硫酸余热回收技术、设备的进展

CER硫酸余热回收技术设备的进展第1页共6页硫酸余热回收技术、设备的进展刘纪状(中国能源回收有限公司原上海海陆昆仑高科技工程有限公司上海200081)摘要：对于硫磺制酸装置而言，目前已被看作一个副产硫酸的热电厂，产汽率的高低已成为衡量制酸装置先进与否的一个重要标准。余热回收系统设计的整体考量及长周期连续稳定运行不仅仅是增加投资问题，而是对设计、材料、自控、运行管理等各种因素的综合要求。本文介绍了硫磺制酸装置中余热回收的技术、设备以及发展方向主题词：余热回收蒸汽高参数低温位热能回收强化传热随着国内工业的持续发展和环境保护工作的日益重视，硫磺制酸以其工艺简单、成熟、污染轻等特点得到了迅猛发展，装置规模也日益大型化，以提高生产企业规模经济效应，降低生产成本，使企业在硫酸市场竞争中占有更大的优势。截至目前，国内已建成并投产了数套600kt/a、800kt/a、1000kt/a硫磺制酸装置。中国是个能源匮乏的国家，随着世界能源价格的不断上涨，能源的节约直接影响到企业的生产成本及市场竞争力。如何能尽可能多地回收硫酸装置转化过程中产生的高、中、低温位热能及提高热能利用率就显的日益重要了。对于硫磺制酸装置而言，目前已被看作一个副产硫酸的热电厂，产汽率的高低已成为衡量制酸装置先进与否的一个重要标准。随着装置的大型化及配套工程的一体化，对装置运行的稳定性要求越来越高，从而对整个系统中的各设备的要求越来越严格。余热回收设备作为整个磺制酸系统工程中的一个热回收系统被安排在各个部位，每个热回收设备的准确性及稳定性将对整个制酸系统产生至关重要的作用。在大型硫酸装置中，如何提高热能的回收利用率及热效率，保证热回收设备的长期安全、稳定运行，笔者提出了以下的几点看法：一、提高蒸汽运行参数目前国内的余热回收系统结合转化工段的省煤器、过热器主要产3.82Mpa、450℃中压过热蒸汽，一般供汽轮发电机组发电或驱动装置内的风机。随着装置规模的大型化，余热回收锅炉都趋向于动力锅炉方向发展，这就需要提高锅炉参数（额定蒸汽压力和温度），以获取更高的蒸汽循环热功效率，多产电力和动力。CER硫酸余热回收技术设备的进展第2页共6页(800kt/a)硫磺制酸装置为例，根据我公司的设计经验，此规模装置可产生不同蒸汽参数的产量为（说明：由于对热回收系统产生的1.0MPa低压饱和蒸汽进行了过热至250℃，消耗了热能，故高压蒸汽产量有所降低，如仅产生低压饱和蒸汽，其高压蒸汽产量将有所增加）：蒸汽参数为3.82MPa,450℃时：Q=124.3t/h；蒸汽参数为5.3MPa,485℃时：Q=120.8t/h；蒸汽参数为6.3MPa,500℃时：Q=118.4t/h；无论在选择背压或抽凝机组中，随透平进口蒸汽压力的提高，汽轮机中所做功的压差也相应增加。因此，蒸汽压力、温度的提高有利于提高企业的经济性。表1为不同压力、温度下过热蒸汽在抽凝汽轮机发电中的汽耗比较。表1不同压力、温度下过热蒸汽在汽轮机发电中汽耗比较(此表为汽轮机供货商提供)：进汽参数机型代号C25-3.43/1.0//435℃C25-4.9/1.0//470℃工况点昀大冷凝昀小冷凝昀大抽汽昀大冷凝昀小冷凝昀大抽汽进汽压力MPa3.433.433.434.94.94.9进汽温度℃435435435470470470进汽流量t/h124.362.0124.3120.860.4120.8抽汽压力MPa----1.0----1.0抽汽温度℃----292----282抽汽流量t/h----91.0----85.5电功率MW29.06213.73810.30230.82214.74113.035热耗kJ/kWh1140112031665810698111506008汽耗kg/kWh4.2774.51312.0664.0494.2339.574由上表比较可知:采用次高压进汽参数（4.9MPa,470℃）的系统热耗比采用中压进汽参数（3.43MPa,435℃）的系统热耗减少6％以上；即在相同的装置规模下可增加6％以上电功率（在锅炉热效率不变的情况下）。