鄒玉霜

(中石化南京工程有限公司，江蘇南京 211100)

節(jié)能與余熱回收

淺談硫鐵礦及煙氣制酸低溫余熱回收工藝及設(shè)備優(yōu)化

鄒玉霜

(中石化南京工程有限公司，江蘇南京 211100)

針對硫鐵礦及煙氣制酸具有負(fù)荷波動大、干吸所需水分基本來自干燥塔進(jìn)口煙氣帶入水分、干吸酸濃調(diào)節(jié)及水平衡依靠干燥與吸收之間大量串酸、干燥酸中溶解的SO2串入吸收酸循環(huán)槽后會發(fā)生解吸等特點(diǎn)，建設(shè)低溫余熱回收裝置時不能簡單套用硫磺制酸低溫余熱回收工藝流程和設(shè)備，通過預(yù)干燥或預(yù)干燥再濃縮等措施優(yōu)化工藝流程，解決干吸水平衡后熱回收效率提高1.5～2.5倍。通過優(yōu)化熱回收塔2級分酸器使熱回收塔具有較大的操作彈性，能適應(yīng)硫鐵礦及煙氣制酸裝置的大幅度負(fù)荷波動。

煙氣制酸 低溫余熱回收 優(yōu)化 水平衡 預(yù)干燥 預(yù)干燥再濃縮

自2009年中石化南京工程有限公司自主研發(fā)的硫磺制酸低溫余熱回收技術(shù)全面推廣以來，低溫回收技術(shù)在我國硫酸行業(yè)得到了迅速發(fā)展，截至2016年底，全國200 kt/a以上規(guī)模硫磺制酸裝置基本都已建設(shè)了低溫余熱回收裝置。對于硫鐵礦及冶煉煙氣制酸裝置，除一些大型高濃度冶煉煙氣制酸裝置采用MECS公司HRS技術(shù)及個別硫鐵礦制酸裝置采用了國產(chǎn)低溫余熱回收技術(shù)外，硫鐵礦及冶煉煙氣制酸裝置低溫余熱回收尚處于起步階段。

硫鐵礦及冶煉煙氣制酸裝置低溫余熱回收技術(shù)的推廣不僅與企業(yè)效益、硫酸開工率有關(guān)，同時還與低溫余熱回收裝置的蒸汽產(chǎn)率有關(guān)。硫鐵礦及冶煉煙氣制酸低溫余熱回收本質(zhì)上是對干吸工序硫酸吸收過程中產(chǎn)生的低溫反應(yīng)熱的回收，但又與硫磺制酸干吸低溫余熱回收有很大區(qū)別，硫鐵礦及冶煉煙氣制酸低溫余熱回需要解決如下問題：①裝置負(fù)荷波動大；②水平衡問題嚴(yán)重，干吸所需水分基本來自干燥塔進(jìn)口煙氣帶入水分，加水量很少或基本不加水，干吸酸濃調(diào)節(jié)及水平衡依靠干燥與吸收之間大量串酸；③干燥酸中溶解的SO2串入吸收酸循環(huán)槽后會在吸收塔內(nèi)發(fā)生解吸從而影響總轉(zhuǎn)化率[1]。因此硫鐵礦及冶煉煙氣制酸低溫余熱回收可以借鑒硫磺制酸低溫余熱回收相似的工藝流程主體及關(guān)鍵設(shè)備，但不能簡單套用，必須根據(jù)硫鐵礦及冶煉煙氣制酸裝置的特點(diǎn)在硫磺制酸低溫余熱回收工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。

1 低溫余熱回收基本流程

硫鐵礦及冶煉煙氣制酸低溫余熱回收工藝流程是在硫磺制酸低溫余熱回收工藝流程基礎(chǔ)上發(fā)展的，在此將與硫磺制酸低溫余熱回收主體相同、只是串酸熱量回收改進(jìn)的工藝流程稱為基本流程。低溫余熱回收基本工藝流程見圖1。

圖1 低溫余熱回收基本工藝流程

低溫余熱回收基本工藝流程由熱回收塔、蒸發(fā)器、混合器組成一級循環(huán)，由給水預(yù)熱器、混合器串酸加熱器、脫鹽水加熱器回收串酸帶出熱。干吸低溫余熱回收所回收的熱量主要有3部分：

1)一次轉(zhuǎn)化氣體帶進(jìn)熱回收塔的顯熱，該顯熱與氣濃和進(jìn)塔氣溫相關(guān)。氣濃低，對應(yīng)的氣量大，進(jìn)出口氣體顯熱差大。

