熱管鍋爐在某銅冶煉廠煙氣制酸系統(tǒng)余熱回收中的應(yīng)用

朱啟保 李 忠

(金川集團(tuán)股份有限公司， 甘肅 金昌 737100)

0 前言

鎳銅冶煉煙氣在生產(chǎn)硫酸過程中會(huì)產(chǎn)生大量的中低溫余熱，包括煙氣降溫?zé)帷⒍趸蜣D(zhuǎn)化熱以及三氧化硫吸收熱等，據(jù)測(cè)算，生產(chǎn)1 t硫酸可副產(chǎn)0.5～0.7t蒸汽。目前國(guó)內(nèi)大部分工廠都是通過循環(huán)冷卻水和風(fēng)機(jī)將這部分熱量移出系統(tǒng)，不僅造成熱能和水資源的極大浪費(fèi)，而且還會(huì)造成環(huán)境污染。隨著國(guó)家節(jié)能減排力度的加大和資源綜合利用水平的不斷提高，鎳銅冶煉煙氣制酸過程中產(chǎn)生的中低溫余熱回收利用勢(shì)在必行。熱管鍋爐可以回收三氧化硫煙氣在轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的中低溫余熱，并將進(jìn)行有效利用，因具有傳熱效率高、流體阻損小、有利于控制露點(diǎn)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于冶金、化工、煉油等工業(yè)領(lǐng)域。

1 某銅冶煉廠硫酸系統(tǒng)的生產(chǎn)現(xiàn)狀

某銅冶煉廠70萬t/a硫酸系統(tǒng)采用雙轉(zhuǎn)雙吸生產(chǎn)工藝，一次轉(zhuǎn)化后的煙氣進(jìn)行一次吸收，二次轉(zhuǎn)化后進(jìn)行二次吸收，轉(zhuǎn)化率、吸收率分別為99.5%、99.99%，二吸塔出口煙氣經(jīng)堿液吸收后達(dá)標(biāo)排放。為了獲得較好的吸收效率，同時(shí)避免煙氣結(jié)露，一般進(jìn)入吸收塔前，利用常溫空氣換走SO3氣體中的熱量，并將溫度控制在170～190 ℃。改造前，該硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)SO2轉(zhuǎn)化熱通過風(fēng)機(jī)冷卻外排大氣中，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。某銅冶煉廠決定依托現(xiàn)有70萬t/a硫酸系統(tǒng)的DCS系統(tǒng)，采用成熟、可靠的熱管鍋爐技術(shù)——分離型循環(huán)管式蒸發(fā)器作為余熱回收裝置進(jìn)行擴(kuò)能改造。

2 分離型熱管鍋爐

熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，通過在全封閉真空管內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與冷凝來傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可調(diào)控、可遠(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)[1-2]。應(yīng)用熱管原理及其優(yōu)點(diǎn)，將熱管作為傳熱元件，可以做成各種熱管換熱器，將其做成熱管蒸發(fā)器時(shí)，即為所謂的熱管鍋爐[3]。熱管鍋爐具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、傳熱效率高、無運(yùn)動(dòng)部件、維護(hù)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，特別適宜于中、低溫余熱的回收。

2.1 分離型熱管的優(yōu)點(diǎn)

分離型熱管的蒸汽上升和工作液體的返回，分別通過蒸汽上升管及液體回流管完成，汽、液分別在各自的管內(nèi)流動(dòng)。其除具有熱管的基本特性外，還具備如下優(yōu)點(diǎn)：

1) 蒸汽和冷凝液體是同向流動(dòng)、分管而行，不存在攜帶傳熱極限。

2) 真空度是通過排放不凝性氣體獲得的，不需要抽真空。

3) 冷、熱流體的分箱結(jié)構(gòu)可防止其間的相互泄漏。

4) 可實(shí)現(xiàn)多種流體間的換熱。

2.2 分離型熱管鍋爐的工作原理

分離型循環(huán)管式熱管鍋爐由熱管加熱段、上下聯(lián)箱、外聯(lián)管(熱管上升管和熱管下降管)、熱管放熱段及汽包等部分構(gòu)成[4]，如圖1所示。

