完整版硫磺制酸余熱回收及利用

1、硫磺制酸余熱回收及利用 俞向東 （中國石化集團南化設計院） 內(nèi)容摘要 本文系統(tǒng)闡述了硫磺制酸生產(chǎn)過程中的余熱回收方法，主要設備和提高熱回收率的措 施。為硫磺制酸裝置節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟效益提供了依據(jù)。 關 鍵 詞 余熱回收，火管鍋爐，水管鍋爐，過熱器，省煤器，熱管，露點腐蝕 一概述 在硫磺制酸生產(chǎn)過程中，從硫磺燃燒生成二氧化硫、二氧化硫催化氧化生成三氧化硫到三氧化硫吸收生成硫酸的每一步反應都是放熱反應，總的反應熱約為500KJ/mol硫酸。除裝置散熱排氣等損失外，其余熱量理論上均可回收利用?？苫厥盏臒崃恐蟹倭蚝娃D(zhuǎn)化部分的高中溫余熱約占60%，干吸部分的低溫余熱約占40%。如何安全可

2、靠充分合理地回收利用這些熱量，不僅標志制酸裝置的技術水平，而且還決定著制酸裝置經(jīng)濟上的生存能力。本文全面論述了硫磺制酸余熱回收的途徑，敬請同行專家批平指正。 二高中溫余熱回收 （一）可回收的高中溫余熱 硫磺焚燒及二氧化硫催化氧化為三氧化硫所釋放的熱量，除了爐氣在兩個吸收塔中所損失的熱量外，其余的熱量均為余熱必須移出。對典型的?流程而言可回收的余熱包括以下幾部分： 硫爐出口1050左右的高溫爐氣冷卻到440左右進入一段轉(zhuǎn)化。 一段轉(zhuǎn)化出口600左右的爐氣冷卻到440左右進入二段轉(zhuǎn)化。 三段轉(zhuǎn)化出口冷熱換熱器后240左右的爐氣冷卻到180左右進入中間吸收塔。 四段轉(zhuǎn)化出口430左右的爐氣冷卻到16

3、0左右進入最終吸收塔。 （二）高中溫熱回收系統(tǒng) 如上所述，高中溫余熱的熱量較分散，這些熱量是分別設置鍋爐產(chǎn)生蒸汽，還是將它們有機組合在一起產(chǎn)生蒸汽，不同的廠有不同的做法，最常見的有以下三種熱回收系統(tǒng)。 1熱回收系統(tǒng)一 焚硫爐出口和一段轉(zhuǎn)化出口分別設一臺低壓鍋爐1和2，三段轉(zhuǎn)化冷熱換熱器后設省煤器2(有時也可采用空氣預熱器預熱燃燒空氣），四段轉(zhuǎn)化出口設低壓鍋爐3和省煤器1（小裝置省煤器1也可以不設）, 流程見圖1。 此熱回收系統(tǒng)適用于中小型裝置，優(yōu)點是：投資省見效快，缺點是：鍋爐數(shù)量多運行管理難度大。而且必須有飽和蒸汽用戶。 2熱回收系統(tǒng)二 焚硫爐出口設一中壓或次中壓鍋爐1，一段轉(zhuǎn)化出設蒸汽過熱

4、器，其余同熱 回收系統(tǒng)一，流程見圖2。這種熱回收系統(tǒng)也適用于中小型裝置，優(yōu)點是：產(chǎn)生的中壓或次中壓蒸汽可以用于發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)，四段轉(zhuǎn)化出口鍋爐2產(chǎn)生的低壓蒸汽用于熔硫保溫和除氧。缺點是：鍋爐的數(shù)量仍然較多，運行管理難度較大。 3 熱回收系統(tǒng)三 這一熱回收系統(tǒng)是將各部分的熱量有機組合在一起產(chǎn)一個壓力等級的蒸汽(一般是中溫中壓蒸汽)，典型流程見圖3。焚硫爐出口設中壓鍋爐, 一段轉(zhuǎn)化出口設高溫過熱器，三段出口冷熱換熱器后設省煤器2，四段轉(zhuǎn)化出口設低溫過熱器及省煤器1。 該熱回收系統(tǒng)適用于大中型裝置，優(yōu)點是： 所有的高中溫余熱全產(chǎn)中壓蒸汽，從有效能的角度而言比較合理，因為擁有同樣多熱量的中壓蒸氣比低壓