2)熱回收塔內(nèi)SO3吸收水分生成硫酸的反應(yīng)熱。

3)混合器內(nèi)高濃度硫酸加水稀釋為w(H2SO4)99%硫酸的稀釋熱。

對于氣濃、進(jìn)塔氣溫相同的不同原料制酸裝置的低溫余熱回收來說，前兩部分的熱量是相同的，第三部分的熱量相差很大。對于硫磺制酸裝置，由于制酸所需的水分除空氣帶入系統(tǒng)外，幾乎全部通過混合器加水，除夏季極端情況外，干吸工序一般不會出現(xiàn)水不能平衡需要向混合器串酸的情況，而礦及冶煉煙氣制酸裝置所需水分幾乎全部由煙氣帶入系統(tǒng)，只有通過大量的干燥酸串入混合器來調(diào)節(jié)酸濃以實(shí)現(xiàn)水平衡，因此在混合器中不僅有高濃度酸稀釋為w(H2SO4)99%硫酸釋放熱量，還有w(H2SO4)93%～95%硫酸濃縮為w(H2SO4)99%硫酸及升溫吸收熱量。當(dāng)干燥串酸濃度為w(H2SO4)93%、溫度65 ℃(一般低于此溫度)時，濃硫酸稀釋放熱少于w(H2SO4)93%硫酸濃縮及升溫所需熱，所以一級循環(huán)酸經(jīng)過混合器后溫度不升反降。對硫磺制酸低溫余熱回收第三部分的熱量占總回收熱量的1/3以上，硫鐵礦及冶煉煙氣制酸裝置回收的熱量顯然降低，低壓蒸汽產(chǎn)量相對減少40%以上。對于硫磺制酸裝置，低溫余熱回收與干吸系統(tǒng)的串酸只有低溫余熱回收系統(tǒng)的外串酸及2級噴淋酸，串酸量不大，攜帶的可回收熱量不多，用于加熱蒸發(fā)器給水及全廠脫鹽水后串酸溫度可降到75 ℃以下。硫鐵礦及冶煉煙氣制酸裝置低溫余熱回收與干吸系統(tǒng)之間的串酸除上述串酸外還有大量串往混合器用于取代加水的低溫、低濃度酸。由于低溫余熱回收外串酸流量加大，大量的熱量存在于外串酸回路上，在極端情況下這部分串酸帶出的熱量甚至可達(dá)塔內(nèi)回收熱量的50%，但這部分熱量可用于加熱其他鍋爐給水、蒸發(fā)器給水、脫鹽水及混合器串酸，可同時將主裝置的鍋爐給水及蒸發(fā)器給水加熱到175 ℃，全廠脫鹽水加熱到90 ℃(視蒸發(fā)器蒸汽壓力而定)以上，混合器串酸加熱到65 ℃，最終串酸溫度降至75 ℃以下。

如果串往干吸系統(tǒng)的濃硫酸的熱量能如上所述充分利用，那么硫鐵礦及冶煉煙氣制酸與硫磺制酸低溫余熱回收熱回收效率總體相差不是太大，但在實(shí)際生產(chǎn)中，硫鐵礦及冶煉煙氣制酸裝置轉(zhuǎn)化器三段后通常設(shè)置了省煤器可直接將鍋爐給水加熱到175 ℃甚至更高，也有一些裝置有大量的冷凝水回收，無需補(bǔ)充大量的常溫脫鹽水，此時低溫余熱回收效率就大大降低。取消三段省煤器能增加低壓蒸汽的產(chǎn)量，也能通過低溫余熱回收系統(tǒng)將鍋爐給水加熱到一定溫度，但由于主裝置鍋爐給水一般壓力較高，需要另外增加給水儲罐及更大功率的給水泵供加熱后的給水使用，使給水流程復(fù)雜，動力消耗增加。也可以不改變給水流程，這時一旦發(fā)生泄漏會給酸系統(tǒng)造成較大的影響。

2 工藝流程優(yōu)化

硫鐵礦及冶煉煙氣制酸低溫余熱回收采用基本流程時混合器不但不能產(chǎn)生熱量還需要消耗塔內(nèi)回收熱，同時還有大量塔內(nèi)回收熱需要通過加熱鍋爐給水、脫鹽水及混合器串酸來加以利用，其中混合器串酸加熱溫度由于受到酸濃和耐酸材料的限制，回收熱量有限。鍋爐給水及脫鹽水的加熱量是不確定的，因此采用基本流程對硫鐵礦及冶煉煙氣制酸的低溫余熱進(jìn)行回收其效率是難以保證的，應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)化，減少混合器串酸尤為重要。

