李 鵬，文 樂，李煥湘

（長沙華時捷環(huán)?？萍及l(fā)展股份有限公司，湖南長沙 410006）

江西某企業(yè)冶煉煙氣經(jīng)過余熱回收、布袋收塵、凈化洗滌后進(jìn)入有機(jī)胺脫硫系統(tǒng)，通過有機(jī)胺吸收液的吸收—解吸作用，得到高純度SO2氣體，再經(jīng)干燥、冷凍，得到符合GB/T 3637—2011《液體二氧化硫》規(guī)定的一等品液體SO2。

有機(jī)胺脫硫的常規(guī)解吸工藝中，解吸二次蒸汽采用循環(huán)冷卻水間接冷卻的方式冷凝降溫，冷凝液回流至塔上部進(jìn)行精餾，不凝氣為高純度SO2氣體，送入后端硫回收工序。冷凝降溫過程中未能對塔頂?shù)牡蜏匚粺崮苓M(jìn)行利用，還需要消耗大量的循環(huán)冷卻水，造成了有機(jī)胺脫硫過程中的“冷熱病”。隨著有機(jī)胺脫硫技術(shù)在有色冶煉行業(yè)的推廣和應(yīng)用，脫硫系統(tǒng)的熱量回收問題逐漸凸顯出來，如何有效回收解吸塔解吸二次蒸汽的熱量成為降低蒸汽消耗的關(guān)鍵點(diǎn)。筆者通過多個工程項(xiàng)目的實(shí)踐，對有機(jī)胺脫硫工藝的熱能回收技術(shù)進(jìn)行探討。

1 有機(jī)胺脫硫解吸工藝流程

有機(jī)胺脫硫的解吸工藝流程見圖1。

有機(jī)胺富液通過貧/富液換熱器和解吸后的貧液進(jìn)行換熱升溫，回收解吸后貧液的熱量。升溫后的富液進(jìn)入解吸塔，在解吸塔中上升二次蒸汽的作用下完成富液的解吸。解吸二次蒸汽進(jìn)入塔頂冷凝器冷凝降溫，含有高純度SO2的不凝氣經(jīng)氣液分離后，送入液體SO2制備工序。

圖1 有機(jī)胺脫硫解吸工藝流程

2 有機(jī)胺脫硫系統(tǒng)熱量回收技術(shù)

2.1 解吸二次蒸汽再熱富液

一般來說，經(jīng)過貧/富液換熱器后富液的溫度可達(dá)到約90 ℃，使富液再次升溫至泡點(diǎn)（約102 ℃）的溫度差ΔT≈12 ℃，以解吸富液的量為1 kg為例，所需要的熱焓為：

式中：Cp——富液的比熱容，kJ/(kg·K)；

m——富液的質(zhì)量，kg；

ΔT——富液升高的溫度，K。

在此工況下，使塔頂二次蒸汽完全相變[102℃(g)→102 ℃(l)]需要移出的熱量為：

式中：ΔH——塔頂二次蒸汽相變的焓值，kJ/kg；

m——1 kg富液解吸產(chǎn)生的塔頂二次蒸汽質(zhì)量，kg。

由式（1）～（2）可知：塔頂二次蒸汽相變移出的熱量比富液升溫至泡點(diǎn)所需的熱量要高一個數(shù)量級。如果采用塔頂二次蒸汽對富液進(jìn)行加熱，僅能回收約10%的塔頂氣熱量，熱量回收效率有限，因此還需對塔頂氣進(jìn)行冷凝降溫處理。

利用解吸二次蒸汽加熱富液還需考慮換熱設(shè)備選型的問題。解吸二次蒸汽冷凝是一個含有不凝氣的相變過程，需選用大通道及帶有不凝氣排出的冷凝設(shè)備（也可選用蒸發(fā)器形式），設(shè)備價(jià)格較高。常規(guī)的板式換熱器價(jià)格相對低廉，但由換熱器造成的氣相阻力將大幅增加，使解吸塔的溫度升高到110 ℃以上甚至更高。過高的解吸溫度會引起一系列復(fù)雜的硫氧化反應(yīng)，降低SO2的回收率，增加除鹽系統(tǒng)的負(fù)荷，這一點(diǎn)往往不被了解或容易被忽視，但對工藝的負(fù)面影響往往是巨大的。

