HRS低溫余熱高效回收利用技術與應用

王伯義，韓戰旗，卓儉進

（1.河南中原黃金冶煉廠有限責任公司，河南三門峽 472000；2.河南省黃金資源綜合利用重點實驗室，河南三門峽472000）

近年來，在碳達峰、碳中和背景下，國家日益重視經濟與環境的協調發展，積極引導企業走綠色發展之路，大力發展循環經濟，鼓勵高耗能企業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，助力實現節能減排。在此背景下，硫酸工業節能與熱回收利用技術將煥發勃勃生機，硫酸行業低碳化高能效發展也將成為未來的發展趨勢[1]。河南中原黃金冶煉廠有限責任公司（以下簡稱中原黃金冶煉廠）作為國有大型企業，處理金銅精粉1 500 kt/a，工業用電量達到6億kWh/a，天然氣消耗量2.5×107m3/a，新水用量3.5×106t/a，能源消耗規模龐大。隨著國家“雙碳”政策的落實，企業做好能源管理、提高能效將在碳減排中創造更高的經濟效益和社會效益。

中原黃金冶煉廠1 600 kt/a冶煉煙氣制酸裝置采用高濃度煙氣預轉化、“3+2”二轉二吸及HRS低溫位熱回收工藝，其中HRS系統可產0.85 MPa低壓飽和蒸汽約80 t/h，所產蒸汽除用于冬季采暖以及作為生產工藝熱源使用外，富余蒸汽利用工業汽輪機技術進行發電自用[2]。在實際生產中，為了維持干吸系統酸濃度平衡和液位穩定，HRS系統需向干燥和二吸循環酸槽進行串酸，串酸溫度在126 ℃左右。由于外串硫酸溫度較高，大量的熱能被帶出HRS系統，最終流失于循環冷卻水中，造成可回收熱能減少。如果能夠將這部分熱能充分回收利用，可進一步提高HRS系統的總熱能回收率，達到節能降耗的目的。

1 HRS工藝介紹

1.1 工藝流程

HRS低溫位熱回收技術是由美國孟莫克公司于20世紀80年代開發的一項節能環保技術，通過提高吸收系統循環酸溫度，用吸收反應熱來生產低壓飽和蒸汽，實現回收干吸工序低溫位熱能[3]。該技術利用HRS熱回收塔取代傳統工藝的一吸塔，用HRS鍋爐取代傳統工藝的一吸塔酸冷卻器，從而使硫酸生產裝置的余熱回收率從50%～70%提高至90%以上[4]，且減少循環冷卻水的消耗。HRS系統主要由HRS熱回收塔、HRS酸循環泵、HRS鍋爐、HRS稀釋器、HRS加熱器及HRS預熱器等關鍵設備組成[5]，其工藝流程見圖1。

圖1 中原黃金冶煉廠HRS工藝流程

來自省煤器出口180 ℃含SO3的一段轉化氣，經過蒸汽噴射器噴入蒸汽后進入HRS塔下部，氣體自下而上流經一級、二級填料與自上而下流經填料的一級、二級循環酸相接觸，煙氣中絕大部分的SO3被吸收，然后再經過位于HRS塔頂部的除霧器除去酸霧后離開HRS塔，最后進入下游的層間冷熱交換器。

HRS塔內設有上、下兩級填料層，第一級（下層填料）的循環酸為180 ℃、w(H2SO4)99.0%以上的濃硫酸，第二級（上層填料）的循環酸為65 ℃、w(H2SO4)98.5%的濃硫酸，來自干吸工序二吸塔酸冷卻器，用于冷卻氣體及除去第一級填料剩余的SO3，以確保SO3的總吸收率。一級循環酸和二級循環酸吸收SO3后流入塔底泵槽，w(H2SO4)約為99.96%，溫度升高約20 ℃，由HRS酸循環泵將200 ℃的高溫濃硫酸送至HRS鍋爐，在鍋爐內與除氧后的鍋爐水進行換熱回收熱能，產出的0.85 MPa低壓飽和蒸汽并入全廠低壓蒸汽管網；濃硫酸經過HRS鍋爐換熱，酸溫降低約20 ℃后分成兩路：一路進入HRS稀釋器與經霧化的稀釋水和來自干燥循環酸槽的干燥酸混合后，調節w(H2SO4)在99.0%以上，然后返回至HRS塔一級分酸器進行再循環吸收；另一路作為HRS產酸依次進入HRS加熱器和HRS預熱器，分別加熱HRS鍋爐給水和進除氧器的脫鹽水，換熱降溫后的硫酸分別送至干燥和二吸循環酸槽。