熱管受熱段置于熱流體風(fēng)道內(nèi)，熱流體橫向沖刷熱管受熱段；熱管元件冷卻段設(shè)置在汽包內(nèi)，汽、水系統(tǒng)的受熱和熱源分離，獨(dú)立存在于熱流體的通道之外，汽、水系統(tǒng)不受熱流體的沖刷。熱管元件(包括吸熱段、放熱段、上升管、下降管)內(nèi)的工質(zhì)密閉循環(huán)，汽包內(nèi)的汽、水不參與循環(huán)，煙氣側(cè)與汽、水側(cè)實(shí)現(xiàn)真正意義上的完全分隔。上下聯(lián)箱通過外聯(lián)管路與汽包內(nèi)的熱管元件冷側(cè)連接，降低了制造難度。

圖1 分離型循環(huán)管式熱管鍋爐的工作原理

3 余熱利用的改造方案

某銅冶煉廠在現(xiàn)有70萬t/a硫酸系統(tǒng)的DCS系統(tǒng)基礎(chǔ)上，配套2臺(tái)熱管余熱鍋爐系統(tǒng)，利用SO2轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的中溫位余熱生產(chǎn)蒸汽進(jìn)行擴(kuò)能改造。

3.1 余熱回收系統(tǒng)的工藝流程

在轉(zhuǎn)化工段轉(zhuǎn)化器東側(cè)空地處建設(shè)熱管余熱鍋爐，1#熱管余熱鍋爐建設(shè)在1#SO3冷卻風(fēng)機(jī)的北側(cè)空地，2#熱管余熱鍋爐建設(shè)在2#SO3冷卻器東側(cè)(干吸和轉(zhuǎn)化之間的空地)。2套熱管鍋爐余熱裝置的控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 余熱回收系統(tǒng)的工藝流程

1)1#、2#熱管余熱鍋爐入口煙氣均引自2臺(tái)SO3冷卻器管程入口管道，出口煙道并入SO3冷卻器管程出口煙道。

2)原有SO3冷卻器及煙道作為旁路，并在3#、4#外熱交出口至SO3冷卻器之間，分別靠冷卻器一側(cè)增加1臺(tái)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，該閥作為吸收塔入口煙氣溫度或余熱鍋爐故障切換調(diào)節(jié)使用。

3.2 采用雙層Y型并聯(lián)進(jìn)氣，實(shí)現(xiàn)高效傳熱

2套余熱回收裝置均由除氧器、汽包、蒸發(fā)器和煙氣通道組成。處理煙氣量較大，分別為258 192.4 Nm3/h和236 581.7 Nm3/h，入口煙氣溫度分別為280 ℃和255 ℃，鍋爐入口煙道直徑為DN2 800 mm。若煙氣全部徑直進(jìn)入蒸發(fā)器，煙氣流速大，一方面會(huì)造成阻力增大；另一方面高溫?zé)煔馀c鍋爐蒸發(fā)器內(nèi)盤管接觸時(shí)間短，會(huì)造成換熱效率低，且煙氣垂直方向沖向盤管，會(huì)增加盤管的磨損。為此，對(duì)煙氣流向及煙道接入方式進(jìn)行了技術(shù)研究。

1)煙氣流動(dòng)的控制方程適合采用低馬赫數(shù)形式的三維非穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程的近似形式，氣體狀態(tài)方程為：

p=ρRT

(1)

式中：p——壓強(qiáng)，Pa;

ρ——密度，g/m3；

R——理想氣體常數(shù)；

T——熱力學(xué)溫度，K。

由式(1)可知，斜插、分層、增大蒸發(fā)器口徑有利于減小阻力、減輕垂直碰撞磨損、傳遞熱量。

2)傳熱的基本方程式：

Q=KFΔt

(2)

式中：Q——傳熱量，W;

