800 kt/a硫黃制酸裝置熱能利用分析

劉正東，周 鑫，姜 威

（云南磷化集團(tuán)有限公司，云南昆明650600）

云南磷化集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱云南磷化）800 kt/a硫黃制酸裝置，由中國(guó)石化集團(tuán)南京工程有限公司設(shè)計(jì)，吸收部分采用南化設(shè)計(jì)院的低溫位熱回收專(zhuān)利技術(shù)，2014年建成投產(chǎn)，裝置產(chǎn)能現(xiàn)已超設(shè)計(jì)產(chǎn)能，實(shí)際生產(chǎn)負(fù)荷達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷的104%。由于增加了低溫位熱能回收技術(shù)，系統(tǒng)熱能回收效率較傳統(tǒng)硫黃制酸工藝大幅提高，但受一些原因的影響，裝置的熱回收率沒(méi)有達(dá)到設(shè)定值，仍有進(jìn)一步提高的空間。

1 裝置配置特點(diǎn)

硫黃制酸裝置的配置特點(diǎn)有：

1）硫黃制酸裝置為“3+1”兩次轉(zhuǎn)化工藝、“Ⅲ-Ⅱ”換熱流程[1]。采用進(jìn)口催化劑且轉(zhuǎn)化器四段床層采用銫催化劑，可以保證轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.85%以上，放空尾氣中ρ(SO2)≤400 mg/m3。

2）吸收部分增加低溫位熱回收裝置，回收干吸工序低溫位熱量生產(chǎn)低壓蒸汽，提高裝置的熱能利用率。干吸塔采用低位塔布置，減少了塔基礎(chǔ)及管道的投資費(fèi)用，同時(shí)酸泵揚(yáng)程下降，有效降低循環(huán)酸泵的運(yùn)行電耗。

3）風(fēng)機(jī)布置于干燥塔前，采用背壓式蒸汽透平直接驅(qū)動(dòng)，方便調(diào)節(jié)，能較好地適應(yīng)裝置負(fù)荷變化的要求，同時(shí)電能消耗大幅降低。剩余過(guò)熱蒸汽送汽輪發(fā)電裝置發(fā)電。

4）從低溫位熱回收裝置送到二吸循環(huán)酸槽的高溫酸與蒸發(fā)器給水和進(jìn)除氧器的脫鹽水進(jìn)一步換熱，降低酸溫和提高水溫，提高熱能利用率的同時(shí)減少循環(huán)水用量和電能消耗。

2 裝置熱能利用流程

硫黃制酸過(guò)程中釋放出大量的熱量，充分利用這些熱量可以降低消耗，減少碳排放。該裝置的熱能利用包括高溫位、中溫位及低溫位熱能利用，共有8個(gè)換熱設(shè)備。高、中溫位熱利用流程見(jiàn)圖1，低溫位熱利用流程見(jiàn)圖2。

圖1 高、中溫位熱利用流程

圖2 低溫位熱利用流程

布置于焚硫爐后的余熱鍋爐中的水與硫黃焚燒的高溫?zé)煔膺M(jìn)行熱交換，煙氣降溫到進(jìn)一段轉(zhuǎn)化所需溫度，鍋爐中的水吸收熱量變成中壓飽和蒸汽。轉(zhuǎn)化過(guò)程中的反應(yīng)熱（中溫位熱能）與除氧水和煙氣分別進(jìn)行熱交換，設(shè)置于轉(zhuǎn)化器三段和四段出口的2個(gè)省煤器中的煙氣與除氧水換熱，升高溫度的除氧水進(jìn)入余熱鍋爐。余熱鍋爐產(chǎn)生的中壓飽和蒸汽在四段出口的低溫過(guò)熱器和一段出口的高溫過(guò)熱器中與高溫?zé)煔膺M(jìn)行熱交換，飽和蒸汽變成過(guò)熱蒸汽，分別去汽輪風(fēng)機(jī)和汽輪發(fā)電裝置使用。