2.2 蒸汽冷凝水再熱富液

筆者認(rèn)為，采用蒸汽冷凝水對富液加熱來提高富液進(jìn)解吸塔的溫度更為合理。

以0.35 MPa飽和蒸汽為例，經(jīng)再沸器換熱后的冷凝水溫度約142 ℃。仍以解吸富液的量為1 kg為例，富液再熱至沸點(diǎn)溫度所需要的熱焓為43.8 kJ，換熱后冷凝水的溫度可降至89.6 ℃。冷凝水溫度降低需要移出的熱量為：

式中：Cp——水的比熱容，kJ/(kg·K)；

m——解吸1 kg富液所消耗的蒸汽質(zhì)量，kg；

ΔT——冷凝水降低的溫度，K。

將式（1）與式（3）進(jìn)行比較可以看出：在滿足工藝要求的情況下，蒸汽冷凝水放出的熱量與富液再熱的熱量是可以平衡的。采取蒸汽冷凝水加熱富液的方式，冷熱兩側(cè)均無相變，采用常規(guī)的板式換熱器即可實(shí)現(xiàn)，大大降低了設(shè)備的造價(jià)。更為重要的是，該富液加熱方式不會引起解吸塔溫度和壓力的升高，避免了其他副反應(yīng)的發(fā)生。

采用蒸汽冷凝水對富液進(jìn)行加熱的方式已在多個項(xiàng)目上成功應(yīng)用。

2.3 雙效解吸熱能回收技術(shù)

為充分利用解吸二次蒸汽的熱能，CANSOLV公司曾提出高低壓雙效解吸的思路[1]。雙效解吸是指在解吸系統(tǒng)設(shè)置1個高壓解吸塔和1個低壓解吸塔，通過提高高壓解吸塔塔頂?shù)膲毫蜏囟?，使高溫二次蒸汽作為低壓解吸塔的熱源。根?jù)低壓下溶液沸點(diǎn)降低的原理，采用真空機(jī)組控制低壓解吸塔的真空度，實(shí)現(xiàn)傳熱溫差，以達(dá)到降低蒸汽消耗的目的，然而這種思路在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中存在如下問題：

1）高低壓雙效解吸會提高設(shè)備的投資造價(jià)和工藝控制的復(fù)雜程度，而且作為低壓解吸塔的高壓二次蒸汽中含有大量的SO2不凝氣體，大大降低了傳熱系數(shù)，熱回收效率達(dá)不到預(yù)期。

2）作為低壓解吸的熱源，高壓塔產(chǎn)生的二次蒸汽需要一定的溫度和壓力作為動力強(qiáng)化傳熱，過高的解吸溫度又會促使發(fā)生更為復(fù)雜的硫氧化還原反應(yīng)，給工藝帶來不容忽視的負(fù)面影響。

由于上述問題，雙效解吸的熱能利用方式進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用受到了限制。

2.4 MVR技術(shù)

蒸汽機(jī)械再壓縮（MVR）技術(shù)采用機(jī)械增壓的方式對低品位熱能進(jìn)行加壓升溫，使其變?yōu)榭衫玫母咂肺粺崮躘2]。通過壓縮機(jī)的絕熱壓縮作用提高二次蒸汽的壓力和飽和溫度，將壓縮的蒸汽引入到蒸發(fā)器管外進(jìn)行物料的加熱，整個系統(tǒng)的輸入功只有壓縮機(jī)的電功和少量的補(bǔ)充蒸汽，節(jié)能效果顯著。MVR技術(shù)在蒸發(fā)濃縮領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。

