800kt/a硫酸裝置余熱發(fā)電方案選擇及效益評價

段永華

（中薪油武漢化工工程技術(shù)有限公司，湖北武漢 430223)

800kt/a硫酸裝置余熱發(fā)電方案選擇及效益評價

段永華

（中薪油武漢化工工程技術(shù)有限公司，湖北武漢 430223)

介紹了硫酸裝置余熱回收的工藝流程和余熱發(fā)電方案的選擇。經(jīng)論證比較，確定利用背壓式汽輪機進行發(fā)電和供熱，可使副產(chǎn)蒸汽得到了有效利用，并為企業(yè)和社會帶來了較好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益。

硫磺制酸；余熱鍋爐；余熱發(fā)電；效益評價

能源回收利用水平是評價化工生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)過程先進與否的重要指標(biāo)，也是提高企業(yè)經(jīng)濟社會效益的重要環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)大多硫酸裝置生產(chǎn)過程中會釋放出大量工藝余熱，工藝余熱利用水平也是衡量硫酸裝置技術(shù)先進性的重要指標(biāo)之一。國內(nèi)某硫酸廠采用“3+l”兩轉(zhuǎn)兩吸先進工藝流程回收余熱副產(chǎn)高壓蒸汽，采用美國孟莫克公司的低溫位余熱回收技術(shù)（HRS）副產(chǎn)低壓過熱蒸汽。為保證裝置蒸汽產(chǎn)耗平衡和副產(chǎn)蒸汽合理有效利用，設(shè)計堅持“以熱定電、熱電聯(lián)產(chǎn)”的原則，合理選擇余熱發(fā)電機組及配套系統(tǒng)。余熱發(fā)電裝置主要設(shè)備包括：余熱汽輪發(fā)電機組及其附屬設(shè)備等，余熱發(fā)電裝置配套所需化學(xué)水、循環(huán)水和冷凝液回收等全部依托硫酸裝置公用工程。余熱發(fā)電裝置投運后，實現(xiàn)了高壓蒸汽的合理利用，減少了硫酸裝置外供電消耗，為企業(yè)帶來顯著經(jīng)濟和社會效益。

1 余熱回收工藝流程

國內(nèi)硫磺制酸裝置，一般按余熱溫位等級分段副產(chǎn)蒸汽，由于受爐氣量和溫度波動的影響，生產(chǎn)1t硫酸可產(chǎn)蒸汽量也在一定范圍波動，其中高溫和中溫余熱，副產(chǎn)次高壓蒸汽，指標(biāo)為1.1～1.3t/t；低溫位余熱，副產(chǎn)低壓蒸汽，指標(biāo)為0.4～0.5t/t。國內(nèi)某硫酸廠一套800kt/a硫磺制酸裝置副產(chǎn)蒸汽量見表1。

表1 硫酸裝置副產(chǎn)蒸汽量

經(jīng)核算，本硫酸裝置副產(chǎn)次高壓蒸汽指標(biāo)為1.22t/t，副產(chǎn)低壓蒸汽指標(biāo)為0.5t/t，根據(jù)指標(biāo)判斷：該硫酸裝置所采用工藝技術(shù)較為先進。

1.1 高中溫位余熱回收系統(tǒng)

爐氣流程：硫磺焚燒及二氧化硫催化氧化為三氧化硫釋放出一定熱量，這部分熱量除了在兩個吸收塔中的損失外，其余部分必須全部從煙氣中轉(zhuǎn)出回收，以便工藝流程的正常進行。本硫酸裝置采用“3+l”兩轉(zhuǎn)兩吸先進工藝流程，可回收的廢熱包括以下幾部分：

（1）焚硫爐出口1 000℃左右的高溫爐氣冷卻到420℃左右進入一段轉(zhuǎn)化；

（2）一段轉(zhuǎn)化出口600℃左右的爐氣冷卻到420℃左右進入二段轉(zhuǎn)化；

（3）三段轉(zhuǎn)化出口經(jīng)冷熱換熱器后240℃左右的爐氣冷卻到180℃左右進入中間吸收塔；

（4）四段轉(zhuǎn)化出口420℃左右的爐氣冷卻到160℃左右進入最終吸收塔。

汽水流程：來自除氧器的除氧水經(jīng)鍋爐給水泵加壓后依次經(jīng)過省煤器1（低溫段）、省煤器2、省煤器1（高溫段），鍋爐給水加熱至238℃后進入余熱鍋爐汽包，汽包工作壓力6.0MPa左右，汽包產(chǎn)生的飽和蒸汽依次經(jīng)過低溫過熱器、高溫過熱器后送硫酸裝置內(nèi)部次高壓蒸汽管網(wǎng)。

圖1 高中溫位余熱利用流程

1.2 低溫位余熱回收系統(tǒng)

