硫黃制酸裝置蒸汽系統(tǒng)能效平衡分析與綜合利用

馬青艷，楊 勁

（1. 云南天安化工有限公司 生產(chǎn)技術(shù)部，云南 安寧 650309；2. 昆明理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

1 某硫黃制酸裝置蒸汽系統(tǒng)概述

某大型化肥生產(chǎn)公司硫黃制酸裝置采用液體硫黃為原料，生產(chǎn)w（H2SO4）98%的濃硫酸，同時(shí)余熱利用后副產(chǎn)中壓蒸汽。副產(chǎn)的中壓蒸汽壓力主要在3.30 ～3.82 MPa和1.0 MPa左右。

4套硫酸裝置副產(chǎn)中壓蒸汽330 t/h，大部分用來(lái)驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)部汽輪風(fēng)機(jī)，剩余部分進(jìn)行發(fā)電。4套硫酸裝置中壓蒸汽參數(shù)以及中壓分汽缸內(nèi)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 硫酸裝置副產(chǎn)中壓蒸汽參數(shù)及中壓分汽缸內(nèi)參數(shù)

4套硫酸裝置均已投產(chǎn)10年以上，其中3套裝置先后通過(guò)技改配套建設(shè)了低溫位熱能回收（HRS）裝置，3套低溫位熱能回收裝置副產(chǎn)蒸汽指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 3套硫酸裝置配套HRS裝置所產(chǎn)蒸汽指標(biāo)

2 3.30 ～3.82 MPa 中壓蒸汽及其利用后副產(chǎn)0.6 MPa低壓蒸汽利用情況

3.30 ～3.82 MPa 的中壓蒸汽利用平衡情況見(jiàn)表3。根據(jù)物料平衡，中壓蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功后降為0.6 MPa 低壓蒸汽（328 t/h），加上噴水降溫產(chǎn)生的低壓蒸汽31.4 t/h，共計(jì)產(chǎn)生0.6 MPa、155 ～160 ℃的低壓蒸汽359.4 t/h，加上HRS 副產(chǎn)蒸汽120 t/h，進(jìn)入低壓管網(wǎng)蒸汽總量為479.4 t/h，利用情況見(jiàn)表4。

表3 中壓蒸汽利用平衡情況

表4 低壓蒸汽利用情況

由表4可知，通過(guò)裝置自用、外賣、12 MW低壓凝汽式發(fā)電利用低壓蒸汽173.4 t/h，剩余的302 t/h 0.6 MPa 低壓蒸汽通過(guò)減壓轉(zhuǎn)變成0.2 ～0.3 MPa、150 ～160 ℃低壓蒸汽，供后續(xù)系統(tǒng)使用。

3 蒸汽系統(tǒng)存在問(wèn)題及分析

3.1 3.30 ～3.82 MPa中壓蒸汽利用存在問(wèn)題及分析

3.1.1 壓力損失

從表1 和表3 中可以看出，3.30 ～3.82 MPa 的中壓蒸汽產(chǎn)出和消耗是平衡的。中壓蒸汽壓力等級(jí)跨度較大（0.5 MPa）。從表1 中可以看出，1 號(hào)硫酸裝置出口中壓蒸汽壓力最大，2 號(hào)、4 號(hào)硫酸裝置次之。中壓蒸汽主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)做功或者發(fā)電，由于中壓蒸汽管網(wǎng)跨度較大，距離較長(zhǎng)，阻力較大，所以，導(dǎo)致憋壓后，出現(xiàn)壓力有差值。

使用蒸汽情況，只有2號(hào)硫酸裝置風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力與中壓蒸汽集汽聯(lián)箱出口壓力最接近，3 號(hào)、4號(hào)硫酸裝置風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力與中壓蒸汽集汽聯(lián)箱出口壓力壓差為0.2 MPa 左右，發(fā)電機(jī)組壓差最大，可達(dá)0.4 MPa左右，壓力損失較大。

3.1.2 熱損失

1 號(hào)裝置產(chǎn)出的蒸汽指標(biāo)為壓力3.62 MPa、溫度416.9 ℃、質(zhì)量流量40.0 t/h，送至中壓管網(wǎng)后，壓力為3.10 MPa，溫度為400 ℃。

熱損失根據(jù)公式（1）［1-2］進(jìn)行計(jì)算：

式中H1—— 3.62 MPa、416.9 ℃的過(guò)熱蒸汽焓值，3 267.135 kJ/kg；

H2——3.10 MPa、400 ℃的過(guò)熱蒸汽焓值，3 231.6 kJ/kg；

qm——過(guò)熱蒸汽量，40 t/h；

Q——放熱量，kJ/h。

將數(shù)據(jù)帶入公式后，粗略折算熱損失為：40×1 000×（3 267.135-3 231.6）kJ/h=1 421 400 kJ/h。

3.2 0.6 MPa壓力等級(jí)蒸汽存在問(wèn)題及分析

從表2中可以看出，HRS產(chǎn)出的蒸汽壓力等級(jí)明顯高于低壓蒸汽管網(wǎng)，3 號(hào)、4 號(hào)硫酸裝置配套HRS 裝置產(chǎn)生低壓蒸汽壓力約為0.8 MPa，溫度約170 ℃，而低壓管網(wǎng)蒸汽壓力0.6 MPa、溫度160 ℃，將HRS 所產(chǎn)蒸汽并入低壓蒸汽管網(wǎng)上使用，壓力和熱能損失較大。

