硫磺制酸裝置設計熱能分析及熱能利用

向志全 普紅英 李海昆 云南化工設計院有限公司 昆明 650041

設計技術

硫磺制酸裝置設計熱能分析及熱能利用

向志全*普紅英 李海昆 云南化工設計院有限公司 昆明 650041

分析和計算800kt/a硫磺制酸裝置產生的熱能，并結合工廠的實際提出熱能利用建議，以提高熱能利用。

硫磺制酸熱能分析熱能利用節(jié)能

節(jié)能減排是我國基本國策，設計中充分重視生產裝置節(jié)能和熱能利用率，提高企業(yè)經濟效益、社會效益、環(huán)境效益和企業(yè)的競爭能力是工程設計的指導思想。分析硫磺制酸裝置熱能將促進和提高熱能利用，對新建裝置和老裝置改造的設計都具有十分重要的意義。

現(xiàn)以800kt/a硫磺制酸裝置為例進行熱能分析。該裝置于2009年建成投產，2010年5月完成環(huán)保、消防、安全、節(jié)能及職業(yè)衛(wèi)生驗收，裝置建成投產以來，一直處于長周期、滿負荷安全運行中。

1 裝置介紹

1.1 工藝流程

800 kt/a硫磺制酸裝置工藝流程見圖1。

(1)熔硫過濾:固體硫磺經膠帶機送至快速熔硫槽，用0.7MPa低壓蒸汽加熱熔融后溢流至粗硫槽，經粗硫泵送至液硫過濾機進行機械過濾，濾液進入精硫槽后由精硫泵送至液硫貯槽，并自流入液硫地下槽后用液硫輸送泵送至爐前槽。濾渣(含硫)收集后送硫鐵礦制酸廠作原料使用不外排。

(2)焚硫轉化:爐前槽中液硫經泵送至硫磺噴槍，經機械霧化與干空氣接觸燃燒，產生11%SO21050℃的高溫氣體進廢熱鍋爐換熱后，進轉化器Ⅰ段觸媒層轉化，產生的中溫SO3氣體經高溫過熱器換熱，進II段觸媒層轉化，再經熱換熱器換熱降溫后進Ⅲ段觸媒層完成一次轉化。出HRS塔含SO2氣體，經冷換熱器和熱換熱器升溫后進Ⅳ段觸媒層，完成二次轉化，總轉化率達99.85%。

(3)干燥吸收:空氣經鼓風機升壓后進干燥塔，與干燥酸泵送來的濃酸在填料層發(fā)生逆流接觸，空氣中水份被吸收并經絲網除沫后送焚硫爐燃燒。出Ⅲ段觸媒層SO3氣體，經冷換熱器和省煤器Ⅰ換熱后進HRS塔，與聯(lián)合循環(huán)酸泵送來并經HRS酸冷器冷卻的低溫酸和HRS泵送來的高溫濃酸分別在HRS塔上下兩段填料層發(fā)生逆流接觸，完成第一次吸收。吸收酸經HRS酸泵送至HRS鍋爐換熱，部分酸稀釋后進HRS塔循環(huán)，部分經HRS加熱器及HRS預熱器換熱后進入聯(lián)合循環(huán)酸槽。出Ⅳ段觸媒層SO3氣體，依次經低溫過熱器和省煤器II換熱降溫后進二吸塔，并與二吸酸泵送來經冷卻的濃酸在塔中填料層發(fā)生逆流接觸，完成第二次循環(huán)吸收，吸收率達99.98%。吸收后的濃硫酸流入聯(lián)合循環(huán)酸槽，由干燥酸泵出口分流至成品酸冷卻器冷卻后進成品酸槽。

(4)尾氣吸收:來自二吸塔并經除霧的含SO2尾氣進尾吸塔，與循環(huán)液槽循環(huán)泵送入的稀氨水溶液進行逆向旋流碰撞接觸，發(fā)生中和反應完成SO2的循環(huán)吸收。吸收液為亞硫銨溶液流入循環(huán)液槽，再經氧化生成硫銨溶液送復合肥裝置使用，吸收尾氣經除沫后進煙囪排空。

(5)熱力系統(tǒng):來自脫鹽水站的脫鹽水，經HRS預熱器預熱升溫并經除氧器加熱至105℃后，大部分經省煤器Ⅰ、Ⅱ升溫后進廢熱鍋爐，回收高溫位熱能后產生4.20MPa，256℃飽和蒸汽，再經低溫和高溫過熱器過熱后產生3.82MPa，450℃過熱蒸汽，送發(fā)電車間發(fā)電和硫酸車間驅動風機透平。其余部分進入HRS加熱器加熱升溫后進HRS鍋爐，回收低溫位熱能后產生0.8MPa飽和蒸汽，送低壓蒸汽管網并網使用。