第一次轉(zhuǎn)化后的煙氣的熱量，在低溫位熱回收裝置的吸收塔中被高溫硫酸吸收，產(chǎn)生近200 ℃的高溫硫酸經(jīng)泵送入蒸發(fā)器與水換熱，生產(chǎn)0.69 MPa的低壓蒸汽供磷酸裝置使用。經(jīng)蒸發(fā)器換熱后的硫酸，其中的一部分需移出低溫位熱回收裝置送到二吸循環(huán)酸槽。這部分硫酸與除氧水在給水加熱器中換熱，提高蒸發(fā)器給水溫度。給水加熱器出口的硫酸繼續(xù)通過(guò)脫鹽水加熱器與脫鹽水換熱，提高進(jìn)除氧器的脫鹽水溫度，降低脫鹽水除氧時(shí)的蒸汽消耗，同時(shí)減少硫酸帶入二吸塔的熱量。

3 裝置熱能利用分析

3.1 主要生產(chǎn)參數(shù)

設(shè)計(jì)能力：硫酸產(chǎn)量100 t/h，焚硫爐出口φ(SO2)11.2%，轉(zhuǎn)化率大于等于99.85%，吸收率大于等于99.98%。空氣壓縮前壓力80 kPa，溫度20 ℃，濕度65%。產(chǎn)品酸w(H2SO4)為98.6%。

3.2 主要物料消耗量

干燥空氣量 204 429.1 m3/h，硫黃 32 708.66 kg/h(1 022.15 kmol/h)。

3.3 生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生熱量

硫酸生產(chǎn)過(guò)程中釋放的熱能主要由硫黃燃燒、二氧化硫氧化、三氧化硫吸收、硫酸稀釋、空氣壓縮、空氣干燥過(guò)程中水蒸氣冷凝等環(huán)節(jié)產(chǎn)生：

1）硫黃燃燒熱 ：S+O2→ SO2，ΔH=-9 282 kJ/kg。

2）二氧化硫氧化熱 ：S+1/2O2→ SO2，ΔH= -99 kJ/mol。

3）三氧化硫吸收熱：SO3(g)+H2O(1)→H2SO4(1)，ΔH= - 152 kJ/mol。

4）濃硫酸稀釋熱：將吸收SO3的w(H2SO4)100%濃硫酸稀釋到w(H2SO4)98.6%，放出熱量為31.4 kJ/kg。

5）空氣干燥過(guò)程中的水蒸氣冷凝熱：根據(jù)壓縮前的空氣參數(shù)，可得到干燥前空氣中ρ(H2O)為15.71 g/m3，干燥后空氣中ρ(H2O)為 0.1 g/m3，干燥塔中氣體析出水量為3 209.53 kg/h，干燥條件下水的冷凝熱為 2 357.7 kJ/kg。

6）空氣壓縮產(chǎn)生熱量：空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)壓縮，機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱能使空氣溫度上升，熱焓增加。加壓后空氣溫度從約20 ℃上升到60 ℃，壓力從80 kPa上升到 129 kPa，熱焓從 66.21 kJ/m3增加到 118.79 kJ/m3。空氣壓縮產(chǎn)生的熱量為 10 746 838 kJ/h。

硫酸生產(chǎn)過(guò)程各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的熱量見(jiàn)表1。

表1 硫黃制酸各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的熱量

3.4 熱能利用分析

3.4.1 生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽回收熱量

生產(chǎn)1 t硫酸可產(chǎn)過(guò)熱蒸汽1.2 t，硫酸生產(chǎn)量100 t/h，則過(guò)熱蒸汽產(chǎn)量為120 t/h。進(jìn)省煤器前除氧水為100 ℃，對(duì)應(yīng)熱焓為419.1 kJ/kg，高溫過(guò)熱器出口蒸汽壓力3.47 MPa，溫度442 ℃，蒸汽熱焓3 308.8 kJ/kg，回收的高、中溫位熱量為120×1 000×(3 308.8-419.1)=346 764 000 (kJ/h)。

