劉正東，周 鑫，姜 威

（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（以下簡稱云南磷化）800 kt/a硫黃制酸裝置，由中國石化集團南京工程有限公司設計，吸收部分采用南化設計院的低溫位熱回收專利技術，2014年建成投產，裝置產能現(xiàn)已超設計產能，實際生產負荷達到設計負荷的104%。由于增加了低溫位熱能回收技術，系統(tǒng)熱能回收效率較傳統(tǒng)硫黃制酸工藝大幅提高，但受一些原因的影響，裝置的熱回收率沒有達到設定值，仍有進一步提高的空間。

1 裝置配置特點

硫黃制酸裝置的配置特點有：

1）硫黃制酸裝置為“3+1”兩次轉化工藝、“Ⅲ-Ⅱ”換熱流程[1]。采用進口催化劑且轉化器四段床層采用銫催化劑，可以保證轉化率達到99.85%以上，放空尾氣中ρ(SO2)≤400 mg/m3。

2）吸收部分增加低溫位熱回收裝置，回收干吸工序低溫位熱量生產低壓蒸汽，提高裝置的熱能利用率。干吸塔采用低位塔布置，減少了塔基礎及管道的投資費用，同時酸泵揚程下降，有效降低循環(huán)酸泵的運行電耗。

3）風機布置于干燥塔前，采用背壓式蒸汽透平直接驅動，方便調節(jié)，能較好地適應裝置負荷變化的要求，同時電能消耗大幅降低。剩余過熱蒸汽送汽輪發(fā)電裝置發(fā)電。

4）從低溫位熱回收裝置送到二吸循環(huán)酸槽的高溫酸與蒸發(fā)器給水和進除氧器的脫鹽水進一步換熱，降低酸溫和提高水溫，提高熱能利用率的同時減少循環(huán)水用量和電能消耗。

2 裝置熱能利用流程

硫黃制酸過程中釋放出大量的熱量，充分利用這些熱量可以降低消耗，減少碳排放。該裝置的熱能利用包括高溫位、中溫位及低溫位熱能利用，共有8個換熱設備。高、中溫位熱利用流程見圖1，低溫位熱利用流程見圖2。

圖1 高、中溫位熱利用流程

圖2 低溫位熱利用流程

布置于焚硫爐后的余熱鍋爐中的水與硫黃焚燒的高溫煙氣進行熱交換，煙氣降溫到進一段轉化所需溫度，鍋爐中的水吸收熱量變成中壓飽和蒸汽。轉化過程中的反應熱（中溫位熱能）與除氧水和煙氣分別進行熱交換，設置于轉化器三段和四段出口的2個省煤器中的煙氣與除氧水換熱，升高溫度的除氧水進入余熱鍋爐。余熱鍋爐產生的中壓飽和蒸汽在四段出口的低溫過熱器和一段出口的高溫過熱器中與高溫煙氣進行熱交換，飽和蒸汽變成過熱蒸汽，分別去汽輪風機和汽輪發(fā)電裝置使用。

第一次轉化后的煙氣的熱量，在低溫位熱回收裝置的吸收塔中被高溫硫酸吸收，產生近200 ℃的高溫硫酸經泵送入蒸發(fā)器與水換熱，生產0.69 MPa的低壓蒸汽供磷酸裝置使用。經蒸發(fā)器換熱后的硫酸，其中的一部分需移出低溫位熱回收裝置送到二吸循環(huán)酸槽。這部分硫酸與除氧水在給水加熱器中換熱，提高蒸發(fā)器給水溫度。給水加熱器出口的硫酸繼續(xù)通過脫鹽水加熱器與脫鹽水換熱，提高進除氧器的脫鹽水溫度，降低脫鹽水除氧時的蒸汽消耗，同時減少硫酸帶入二吸塔的熱量。

3 裝置熱能利用分析

3.1 主要生產參數(shù)

設計能力：硫酸產量100 t/h，焚硫爐出口φ(SO2)11.2%，轉化率大于等于99.85%，吸收率大于等于99.98%。空氣壓縮前壓力80 kPa，溫度20 ℃，濕度65%。產品酸w(H2SO4)為98.6%。

