基于夾點技術的換熱網絡設計在冶煉煙氣治理中的應用

陳玉萍，楊曉武，湯 洛

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南長沙 410014）

隨著全球能源供應日趨緊張和環保要求日趨嚴格，合理用能所產生的經濟效益和環保效益日益凸顯，合理用能已成為化工領域的重要課題。合理用能的途徑主要有2種：①提高能源的利用效率，②采用換熱的方式對熱量進行回收利用。

對冶煉煙氣治理過程而言，高濃度SO2冶煉煙氣用于生產硫酸，低濃度SO2冶煉煙氣（如環集煙氣）則通過除塵、脫硝、脫硫、消白后排放。制酸過程中SO2轉化、SO3吸收過程均為放熱過程；目前，SO2轉化產生的熱量主要通過換熱系統實現自熱平衡并利用余熱鍋爐產生蒸汽，SO3吸收產生的熱量則通過低溫余熱回收裝置進行回收利用，這使得硫酸生產裝置逐漸成為綠色能源工廠。硫酸裝置不僅生產硫酸產品，而且能產生大量的高、中、低溫位熱能。低濃度SO2冶煉煙氣的脫硝、脫硫、消白過程則是耗能過程，需要消耗大量的熱量。現有的冶煉煙氣治理過程的熱量回收仍有諸多不足之處，如對換熱網絡的設計一般是基于單個工序而不是整體考慮，一般是基于經驗判斷而缺乏理論指導。

在冶煉煙氣治理過程中，依然需要消耗大量的冷熱公用工程，尚有進一步熱量回收的潛力。如何充分利用冶煉煙氣治理過程中產生的熱量，通過優化換熱網絡設計實現熱量的高效耦合利用依然有待進一步研究。

1 夾點技術介紹

換熱網絡構造的基本思路是在工藝過程中有高溫流股需要被冷卻，同時低溫流股需要被加熱，所以考慮將這些冷熱流股搭配起來，用需要被冷卻的較高溫的流股加熱需要被加熱的較低溫的流股，實現熱量的有效利用，從而達到節能的目的。這需要采用科學方法對換熱流股進行合理搭配，盡可能實現熱量的利用，減少外部公用工程的消耗量[1]。

20世紀70年代，夾點技術（pinch technology）作為一種設計換熱網絡的工具開始出現并得到不斷發展，特別是在80年代，Linnhoff發展了夾點技術，提出換熱網絡優化設計方案，隨后又進一步發展為化工過程能量綜合利用。其在工業領域得到迅速推廣，特別是石化領域，成功實施創造了巨大的效益。

夾點技術是基于熱力學定律原理，采用系統論的方法，從宏觀角度分析換熱網絡的設計方案，避免能量的降級使用，盡可能回收熱量，以達到最小的用熱量和用冷量。其設計的基本原則是：①夾點之上不應設置任何公用工程冷卻器；②夾點之下不應設置任何公用工程加熱器；③不應有跨越夾點的傳熱。

2 基于夾點技術的換熱網絡設計

2.1 冷熱流股說明

某冶煉煙氣治理項目中，高濃度SO2冶煉煙氣采用稀酸洗滌凈化，“3+1”ⅢⅠ-ⅣⅡ二轉二吸常壓制酸工藝流程，制酸尾氣采用雙氧水脫硫工藝。尾氣排放量約 62 000 m3/h，尾氣溫度約 30.9 ℃。低濃度SO2環集煙氣采用離子液脫硫工藝，尾氣排放量約 300 000 m3/h，尾氣溫度約 45.5 ℃。兩股尾氣合并后升溫消白，最后經煙囪排放。

由于離子液脫硫過程中需要用到大量的新鮮蒸汽，且產生的SO2解吸氣需冷凝后送制酸工序；同時離子液脫硫過程中富液需要加熱再生且部分汽化，而貧液需要被冷卻。此外，進入煙囪排放的尾氣需要進行加熱消白處理。因此，對離子液脫硫系統和煙氣消白系統進行綜合考慮，設計構造換熱網絡。

系統可利用的公用工程包括蒸汽（0.5 MPa，158.9 ℃），循環水（進水溫度32 ℃，回水溫度37℃）。冷熱流股基本參數見表1。

表1 冷熱流股基本參數

2.2 換熱網絡設計

換熱網絡設計首先是通過夾點分析確定夾點溫度，然后根據夾點溫度設計換熱網絡。夾點分析方法有復合曲線法（溫焓圖）和問題表格法2種常用方法，一般來說兩者都可以解決問題。為便于理解，該案例采用問題表格法，其步驟如下。

2.2.1 劃分溫度區間

劃分溫度區間，首先需要確定合理的最小傳熱溫差ΔTmin，最小傳熱溫差越小則熱量的回收利用越充分，但對應的換熱面積（即設備投資）越大。根據經驗，化工行業最小傳熱溫差可選取10～20℃。該案例中為充分回收熱量，選取最小傳熱溫差ΔTmin=10 ℃。