1.2 工藝技術參數

(1)精制液硫灰分含量≤20ppm。

(2)干燥塔出口干空氣含水量≤0.1g/Nm3。

(3)轉化器一段進口爐氣量204127Nm/h，成份:SO211.00%，SO30.22%，O29.67%，N279.11%。

(4)總轉化率99.85%，其中一段64%;二段89%;三段96%;四段99.85%。

(5)吸收率99.98%。

(6)進HRS塔氣體溫度170℃，塔出口氣體溫度71℃。

進二吸塔氣體溫度146℃，出二吸塔氣體溫度72℃。

(7)風機進口設計溫度30℃，年平均相對濕度71%。

2 硫磺制酸熱能分析

2.1 化學反應熱

2.2 熱能計算

(1)液體硫磺燃燒熱q1:液體硫磺用量1025 kmol/h。

(2)SO2氧化為SO3反應熱q2:SO2氧化成SO3氣量1000.91 kmol/h。

(3)SO3吸收熱q3:SO3被吸收氣量1000.71 kmol/h。

(4)硫酸稀釋熱q4:稀釋硫酸量1020.41 kmol/h。

(5)干燥塔內水蒸汽凝結熱q5:空氣風機為干燥塔塔前風機，設計大氣溫度為30℃，空氣相對濕度為71%，干燥塔脫出水汽量約為5800 kg/h。

(6)空氣鼓風機壓縮熱q6:當風機升壓為ΔP=48～52 kPa時，氣體溫升為48～50℃，干燥塔出口進風機空氣溫度為60℃時，風機出口至焚硫爐空氣溫度為110℃。

空氣量9122.81 kmol/h，利用60℃升到110℃熱量。

某公司800kt/a硫酸裝置空氣鼓風機設置于干燥塔前，未充分利用風機的壓縮熱，若設置在干燥塔后可充分利用這部分熱量。

產生熱量總計Q:

產生熱量的比例:液硫燃燒熱q1為53.47%; SO2氧化反應熱q2為17.40%;SO3吸收反應熱q3為24.08%;硫酸稀釋熱q4為0.23%;水蒸汽冷凝熱q5為2.41%;風機壓縮熱q6為2.41%。

3 已利用熱能分析

3.1 熱力系統(tǒng)回收熱能

(1)余熱鍋爐回收熱量q1':爐氣量204127Nm3/h，溫度從1070℃降至425℃。

(2)高溫過熱器回收熱量q2':爐氣量196941Nm3/h，溫度從623℃降至435℃。

(3)低溫過熱器回收熱量q3':爐氣量170916Nm3/h，溫度從463℃降至350℃。

(4)三段出口省煤器3A回收熱量q4':爐氣量193349Nm3/h，溫度從276℃降至170℃。

(5)四段出口省煤器4A回收熱量q5':爐氣量170916Nm3/h，溫度從350℃降至146℃。

合計Q1:

3.2 HRS系統(tǒng)回收熱量

(1)HRS鍋爐回收熱量q1″:硫酸量約1740m3/h，溫差Δt=20℃。

(2)HRS硫酸加熱器回收熱量q2″:硫酸量約192 m3/h，溫差Δt=16℃。

(3)HRS硫酸預熱器回收熱量q3″:硫酸量約185 m3/h，溫差Δt=78℃。

合計Q2:

3.3 已利用總熱量及占總產熱量的比例

已利用熱量的總量:

已利用熱量占產熱量的比例:

其中，熱力系統(tǒng)占65.28%;HRS系統(tǒng)占28.43%。

4 熱能回收的建議

工藝流程選擇和工藝參數選取是熱量回收和利用最大化和最優(yōu)化的重要因素。根據以上熱能分析，結合目前國內許多硫磺制酸廠只采用熱力系統(tǒng)回收利用了部分中溫位熱能的工藝技術狀況，提出以下建議:

4.1 與裝置配套的低溫位能熱回收系統(tǒng)

從熱能分析知，低溫位能熱回收系統(tǒng)回收熱量占總產熱量的28.43%，某公司800kt/a硫酸裝置采用美國MECS公司不帶蒸汽噴射的HRS系統(tǒng)，回收0.8MPa蒸汽保證值42t/h，期望值45t/h，HRS總回收熱量1.6183×108kJ/h，折標煤5528.9kg/h，每年節(jié)約標煤44231.2 t;同等規(guī)模如采用帶蒸汽噴射的HRS系統(tǒng)，在HRS塔入口管道內噴入0.1MPa的低壓蒸汽約6t/h，副產0.8MPa的蒸汽約52t/h。