3套汽輪發(fā)電機(jī)組做功后的蒸汽溫度可達(dá)300 ℃以上，但是后續(xù)裝置不需要如此高的溫度，每套裝置后都配有噴水減溫裝置，將溫度減至150 ～160 ℃，然后并入低壓蒸汽管網(wǎng)，熱能損失較大。

3.3 0.2 ～0.3 MPa蒸汽存在問(wèn)題及分析

供后續(xù)系統(tǒng)使用的低壓蒸汽需要從0.6 MPa 減溫減壓至0.2 ～0.3 MPa，減壓過(guò)程中蒸汽熱能損失較大。

后續(xù)系統(tǒng)故障時(shí)，物料平衡比較難，蒸汽存在較大冗余，只能放空，能量損失較大。

4 解決思路探尋

4.1 針對(duì)3.30 ～3.82 MPa 蒸汽利用存在問(wèn)題的解決思路探尋

解決思路：1 號(hào)硫酸裝置所產(chǎn)中壓蒸汽不送中壓蒸汽管網(wǎng)，直接中壓減低壓。優(yōu)點(diǎn)是可以提升3號(hào)、4號(hào)硫酸裝置的蒸汽焓值。

根據(jù)水和水蒸氣熱焓表，當(dāng)換熱總量一定的情況下，壓力保持不變，溫度提升，焓值升高。

3.6 MPa、417 ℃的過(guò)熱蒸汽焓值為3 267.135 kJ/kg，418 ℃的過(guò)熱蒸汽焓值為3 269.335 kJ/kg，3號(hào)、4 號(hào)硫酸裝置過(guò)熱蒸汽流量為245 t/h，折合245 × 1 000 kg/h。在壓力3.6 MPa 情況下，溫度每提升1 ℃，蒸汽焓值提升折合熱能為：

245×1 000× （3 269.335- 3 267.135） kJ/h =539 000 kJ/h。

缺點(diǎn)主要有兩個(gè)方面：（1）中壓發(fā)電量損失較大，40 t/h的中壓蒸汽，每小時(shí)可發(fā)電2 900 kW·h左右；（2）直接減成低壓，熱損失較大，而且新增加0.6 MPa低壓蒸汽冗余量較大，可達(dá)40 ～50 t/h。

4.2 0.6 MPa壓力等級(jí)蒸汽利用存在問(wèn)題的解決思路探尋

解決思路：HRS裝置副產(chǎn)蒸汽壓力等級(jí)與低壓管網(wǎng)不一致，建議HRS 副產(chǎn)的低壓蒸汽不并入0.6 MPa的低壓蒸汽管網(wǎng)，直接送去低壓發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，充分利用蒸汽的焓值。

優(yōu)點(diǎn)：可以用來(lái)直接送至12 MW 低壓發(fā)電機(jī)組，增加發(fā)電量。

缺點(diǎn)：操作控制存在一定難度，必須保證發(fā)電機(jī)組和HRS蒸汽管網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 0.2 ～0.3 MPa壓力等級(jí)蒸汽利用存在問(wèn)題的解決思路探尋

解決思路：新建低壓發(fā)電機(jī)組代替減溫減壓裝置，減為0.2 ～0.3 MPa蒸汽送磷酸裝置使用［3］。

優(yōu)點(diǎn)：可以利用這部分蒸汽的焓值發(fā)電。

缺點(diǎn)：前期需要對(duì)新建裝置投入成本，后期可收回成本。

4.4 物料平衡解決思路探尋

加強(qiáng)生產(chǎn)管控，所需蒸汽量大，通過(guò)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷調(diào)整；所需蒸汽量小，通過(guò)裝置生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)整。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)此工廠蒸汽管網(wǎng)的分析，找到問(wèn)題，并對(duì)問(wèn)題提出對(duì)策，通過(guò)論證后，采取以下措施，提高此工廠的蒸汽利用率。

（1）加強(qiáng)生產(chǎn)管理，遇到所需蒸汽量小的情況，用裝置生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)整，盡量避免蒸汽放空造成的能源浪費(fèi)。

（2）在蒸汽第三梯級(jí)利用時(shí)，建議用低壓發(fā)電機(jī)組代替減溫減壓裝置。

（3）HRS 裝置所產(chǎn)0.8 MPa 左右蒸汽不進(jìn)入低壓蒸汽管網(wǎng)，直接送去12 MW 凝汽式發(fā)電機(jī)發(fā)電，最大限度利用蒸汽的焓值［4］。

通過(guò)以上幾個(gè)措施的實(shí)施，達(dá)到蒸汽熱能最大化利用，實(shí)現(xiàn)了降本增效。