傳統(tǒng)的蒸發(fā)濃縮工藝中，二次蒸汽為低品位水蒸汽，而在有機(jī)胺脫硫過程中，解吸塔的二次蒸汽主要是SO2氣體和水蒸汽組成的混合物，在不同工況下，SO2氣體與水蒸汽的體積比為1∶60～1∶15。在有機(jī)胺脫硫工藝中，采用MVR技術(shù)回收解吸塔二次蒸汽的熱量需解決以下兩個關(guān)鍵問題：

1）低溫蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)，在高速旋轉(zhuǎn)的葉輪作用下產(chǎn)生高溫過熱蒸汽，需在壓縮機(jī)腔體部分噴水以消除過熱度，得到高品位的飽和蒸汽。由于SO2氣體能溶于水，在此工況下會對過流部分產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕，給設(shè)備的選材造成很大的困難。

2）SO2氣體為不凝氣體，無法在壓縮過程中被分離出來，這大大降低了蒸發(fā)器的換熱效率，造成蒸發(fā)器投資高而熱能利用效率低。

為了減少SO2氣體對設(shè)備的腐蝕，可采取以下措施：①將消除過熱度的噴水系統(tǒng)后移至壓縮機(jī)蝸殼出口，避免腐蝕性酸滴直接和高速旋轉(zhuǎn)的葉輪接觸；②提高設(shè)備材質(zhì)的耐腐蝕等級。對于SO2不凝氣無法被分離而降低蒸發(fā)器換熱效率的問題，暫無經(jīng)濟(jì)上可行的有效措施。因此，MVR技術(shù)在有機(jī)胺脫硫中的熱能回收效率要低于傳統(tǒng)的蒸發(fā)結(jié)晶工藝。根據(jù)二次蒸汽中SO2氣體的體積分?jǐn)?shù)不同，MVR的熱能回收效率在50%～70%之間。

2.5 TVR技術(shù)

蒸汽熱力再壓縮（TVR）技術(shù)基于熱泵原理，采用蒸汽熱力再壓縮的方式回收低品位二次蒸汽的熱能，代表性的主要工業(yè)設(shè)備是蒸汽噴射泵。蒸汽噴射泵主要由噴嘴、接受室、混合室、擴(kuò)壓室等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 蒸汽噴射泵結(jié)構(gòu)圖

高壓蒸汽通過蒸汽噴射泵的噴嘴時產(chǎn)生高速氣流，在噴嘴出口處產(chǎn)生低壓區(qū)，低壓蒸汽在此區(qū)域被吸入。高壓蒸汽在膨脹的同時壓縮低壓蒸汽，低壓蒸汽的品位得到提高，高壓蒸汽和低壓蒸汽經(jīng)過接受室加快流速后進(jìn)入混合室內(nèi)良好混合，再通過擴(kuò)壓室恢復(fù)部分壓力，達(dá)到要求的蒸汽壓力后供給用戶使用。吸入的低壓蒸汽既可以是低品位的二次蒸汽，也可以是凝結(jié)水產(chǎn)生的閃蒸蒸汽，使低焓熱能得到充分利用，達(dá)到節(jié)約能源的目的。蒸汽噴射泵的節(jié)能率可以達(dá)到35%左右，具有很好的實(shí)用性[3]。

在有機(jī)胺脫硫過程中，根據(jù)物料平衡和熱量平衡，高壓蒸汽僅能引射30%左右的低壓二次蒸汽，由于解吸二次蒸汽中還存在SO2不凝氣，因此熱能回收效率還會相應(yīng)降低。筆者開展的TVR技術(shù)回收二次蒸汽熱能的中試試驗(yàn)熱能綜合回收率約20%～25%。在有機(jī)胺脫硫的工況下，TVR系統(tǒng)在設(shè)備成本上明顯低于MVR系統(tǒng)，因此具有中、高壓余熱蒸汽的企業(yè)，可考慮采用TVR技術(shù)作為有機(jī)胺脫硫節(jié)能降耗的手段。

3 工業(yè)應(yīng)用

筆者結(jié)合工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，以江西某企業(yè)脫硫系統(tǒng)為例，對MVR熱能回收系統(tǒng)在有機(jī)胺脫硫中的節(jié)能效果進(jìn)行說明。