由于采用HRS系統(tǒng)，干吸工段循環(huán)水用量減少較多，不帶HRS每噸酸循環(huán)水量為48～52m3，Δt=10℃;帶HRS為25～26m3，800kt/a裝置節(jié)約循環(huán)水約2500 m3/h，折熱量1.0247×107kJ/h，折標煤350.1kg/h，每年節(jié)約標煤2800.8 t。

低溫位能熱回收技術在國內外已廣泛應用，美國MECS公司的HRS技術在國內外已有多家硫磺制酸廠使用，運行情況良好;中國石化集團南京工程公司低溫回收(DWRHS)技術、上海奧格利公司低溫熱回收技術(DWHS)已開發(fā)研究成功，在多套生產裝置使用。

國產化設備和技術在經濟上有很大的競爭優(yōu)勢，投資回收期約三年。因此建議300kt/a以上的裝置應配套建設低溫位能熱回收系統(tǒng)。

4.2 調整二吸塔氣體進口溫度

硫磺制酸裝置二吸塔進口氣體溫度一般為160～170℃，有的裝置高達180℃，氣體熱量轉移到酸中，加大了循環(huán)冷卻水用量，為了增加熱量回收，國際先進制酸技術二吸塔氣體進口溫度為135℃，某公司800kt/a裝置為146℃。

二吸塔進口氣體中SO3的濃度約為0.5%，氣體壓力約為10kPa，當氣體溫度為135～140℃時，SO3或硫酸霧的分壓低，不會產生冷凝酸，國內外已有多家工廠采用此工藝參數。

經計算800kt/a硫酸裝置二吸塔氣體入口溫度由170℃降到140℃，熱力系統(tǒng)可多回收熱量8.60 ×106kJ/h，可多產中壓蒸汽(3.82MPa、450℃) 2580 kg/h，折標煤294 kg/h，每年節(jié)約標煤2352t，同時減少Δt=8℃的循環(huán)水用量257 m3/h，折熱量1.077×106kJ/h，折標煤約為36.74kg/h，每年節(jié)約標煤294 t，以上兩項每年可節(jié)省標煤約2646 t。

4.3 采用塔后風機流程

將空氣鼓風機設置在干燥塔后(塔后風機流程)，可利用干燥塔進塔酸傳遞給干空氣的熱量，而且可利用空氣經壓縮產生的熱量，一般空氣鼓風機升壓ΔP=48～52kPa，氣體溫升48～50℃，使進焚硫爐干空氣溫度由55～65℃提高到110～115℃，焚硫爐出口爐氣溫度相應升高，增加了余熱鍋爐蒸汽產量。

經計算800kt/a硫酸裝置的塔后風機流程可多回收熱量約1.374×107kJ/h，約占總產熱量的2.41%，可多產中壓蒸汽4.12 t/h，折標煤約470 kg/h，年節(jié)省標煤約3760 t。

采用塔后風機流程時，空氣風機進口壓力約－4.5 kPa(G)，溫度約60℃，干空氣中含有少許硫酸霧。另外，干燥塔的塔徑應比采用塔前風機流程稍大，風機出口空氣總管上應設置一回流管到干燥塔進口，低負荷時調節(jié)焚硫爐進口空氣量，使干燥塔除霧段氣速保持在除霧器要求范圍內，達到高的除霧效率，減少濕空氣進入干燥塔的氣量，從而減少干燥酸的串酸量。

通過采用以上建議，熱能回收率將從64.55%提高到93.71%。

Analyze and compute the heat energy produced in 800kt/a sulfurburning sulfuric acid production plant and put forward the suggestions to raise the utilization rate of the heat energy from the plant actual conditions．

Analysis and Utilization of Heat Energy in Design of Sulfur-burning Sulfuric Acid Production Plant

Xiang Zhiquan，et al
(Yunnan Chemical Industry Design Institute Co.，Ltd.，Kunming 650041)

sulfur-burning sulfuric acid productionheat energy analysisheat energy utilizationenergy conservation

*向志全:高級工程師，國家注冊化工工程師。1961年畢業(yè)于昆明工學院化工系。歷任云南省化工設計院總工程師，云南化工設計院有限公司技術顧問，曾獲中國磷肥工業(yè)協(xié)會、中國硫酸工業(yè)協(xié)會授予“終生榮譽獎”。聯(lián)系電話:(0871)3333268。

2011－05－30)