3.2 主要物料消耗量

干燥空氣量 204 429.1 m3/h，硫黃 32 708.66 kg/h(1 022.15 kmol/h)。

3.3 生產過程產生熱量

硫酸生產過程中釋放的熱能主要由硫黃燃燒、二氧化硫氧化、三氧化硫吸收、硫酸稀釋、空氣壓縮、空氣干燥過程中水蒸氣冷凝等環(huán)節(jié)產生：

1）硫黃燃燒熱 ：S+O2→ SO2，ΔH=-9 282 kJ/kg。

2）二氧化硫氧化熱 ：S+1/2O2→ SO2，ΔH= -99 kJ/mol。

3）三氧化硫吸收熱：SO3(g)+H2O(1)→H2SO4(1)，ΔH= - 152 kJ/mol。

4）濃硫酸稀釋熱：將吸收SO3的w(H2SO4)100%濃硫酸稀釋到w(H2SO4)98.6%，放出熱量為31.4 kJ/kg。

5）空氣干燥過程中的水蒸氣冷凝熱：根據(jù)壓縮前的空氣參數(shù)，可得到干燥前空氣中ρ(H2O)為15.71 g/m3，干燥后空氣中ρ(H2O)為 0.1 g/m3，干燥塔中氣體析出水量為3 209.53 kg/h，干燥條件下水的冷凝熱為 2 357.7 kJ/kg。

6）空氣壓縮產生熱量：空氣經風機壓縮，機械能轉換成熱能使空氣溫度上升，熱焓增加。加壓后空氣溫度從約20 ℃上升到60 ℃，壓力從80 kPa上升到 129 kPa，熱焓從 66.21 kJ/m3增加到 118.79 kJ/m3。空氣壓縮產生的熱量為 10 746 838 kJ/h。

硫酸生產過程各環(huán)節(jié)產生的熱量見表1。

表1 硫黃制酸各環(huán)節(jié)產生的熱量

3.4 熱能利用分析

3.4.1 生產過熱蒸汽回收熱量

生產1 t硫酸可產過熱蒸汽1.2 t，硫酸生產量100 t/h，則過熱蒸汽產量為120 t/h。進省煤器前除氧水為100 ℃，對應熱焓為419.1 kJ/kg，高溫過熱器出口蒸汽壓力3.47 MPa，溫度442 ℃，蒸汽熱焓3 308.8 kJ/kg，回收的高、中溫位熱量為120×1 000×(3 308.8-419.1)=346 764 000 (kJ/h)。

3.4.2 生產低壓蒸汽及加熱脫鹽水回收熱量

低溫位熱量回收分兩部分：

1）生產低壓蒸汽：生產1 t硫酸產生低壓蒸汽0.55 t，硫酸生產量100 t/h，則低壓蒸汽產量為55 t/h。100 ℃除氧水熱焓為 419.1 kJ/kg，0.64 MPa飽和蒸汽熱焓為2 763.9 kJ/kg，回收熱量為55×1 000×(2 763.9-419.1)=128 964 000 (kJ/h)。

2）加熱脫鹽水：流經脫鹽水加熱器的硫酸流量為396 t/h，換熱前酸溫為151.8 ℃，對應熱焓為240.3 kJ/kg，換熱后酸溫128.2 ℃，對應熱焓為196.2 kJ/kg，脫鹽水加熱器回收熱量為 396×1 000×(240.3-196.2)=17 463 600 (kJ/h)。

兩 部 分 共 回 收 低 溫 位 熱 量 128 964 000+17 463 600 =146 427 600 (kJ/h)。

3.4.3 回收的總熱量

回收的總熱量為 493 191 600 kJ/h，占所產生熱量的84.86%，其中低溫位裝置回收熱量占比為25.19%，比傳統(tǒng)硫酸生產工藝的熱量回收比例明顯提升。

4 裝置熱利用存在的問題

配置低溫位熱回收裝置后，硫酸生產中熱能的回收率大幅提升，有利于企業(yè)節(jié)能降耗，減少碳排放量。但云南磷化硫酸生產的熱能回收率低于90%，比配置低溫位熱回收的同類裝置明顯偏低[2]，熱能的回收利用率仍有提升的空間。從裝置實際生產控制來看，主要是以下幾個方面影響裝置的熱能回收率：