3.4.2 生產(chǎn)低壓蒸汽及加熱脫鹽水回收熱量

低溫位熱量回收分兩部分：

1）生產(chǎn)低壓蒸汽：生產(chǎn)1 t硫酸產(chǎn)生低壓蒸汽0.55 t，硫酸生產(chǎn)量100 t/h，則低壓蒸汽產(chǎn)量為55 t/h。100 ℃除氧水熱焓為 419.1 kJ/kg，0.64 MPa飽和蒸汽熱焓為2 763.9 kJ/kg，回收熱量為55×1 000×(2 763.9-419.1)=128 964 000 (kJ/h)。

2）加熱脫鹽水：流經(jīng)脫鹽水加熱器的硫酸流量為396 t/h，換熱前酸溫為151.8 ℃，對(duì)應(yīng)熱焓為240.3 kJ/kg，換熱后酸溫128.2 ℃，對(duì)應(yīng)熱焓為196.2 kJ/kg，脫鹽水加熱器回收熱量為 396×1 000×(240.3-196.2)=17 463 600 (kJ/h)。

兩 部 分 共 回 收 低 溫 位 熱 量 128 964 000+17 463 600 =146 427 600 (kJ/h)。

3.4.3 回收的總熱量

回收的總熱量為 493 191 600 kJ/h，占所產(chǎn)生熱量的84.86%，其中低溫位裝置回收熱量占比為25.19%，比傳統(tǒng)硫酸生產(chǎn)工藝的熱量回收比例明顯提升。

4 裝置熱利用存在的問(wèn)題

配置低溫位熱回收裝置后，硫酸生產(chǎn)中熱能的回收率大幅提升，有利于企業(yè)節(jié)能降耗，減少碳排放量。但云南磷化硫酸生產(chǎn)的熱能回收率低于90%，比配置低溫位熱回收的同類(lèi)裝置明顯偏低[2]，熱能的回收利用率仍有提升的空間。從裝置實(shí)際生產(chǎn)控制來(lái)看，主要是以下幾個(gè)方面影響裝置的熱能回收率：

1）進(jìn)二吸塔的煙氣溫度為175 ℃，高于工藝控制指標(biāo)，影響中溫位熱能的利用。

2）從低溫位熱回收裝置送出的進(jìn)二吸循環(huán)酸槽的硫酸，在脫鹽水加熱器出口溫度仍高達(dá)128 ℃。

3）風(fēng)機(jī)布置于干燥塔前，空氣的壓縮熱沒(méi)有得到有效利用。

4）鍋爐爐水采用傳統(tǒng)的添加磷酸三鈉處理方式，排污率高，熱損失大。

5 提高熱利用的技術(shù)措施

5.1 降低進(jìn)二吸塔的煙氣溫度

由于進(jìn)二吸塔煙氣溫度較高，導(dǎo)致原本可以回收產(chǎn)生中壓蒸汽的熱量帶入循環(huán)酸中，超溫部分所帶的熱量最終通過(guò)循環(huán)冷卻水移走，不僅增加了循環(huán)水用量且降低了熱能的利用率。將煙氣溫度從175 ℃調(diào)整到 160 ℃，可以多回收熱量 3 420 006 kJ/h，多產(chǎn)中壓蒸汽 1.44 t/h，折標(biāo)煤 116.7 kg/h，減少標(biāo)煤消耗 933.5 t/a。

5.2 降低脫鹽水加熱器出口的酸溫

生產(chǎn)上脫鹽水加熱器出口的酸溫高達(dá)128 ℃，過(guò)高的酸溫同樣將超溫部分的熱量帶入到二吸循環(huán)酸槽中通過(guò)循環(huán)水將熱量帶走，增加循環(huán)水消耗和輸送水的電耗且不利于熱量回收。若將酸溫調(diào)整到 105 ℃[3]，則可多利用熱量 396×1 000×(196.2-152.8)=17 186 400 (kJ/h)，折標(biāo)煤 586.4 kg/h，可節(jié)約標(biāo)煤 4 691 t/a。