K——傳熱系數(shù)，W/m2·℃；

F——傳熱面積，m2；

Δt——熱流體與冷流體間的溫差，℃。

由式(2)可知，翅片結(jié)構(gòu)有利于增大傳熱面積，進(jìn)而增加傳熱量。與斜插原理相結(jié)合，改進(jìn)傳熱管結(jié)構(gòu)，蒸發(fā)器內(nèi)光管包裹工質(zhì)通道，外端設(shè)計(jì)翅片結(jié)構(gòu)，翅片切斜、與煙氣入口方向垂直，提高傳熱效率，如圖3所示。

3.3 采用熱管- 低溫- 預(yù)熱多級(jí)雙層控?zé)峒夹g(shù)

轉(zhuǎn)化1#、2#余熱鍋爐的入口煙氣溫度分別為280 ℃和255 ℃，從多產(chǎn)蒸汽的角度分析，出口煙氣溫度控制得越低越好；從獲得盡可能高的吸收效率角度分析，出口煙氣溫度應(yīng)該控制得適宜；從保護(hù)設(shè)備設(shè)施角度分析，出口煙氣溫度應(yīng)該控制得越高越好。綜合以上三點(diǎn)，余熱鍋爐出口煙氣最佳溫度為：露點(diǎn)溫度以上，盡量低。因此，從轉(zhuǎn)化設(shè)備設(shè)施腐蝕機(jī)理、溫度調(diào)節(jié)方式等方面展開研究，結(jié)合熱量計(jì)算，采用了熱管- 低溫- 預(yù)熱多級(jí)雙層控?zé)峒夹g(shù)。

圖3 雙層Y型并聯(lián)進(jìn)氣示意圖

3.3.1 余熱回收裝置腐蝕機(jī)理

目前制酸系統(tǒng)余熱回收裝置的腐蝕問題是制約余熱回收的瓶頸，無論是何種余熱回收裝置，都避免不了SO3冷凝對(duì)余熱回收裝置氣室的腐蝕影響，余熱回收裝置的腐蝕主要集中在受熱面(氣室)的硫酸腐蝕，因?yàn)槲膊渴軣崦鎱^(qū)的煙氣和管壁溫度較低，所以稱為低溫腐蝕。冶煉煙氣制酸系統(tǒng)的SO2煙氣在催化劑的作用下進(jìn)一步氧化生成SO3，而SO3與煙氣中的水蒸氣生成硫酸蒸氣[5-6]。硫酸蒸氣的存在使煙氣的露點(diǎn)溫度顯著升高，當(dāng)SO3煙氣溫度較低時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生冷凝對(duì)換熱管及氣室本體的腐蝕，影響余熱回收裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)以下公式對(duì)SO3氣體的露點(diǎn)溫度進(jìn)行計(jì)算：

1)弗霍夫露點(diǎn)計(jì)算公式

1 000/T=2.276-0.029 4ln(PH2O)-
0.085 8ln(PSO3)+0.006 2ln(PH2O·PSO3)

(3)

2)盧欽斯基相平衡數(shù)據(jù)回歸露點(diǎn)計(jì)算公式

當(dāng)PH2O>1.102PSO3，C≤98.3% 時(shí)，

1 000/T=2.281 19-0.066 2(PH2O)-
0.048 77ln(PSO3)；

(4)

當(dāng)PH2O<1.102PSO3，C≥100% 時(shí)，

1 000/T=2.494 78-0.088 8ln(PH2O)-
0.032 04ln(PSO3)

(5)

式中：PH2O——?dú)庀嘀兴姆謮?，mmHg；

PSO3——?dú)庀嘀腥趸虻姆謮? mmHg；

C——露點(diǎn)時(shí)液相中硫酸質(zhì)量濃度，%；

T——露點(diǎn)溫度，K。

根據(jù)公式(3)、(4)和(5)，推算轉(zhuǎn)化Ⅲ、Ⅳ熱交換器出口SO3煙氣的露點(diǎn)溫度為156.3 ℃。

3.3.2 旁通溫度調(diào)節(jié)