為回收三氧化硫吸收過程的低溫位熱能，利用孟莫克的低溫位余熱回收技術(shù)（HRS）副產(chǎn)低壓過熱蒸汽。HRS基本流程和部分參數(shù)如下：

熱回收塔進氣溫度220℃，出氣溫度85℃；下段進酸濃度99.0%，溫度190℃；上段進酸溫度81℃，濃度98.3%；出口硫酸濃度99.8%，溫度200℃，出口硫酸送HRS余熱鍋爐回收熱量后：一部分進入稀釋器，稀釋器中加入除氧水站來的104℃除氧水，將硫酸濃度由99.8%稀釋到99%，溫度降至190℃左右，作為熱回收塔下段吸收酸；另一部分進入HRS鍋爐給水預(yù)熱器，將除氧水加熱至179℃后去最終吸收塔泵槽；除氧水溫度104℃，經(jīng)過HRS鍋爐給水預(yù)熱器后升溫至179℃，加熱后的給水進入HRS鍋爐產(chǎn)生蒸汽，鍋爐出口蒸汽溫度180℃，壓力1.0MPa。HRS鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽再送入HRS過熱器進行加熱升溫，過熱后的蒸汽送界外蒸汽管網(wǎng)。低溫位余熱利用流程圖（見圖2）。

2 余熱發(fā)電系統(tǒng)

2.1 余熱發(fā)電系統(tǒng)方案選擇

國內(nèi)硫酸裝置廢鍋副產(chǎn)蒸汽常規(guī)采用凝汽發(fā)電機組發(fā)電，發(fā)電就近利用，汽機凝結(jié)水送除氧器或全廠冷凝液回收裝置循環(huán)利用，此種方案簡單可靠，不受外部條件限制，但凝汽發(fā)電機組經(jīng)濟性差，且需要建設(shè)配套循環(huán)水站等，投資高。本硫酸裝置副產(chǎn)大量次高壓及低壓蒸汽，采用凝汽發(fā)電肯定可以完全回收，但考慮到硫酸裝置附近的醋酸廠需要大量次中壓（2.0MPa）及低壓蒸汽（1.0MPa），且蒸汽品質(zhì)可以滿足用戶需要，這為硫酸裝置副產(chǎn)的次高壓蒸汽和低壓蒸汽用戶指明了方向。硫酸裝置配套余熱鍋爐副產(chǎn)次高壓（5.3MPa）蒸汽產(chǎn)量122t/h，次高壓蒸汽和次中壓蒸汽用戶之間存在可觀的壓差和能位差，選擇從5.3MPa至2.0MPa的背壓式余熱汽輪發(fā)電機組方案是可行的，且背壓發(fā)電供熱效率高、投資少，方案也較為合理。

設(shè)置背壓式余熱發(fā)電后，硫酸裝置內(nèi)部蒸汽分配方案如下：

（1）次高壓蒸汽

蒸汽參數(shù)：5.3MPa，485℃

輸送范圍：余熱鍋爐至余熱發(fā)電汽機

（2）次中壓蒸汽

蒸汽參數(shù)：2.0MPa 330℃

輸送范圍：汽輪機排汽至蒸汽管網(wǎng)

（3）低壓蒸汽

蒸汽參數(shù)：1.0MPa 250℃

輸送范圍：HRS過熱器至低壓蒸汽管網(wǎng)

根據(jù)蒸汽平衡及熱力計算，背壓機組額定發(fā)電量接近6 000kW，而硫酸裝置自用電接近7MW，余熱發(fā)電量可以在硫酸裝置內(nèi)部全部利用。

圖2 低溫位余熱利用流程圖

2.2 余熱發(fā)電電力系統(tǒng)接入方案

余熱機組發(fā)電機出線采用電纜與硫酸工程35kV變電站（總降壓站）6kV母線連接，然后通過總降壓站35kV側(cè)線路接入廠外110kV變電所與電力系統(tǒng)并網(wǎng)。

余熱機組設(shè)一套自動準(zhǔn)同期裝置，在發(fā)電機出口開關(guān)處和總降站主變壓器35kV、6kV側(cè)主開關(guān)及35kV進線開關(guān)等處設(shè)置并網(wǎng)同期點，同期操作在總降壓站側(cè)。

在不改變硫酸工程原有供電及運行方式的前提下，發(fā)電機發(fā)出的電量將全部用于硫酸工程生產(chǎn)。因此本接入系統(tǒng)方案，從現(xiàn)行的條件和技術(shù)要求來講，對余熱發(fā)電項目都是可行的。