1.2 串酸流程

干燥系統、二吸系統和HRS系統均配置有循環酸槽，干燥系統w(H2SO4)控制在95.5%～96.5%，二吸系統w(H2SO4)控制在98.3%～98.7%，HRS系統w(H2SO4)控制在99.0%～99.6%。為維持各循環酸槽的硫酸濃度和液位平衡，需要不同濃度的硫酸相互進行串酸以及對系統補加稀釋水，其中干燥系統向二吸循環酸槽和HRS稀釋器串酸；HRS系統向干燥和二吸循環酸槽串酸；二吸系統向HRS二級噴淋串酸；干吸補水從HRS稀釋器和二吸循環酸槽加入；成品酸從二吸循環酸槽中引出，串酸流程見圖2。

圖2 中原黃金冶煉廠干吸工序串酸流程

2 HRS產汽量影響因素

HRS系統帶入的熱量主要包括煙氣帶入的熱量、SO3的吸收反應熱、硫酸帶入的熱量、補水的微分溶解熱、循環酸濃縮熱以及硫酸稀釋熱；帶出的熱量主要包括煙氣帶出的熱量、硫酸帶出的熱量及熱損失。HRS低溫熱能回收利用的熱量主要為SO3的吸收反應熱、硫酸稀釋熱以及煙氣冷卻熱，HRS產汽量可通過HRS系統帶入熱量和帶出熱量進行熱量衡算求出。制約產汽量的主要因素有煙氣中SO2濃度、一次轉化率、產汽壓力、二級噴淋酸量、干燥塔入口煙氣中的水含量、HRS產酸溫度等[6-8]。在煙氣條件一定的情況下，HRS產汽量對于干燥塔入口煙氣中的水含量和HRS產酸溫度比較敏感。

干燥塔入口煙氣中的水含量和煙氣溫度相關，煙氣溫度越高，煙氣中飽和水含量就越多，進入干燥塔的水分也就增加，為維持干吸系統水平衡，干燥系統需要向HRS稀釋器加大干燥酸的串酸量，來代替稀釋水調節酸濃度，硫酸稀釋熱會減少，導致HRS產汽量會相應減少。因此，為了提高HRS產汽量可適當降低干燥塔入口煙氣的溫度，但是溫度的控制也要考慮經濟性，因為煙氣溫度越低，凈化工序循環冷卻水的消耗量就越大，成本也就越高。

HRS鍋爐酸側出口高溫硫酸一部分作為HRS產酸串至干吸系統，酸溫在180 ℃左右，通常用于加熱HRS鍋爐給水和脫鹽水進一步回收熱量后，再串出系統。但僅靠加熱鍋爐給水和脫鹽水所回收的這部分熱量并不夠充分，此時HRS產酸溫度基本維持在126 ℃左右，會造成串入干燥和二吸循環酸槽的酸溫度過高，循環冷卻水用量加大。

因此，為提高HRS系統總熱能回收率，應充分回收利用HRS系統串至干燥和二吸循環酸槽這部分硫酸所帶的熱能，盡可能地多產蒸汽。

3 技術改造

3.1 技改方案

目前HRS鍋爐產汽量約為80 t/h，而HRS鍋爐設計最大產汽量為100 t/h，還存有較大的產汽余量。為了維持干吸系統物料平衡，HRS系統需向干燥和二吸循環酸槽串出126 ℃、w(H2SO4)99.6%的濃硫酸約420 m3/h，干燥循環酸槽同時要向HRS稀釋器串入75 ℃、w(H2SO4)96.0%的干燥酸約160 m3/h。為進一步高效回收利用HRS系統外串酸所帶的熱能，基于現有的HRS系統外串酸工藝路線，在加熱器和預熱器之后串聯增加1臺HRS換熱器及配套設施，使HRS外串酸（即HRS產酸）和串入HRS稀釋器的干燥酸進行換熱，將外串酸的熱量進行回收并返回HRS系統，從而提高HRS鍋爐的蒸汽產量，其余熱回收流程示意見圖3。

