基于夾點(diǎn)技術(shù)的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計在冶煉煙氣治理中的應(yīng)用

陳玉萍，楊曉武，湯 洛

（長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙 410014）

隨著全球能源供應(yīng)日趨緊張和環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，合理用能所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益日益凸顯，合理用能已成為化工領(lǐng)域的重要課題。合理用能的途徑主要有2種：①提高能源的利用效率，②采用換熱的方式對熱量進(jìn)行回收利用。

對冶煉煙氣治理過程而言，高濃度SO2冶煉煙氣用于生產(chǎn)硫酸，低濃度SO2冶煉煙氣（如環(huán)集煙氣）則通過除塵、脫硝、脫硫、消白后排放。制酸過程中SO2轉(zhuǎn)化、SO3吸收過程均為放熱過程；目前，SO2轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的熱量主要通過換熱系統(tǒng)實現(xiàn)自熱平衡并利用余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，SO3吸收產(chǎn)生的熱量則通過低溫余熱回收裝置進(jìn)行回收利用，這使得硫酸生產(chǎn)裝置逐漸成為綠色能源工廠。硫酸裝置不僅生產(chǎn)硫酸產(chǎn)品，而且能產(chǎn)生大量的高、中、低溫位熱能。低濃度SO2冶煉煙氣的脫硝、脫硫、消白過程則是耗能過程，需要消耗大量的熱量。現(xiàn)有的冶煉煙氣治理過程的熱量回收仍有諸多不足之處，如對換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計一般是基于單個工序而不是整體考慮，一般是基于經(jīng)驗判斷而缺乏理論指導(dǎo)。

在冶煉煙氣治理過程中，依然需要消耗大量的冷熱公用工程，尚有進(jìn)一步熱量回收的潛力。如何充分利用冶煉煙氣治理過程中產(chǎn)生的熱量，通過優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計實現(xiàn)熱量的高效耦合利用依然有待進(jìn)一步研究。

1 夾點(diǎn)技術(shù)介紹

換熱網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的基本思路是在工藝過程中有高溫流股需要被冷卻，同時低溫流股需要被加熱，所以考慮將這些冷熱流股搭配起來，用需要被冷卻的較高溫的流股加熱需要被加熱的較低溫的流股，實現(xiàn)熱量的有效利用，從而達(dá)到節(jié)能的目的。這需要采用科學(xué)方法對換熱流股進(jìn)行合理搭配，盡可能實現(xiàn)熱量的利用，減少外部公用工程的消耗量[1]。

20世紀(jì)70年代，夾點(diǎn)技術(shù)（pinch technology）作為一種設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)的工具開始出現(xiàn)并得到不斷發(fā)展，特別是在80年代，Linnhoff發(fā)展了夾點(diǎn)技術(shù)，提出換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計方案，隨后又進(jìn)一步發(fā)展為化工過程能量綜合利用。其在工業(yè)領(lǐng)域得到迅速推廣，特別是石化領(lǐng)域，成功實施創(chuàng)造了巨大的效益。

夾點(diǎn)技術(shù)是基于熱力學(xué)定律原理，采用系統(tǒng)論的方法，從宏觀角度分析換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案，避免能量的降級使用，盡可能回收熱量，以達(dá)到最小的用熱量和用冷量。其設(shè)計的基本原則是：①夾點(diǎn)之上不應(yīng)設(shè)置任何公用工程冷卻器；②夾點(diǎn)之下不應(yīng)設(shè)置任何公用工程加熱器；③不應(yīng)有跨越夾點(diǎn)的傳熱。

2 基于夾點(diǎn)技術(shù)的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.1 冷熱流股說明

某冶煉煙氣治理項目中，高濃度SO2冶煉煙氣采用稀酸洗滌凈化，“3+1”ⅢⅠ-ⅣⅡ二轉(zhuǎn)二吸常壓制酸工藝流程，制酸尾氣采用雙氧水脫硫工藝。尾氣排放量約 62 000 m3/h，尾氣溫度約 30.9 ℃。低濃度SO2環(huán)集煙氣采用離子液脫硫工藝，尾氣排放量約 300 000 m3/h，尾氣溫度約 45.5 ℃。兩股尾氣合并后升溫消白，最后經(jīng)煙囪排放。

由于離子液脫硫過程中需要用到大量的新鮮蒸汽，且產(chǎn)生的SO2解吸氣需冷凝后送制酸工序；同時離子液脫硫過程中富液需要加熱再生且部分汽化，而貧液需要被冷卻。此外，進(jìn)入煙囪排放的尾氣需要進(jìn)行加熱消白處理。因此，對離子液脫硫系統(tǒng)和煙氣消白系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮，設(shè)計構(gòu)造換熱網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)可利用的公用工程包括蒸汽（0.5 MPa，158.9 ℃），循環(huán)水（進(jìn)水溫度32 ℃，回水溫度37℃）。冷熱流股基本參數(shù)見表1。

表1 冷熱流股基本參數(shù)

2.2 換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計首先是通過夾點(diǎn)分析確定夾點(diǎn)溫度，然后根據(jù)夾點(diǎn)溫度設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)。夾點(diǎn)分析方法有復(fù)合曲線法（溫焓圖）和問題表格法2種常用方法，一般來說兩者都可以解決問題。為便于理解，該案例采用問題表格法，其步驟如下。