1）進二吸塔的煙氣溫度為175 ℃，高于工藝控制指標，影響中溫位熱能的利用。

2）從低溫位熱回收裝置送出的進二吸循環(huán)酸槽的硫酸，在脫鹽水加熱器出口溫度仍高達128 ℃。

3）風機布置于干燥塔前，空氣的壓縮熱沒有得到有效利用。

4）鍋爐爐水采用傳統(tǒng)的添加磷酸三鈉處理方式，排污率高，熱損失大。

5 提高熱利用的技術措施

5.1 降低進二吸塔的煙氣溫度

由于進二吸塔煙氣溫度較高，導致原本可以回收產生中壓蒸汽的熱量帶入循環(huán)酸中，超溫部分所帶的熱量最終通過循環(huán)冷卻水移走，不僅增加了循環(huán)水用量且降低了熱能的利用率。將煙氣溫度從175 ℃調整到 160 ℃，可以多回收熱量 3 420 006 kJ/h，多產中壓蒸汽 1.44 t/h，折標煤 116.7 kg/h，減少標煤消耗 933.5 t/a。

5.2 降低脫鹽水加熱器出口的酸溫

生產上脫鹽水加熱器出口的酸溫高達128 ℃，過高的酸溫同樣將超溫部分的熱量帶入到二吸循環(huán)酸槽中通過循環(huán)水將熱量帶走，增加循環(huán)水消耗和輸送水的電耗且不利于熱量回收。若將酸溫調整到 105 ℃[3]，則可多利用熱量 396×1 000×(196.2-152.8)=17 186 400 (kJ/h)，折標煤 586.4 kg/h，可節(jié)約標煤 4 691 t/a。

5.3 塔前風機改塔后風機

將風機由干燥塔前改到干燥塔后，則可回收鼓風機壓縮空氣產生的壓縮熱，從而增加利用熱量10 747 629 kJ，提高熱回收率 1.9 個百分點。

但是否改變風機的布置位置，還要看風機布置于塔前的生產情況，裝置滿負荷生產時風機是否有10%左右的余量。因為風機改到塔后，同樣的硫酸產量時，即便在干燥脫水后風機輸送的空氣體積量仍比布置于塔前增大8%～10%[4]。若風機余量不足，由塔前改到塔后，將導致硫酸產量下降，且在相同風壓、相同風量的工況條件下，汽輪機推動鼓風機蒸汽消耗上升8%～9%，導致進入發(fā)電裝置的蒸汽量減少，降低噸酸的發(fā)電量，從而使綜合能耗上升，得不償失。

5.4 采用新的爐水處理技術

使用新型多胺藥劑進行爐水處理，這種新型藥劑由全揮發(fā)性有機物組成，投加后不會增加水中總溶解固形物（TDS）含量，不影響爐水電導率。該藥劑具有抑制爐水飛沫的作用，可允許在高爐水濃縮倍率下依然保持蒸汽純凈，從而大大降低鍋爐排污率。鍋爐排污率可從使用傳統(tǒng)方式處理時的2.5%降至0.5%左右，可減少脫鹽水用量3.5 t/h，減少排污造成的熱量損失 2 092 055 kJ/h，提高熱利用率0.36個百分點，折標煤71.4 kg/h，可減少標煤用量571 t/a，節(jié)水的同時節(jié)約熱能。

若實施以上措施，完成工藝指標優(yōu)化和風機位置調整，則可增加熱量回收 33 446 090 kJ/h，熱量的回收率可達到90.6%。

若僅進行除風機位置調整之外的上述措施，則可增加熱量回收 22 698 461 kJ/h，將熱回收率提高3.9個百分點，熱回收率可達88.8%，可減少標煤消耗 6 195 t/a，減少 CO2排放量 15 444 t/a。

調整工藝參數(shù)后，降低進二吸塔的煙氣溫度和出低溫位熱回收裝置的酸溫后可減少干吸循環(huán)水移走熱量 20 606 406 kJ/h，減少循環(huán)水 (Δt=8 ℃ )用量 613 m3/h，循環(huán)水用電減少 560 000 kWh/a，減少 CO2排放量 560 t/a。

6 結語

傳統(tǒng)硫酸生產只能有效利用硫黃燃燒和二氧化硫轉化的高、中溫位熱能，而吸收部分的低溫位熱能沒得到有效利用。新技術新工藝的開發(fā)運用，能夠大幅提升硫酸生產的熱能利用。低溫位熱能利用率的提升，使得硫酸吸收部分原來需通過循環(huán)水帶走的熱量大幅下降，從而減少了循環(huán)水用量，降低水、電等消耗，有利于企業(yè)節(jié)能和減少二氧化碳氣體的排放，為雙碳目標的實現(xiàn)提供基本保證，有效降低硫酸產品的生產成本、提高產品的利潤和企業(yè)競爭力。