周楓

上海華誼集團(tuán)上硫化工有限公司 （上海 200431）

工業(yè)硫酸生產(chǎn)中余熱利用的研究與實(shí)踐

周楓

上海華誼集團(tuán)上硫化工有限公司 （上海 200431）

硫酸生產(chǎn)過程中可產(chǎn)生大量熱能，研究了提高余熱利用的主要技術(shù)手段，介紹了高溫?zé)崮芑厥绽?、熱電?lián)產(chǎn)改造、中溫?zé)嵩搭A(yù)熱鍋爐給水等項(xiàng)目在企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，并提出了蒸汽透平代替電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣鼓風(fēng)機(jī)和加強(qiáng)對低溫位熱能的回收利用的建議。

硫酸 余熱利用 熱電聯(lián)產(chǎn) 蒸汽透平 低溫余熱回收

0 引言

硫酸是化學(xué)工業(yè)重要的產(chǎn)品之一，是化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)原材料。它廣泛應(yīng)用于輕工、紡織、冶金、有色金屬、石油、化學(xué)醫(yī)藥、國防軍工等工業(yè)生產(chǎn)部門。硫酸生產(chǎn)工藝過程均為放熱反應(yīng)，以硫磺、硫鐵礦等原料制取SO2氣體可產(chǎn)生高溫?zé)崮埽瑲怏w溫度達(dá)850～1 100℃。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，每噸硫酸的高溫余熱可產(chǎn)生1.1～1.3 t蒸汽。而在轉(zhuǎn)化工段，主要是中溫余熱。一次轉(zhuǎn)化完畢到吸收塔的轉(zhuǎn)化氣溫度在400℃左右。利用這部分余熱，據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐估算，每生產(chǎn)1 t硫酸約可產(chǎn)生0.2 t蒸汽。在兩次轉(zhuǎn)化工藝中，這部分中溫余熱已轉(zhuǎn)移到酸吸收系統(tǒng)的低溫余熱中。低溫余熱的回收利用主要在干吸系統(tǒng)。以常規(guī)的硫磺制酸裝置計(jì)算，目前生產(chǎn)每噸產(chǎn)品（折100%硫酸）可向外提供的能量為2 650～2 980 MJ，折標(biāo)準(zhǔn)煤90～100 kg，回收這些熱量生產(chǎn)蒸汽和電力，除滿足硫磺制酸裝置自身運(yùn)行所需的蒸汽和電力外，還剩余許多可供其他部門使用。

硫酸生產(chǎn)中余熱回收利用及節(jié)能措施是衡量硫酸生產(chǎn)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。按國家的產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，硫磺制酸系統(tǒng)廢氣余熱要進(jìn)行回收利用，鼓勵(lì)采用余熱發(fā)電技術(shù)。在硫酸生產(chǎn)過程中將排出的煙氣余熱用于發(fā)電已成為硫酸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重要的環(huán)節(jié)。同時(shí)各生產(chǎn)企業(yè)也將加強(qiáng)硫酸裝置廢熱利用作為降低產(chǎn)品成本、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要措施之一。

1 硫酸生產(chǎn)余熱利用的主要技術(shù)手段

硫酸生產(chǎn)是一個(gè)放熱過程，就數(shù)量而言，高溫廢熱占總熱量的大部分，低溫廢熱占總熱量的20%～30%。通常，設(shè)置火管或水管廢熱鍋爐回收高溫廢熱生產(chǎn)蒸汽，蒸汽用于發(fā)電或直接應(yīng)用；設(shè)置過熱器、省煤器等設(shè)備回收中溫廢熱，將中壓飽和蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)檫^熱蒸汽和加熱鍋爐給水，提高了蒸汽的品質(zhì)和產(chǎn)率。目前，國內(nèi)硫磺制酸高、中溫位熱能普遍得到回收；低溫位熱能回收的較少。