根據(jù)余熱回收裝置露點(diǎn)溫度的計(jì)算，進(jìn)入裝置氣室煙氣溫度高于160 ℃，即可滿足余熱回收裝置的安全性，因此根據(jù)鍋爐整體配置，在2臺(tái)氣室進(jìn)出口分別增設(shè)一條旁通煙道，并設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥門。正常鍋爐操作時(shí)，可將全部煙氣引入氣室與換熱管進(jìn)行換熱，保證余熱回收裝置的合理生產(chǎn)負(fù)荷；當(dāng)余熱回收裝置故障條件下，裝置孤立，氣室煙氣溫度逐步下降，為了防止煙氣溫度低于160 ℃的臨界溫度條件，可將部分煙氣通過調(diào)節(jié)引入裝置，以提升裝置氣室內(nèi)的煙氣溫度，滿足裝置腐蝕臨界點(diǎn)的要求。

3.3.3 余熱裝置“伴熱防露”調(diào)節(jié)

轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中進(jìn)入余熱裝置的SO3濃度較高，一般達(dá)到10%以上，而且冶煉系統(tǒng)煙氣濃度、氣量波動(dòng)較大，對(duì)轉(zhuǎn)化SO3的溫度變化會(huì)引起大幅度波動(dòng)。為了確保余熱回收裝置能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行且不受煙氣波動(dòng)的影響，在轉(zhuǎn)化系統(tǒng)余熱回收裝置過熱器的底部增加了伴熱管。在煙氣SO2濃度過低、系統(tǒng)停爐及冬季停車時(shí)，為防止裝置低溫腐蝕、熱管內(nèi)工質(zhì)凍結(jié)，采用鍋爐出口的蒸汽進(jìn)行伴熱，保證溫度在露點(diǎn)溫度以上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安全運(yùn)行。

3.4 主要設(shè)備及輔助設(shè)施

新增2臺(tái)熱管鍋爐的余熱回收系統(tǒng)的主要設(shè)備、輔助設(shè)施、工藝管道見表1。

4 余熱回收裝置的應(yīng)用效果

改造前，某銅冶煉廠70萬t/a硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)二氧化硫轉(zhuǎn)化熱通過風(fēng)機(jī)冷卻全部外排大氣中，資源浪費(fèi)和環(huán)境污染嚴(yán)重；改造后將風(fēng)機(jī)冷卻外排熱量全部回收。按鎳冶煉富氧頂吹爐設(shè)計(jì)投料計(jì),進(jìn)入70萬t/a硫酸系統(tǒng)的煙氣量為220 000～250 000 Nm3/h，煙氣二氧化硫濃度為7.5%～9%，2臺(tái)熱管余熱鍋爐平均蒸汽產(chǎn)量合計(jì)為16 t/h，年回收余熱蒸汽量達(dá)12.8萬t?；厥沼酂岬耐瑫r(shí)節(jié)約了電和燒堿的消耗，優(yōu)化了系統(tǒng)工藝指標(biāo)，改善了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，對(duì)制酸系統(tǒng)節(jié)能增效、降低生產(chǎn)成本具有重要意義。

表1 主要設(shè)備及工藝管道

5 結(jié)束語(yǔ)

冶煉煙氣制酸過程的轉(zhuǎn)化工段屬于放熱化學(xué)反應(yīng)過程，大量的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮茚尦?，必須采用科學(xué)的方法將余熱回收并加以利用。目前，硫酸系統(tǒng)匹配熱管余熱鍋爐已經(jīng)成為硫酸熱能綜合利用的趨勢(shì)，充分利用較為穩(wěn)定的煙氣條件，通過在轉(zhuǎn)化工段增加中溫位熱管余熱鍋爐，將此部分長(zhǎng)期外排熱風(fēng)中的熱能充分回收利用，生產(chǎn)副產(chǎn)價(jià)值更高的蒸汽，不僅避免了系統(tǒng)熱能資源的損失，創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益，降低硫酸生產(chǎn)成本；而且對(duì)企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步、節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益具有重要意義。