2.3 余熱發(fā)電機組介紹

余熱發(fā)電機組配置一臺6MW背壓式汽輪機和一臺6MW汽輪發(fā)電機及配套輔機。為保證硫酸裝置和高低壓蒸汽管網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，汽輪發(fā)電機組配套設(shè)置一臺旁路減溫減壓器，在汽輪機跳車或檢修時開啟。汽輪機、發(fā)電機和減溫減壓器主要設(shè)計參數(shù)（見表2）。

汽輪發(fā)電機組采用常規(guī)供貨，監(jiān)視保護系統(tǒng)控制隨主設(shè)備成套提供，控制系統(tǒng)集中布置在硫酸裝置控制室，依托硫酸裝置進行統(tǒng)一管理和調(diào)度。減溫減壓器與汽機聯(lián)鎖，當(dāng)汽機停運時，聯(lián)鎖減溫減壓器開啟，將次高壓蒸汽導(dǎo)入次中壓蒸汽管網(wǎng)，維持中壓蒸汽用戶需要。

3 余熱發(fā)電效益評價

3.1 經(jīng)濟效益評價

經(jīng)計算可知，余熱發(fā)電裝置直接投資2 054萬，其中建設(shè)投資1 826萬元，建設(shè)期貸款利息44萬元，流動資金183萬元，計算投資回收期約7.8a，投資回收期較短。按照硫酸裝置年運行8 000h計算，硫酸裝置年耗電量約5 560萬度，余熱發(fā)電裝置年發(fā)電約4 800萬度，余熱發(fā)電量可以在硫酸裝置內(nèi)部全部利用，大大減少了的硫酸裝置的外部供電消耗，按照購買電價0.5元/度計算，年節(jié)約電費約2 400萬元，企業(yè)運行成本顯著下降。硫酸裝置對外年供熱量（僅考慮2.0MPa蒸汽）約97.6萬t，按照每噸蒸汽180元計算，企業(yè)年收入17 568萬元，經(jīng)濟效益非常顯著。

表2 余熱發(fā)電主要設(shè)備參數(shù)

3.2 環(huán)境效益評價

與同等規(guī)模的燃煤發(fā)電相比，此余熱發(fā)電裝置可節(jié)約標(biāo)煤約11.7萬t/a，可大量減少煙塵、CO2，SOX、NOX排放，按照石化燃料大氣污染物排放系數(shù)和二氧化碳排放系數(shù)折算，污染物年減排量（見表3）。尤其是本項目地處環(huán)境保護重點地區(qū)，環(huán)境效益、社會效益尤為顯著。

表3 污染物年減排量（單位：t）

4 結(jié)論

由于本余熱發(fā)電裝置不需設(shè)置常規(guī)燃煤、燃油或燃氣鍋爐，純粹利用工藝裝置副產(chǎn)蒸汽發(fā)電并對外供熱，減少了污染物排放，環(huán)境社會效益顯著。余熱發(fā)電裝置的運行減少了企業(yè)運行成本、增加了企業(yè)效益，同時還減少了熱用戶配套自備電站的供熱及供電量，自備電站規(guī)模相應(yīng)減小，燃料等的消耗也減少，自備電站投資運行成本均降低。余熱發(fā)電裝置的選型需要根據(jù)全廠蒸汽平衡、裝置用電量、經(jīng)濟性等因素綜合考慮后確定，選型結(jié)果既要保證余熱的有效回收利用，又要保證主裝置及蒸汽管網(wǎng)的安全運行。本工程對余熱發(fā)電的方案選擇及效益評價進行分析和研究，對類似工程具有一定參考價值。

[1] 鄭亞瓊.硫磺制酸裝置余熱利用現(xiàn)狀及低溫位熱能回收設(shè)想[C].全國第11屆磷復(fù)（混）肥生產(chǎn)技術(shù)交流會論文集，31-34.

[2] 王子鳴，王柏林，沈平.余熱發(fā)電技術(shù)在硫酸裝置中的應(yīng)用與經(jīng)濟效益分析[J].電力需求側(cè)管理，2005，7（5）：39-40.

[3] GB13223—2011，火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] 中國化石燃料大氣污染物和CO2排放系數(shù)[R].中國煤炭企業(yè)100強分析報告，2005.

Scheme Selection and Benefit Evaluation of Waste Heat Power Generation for 800kt/a Sulfuric Acid Plant

Duan Yong-hua

The process of waste heat recovery for sulfuric acid plant and scheme selection of waste heat power generation are introduced in this paper.After comparison，it is determined to use back-pressure steam turbine to generate electricity and supply heat，this make high efficiency utilization of by-product steam and also has brought good economic benefit to company and environmental benefit to society.

sulfuric acid；waste heat boiler；waste heat power generation；benefit evaluation

TQ111.1，TM920.2

B

1003–6490（2017）11–0100–02

2017–08–28

段永華（1983—），男，河南扶溝人，工程師，主要從事熱工工藝設(shè)計工作。