如果企业需要的只是中、低压蒸汽作为原料蒸汽或加热蒸汽，也应将废热锅炉设计成次高压或高压参数，以产生高品位蒸汽而后通过背压汽轮机首先做功或发电，再在背压上抽取CER硫酸余热回收技术设备的进展第3页共6页出合适压力和温度的蒸汽作为原料、加热蒸汽。当然，蒸汽运行参数的提高必将导致热工设备造价、运行费用的提升。以2400MTPD(800kt/a)硫磺制酸装置为例，采用中压运行参数（3.82MPa,450℃）时，全套热工设备的造价约为：1600万元；采用次高压运行参数（5.3MPa,485℃）时，全套热工设备的造价将提高25%，约为：2000万元；设备费用增加约为：400万元；汽轮机组费用增加约为：200万元；合计设备投资增加约为：400+200=600万元；锅炉给水泵运行电消耗：中压运行时约为：P1=315Kw，次高压运行时约为：P2=450Kw，增加值为：△P=P1-P2=450-315=135Kw，加之其余设备，按△P=150Kw。以昀大冷凝工况计，采用次高压进汽参数，每小时多发电量为：(30.822-29.062)*103=1760kW.h；扣除因提高运行参数而多消耗的电能△P=150Kw.h则实际多发电量约为：1760-150=1610Kw.h，年多发电量为（以年运行8000h计）：1610*8000=14.08*106kW.h。如电价按0.5元/Kw.h计，则每年因此为企业营利为：14.08x0.5x106=6,440,000元。设备投资增加费用将在2~3年内完成资金回收。国外大型硫酸装置中均采用了较高的蒸汽压力，（如生产规模为600kt/a时：蒸汽参数5.3MPa,485℃；如生产规模为1000kt/a时：蒸汽参数6.4MPa,485℃；）。国内的大型硫酸装置，锅炉蒸汽参数则较少采用次高压参数，目前仅引进的美国MECS制酸技术的装置采用了较高的蒸汽参数。例如：苏州（双狮）精细化工有限公司的1000kt/a硫酸装置采用了以6.4MPa，492℃为基准的蒸汽参数；湖北宜化大江复合肥有限公司的600kt/a硫酸装置采用了以5.3MPa，483℃为基准的蒸汽参数；经实际运行，经济性能良好！因此可以看出，在大型硫酸装置中，蒸汽运行参数必将向次高压甚至高压方向发展。二、优化热回收工艺流程为尽可能多地回收利用制酸过程中产生的热能，余热回收系统设计需同整个制酸工艺做整体考量，对制酸工艺过程中的热回收工艺流程进行设计优化，从而可增加热能的回收利用率。根据我们公司的工程设计经验，可以从以下几个方面进行优化：提高进转化器二氧化硫浓度，以减少惰性气体带出系统的热量，从而提高热回收率。增加锅炉给水预热器，提高除氧器进水温度，减少除氧器除氧蒸汽消耗量，同时减少循环水的用量，节约循环水泵电消耗量。利用汽机轴封加热器加热除氧器的出水温度（温度由104℃，加热后为135℃）或提高除氧器出水温度，使进入省煤器的锅炉给水温度提高，以增加次高（中）压蒸汽产量，同时低压蒸汽用量相对增加，但这样可以把低位能转化为高位能,提高热循环效率，有利于提高企业CER硫酸余热回收技术设备的进展第4页共6页的经济性。蒸汽旁路调节，以提高蒸汽品质，保证汽轮机的进汽品质；在烟气低温段增设热管省煤器，以降低排烟温度，提高蒸汽产量；过热低压饱和蒸汽（如增加低温热回收系统），以增加低压蒸汽品质，提高热能利用效率；经过对整个制酸工艺过程中的热回收工艺流程的优化及整体考量，结合我们公司的工程设计经验，目前次高（中）压蒸汽热回收率以达到吨酸产汽量为1.26吨以上。三、增加低温位热回收系统硫酸的吸收和稀释过程均为放热反应，产生大量的低温位热能，用低温位热回收系统代替传统的第一吸收塔及酸冷器，能够回收此部分低温位热能，产生低压（压力P＝0.6~1.0MPa）蒸汽。