將冷熱流股的初始溫度和目標溫度進行變換。對于熱流體，相應溫度均下降1/2ΔTmin；對于冷流體，相應溫度均上升1/2ΔTmin，以確保相應的冷熱流股之間能進行匹配換熱，將所得溫度由高到低排列，劃分溫度區間，見圖1。

圖1 溫度區間劃分示意

2.2.2 計算各溫度區間內的盈余熱量

依次對各個溫度區間做盈余熱量計算，公式如下：

式中：ΔHi——第i個溫度區間的盈余熱量，kW；

Ti——第i個溫度區間上限溫度，℃ ；

Ti+1——第i個溫度區間下限溫度，℃；

FC、FH——冷熱流股的質量流量，kg/h；

cp,C、cp,H——冷熱流股的比熱容，kJ/(kg·℃)。

各溫度區間熱負荷見表2。

表2 各溫度區間熱負荷

2.2.3 確定夾點

根據傳熱原理，較高溫度下的盈余熱量可用于彌補較低溫度下的虧損熱量，由此可計算從高溫到低溫的各溫度點的累計熱量。累計熱量為負值表示需要從外界輸入熱量，累計熱負荷值最小的溫度點即為夾點。從外界引入熱量對累計熱量進行調整，保證夾點處的累計熱負荷為零，計算結果見表3。

表3 累計熱負荷

外界引入的熱量即為系統需要引入的最小加熱量，調整后的最低界限溫度處的累計熱負荷為系統需要移走的熱量，即系統需要引入的最小冷量。

從表3可見：該案例中夾點溫度是48 ℃/47℃（即對熱流股夾點溫度為52 ℃，對冷流股夾點溫度為 43 ℃），需要的加熱量為 25 011 720 kW，需要的冷量為 4 534 464 kW。

夾點之上，不能采用任何公用工程冷卻器；夾點之下，不能采用任何公用工程加熱器。如違背夾點原理，直接采用循環水對SO2解吸氣進行冷卻，即在夾點之上采用了公用工程冷卻器，會多消耗循環水434 m3/h；如全部采用新鮮蒸汽對排放尾氣進行升溫消白，即在夾點之下采用了公用工程加熱器，會多消耗蒸汽約6.5 t/h，這都造成了熱量的浪費。

2.2.4 構造換熱網絡

在不違背夾點換熱原則的前提下，進行換熱系統的設計。換熱網絡的構造并不唯一，在設計時需結合考慮流股特性和匹配原則，以確保換熱網絡設計達到優化。

該案例中，根據夾點法設計換熱網絡見圖2。

圖2 夾點法換熱網絡設計

其中，E1為消白煙氣-SO2解吸氣換熱器，即采用SO2解吸氣對消白煙氣進行初步加熱。消白煙氣溫度由43 ℃升溫至83.6 ℃。E2為貧富液換熱器，其目標溫度剛好為夾點溫度（貧液出口溫度52 ℃）。E3為消白煙氣加熱器，采用蒸汽對消白煙氣進行升溫至90 ℃。E4、E5為富液加熱器，即采用外界蒸汽對富液進行升溫加熱，實際過程中這兩個換熱器相當于再生塔的再沸器。E6為貧液冷卻器，采用循環水對貧液進行冷卻，將貧液從52 ℃冷卻到40 ℃。

3 總結及應用前景

采用夾點技術設計換熱系統，能有效利用工藝過程中的熱量，可節約大量的冷熱公用工程。在該案例中，采用夾點法設計換熱網絡，實現公用工程消耗最少，證明了換熱網絡設計在熱量回收上的有效性。

當然，該案例中僅以離子液脫硫系統和煙氣消白系統作為考察對象，設計的換熱網絡只運用在這兩個系統，而未考慮整個冶煉煙氣治理過程，其所得的結果僅為局部最優，而非整體最優。

在實際冶煉煙氣治理過程中，由于系統產熱遠大于系統用熱，會導致人們對熱量進一步回收的關注較少，夾點法在冶煉煙氣治理過程中的應用相對較少。但是，夾點法依然可以運用在冶煉煙氣治理系統中。筆者分析，夾點法在冶煉煙氣治理系統中的應用前景至少包含以下幾個方面：

1）對冶煉煙氣制酸過程整體進行分析，如陳珊采用夾點法對韶冶煙氣制酸系統進行了研究[2]，并對煙氣制酸熱系統進行了分析及優化。通過合理設置冷凍機組，消除夾點障礙，實現了換熱網絡的優化集成和系統節能。需要注意的是，由于冶煉制酸過程中冷熱流股的數量較多，最好是借助計算機輔助工具（如ASPEN軟件）來實現換熱網絡設計。

2）干吸工序低溫余熱回收系統的換熱系統設計可采用夾點法驗證其合理性，以盡可能多的回收干吸工序的低溫位熱量。

3）低溫余熱回收系統產生中、低溫熱能，而離子液脫硫系統消耗中、低溫熱能，可將低溫余熱回收系統和離子液脫硫系統的熱量進行耦合，采用夾點法設計換熱系統，以極大的節約能源。