5、蒸汽做功能力強，具體表現(xiàn)為可以多發(fā)電。 整個熱回收系統(tǒng)實際上是一臺鍋爐，兩只過熱器和兩只省煤器只是鍋爐的部件，這樣便于運行管理。 熱回率高，每噸酸可產(chǎn)中壓過熱蒸汽1.2噸以上。到目前為止，我院設計的五套20萬噸/年及以上的硫磺制酸裝置全部是采用這一熱回收系統(tǒng)。 另外，對于”3+2”五段轉(zhuǎn)化流程的四段轉(zhuǎn)化出口可設中溫過熱器、空氣預熱器或采用干燥空氣冷激的方法回收余熱降低爐氣溫度。 （三）高中溫余熱回收主要設備高中溫熱回收設備種類很多，其中最主要的也是最容易發(fā)生故障的設備是焚硫爐出口的鍋爐和吸收塔前面的省煤器。下面分別加以敘述。 1焚硫爐出口的鍋爐 焚硫爐出口的鍋爐有兩種型式，一種是水管鍋爐，另一

6、種是火管鍋爐。水管鍋爐在硫鐵礦制酸裝置上的應用較早，產(chǎn)品也較成熟，故90年代中期我國再次掀起硫磺制酸建設高潮時，國產(chǎn)裝置因受硫鐵礦制酸裝置的影響基本都是采用的水管鍋爐，但使用后很多鍋爐（主要是自然循環(huán)水管鍋爐）發(fā)生了爐氣外漏和爐水內(nèi)漏的事故，嚴重影響了制酸裝置的正常生產(chǎn)，這主要是由于人們對硫磺制酸的認識不夠。硫磺制酸不同于硫鐵礦制酸，硫磺制酸無凈化工段，鍋爐后面就是轉(zhuǎn)化器，鍋爐一旦漏水，將使轉(zhuǎn)化變?yōu)闈褶D(zhuǎn)化，大量的水蒸汽一方面使三氧化硫吸收過程惡化，另一方面爐氣的露點將會大大的提高，結露生成的硫酸的濃度大大的降低，從而加快了設備和管道的腐蝕。另外，硫磺制酸爐氣是正壓。這些就要求硫磺制酸裝置的鍋爐

7、不能漏水，同時又要具有較高的承壓能力。而水管鍋爐在這些方面與火管鍋爐比有先天不足，再加上中小型硫磺制酸裝置的水管鍋爐比火管鍋爐投資高，所以近幾年來火管鍋爐在硫磺制酸裝置上應用較多，故障率明顯比水管鍋爐少，很多裝置從未因火管鍋爐故障而停車。 總之，水管鍋爐在承受正壓能力，氣流分布的均勻性，對負荷變化的適應性和安全性等方面都不如火管鍋爐。所以焚硫爐出口的鍋爐應首選火管鍋爐，尤其是中小型裝置。但對于大型或特大型的裝置，特別是較高壓力的鍋爐，由于火管鍋爐造價較高，運輸也較困難，此時可以采用水管鍋爐。無論是采用火管鍋爐還是水管鍋爐，我們必須從設計、制造、安裝和運行管理等環(huán)節(jié)對鍋爐加以高度重視，只有這樣才

8、能保證鍋爐安全運行。筆者認為鍋爐從設計、制造到運行管理應重視如下的主要環(huán)節(jié)： 采用優(yōu)質(zhì)材料并對其進行嚴格檢測，從而杜絕材料的先天缺陷。如所有受熱面管子采用進口管或?qū)毶戒撹F廠生產(chǎn)的管子，并進行100%的超聲波探傷加100%渦流探傷。 所有受熱面部分的管子采用氬弧焊或氬弧焊打底，焊后進行探傷檢測，從而將制造缺陷降到最低。如火管鍋爐管子和管板采用氬弧焊，焊后進行100%的磁粉探傷；水管鍋爐受熱面管子的對接焊縫采用氬弧焊打底，焊后進行100%的X射線探傷。 選擇好的安全附件，特別是安全閥和水位計，并定期校驗其是否正常工作。 管鍋爐安裝時應保正鍋爐的氣密。 控制好汽包水位，特別是汽包水位不能低于規(guī)定的最