經(jīng)過長期從事硫酸生產(chǎn)余熱利用的研究，筆者認(rèn)為加強(qiáng)硫酸生產(chǎn)余熱回收的技術(shù)手段主要有以下幾點(diǎn)：

（1）加強(qiáng)對高中溫位熱能的回收利用。硫鐵礦制酸和硫磺制酸裝置均要設(shè)置廢熱鍋爐，回收含硫原料燃燒以及二氧化硫氣體轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的高中溫位熱能，通過廢熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽進(jìn)行發(fā)電和供熱。

（2）利用二氧化硫轉(zhuǎn)化放出的部分熱量來預(yù)熱進(jìn)入轉(zhuǎn)化器的二氧化硫氣體，使其達(dá)到最佳的反應(yīng)溫度；設(shè)置過熱器、省煤器等設(shè)備回收中溫廢熱，將中壓飽和蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)檫^熱蒸汽和加熱鍋爐給水。

（3）采用蒸汽透平代替電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣鼓風(fēng)機(jī)，背壓汽送蒸汽管網(wǎng)，可以提高能量利用效率，減少能量的轉(zhuǎn)換。

（4）重視對低溫位熱能的回收利用。國外開發(fā)的HRS低溫位熱能回收系統(tǒng)能夠有效回收干吸工段產(chǎn)生的低溫位熱能，提高熱能回收率。

2 硫酸生產(chǎn)余熱利用的實(shí)踐

作為硫酸生產(chǎn)企業(yè)，將余熱回收的技術(shù)手段應(yīng)用于實(shí)踐必定有一個(gè)循序漸進(jìn)的發(fā)展過程，以上海華誼集團(tuán)上硫化工有限公司（原上海硫酸廠）余熱利用的實(shí)踐作為進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)，分析了加強(qiáng)硫酸生產(chǎn)余熱回收技術(shù)手段的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

2.1 高溫?zé)崮艿幕厥绽?/h3>

硫酸生產(chǎn)過程中焚硫爐出口高溫?zé)煔獾幕厥绽弥饕ㄟ^設(shè)置鍋爐產(chǎn)生蒸汽用于發(fā)電和供熱，上海硫酸廠為利用化學(xué)放熱反應(yīng)產(chǎn)生的余熱，于1984年3月投入運(yùn)行了3 000 kW抽汽式汽輪機(jī)組。生產(chǎn)硫酸過程中反應(yīng)產(chǎn)生的余熱，經(jīng)硫酸廢熱鍋爐（鍋爐蒸發(fā)量：23 t/h、壓力：3.5 MPa、溫度：435℃）產(chǎn)生中溫中壓蒸汽。蒸汽一部分用于供熱，經(jīng)減溫減壓裝置形成0.6 MPa、160℃的低壓蒸汽，以滿足生產(chǎn)用汽需要，剩余部分蒸汽用于3 000 kW抽汽式汽輪機(jī)組發(fā)電。

余熱發(fā)電站的蒸汽流程：

3 000 kW抽汽式汽輪機(jī)組主要用來發(fā)電，當(dāng)時(shí)上海硫酸廠化工產(chǎn)品以硫酸為主，其他化工產(chǎn)品用汽不多，所以蒸汽富裕量較大，3 000 kW抽汽式汽輪機(jī)組投用后發(fā)電效益較為顯著，為企業(yè)創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 蒸汽的綜合利用改造

上海硫酸廠近幾年來企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，生產(chǎn)精細(xì)化工產(chǎn)品的規(guī)模不斷擴(kuò)大，低壓蒸汽的需求量不斷增加，硫酸廢熱鍋爐產(chǎn)生的中溫中壓蒸汽供熱與供電的比例發(fā)生了變化，可用于發(fā)電的蒸汽量大幅減少，蒸汽幾乎全部通過減溫減壓裝置用于生產(chǎn)，減壓過程中造成能源的浪費(fèi)和多余排放。根據(jù)企業(yè)目前及今后生產(chǎn)發(fā)展的趨勢，3 000 kW抽汽式汽輪機(jī)組已不適應(yīng)生產(chǎn)的要求，因此有必要通過技術(shù)改造余熱發(fā)電裝置，實(shí)現(xiàn)蒸汽的梯級(jí)利用。

