸汽加熱富液還需考慮換熱設備選型的問題。解吸二次蒸汽冷凝是一個含有不凝氣的相變過程，需選用大通道及帶有不凝氣排出的冷凝設備（也可選用蒸發器形式），設備價格較高。常規的板式換熱器價格相對低廉，但由換熱器造成的氣相阻力將大幅增加，使解吸塔的溫度升高到110 ℃以上甚至更高。過高的解吸溫度會引起一系列復雜的硫氧化反應，降低SO2的回收率，增加除鹽系統的負荷，這一點往往不被了解或容易被忽視，但對工藝的負面影響往往是巨大的。

2.2 蒸汽冷凝水再熱富液

筆者認為，采用蒸汽冷凝水對富液加熱來提高富液進解吸塔的溫度更為合理。

以0.35 MPa飽和蒸汽為例，經再沸器換熱后的冷凝水溫度約142 ℃。仍以解吸富液的量為1 kg為例，富液再熱至沸點溫度所需要的熱焓為43.8 kJ，換熱后冷凝水的溫度可降至89.6 ℃。冷凝水溫度降低需要移出的熱量為：

式中：Cp——水的比熱容，kJ/(kg·K)；

m——解吸1 kg富液所消耗的蒸汽質量，kg；

ΔT——冷凝水降低的溫度，K。

將式（1）與式（3）進行比較可以看出：在滿足工藝要求的情況下，蒸汽冷凝水放出的熱量與富液再熱的熱量是可以平衡的。采取蒸汽冷凝水加熱富液的方式，冷熱兩側均無相變，采用常規的板式換熱器即可實現，大大降低了設備的造價。更為重要的是，該富液加熱方式不會引起解吸塔溫度和壓力的升高，避免了其他副反應的發生。

采用蒸汽冷凝水對富液進行加熱的方式已在多個項目上成功應用。

2.3 雙效解吸熱能回收技術

為充分利用解吸二次蒸汽的熱能，CANSOLV公司曾提出高低壓雙效解吸的思路[1]。雙效解吸是指在解吸系統設置1個高壓解吸塔和1個低壓解吸塔，通過提高高壓解吸塔塔頂的壓力和溫度，使高溫二次蒸汽作為低壓解吸塔的熱源。根據低壓下溶液沸點降低的原理，采用真空機組控制低壓解吸塔的真空度，實現傳熱溫差，以達到降低蒸汽消耗的目的，然而這種思路在實際工業應用中存在如下問題：

1）高低壓雙效解吸會提高設備的投資造價和工藝控制的復雜程度，而且作為低壓解吸塔的高壓二次蒸汽中含有大量的SO2不凝氣體，大大降低了傳熱系數，熱回收效率達不到預期。

2）作為低壓解吸的熱源，高壓塔產生的二次蒸汽需要一定的溫度和壓力作為動力強化傳熱，過高的解吸溫度又會促使發生更為復雜的硫氧化還原反應，給工藝帶來不容忽視的負面影響。

由于上述問題，雙效解吸的熱能利用方式進一步的推廣和應用受到了限制。

2.4 MVR技術

蒸汽機械再壓縮（MVR）技術采用機械增壓的方式對低品位熱能進行加壓升溫，使其變為可利用的高品位熱能[2]。通過壓縮機的絕熱壓縮作用提高二次蒸汽的壓力和飽和溫度，將壓縮的蒸汽引入到蒸發器管外進行物料的加熱，整個系統的輸入功只有壓縮機的電功和少量的補充蒸汽，節能效果顯著。MVR技術在蒸發濃縮領域的應用非常廣泛。

傳統的蒸發濃縮工藝中，二次蒸汽為低品位水蒸汽，而在有機胺脫硫過程中，解吸塔的二次蒸汽主要是SO2氣體和水蒸汽組成的混合物，在不同工況下，SO2氣體與水蒸汽的體積比為1∶60～1∶15。在有機胺脫硫工藝中，采用MVR技術回收解吸塔二次蒸汽的熱量需解決以下兩個關鍵問題：

1）低溫蒸汽進入壓縮機，在高速旋轉的葉輪作用下產生高溫過熱蒸汽，需在壓縮機腔體部分噴水以消除過熱度，得到高品位的飽和蒸汽。由于SO2氣體能溶于水，在此工況下會對過流部分產生強烈的腐蝕，給設備的選材造成很大的困難。

2）SO2氣體為不凝氣體，無法在壓縮過程中被分離出來，這大大降低了蒸發器的換熱效率，造成蒸發器投資高而熱能利用效率低。

為了減少SO2氣體對設備的腐蝕，可采取以下措施：①將消除過熱度的噴水系統后移至壓縮機蝸殼出口，避免腐蝕性酸滴直接和高速旋轉的葉輪接觸；②提高設備材質的耐腐蝕等級。對于SO2不凝氣無法被分離而降低蒸發器換熱效率的問題，暫無經濟上可行的有效措施。因此，MVR技術在有機胺脫硫中的熱能回收效率要低于傳統的蒸發結晶工藝。根據二次蒸汽中SO2氣體的體積分數不同，MVR的熱能回收效率在50%～70%之間。