9、低水位，否則，無論是火管鍋爐還是水管鍋爐將非常危險。 管鍋爐要定期檢查爐管結垢情況，如結垢較嚴重應進行清洗。 2省煤器 為了盡可能多地回收中溫余熱，在兩臺吸收塔前有必要設省煤器(見圖3)，由于省煤器水入口處金屬壁溫較低，這里可能存在露點腐蝕問題。當省煤器金屬的壁溫小于露點溫度時酸霧就會在管外壁結露形成冷凝酸，當然形成冷凝酸后不一定就發(fā)生腐蝕，這還要看冷凝酸的濃度和溫度。正常運行時，如果結露一般生成發(fā)煙硫酸(濃度102%)，溫度小于120，在這種情況下即使采用碳鋼也能耐腐蝕。而在開停車及前面的熱力設備發(fā)生泄漏時，露點溫度將會升高，結露形成的冷凝酸的溫度也會升高，而且結露形成硫酸的濃度范圍較大，在

10、這種情況下只有鑄鐵能耐腐蝕。所以國外的省煤器有兩種做法，第一種做法是保證使用壽命而采用帶鑄鐵套管的省煤器，第二種做法是犧牲設備的壽命而采用價格較便宜的普通碳鋼省煤器。我國目前也有兩種做法，第一種做法是采用熱管省煤器，利用熱管技術一方面使與爐氣接觸的金屬壁溫在正常運行時高于露點溫度，從而不會結露和發(fā)生露點腐蝕。另一方面即使在開停車或前面熱回收設備發(fā)生泄漏時發(fā)生了露點腐蝕，熱管省煤器內(nèi)的水也不會泄漏到爐氣中，所以這種方法是具有中國特色的安全可靠的方法。第二種方法和國外的第二種方法一樣采用普通碳鋼省煤器，筆者認為在前面的熱回收設備安全可靠的情況下可以采用普通碳鋼省煤器，因為如前所述正常運行時既使結露

11、一般也不會發(fā)生腐蝕，而開停車發(fā)生的露點腐蝕另外，無論是采用熱管省煤器還是采用普通碳鋼省煤器， 對整個腐蝕過程的影響并不大。與爐氣接觸的受熱面管子最好無對接焊縫。 三提高高中溫熱回收系統(tǒng)的產(chǎn)汽率 從熱平衡來看，要提高熱回收系統(tǒng)的產(chǎn)汽率一方面應盡量將低溫余熱轉(zhuǎn)化為高溫余熱，另一方面，應盡量減少轉(zhuǎn)化部分的中溫余熱向低溫余熱轉(zhuǎn)移。概括起來可以通過如下的方法提高高中溫熱回收系統(tǒng)的產(chǎn)汽率。 提高干燥塔循環(huán)酸濃和酸溫，這樣可以在得到較好干燥效果的同時提高出口干燥空氣的溫度。干燥塔出口空氣溫度每提高10熱回收系統(tǒng)的產(chǎn)汽率將提高近1%。 將空氣風機放在干燥塔后，提高進入焚硫爐的空氣溫度，從而使焚硫爐出口爐氣溫度

12、提高，增加余熱鍋爐的產(chǎn)汽量，另外還能降低干燥酸冷卻系統(tǒng)的熱負荷，減少循環(huán)冷卻水的消耗。將風機放在干燥塔后有些生產(chǎn)廠擔心空氣中的酸霧會影響風機的壽命，這樣就有一個利益平衡的問題，不妨先算一算這些熱量的價值。以1200t/d硫磺制酸裝置為例，假設干燥塔出口空氣溫度為60，風機的壓縮比為1.3，可以算出風機出口理論溫升為33.7，這些壓縮熱將多產(chǎn)中壓過熱蒸汽1850kg/h(熱回收系統(tǒng)的產(chǎn)汽率將提高3.16%),每小時多發(fā)電約400度，電價按0.4元計，多獲利約120萬元（由于實際溫升達50-60,故實際多獲利近200萬元），而一臺1200t/d硫磺制酸裝置風機（包括電機）的價格僅為200萬元左右。