減少混合器串酸本質(zhì)是解決水平衡問題，水平衡是硫鐵礦及冶煉煙氣制酸裝置普遍存在和必須解決的首要問題。解決水平衡的方法有2種[2]：①設(shè)置2個干燥塔，預(yù)干燥塔噴淋w(H2SO4)76%以下硫酸，產(chǎn)出部分稀酸；主干燥塔噴淋w(H2SO4)93%硫酸保證干燥效果；②預(yù)干燥再濃縮，將水分直接帶出系統(tǒng)。硫鐵礦及冶煉煙氣制酸可以采用這兩種辦法解決低溫余熱回收系統(tǒng)水平衡問題。

2.1 優(yōu)化流程1：預(yù)干燥流程

預(yù)干燥流程需要設(shè)置2個干燥塔，預(yù)干燥塔采用濃度不高于w(H2SO4)76%硫酸進(jìn)行干燥。預(yù)干燥塔循環(huán)酸系統(tǒng)引出一部分w(H2SO4)76%硫酸，經(jīng)脫吸塔脫除二氧化硫后一部分與二吸系統(tǒng)產(chǎn)w(H2SO4)98.5%硫酸混合為w(H2SO4)98%成品酸，另一部分串入混合器。預(yù)干燥低溫余熱回收工藝流程見圖2。

圖2 預(yù)干燥低溫余熱回收工藝流程

2.2 優(yōu)化流程2：預(yù)干燥再濃縮流程

該流程仍然采用2級干燥，在二吸塔出口設(shè)置濃縮塔，利用二吸出口尾氣對預(yù)干燥吸收的水分進(jìn)行絕熱蒸發(fā)帶出系統(tǒng)。

預(yù)干燥再濃縮能直接減少進(jìn)入干吸水量，提高低溫余熱回收效率。該工藝尤其適合用雙氧水進(jìn)行尾氣吸收的裝置，可利用一級尾吸塔作為濃縮塔。

預(yù)干燥再濃縮低溫余熱回收工藝流程見圖3。

圖3 預(yù)干燥再濃縮低溫余熱回收工藝流程

3 流程優(yōu)化效果

以1套1 200 t/dw(H2SO4)100%硫酸裝置為例進(jìn)行說明。產(chǎn)w(H2SO4)98%硫酸，干燥進(jìn)氣φ(SO2)8.5%，溫度39 ℃，干燥酸w(H2SO4)93%，進(jìn)干燥塔酸溫50 ℃，當(dāng)?shù)卮髿鈮?01.3 kPa，干燥塔進(jìn)口壓力-6.5 kPa，干燥酸脫吸后串吸收循環(huán)槽，一吸塔進(jìn)塔氣溫170 ℃，二吸塔進(jìn)塔氣溫143 ℃，二吸循環(huán)酸溫70 ℃，出塔氣溫74 ℃，尾氣采用Na2CO3溶液洗滌。

3.1 熱回收效果比較

3種低溫余熱回收流程熱量回收效果對比見表1。

表1 3種低溫余熱回收流程熱量回收效果對比

3.2 流程優(yōu)化效果評價

表1 計算基礎(chǔ)是基本流程由干燥和二吸混合產(chǎn)酸，調(diào)節(jié)產(chǎn)酸濃度至w(H2SO4)98%。預(yù)干燥流程中預(yù)干燥塔循環(huán)酸w(H2SO4)60%，循環(huán)酸溫40 ℃，主干燥塔循環(huán)酸w(H2SO4)93%，酸溫50 ℃，混合器串酸來自預(yù)干燥系統(tǒng)經(jīng)脫氣后的酸，由預(yù)干燥系統(tǒng)經(jīng)脫氣后的酸與二吸酸混合產(chǎn)酸，調(diào)節(jié)產(chǎn)酸濃度至w(H2SO4)98%。預(yù)干燥再濃縮流程中二吸塔出口尾氣可絕熱蒸發(fā)水1.7 t/h，預(yù)干燥塔循環(huán)酸w(H2SO4)60%，循環(huán)酸溫40 ℃，主干燥塔循環(huán)酸w(H2SO4)93%，酸溫50 ℃，混合器串酸來自預(yù)干燥系統(tǒng)經(jīng)脫氣后的酸，由預(yù)干燥系統(tǒng)經(jīng)脫氣后的酸與二吸酸混合產(chǎn)酸，調(diào)節(jié)產(chǎn)酸濃度至w(H2SO4)98%。