5.3 塔前風(fēng)機(jī)改塔后風(fēng)機(jī)

將風(fēng)機(jī)由干燥塔前改到干燥塔后，則可回收鼓風(fēng)機(jī)壓縮空氣產(chǎn)生的壓縮熱，從而增加利用熱量10 747 629 kJ，提高熱回收率 1.9 個(gè)百分點(diǎn)。

但是否改變風(fēng)機(jī)的布置位置，還要看風(fēng)機(jī)布置于塔前的生產(chǎn)情況，裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)風(fēng)機(jī)是否有10%左右的余量。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)改到塔后，同樣的硫酸產(chǎn)量時(shí)，即便在干燥脫水后風(fēng)機(jī)輸送的空氣體積量仍比布置于塔前增大8%～10%[4]。若風(fēng)機(jī)余量不足，由塔前改到塔后，將導(dǎo)致硫酸產(chǎn)量下降，且在相同風(fēng)壓、相同風(fēng)量的工況條件下，汽輪機(jī)推動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)蒸汽消耗上升8%～9%，導(dǎo)致進(jìn)入發(fā)電裝置的蒸汽量減少，降低噸酸的發(fā)電量，從而使綜合能耗上升，得不償失。

5.4 采用新的爐水處理技術(shù)

使用新型多胺藥劑進(jìn)行爐水處理，這種新型藥劑由全揮發(fā)性有機(jī)物組成，投加后不會(huì)增加水中總?cè)芙夤绦挝铮═DS）含量，不影響爐水電導(dǎo)率。該藥劑具有抑制爐水飛沫的作用，可允許在高爐水濃縮倍率下依然保持蒸汽純凈，從而大大降低鍋爐排污率。鍋爐排污率可從使用傳統(tǒng)方式處理時(shí)的2.5%降至0.5%左右，可減少脫鹽水用量3.5 t/h，減少排污造成的熱量損失 2 092 055 kJ/h，提高熱利用率0.36個(gè)百分點(diǎn)，折標(biāo)煤71.4 kg/h，可減少標(biāo)煤用量571 t/a，節(jié)水的同時(shí)節(jié)約熱能。

若實(shí)施以上措施，完成工藝指標(biāo)優(yōu)化和風(fēng)機(jī)位置調(diào)整，則可增加熱量回收 33 446 090 kJ/h，熱量的回收率可達(dá)到90.6%。

若僅進(jìn)行除風(fēng)機(jī)位置調(diào)整之外的上述措施，則可增加熱量回收 22 698 461 kJ/h，將熱回收率提高3.9個(gè)百分點(diǎn)，熱回收率可達(dá)88.8%，可減少標(biāo)煤消耗 6 195 t/a，減少 CO2排放量 15 444 t/a。

調(diào)整工藝參數(shù)后，降低進(jìn)二吸塔的煙氣溫度和出低溫位熱回收裝置的酸溫后可減少干吸循環(huán)水移走熱量 20 606 406 kJ/h，減少循環(huán)水 (Δt=8 ℃ )用量 613 m3/h，循環(huán)水用電減少 560 000 kWh/a，減少 CO2排放量 560 t/a。

6 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)硫酸生產(chǎn)只能有效利用硫黃燃燒和二氧化硫轉(zhuǎn)化的高、中溫位熱能，而吸收部分的低溫位熱能沒(méi)得到有效利用。新技術(shù)新工藝的開(kāi)發(fā)運(yùn)用，能夠大幅提升硫酸生產(chǎn)的熱能利用。低溫位熱能利用率的提升，使得硫酸吸收部分原來(lái)需通過(guò)循環(huán)水帶走的熱量大幅下降，從而減少了循環(huán)水用量，降低水、電等消耗，有利于企業(yè)節(jié)能和減少二氧化碳?xì)怏w的排放，為雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供基本保證，有效降低硫酸產(chǎn)品的生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品的利潤(rùn)和企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。