余熱發(fā)電裝置的改造主要是通過用1 500 kW背壓式汽輪機(jī)組代替原來的3 000 kW抽汽汽輪機(jī)組，背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組能在一定的排汽參數(shù)下供應(yīng)規(guī)定的蒸汽量，并能發(fā)出一定的電能，這樣既能達(dá)到廢熱鍋爐產(chǎn)出蒸汽滿負(fù)荷地進(jìn)行發(fā)電，同時(shí)也可供應(yīng)用汽車間需要，達(dá)到熱電聯(lián)供。

改造后采用背壓式汽輪機(jī)蒸汽流程為：

改造后的蒸汽流程可以使廢熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽滿負(fù)荷提供給汽輪機(jī)組發(fā)電，背壓蒸汽壓力根據(jù)生產(chǎn)要求設(shè)置，通過減溫器后將溫度調(diào)節(jié)到160℃供生產(chǎn)使用。

根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，1500kW背壓式汽輪機(jī)組具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。按照目前實(shí)際硫酸產(chǎn)量與硫酸廢熱鍋爐產(chǎn)汽量的比例，1 t硫酸可產(chǎn)1.13 t蒸汽，企業(yè)全年硫酸產(chǎn)量按約14萬t計(jì)算，產(chǎn)汽量為15.8萬t蒸汽。1 500 kW背壓式汽輪機(jī)理論耗汽量為15.24 kg/kW·h,則全年發(fā)電量約為1 000萬kW·h左右，扣除成本每kW·h電利潤約0.3元，則全年凈利潤為300萬元，投資回收期為1年。

2.3 利用中溫?zé)嵩搭A(yù)熱鍋爐給水

通常中壓鍋爐產(chǎn)出的蒸汽經(jīng)過背壓式發(fā)電機(jī)組后，一部分蒸汽需進(jìn)入除氧器對中壓鍋爐給水進(jìn)行預(yù)熱達(dá)到除氧目的，（表2減去表1的差值就為除氧器所用蒸汽量），因此在一定硫酸產(chǎn)量的條件下減少了熱網(wǎng)的蒸汽供應(yīng)（見圖1）。上海硫酸廠在余熱利用改造中增加了硫磺制酸轉(zhuǎn)化工序中溫?zé)嵩搭A(yù)熱器，鍋爐給水的加熱過程由中溫?zé)嵩搭A(yù)熱器完成，無需浪費(fèi)蒸汽對除氧器進(jìn)行加熱除氧，減少了蒸汽的

2.4 采用蒸汽透平代替電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣鼓風(fēng)機(jī)

在硫磺制酸系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)、酸泵電耗是主要的能耗，其中風(fēng)機(jī)的能耗占全部能耗的60%～70%，所以空氣鼓風(fēng)機(jī)是硫酸生產(chǎn)中主要用電設(shè)備。國外硫磺制酸裝置采用蒸汽透平驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，一般每噸硫酸電耗為10～20 kW·h，而上海硫酸廠硫磺制酸裝置采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，電耗都在50～70 kW·h。有汽源的單位用汽作動(dòng)力比用電驅(qū)動(dòng)的節(jié)能效果是明顯的，減少了熱能→電能→機(jī)械能轉(zhuǎn)換過程中的損失。直接用蒸汽驅(qū)動(dòng)的能量利用率達(dá)到80%以上，而中小型發(fā)電廠的發(fā)電熱效率在32%左右，再加上線路和變壓器損耗、電力拖動(dòng)的能源利用率不會(huì)超過30%。