該企業(yè)冶煉煙氣流量約160 000 m3/h，ρ(SO2)為1 000～160 000 mg/m3，若按照常規(guī)解吸工藝設(shè)計(jì)，系統(tǒng)低壓蒸汽消耗高達(dá)25 t/h，蒸汽按200元/t計(jì)，蒸汽費(fèi)用占總能耗成本的80%以上。常規(guī)解吸工藝運(yùn)行費(fèi)用見表1。

表1 常規(guī)解吸工藝運(yùn)行費(fèi)用

由表1可見：若采用常規(guī)解吸工藝，有機(jī)胺脫硫解吸工序的年運(yùn)行費(fèi)用高達(dá)4 637.16萬元，低壓蒸汽費(fèi)用占總能耗成本的85.4%。

為降低能耗和運(yùn)行成本，在工程設(shè)計(jì)過程中，在有機(jī)胺脫硫解吸工序增加了一套20 t/h MVR熱能回收系統(tǒng)，并采用蒸汽冷凝水再熱富液的方式綜合回收解吸工序的熱量。采取MVR熱能回收系統(tǒng)的解吸工藝流程見圖3。

圖3 采取MVR熱能回收系統(tǒng)的解吸工藝流程

有機(jī)胺富液通過貧/富液換熱器和解吸后的貧液進(jìn)行換熱升溫至90 ℃，再通過富液再熱器和蒸汽冷凝水換熱進(jìn)一步升溫至102 ℃接近泡點(diǎn)進(jìn)料。升溫后的富液進(jìn)入解吸塔，在解吸塔中上升的二次蒸汽的作用下完成富液的解吸。解吸二次蒸汽進(jìn)入熱能回收系統(tǒng)，通過MVR的壓縮作用，使低品位的解吸二次蒸汽升溫升壓后進(jìn)入再生蒸汽再沸器，作為解吸的熱源加熱一路塔釜貧液，充分利用二次蒸汽的潛熱后再經(jīng)塔頂冷凝器進(jìn)一步冷卻降溫、分離，含有高純度SO2的不凝氣送入后端液體SO2制備工序。

低壓蒸汽作為系統(tǒng)熱源的補(bǔ)充，通過再沸器間接加熱塔釜另一路貧液。高溫蒸汽冷凝水含有較高的顯熱，可通過富液再熱器實(shí)現(xiàn)回收。

采用MVR熱能回收系統(tǒng)后，有機(jī)胺脫硫解吸工序運(yùn)行費(fèi)用見表2。

表2 采用MVR熱能回收系統(tǒng)的解吸工序運(yùn)行費(fèi)用

由表2可見：采用MVR熱量回收系統(tǒng)后，解吸工序可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用1 890.03萬元/a，比常規(guī)解吸工藝運(yùn)行費(fèi)用減少了40.8%。

MVR熱能回收系統(tǒng)的投資費(fèi)用約為450萬元，靜態(tài)投資回收期不到3個月。在具體項(xiàng)目中是否采用MVR技術(shù)，還需綜合考慮設(shè)備設(shè)施的投資成本和能源的價(jià)格等因素，建議在蒸汽價(jià)格高于200元/t時，采用MVR技術(shù)回收系統(tǒng)熱能，實(shí)現(xiàn)降低脫硫系統(tǒng)運(yùn)行成本的目的。

4 結(jié)語

通過對有機(jī)胺脫硫系統(tǒng)的熱能回收技術(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出兩個熱能回收的思路：

1）利用蒸汽冷凝水的顯熱再加熱富液，提高富液進(jìn)解吸塔的溫度，可以在一定程度上回收系統(tǒng)熱能，降低運(yùn)行成本。

2）在蒸汽成本高的企業(yè)，采用MVR技術(shù)回收解吸二次蒸汽的熱能，節(jié)能效果顯著，可大幅降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本，且對工藝無負(fù)面影響，值得進(jìn)一步推廣使用。