工業(yè)硫酸生產(chǎn)中余熱利用的研究與實踐

周楓

上海華誼集團上硫化工有限公司 （上海 200431）

工業(yè)硫酸生產(chǎn)中余熱利用的研究與實踐

周楓

上海華誼集團上硫化工有限公司 （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，介紹了高溫熱能回收利用、熱電聯(lián)產(chǎn)改造、中溫熱源預熱鍋爐給水等項目在企業(yè)的實際應用，并提出了蒸汽透平代替電動機驅(qū)動空氣鼓風機和加強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

硫酸是化學工業(yè)重要的產(chǎn)品之一，是化學工業(yè)的基礎(chǔ)原材料。它廣泛應用于輕工、紡織、冶金、有色金屬、石油、化學醫(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，以硫磺、硫鐵礦等原料制取SO2氣體可產(chǎn)生高溫熱能，氣體溫度達850～1 100℃。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，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，折標準煤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)代化水平的一個重要標志。按國家的產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策和相關(guān)設(shè)計規(guī)范，硫磺制酸系統(tǒng)廢氣余熱要進行回收利用，鼓勵采用余熱發(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)計中重要的環(huán)節(jié)。同時各生產(chǎn)企業(yè)也將加強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，筆者認為加強硫酸生產(chǎn)余熱回收的技術(shù)手段主要有以下幾點：

（1）加強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熱進入轉(zhuǎn)化器的二氧化硫氣體，使其達到最佳的反應溫度；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機驅(qū)動空氣鼓風機，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)余熱利用的實踐

作為硫酸生產(chǎn)企業(yè)，將余熱回收的技術(shù)手段應用于實踐必定有一個循序漸進的發(fā)展過程，以上海華誼集團上硫化工有限公司（原上海硫酸廠）余熱利用的實踐作為進一步研究的基礎(chǔ)，分析了加強硫酸生產(chǎn)余熱回收技術(shù)手段的可行性和經(jīng)濟性。

2.1 高溫熱能的回收利用

硫酸生產(chǎn)過程中焚硫爐出口高溫煙氣的回收利用主要通過設(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放熱反應產(chǎn)生的余熱，于1984年3月投入運行了3 000 kW抽汽式汽輪機組。生產(chǎn)硫酸過程中反應產(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抽汽式汽輪機組發(fā)電。

余熱發(fā)電站的蒸汽流程：

3 000 kW抽汽式汽輪機組主要用來發(fā)電，當時上海硫酸廠化工產(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)精細化工產(chǎn)品的規(guī)模不斷擴大，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抽汽式汽輪機組已不適應生產(chǎn)的要求，因此有必要通過技術(shù)改造余熱發(fā)電裝置，實現(xiàn)蒸汽的梯級利用。

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

改造后采用背壓式汽輪機蒸汽流程為：

改造后的蒸汽流程可以使廢熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽滿負荷提供給汽輪機組發(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)運行數(shù)據(jù)計算，1500kW背壓式汽輪機組具有較好的經(jīng)濟效益。按照目前實際硫酸產(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計算，產(chǎn)汽量為15.8萬t蒸汽。1 500 kW背壓式汽輪機理論耗汽量為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 利用中溫熱源預熱鍋爐給水

通常中壓鍋爐產(chǎn)出的蒸汽經(jīng)過背壓式發(fā)電機組后，一部分蒸汽需進入除氧器對中壓鍋爐給水進行預熱達到除氧目的，（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（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)化工序中溫熱源預熱器，鍋爐給水的加熱過程由中溫熱源預熱器完成，無需浪費蒸汽對除氧器進行加熱除氧，減少了蒸汽的

2.4 采用蒸汽透平代替電動機驅(qū)動空氣鼓風機

在硫磺制酸系統(tǒng)中，風機、酸泵電耗是主要的能耗，其中風機的能耗占全部能耗的60%～70%，所以空氣鼓風機是硫酸生產(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)動鼓風機，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驅(qū)動風機，電耗都在50～70 kW·h。有汽源的單位用汽作動力比用電驅(qū)動的節(jié)能效果是明顯的，減少了熱能→電能→機械能轉(zhuǎn)換過程中的損失。直接用蒸汽驅(qū)動的能量利用率達到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、電力拖動的能源利用率不會超過30%。

蒸汽透平在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中得到廣泛應用，主要原因是：在所有既需動力又需熱量，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)動生產(chǎn)流程中的泵、鼓風機和壓縮機等機械，并可平穩(wěn)、靈敏地與這些被驅(qū)動機械相互協(xié)調(diào)地變速運行，以適應生產(chǎn)流程工況條件的變化。這是其他動力機械所不能比擬的。

上海硫酸廠目前硫磺制酸裝置的空氣鼓風機并未采用變速運行技術(shù)，風量調(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的表計量，t；

B2-為示意圖中表2的表計量，t。

通過實際運行計算，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，折標準煤1.2萬t。損失較大。在今后的節(jié)能改造中將對鼓風機采用蒸汽透平驅(qū)動，通過汽輪機的使用使硫酸生產(chǎn)中功率最大的電機被代替，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。應用受到限制的主要原因是一方面人們對低溫余熱的認識不夠，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到90%以上。但HRS投資較高,約占整個硫酸裝置投資的30%，這是一般投資者較難接受的，特別是對于我們這樣一個發(fā)展中國家。不過目前中國硫酸協(xié)會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，逐步實現(xiàn)在設(shè)備國產(chǎn)化的條件下全面推廣，估計屆時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)濟效益具有重要意義。應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水平相比還有一定的差距，尤其是在低溫熱回收方面，所以在引進國外先進技術(shù)的同時，應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年同濟大學畢業(yè) 學士學位 工程師 主要從事余熱電廠管理工作

2010年7月