蒸汽透平在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，主要原因是：在所有既需動(dòng)力又需熱量，或者有副產(chǎn)熱能的各種生產(chǎn)流程中，合理配置蒸汽透平，可提高能源利用率，達(dá)到節(jié)能的目的。蒸汽透平有較高的轉(zhuǎn)速和較大的功率適用范圍，它能直接驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)流程中的泵、鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)等機(jī)械，并可平穩(wěn)、靈敏地與這些被驅(qū)動(dòng)機(jī)械相互協(xié)調(diào)地變速運(yùn)行，以適應(yīng)生產(chǎn)流程工況條件的變化。這是其他動(dòng)力機(jī)械所不能比擬的。

上海硫酸廠目前硫磺制酸裝置的空氣鼓風(fēng)機(jī)并未采用變速運(yùn)行技術(shù)，風(fēng)量調(diào)節(jié)采用閥門調(diào)節(jié)，電能使用量，從而在相同硫酸產(chǎn)量的條件下，加大對熱網(wǎng)的供汽量，提高了蒸汽的使用率。

除氧器用氣量計(jì)算公式：Q=B1-B2

其中：Q-為除氧器用氣量，t；

B1-為示意圖中表1的表計(jì)量，t；

B2-為示意圖中表2的表計(jì)量，t。

通過實(shí)際運(yùn)行計(jì)算，改造后每月可節(jié)約蒸汽1 000 t，全年節(jié)約蒸汽1.2萬t，折標(biāo)準(zhǔn)煤1.2萬t。損失較大。在今后的節(jié)能改造中將對鼓風(fēng)機(jī)采用蒸汽透平驅(qū)動(dòng)，通過汽輪機(jī)的使用使硫酸生產(chǎn)中功率最大的電機(jī)被代替，硫磺制酸裝置的電耗將明顯下降，可有效地降低生產(chǎn)成本。

3 重視對低溫位熱能的回收利用

我國硫酸裝置的低溫余熱回收仍處于起步階段，回收利用的裝置很少，絕大部分裝置的低溫余熱仍然是通過循環(huán)冷卻水散發(fā)到環(huán)境中。應(yīng)用受到限制的主要原因是一方面人們對低溫余熱的認(rèn)識(shí)不夠，另一方面目前我國的技術(shù)只能利用低溫余熱產(chǎn)生熱水，而熱水的利用有其局限性。

美國孟莫克公司開發(fā)的硫酸高溫吸收產(chǎn)生低壓蒸汽的系統(tǒng)（簡稱HRS）能夠有效回收干吸工段產(chǎn)生的低溫位熱能，采用HRS可使每噸硫酸產(chǎn)生1.0 MPa的低壓蒸汽0.5 t左右，使得總熱能回收率可以達(dá)到90%以上。但HRS投資較高,約占整個(gè)硫酸裝置投資的30%，這是一般投資者較難接受的，特別是對于我們這樣一個(gè)發(fā)展中國家。不過目前中國硫酸協(xié)會(huì)已開始與美國孟莫克公司合作在中化涪陵，云天化國際等大型硫酸制酸裝置中推廣，逐步實(shí)現(xiàn)在設(shè)備國產(chǎn)化的條件下全面推廣，估計(jì)屆時(shí)投資成本可大大降低。

4 結(jié)論

利用硫酸裝置生產(chǎn)中產(chǎn)生的余熱，對于節(jié)能降耗、降低產(chǎn)品成本、提高企業(yè)綜合經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。應(yīng)該看到我國硫磺制酸裝置的余熱回收和利用水平與世界先進(jìn)水平相比還有一定的差距，尤其是在低溫?zé)峄厥辗矫?，所以在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)積極尋找低溫余熱產(chǎn)生蒸汽的新途徑。

（略）

TQ111.19

周 楓 男 1971年生 1995年同濟(jì)大學(xué)畢業(yè) 學(xué)士學(xué)位 工程師 主要從事余熱電廠管理工作

2010年7月