由表1可見：采用預(yù)干燥流程蒸汽產(chǎn)量提高了1倍，干吸循環(huán)水減少率提高了0.7倍；采用預(yù)干燥再濃縮流程蒸汽產(chǎn)量提高了1.25倍，干吸循環(huán)水減少率提高了0.72倍，優(yōu)化效果顯著。預(yù)干燥再濃縮流程因二吸塔出口尾氣溫度較低，蒸發(fā)水量不大，熱回收效率與預(yù)干燥流程相比沒有明顯優(yōu)勢，當(dāng)尾吸采用雙氧水吸收，用一級尾吸塔代替濃縮塔時建議采用該流程。

4 設(shè)備優(yōu)化

針對礦及冶煉煙氣制酸負(fù)荷波動大的特點(diǎn)，熱回收塔分酸器必須優(yōu)化。熱回收塔二級噴淋密度小于3 m3/(m2·h-1)，很難調(diào)節(jié)，二級酸量不但影響蒸汽產(chǎn)量還直接影響硫酸霧指標(biāo)。中石化南京工程公司開發(fā)的小流量多級分酸器能根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)節(jié)噴淋酸量，其特點(diǎn)是保證塔截面分酸點(diǎn)數(shù)不變，流量可以根據(jù)負(fù)荷調(diào)節(jié)。興化宏偉科技開發(fā)的蝶式分酸器采用2級流量控制，具有優(yōu)異的分酸均勻性和超寬的流量調(diào)節(jié)范圍，能適應(yīng)負(fù)荷波動大的熱回收塔2級分酸。上海奧格利環(huán)保工程開發(fā)的小流量槽管式分酸器據(jù)介紹使用效果也很好[3]。

5 結(jié)語

影響硫鐵礦及冶煉煙氣制酸低溫余熱回收效率的最大因素是干吸水平衡，基本流程沒解決水平衡問題，造成大量的反應(yīng)熱隨系統(tǒng)串酸帶出，而串酸回收熱的回收利用是不確定的，因此基本流程的熱回收效率也是不確定的。預(yù)干燥流程及預(yù)干燥再濃縮流程都是在基本流程的基礎(chǔ)上增加了解決水平衡的優(yōu)化措施，使蒸汽產(chǎn)率及循環(huán)水減少率大幅度提高。預(yù)干燥及預(yù)干燥再濃縮都是十分成熟且成功應(yīng)用的技術(shù)，建議在硫鐵礦及冶煉煙氣制酸裝置低溫余熱回收中推廣使用。

[1] 丁華. 礦及煙氣制酸裝置的酸熱回收特點(diǎn)[J] .硫酸工業(yè)，2017(3)：16-19.

[2] 湯桂華. 硫酸[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999：248.

[3] 孫正東 .硫鐵礦和冶煉煙氣制酸配套低溫余熱回收系統(tǒng)技術(shù)總結(jié)[J] .硫酸工業(yè)，2017(3)：20-26.

Optimizationofprocessflowandequipmentinlow-scalewasteheatrecoveryofpyrite-basedsulphuricacidandmetallurgicalacidplant

ZOUYushuang

(SINOPEC Nanjing Engineering Co.,Ltd., Nanjing, Jiangsu, 211100, China)

According to the characteristics of large load fluctuation, water needed in drying and absorption section coming from flue gas at inlet drying tower, drying and absorption concentration adjust and water balance relying on acid crossflow between drying and absorption, sulphur dioxide dissolved in drying acid desorbing after acid crossflow into circulating tank, process flows are optimized by pre-drying or pre-drying & recondensation instead of apply mechanically process flow and equipment in low-scale waste heat recovery sulphur-burning sulphuric acid plant,heat recovery efficiency was increased by 1.5-2.5 times by solving water balance in drying and absorption. By optimizing two grade acid distributor in heat recovery tower, heat recovery tower had larger operation elasticity, suitable for large load fluctuation of pyrite-based sulphuric acid and metallurgical acid plant.

smelter off-gas； low-scale waste heat recovery； optimization； water balance； pre-drying； pre-drying & recondensation

2017-08-11。

鄒玉霜，女，中石化南京工程有限公司高級工程師，主要從事硫酸低溫余熱回收、濕法制酸設(shè)計工作。電話：13813861704；E-mail：zouys.snei@sinopec.com。

TQ111.16

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1002-1507(2017)10-0028-04