13、由此可見，將風機放在塔后回收熱量的經(jīng)濟效益非常明顯，應將風機放在塔后。 利用干吸酸加熱鍋爐補給水（脫鹽水或冷凝水），從而減少除氧器蒸汽消耗降低裝置的自用汽率。 高一吸塔出口氣體溫度。 盡可能地降低省煤出口氣體溫度（即進中間吸塔和最終吸塔的溫度），氣體溫度每降10中壓過熱蒸汽的產(chǎn)量將提高近1%。目前我院設計的硫磺制酸裝置兩只省煤器出口氣體溫度分別為180和160，進中間吸收塔處露點溫度較高，所以設計的進氣溫度也高一些。 提高二氧化硫氣濃，降低噸酸處理的氣量，從而減少中溫余熱向低溫余熱的轉(zhuǎn)移量（主要是減少了進兩只吸收塔的氣量）。在進中間吸收塔和最終吸收塔溫度分別為180和160時，二氧化硫氣濃每提

14、高1%則中壓過熱蒸汽的產(chǎn)量將提高3%左右。 四低溫熱回收及利用 由于硫磺制酸和硫鐵礦制酸干吸系統(tǒng)一樣，所以本文所述的低溫熱回收及利用包括硫磺制酸和硫鐵礦制酸。 （一） 我國低溫余熱利用方法和現(xiàn)狀 硫酸裝置的低溫余熱由于品位較低，同時又是被硫酸所攜帶，回收利用技術上較困難。我國八十年代前這些熱量都是由淋灑式鑄鐵排管冷卻后隨冷卻水帶到環(huán)境中，直到八十年代后期隨著帶陽極保護的不銹鋼管殼式濃硫酸冷卻器和板式換熱器的開發(fā)應用，才為利用這些低溫余熱提供了可能。近年來國內(nèi)已有一些硫酸裝置回收利用了部分低溫余熱，回收和利用的方法主要有以下幾種： 加熱脫鹽水，提高進除氧器的水溫，從而減少除氧器蒸汽消耗。但由于鍋

15、爐需要脫鹽水的量較少，回收和利用的余熱只占低溫余熱的一小部分。如河南某化肥廠利用16萬噸/年硫酸裝置的干吸酸熱將動力分廠的脫鹽水從常溫加熱到80，水量為：100t/h，利用的熱量約占低溫余熱總量的22%。此裝置于1996年10月投入運行。 生產(chǎn)熱水用于其它裝置，如用于磷酸濃縮和氨蒸發(fā)等, 但這種方法必須是硫酸和磷酸或合成氨等裝置的聯(lián)合化工企業(yè)。 生產(chǎn)熱水用于居民生活(包括采暖)。如山東某廠利用吸收酸熱產(chǎn)生70左右的熱水用于全廠采暖，采暖面積約為15000m2。此裝置于1995年11月安全運行至今，取得了非?？捎^的經(jīng)濟效益。 但總的來講我國硫酸裝置, 以上幾種低溫余熱回收的方式在我國都有成功運行

16、的實例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只能利用低溫余熱產(chǎn)生熱水，而熱水的利用有其局限性。 （二） 孟山都HRS簡介 國外低溫余熱利用較早，利用的方式也較多，除上述常見的利用方法外孟上都在八十年代后期開發(fā)了硫酸高溫吸收產(chǎn)生低壓蒸汽的系統(tǒng)(簡稱HRS), 采用HRS可使每噸硫酸產(chǎn)1.0MPa的低壓蒸汽0.5噸左右。孟山都的HRS雖然代表硫酸裝置低溫熱回收的世界先進水平，但HRS的工業(yè)推廣并不令人滿意，從1987年11月HRS首次成功的工業(yè)應用到1995年八年間，全世界僅有161套裝置采用了HRS，難以推廣的主要原因是： HRS對硫酸濃度的要求很高，只能控制在狹窄的范圍內(nèi)，稍有偏差就會發(fā)生嚴重的腐蝕，而且不能用于發(fā)煙酸裝置。 投資太高, 如1000t/d硫酸裝置HRS投資約為300萬美元，約占整個裝置投資的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。 五結束語 通過硫酸工作者的共同努力，我國硫磺制酸余熱回收取得了很大的成績，高中溫余熱回收系統(tǒng)的噸酸產(chǎn)汽率已高于1.2噸(蒸汽壓力為：3.82Mpa，溫度為：450)，低溫余熱回收也已有多