硫酸裝置低溫熱回收系統效率分析

伏雙才

(云南磷化集團有限公司， 云南昆明 650600)

云南磷化集團有限公司800 kt/a硫磺制酸裝置采用“3+1”二轉二吸工藝，配套低溫熱回收系統，由中石化南京工程有限公司(原南化設計院)設計、施工，裝備基本實現國產化。低溫熱回收系統自2014年6月27日化工投料以來，裝置運行穩定，SO3吸收率大于或等于99.9%，低溫位熱能回收效果明顯，吸收塔煙氣出口酸霧指標合格，達到了設計要求。

1 低溫熱回收工藝流程

1.1 吸收工藝

來自省煤器含 SO3的一次轉化氣進入熱回收系統的高溫吸收塔。SO3氣體向上經過填料與自上而下經過填料的w(H2SO4)99%濃硫酸逆流接觸，SO3氣體被吸收。吸收SO3后的硫酸w(H2SO4)約為 99.5%，溫度升高約20 ℃，流入熱回收塔底部。經位于循環泵槽內的高溫循環酸泵將高溫濃硫酸送入蒸汽發生器換熱，產生0.5～1.0 MPa低壓蒸汽。同時酸溫降低約20 ℃后經混合器稀釋到w(H2SO4)約99%后進入熱回收塔一級噴淋。蒸汽發生器出口有部分硫酸經鍋爐給水加熱器和脫鹽水加熱器回收熱量后串入干吸工序的二吸塔循環槽。吸收后的氣體經過安裝于塔頂的除霧器離開熱回收塔，除霧器將在塔中形成的酸霧除去，使其降低到傳統吸收塔的除霧水平，以保護下游的換熱器[1]。

1.2 熱力系統

從高溫循環泵出口來的高溫濃硫酸進入蒸汽發生器管束加熱給水，產生 0.5～1.0 MPa 的飽和蒸汽，蒸汽發生器酸出口的酸溫降到約200 ℃。定期排污由鍋爐排污管排入地溝。

來自脫鹽水站的脫鹽水經脫鹽水加熱器加熱后送入除氧器,經除氧器除氧后的鍋爐給水，由低壓鍋爐給水泵送至低溫熱能回收系統的鍋爐給水加熱器加熱，將鍋爐給水從104 ℃預熱到170 ℃左右。加熱后的鍋爐給水一部分供混合器用作稀釋硫酸以穩定酸濃，大部分送蒸汽發生器產生蒸汽。送入蒸汽發生器的給水量由給水調節閥通過汽包液位來調節，以保持汽包液位的穩定；送入混合器的給水量由進入高溫吸收塔的濃度來控制[2]。

2 主要設備規格

低溫熱回收系統的主要設備規格見表1。

3 生產運行情況

2014年6月15日低溫熱回收系統開始進行酸循環,6月27日化工投料試車，并于2015年3月進行性能考核，運行兩年多來各項工藝指標、經濟指標達到或超過設計值。硫酸裝置負荷在50%～100%調節時，低溫熱回收系統的吸收率、蒸汽產率、酸霧指標控制都能滿足生產要求。各負荷狀態的運行數據見表2。

表1 低溫熱回收系統主要設備規格

表2 低溫熱回收系統各負荷狀態的運行數據

從表2可以看出：不同負荷狀態下，各生產運行數據相對平穩，在100%，86%，69%，61%，51%負荷下蒸發量分別為0.539，0.548，0.6507，0.514，0.44 t/t(注：該數據差異較大是由蒸汽流量計在不同壓力狀態下監測誤差所致)，平均達到0.530 t/t。為確保吸收塔局部不出現冷凝酸，低負荷狀態下二級上塔酸溫度控制在上限；每個負荷狀態下吸收率大于99.9%，從塔出口煙氣取樣管觀察，未出現有“白霧”現象。

4 熱能回收分析

低溫熱回收系統運行至今，雖有蒸汽流量計計量，但流量計的蒸汽流量波動較大，不能準確反應噸酸產汽量。為準確了解低溫熱回收系統在整個硫酸裝置熱量回收中所做的貢獻，需進一步進行理論分析。

4.1 硫酸裝置總的反應熱

4.1.1硫磺燃燒生成熱

S + O2→ SO2+ 296.84 kJ

根據該反應方程式計算各負荷狀態下的硫磺燃燒總的生成熱，見表3。

表3 各負荷狀態下硫磺燃燒總的生成熱

4.1.2二氧化硫轉化熱

SO2+ 1/2O2→ SO3+QP

QP為恒壓熱效應，相當于△HR，其值為溫度的函數，即：

△HR=92.253+2.352×10-2T-

43.784×10-6T2+26.884×10-9T3-

6.900×10-12T4kJ/mol[2]。

根據轉化器各段運行數據取平均溫度t=463 ℃，T=736 K，則QP=110.705 kJ/mol。各負荷狀態下二氧化硫轉化的反應熱見表4。

表4 各負荷狀態下二氧化硫轉化的反應熱

4.1.3吸收過程的反應熱

SO3+ H2O → H2SO4+ 134.2 kJ

根據該反應方程式計算各負荷狀態下的三氧化硫吸收過程反應熱，見表5。

表5 各負荷狀態下的三氧化硫吸收過程的反應熱

4.1.4硫酸稀釋熱

根據稀釋熱的慨念，溶解1摩爾硫酸于n摩爾水中所放出的熱量稱為稀釋熱。計算公式為：

Q=(17 860n/(n+1.798 3))×4.186

式中:Q——稀釋熱，J/mol硫酸;

n——對于1 mol硫酸所用水的摩爾數。

根據上式計算得Q=3.295 kJ/mol。各負荷狀態下硫酸的稀釋熱見表6[3]。

表6 各負荷狀態下硫酸的稀釋熱

4.1.5硫酸裝置總的反應

硫酸裝置總負荷狀態總的反應熱見表7。

表7 硫酸裝置總的反應熱

4.2 低溫熱回收系統熱量回收分析

低溫熱回收系統因蒸汽流量計、一級上酸流量計計量數據波動大，只有蒸發器給水流量計相對可靠，數據可作為計算依據。低溫熱回收系統的熱量回收量可表現為蒸發器給水經過給水加熱器吸收的熱量與蒸發器吸收的熱量總和，也就是100 ℃的給水發生相變過程所吸收的熱量。低溫熱回收系統回收熱量見表8。

表8 低溫熱回收系統回收熱量

通過以上運行數據分析,低溫熱回收系統熱能利用在硫酸裝置總熱回收中所做的貢獻見表9。

表9 低溫熱回收系統熱能利用率

5 結語

磷復肥行業提高硫酸裝置的運行效能，大力提高裝置的熱能利用率，是企業降低成本最直接有效的方式之一。低溫熱回收技術的應用，使硫酸裝置的熱能利用率大幅提升，為企業降低成本做出了貢獻。

[1] 劉剛.800 kt/a硫磺制酸裝置國產化低溫熱回收系統投產概要[J].硫磷設計與粉體工程,2010(5):20-22.

[2] 孔祥軍.湖北宜化1 800 t/d帶HRS硫磺制酸裝置介紹[J].硫酸工業,2009(5):19-21.