以800kt/a硫酸装置为例，增加了热回收系统后，低压热回收锅炉可产生压力为1.0MPa的外送饱和蒸汽约48.0t/h，除去装置本身自用蒸汽（如熔硫、液硫保温、锅炉给水除氧等）外，其余约28.5t/h蒸汽送至低压过热器（如果需要），产生0.9MPa，250℃过热蒸汽用于外供热用户或发电。经折算，此装置每吨酸可多产生0.48吨1.0MPa的饱和蒸汽，从而使硫酸装置的废热回收率提高到93%以上。目前国内已有多家老的硫磺制酸装置进行了此项技术改造，增加了热回收系统，产生了蒸汽，为企业增加了效益。固然，增加热回收系统将不可避免地增加建设投资，但设备增加的投资可在回收的热能上得到补偿，对企业来讲仍可获得稳定的经济效益。现仍以800kt/a硫酸装置为例，若增加一套热回收系统，其投资费用约为：8500万元，同时主装置中将省去了第一吸收塔及相关辅机，其设备投资约为800万元，实际增加投资约为`7700万元。而多回收的饱和蒸汽（1.0MPa，184℃）量为48.0t/h，按100元/吨，则每年因此为企业营利为：48.0x0.010x8000=3840万元，增加的建设投资将在2~3年内完成资金回收。因此，在大型硫酸装置中，热回收系统将大大提高热能的利用率，使企业可获得稳定的经济效益，同时降低生产成本，提高企业的市场竞争力，是强力推荐的热回收的方法，是今后热能回收利用的方向发展之一。四、热工设备的进展1、锅炉参数――高参数如前所述，提高蒸汽运行参数，将使系统热耗减少，增加经济效益，故其锅炉的运行参数必将向次高压甚至高压方向发展。CER硫酸余热回收技术设备的进展第5页共6页、炉型选择----双锅壳火管锅炉；国内的前几套800kt/a硫磺制酸装置采用了单锅壳火管锅炉，锅壳内径达到了3500mm，这给锅炉的制造、热处理、运输带来了很多困难，使得锅炉的制造、运输成本大幅度增加并且交货周期无法保证，特别是有些企业地处山区，运输条件差，无法将内径3500mm，重达140吨的锅壳运至施工现场。目前已成功开发了双锅壳单汽包火管锅炉，并已投入运行，双锅壳规格为Dn2800。双锅壳火管锅炉与单锅壳火管锅炉相比，金属的的消耗量将增加10%左右，但锅炉的材料易于采购，且制造成本、大件运输成本将大大降低，不受运输条件限制，锅炉的交货周期得到了保证。对于800kt/a规模及以上制酸装置，采用双锅壳火管锅炉将成为一种趋势；3、高温过热器----浮动管板及下箱体结构；系统运行时，高温过热器壳体处于610℃的高温烟气中，翅片管内是450℃的过热蒸汽，与冷态时相比，热膨胀量相当大，而且壳体与翅片管存在160℃以上的温差，若处理不好会造成设备本体的开裂。在结构设计时，需给壳体和翅片管预留出各自的膨胀空间，因壳体和翅片管的温度不一致，膨胀量也不一样，需要将二者分别处理，一般采用双头浮动管板，翅片管可以向两边自由滑动。此种结构已成功运用于双狮张家港精细化工有限公司1期、2期两套100万吨硫磺制酸装置、云南三环中化化肥有限公司、云天化国际红磷分公司两套80万吨硫磺制酸装置等几套国内大型硫磺制酸装置，取得了很好的效果。另外国内的高温过热器大都采用土建框架支撑，由于转化器一段出口烟气管道对高温过热器本体产生巨大推力，经常造成烟气管道与高过的联接处和高过本体的烟气泄漏，影响正常生产。为此近几套大型装置高过均采用了不锈钢下箱体结构，高过坐落在下箱体上，随下箱体整体膨胀，有效解决烟气管道膨胀问题。4、省煤器----提高给水温度，并联布置；随着锅炉运行参数的提高，锅炉饱和水温度也在提高，在转化三段及转化四段布置的省煤器水侧并联的工艺则将成为可能。由于提高省煤器的给水温度可提高次高（中）压蒸汽产量，故可采用135℃以上的除氧给水，并联进入省煤器，以便提高蒸汽产量，进而实现将低温位热能向高温