圖3 HRS換熱器余熱回收流程示意

HRS系統外串酸依次經加熱器、預熱器換熱降溫后，酸溫度由180 ℃降至126 ℃后引至HRS換熱器管程，經干燥酸再次換熱后酸溫度降至約112 ℃，然后送至干燥和二吸循環酸槽；同時來自干燥循環酸槽的干燥串酸進入HRS換熱器殼程，酸溫由75 ℃換熱升至約109 ℃后串入HRS稀釋器。

3.2 設備性能

HRS換熱器是一種臥式管殼式酸酸換熱器，熱側為管程，流動介質為HRS系統外串的高溫硫酸；冷側為殼程，流動介質為串入HRS系統的低溫干燥酸。由于低濃度硫酸隨著酸溫的升高會加劇對金屬材料的腐蝕，因此換熱器材質的選擇至關重要。該換熱器殼體和列管均采用我國自主研發的特種高硅合金耐腐蝕材料制作，腐蝕速率小于0.1 mm/a，能夠耐受w(H2SO4)96.0%干燥酸在高溫條件下的腐蝕，其主要技術性能參數見表1。

表1 HRS換熱器技術性能參數

3.3 技術特點

1）HRS換熱器是對HRS外串酸熱能回收工藝路線的有效補充，實現對這部分高溫硫酸所帶的熱量進行梯級回收，通過用于加熱鍋爐給水、脫鹽水和干燥系統串入的干燥酸，進一步提高HRS低溫余熱回收效率，并增加鍋爐蒸汽產量。

2）HRS換熱器在現有HRS系統的基礎上進行改造，對現場土建施工、設備布局要求比較低，節省占地面積和項目投資。

3）HRS換熱器及配套裝置實現完全國產化，與現有HRS系統相匹配，殼程和管程的介質均為濃硫酸，即使發生設備腐蝕泄漏，在事故狀態下可與HRS系統隨時斷開，應急響應可控，不影響制酸系統的正常運行。

4）HRS換熱器日常生產維護和使用，無需額外新增崗位人員及電力負荷，無明顯新增作業成本。

4 技術經濟分析

4.1 項目投資

HRS低溫余熱高效回收利用項目于2022年初開始啟動，經過設備安裝和調試，目前已投入運行。項目總投資為450萬元，其中工程費用投資為405萬元，工程建設其他費用30萬元，基本預備費15萬元，主要設備HRS換熱器購置費為365萬元。

4.2 效益分析

HRS換熱器自投入運行以來，各項技術指標運行平穩，經測算，可多回收熱量1.53×107kJ/h，折算成0.85 MPa低壓飽和蒸汽量為5.5 t/h，HRS系統蒸汽產量由80 t/h提高至85.5 t/h，產汽率由0.43 t/t提高至0.46 t/t，HRS系統總熱能回收率提高6.88%，同時可降低循環冷卻水消耗，緩解設備運行壓力，改善干燥泵、二吸泵以及管道腐蝕情況，延長裝置更換周期。

運行時間按每年330 d考慮，可多回收低壓蒸汽43 600 t/a，多發電5 668 000 kWh/a，工業電按0.75元/kWh計，可創造經濟效益425.10萬元/a，投資回收期1.06年。節約標準煤1 714.57 t/a（供電煤耗按302.5 g/kWh計），相當于可減少CO2排放量4 492.17 t/a，減少SO2排放量14.57 t/a，減少NOx排放量12.69 t/a，經濟效益和環保效益顯著。

5 結語

HRS低溫余熱高效回收利用技術通過增加1臺國產化HRS換熱器，不僅有效實現了對HRS外串酸能量的梯級回收利用，而且降低了循環冷卻水消耗，延長了設備使用周期。該項目提高了能源的利用效率，降低了企業生產能耗，具有很好的經濟效益和環保效益，促進企業較好地踐行低碳循環經濟發展理念，值得借鑒和推廣。