2.5 TVR技術

蒸汽熱力再壓縮（TVR）技術基于熱泵原理，采用蒸汽熱力再壓縮的方式回收低品位二次蒸汽的熱能，代表性的主要工業設備是蒸汽噴射泵。蒸汽噴射泵主要由噴嘴、接受室、混合室、擴壓室等幾部分組成，其結構見圖2。

圖2 蒸汽噴射泵結構圖

高壓蒸汽通過蒸汽噴射泵的噴嘴時產生高速氣流，在噴嘴出口處產生低壓區，低壓蒸汽在此區域被吸入。高壓蒸汽在膨脹的同時壓縮低壓蒸汽，低壓蒸汽的品位得到提高，高壓蒸汽和低壓蒸汽經過接受室加快流速后進入混合室內良好混合，再通過擴壓室恢復部分壓力，達到要求的蒸汽壓力后供給用戶使用。吸入的低壓蒸汽既可以是低品位的二次蒸汽，也可以是凝結水產生的閃蒸蒸汽，使低焓熱能得到充分利用，達到節約能源的目的。蒸汽噴射泵的節能率可以達到35%左右，具有很好的實用性[3]。

在有機胺脫硫過程中，根據物料平衡和熱量平衡，高壓蒸汽僅能引射30%左右的低壓二次蒸汽，由于解吸二次蒸汽中還存在SO2不凝氣，因此熱能回收效率還會相應降低。筆者開展的TVR技術回收二次蒸汽熱能的中試試驗熱能綜合回收率約20%～25%。在有機胺脫硫的工況下，TVR系統在設備成本上明顯低于MVR系統，因此具有中、高壓余熱蒸汽的企業，可考慮采用TVR技術作為有機胺脫硫節能降耗的手段。

3 工業應用

筆者結合工程應用經驗，以江西某企業脫硫系統為例，對MVR熱能回收系統在有機胺脫硫中的節能效果進行說明。

該企業冶煉煙氣流量約160 000 m3/h，ρ(SO2)為1 000～160 000 mg/m3，若按照常規解吸工藝設計，系統低壓蒸汽消耗高達25 t/h，蒸汽按200元/t計，蒸汽費用占總能耗成本的80%以上。常規解吸工藝運行費用見表1。

表1 常規解吸工藝運行費用

由表1可見：若采用常規解吸工藝，有機胺脫硫解吸工序的年運行費用高達4 637.16萬元，低壓蒸汽費用占總能耗成本的85.4%。

為降低能耗和運行成本，在工程設計過程中，在有機胺脫硫解吸工序增加了一套20 t/h MVR熱能回收系統，并采用蒸汽冷凝水再熱富液的方式綜合回收解吸工序的熱量。采取MVR熱能回收系統的解吸工藝流程見圖3。

圖3 采取MVR熱能回收系統的解吸工藝流程

有機胺富液通過貧/富液換熱器和解吸后的貧液進行換熱升溫至90 ℃，再通過富液再熱器和蒸汽冷凝水換熱進一步升溫至102 ℃接近泡點進料。升溫后的富液進入解吸塔，在解吸塔中上升的二次蒸汽的作用下完成富液的解吸。解吸二次蒸汽進入熱能回收系統，通過MVR的壓縮作用，使低品位的解吸二次蒸汽升溫升壓后進入再生蒸汽再沸器，作為解吸的熱源加熱一路塔釜貧液，充分利用二次蒸汽的潛熱后再經塔頂冷凝器進一步冷卻降溫、分離，含有高純度SO2的不凝氣送入后端液體SO2制備工序。

低壓蒸汽作為系統熱源的補充，通過再沸器間接加熱塔釜另一路貧液。高溫蒸汽冷凝水含有較高的顯熱，可通過富液再熱器實現回收。

采用MVR熱能回收系統后，有機胺脫硫解吸工序運行費用見表2。

表2 采用MVR熱能回收系統的解吸工序運行費用

由表2可見：采用MVR熱量回收系統后，解吸工序可節約運行費用1 890.03萬元/a，比常規解吸工藝運行費用減少了40.8%。

MVR熱能回收系統的投資費用約為450萬元，靜態投資回收期不到3個月。在具體項目中是否采用MVR技術，還需綜合考慮設備設施的投資成本和能源的價格等因素，建議在蒸汽價格高于200元/t時，采用MVR技術回收系統熱能，實現降低脫硫系統運行成本的目的。

4 結語

通過對有機胺脫硫系統的熱能回收技術進行分析，結合工程實踐經驗，提出兩個熱能回收的思路：

1）利用蒸汽冷凝水的顯熱再加熱富液，提高富液進解吸塔的溫度，可以在一定程度上回收系統熱能，降低運行成本。

2）在蒸汽成本高的企業，采用MVR技術回收解吸二次蒸汽的熱能，節能效果顯著，可大幅降低系統的運行成本，且對工藝無負面影響，值得進一步推廣使用。