2.2.1 劃分溫度區(qū)間

劃分溫度區(qū)間，首先需要確定合理的最小傳熱溫差ΔTmin，最小傳熱溫差越小則熱量的回收利用越充分，但對應(yīng)的換熱面積（即設(shè)備投資）越大。根據(jù)經(jīng)驗，化工行業(yè)最小傳熱溫差可選取10～20℃。該案例中為充分回收熱量，選取最小傳熱溫差ΔTmin=10 ℃。

將冷熱流股的初始溫度和目標(biāo)溫度進(jìn)行變換。對于熱流體，相應(yīng)溫度均下降1/2ΔTmin；對于冷流體，相應(yīng)溫度均上升1/2ΔTmin，以確保相應(yīng)的冷熱流股之間能進(jìn)行匹配換熱，將所得溫度由高到低排列，劃分溫度區(qū)間，見圖1。

圖1 溫度區(qū)間劃分示意

2.2.2 計算各溫度區(qū)間內(nèi)的盈余熱量

依次對各個溫度區(qū)間做盈余熱量計算，公式如下：

式中：ΔHi——第i個溫度區(qū)間的盈余熱量，kW；

Ti——第i個溫度區(qū)間上限溫度，℃ ；

Ti+1——第i個溫度區(qū)間下限溫度，℃；

FC、FH——冷熱流股的質(zhì)量流量，kg/h；

cp,C、cp,H——冷熱流股的比熱容，kJ/(kg·℃)。

各溫度區(qū)間熱負(fù)荷見表2。

表2 各溫度區(qū)間熱負(fù)荷

2.2.3 確定夾點(diǎn)

根據(jù)傳熱原理，較高溫度下的盈余熱量可用于彌補(bǔ)較低溫度下的虧損熱量，由此可計算從高溫到低溫的各溫度點(diǎn)的累計熱量。累計熱量為負(fù)值表示需要從外界輸入熱量，累計熱負(fù)荷值最小的溫度點(diǎn)即為夾點(diǎn)。從外界引入熱量對累計熱量進(jìn)行調(diào)整，保證夾點(diǎn)處的累計熱負(fù)荷為零，計算結(jié)果見表3。

表3 累計熱負(fù)荷

外界引入的熱量即為系統(tǒng)需要引入的最小加熱量，調(diào)整后的最低界限溫度處的累計熱負(fù)荷為系統(tǒng)需要移走的熱量，即系統(tǒng)需要引入的最小冷量。

從表3可見：該案例中夾點(diǎn)溫度是48 ℃/47℃（即對熱流股夾點(diǎn)溫度為52 ℃，對冷流股夾點(diǎn)溫度為 43 ℃），需要的加熱量為 25 011 720 kW，需要的冷量為 4 534 464 kW。

夾點(diǎn)之上，不能采用任何公用工程冷卻器；夾點(diǎn)之下，不能采用任何公用工程加熱器。如違背夾點(diǎn)原理，直接采用循環(huán)水對SO2解吸氣進(jìn)行冷卻，即在夾點(diǎn)之上采用了公用工程冷卻器，會多消耗循環(huán)水434 m3/h；如全部采用新鮮蒸汽對排放尾氣進(jìn)行升溫消白，即在夾點(diǎn)之下采用了公用工程加熱器，會多消耗蒸汽約6.5 t/h，這都造成了熱量的浪費(fèi)。

2.2.4 構(gòu)造換熱網(wǎng)絡(luò)

在不違背夾點(diǎn)換熱原則的前提下，進(jìn)行換熱系統(tǒng)的設(shè)計。換熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造并不唯一，在設(shè)計時需結(jié)合考慮流股特性和匹配原則，以確保換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計達(dá)到優(yōu)化。

該案例中，根據(jù)夾點(diǎn)法設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)見圖2。

圖2 夾點(diǎn)法換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

其中，E1為消白煙氣-SO2解吸氣換熱器，即采用SO2解吸氣對消白煙氣進(jìn)行初步加熱。消白煙氣溫度由43 ℃升溫至83.6 ℃。E2為貧富液換熱器，其目標(biāo)溫度剛好為夾點(diǎn)溫度（貧液出口溫度52 ℃）。E3為消白煙氣加熱器，采用蒸汽對消白煙氣進(jìn)行升溫至90 ℃。E4、E5為富液加熱器，即采用外界蒸汽對富液進(jìn)行升溫加熱，實際過程中這兩個換熱器相當(dāng)于再生塔的再沸器。E6為貧液冷卻器，采用循環(huán)水對貧液進(jìn)行冷卻，將貧液從52 ℃冷卻到40 ℃。

3 總結(jié)及應(yīng)用前景

采用夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計換熱系統(tǒng)，能有效利用工藝過程中的熱量，可節(jié)約大量的冷熱公用工程。在該案例中，采用夾點(diǎn)法設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)公用工程消耗最少，證明了換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計在熱量回收上的有效性。

當(dāng)然，該案例中僅以離子液脫硫系統(tǒng)和煙氣消白系統(tǒng)作為考察對象，設(shè)計的換熱網(wǎng)絡(luò)只運(yùn)用在這兩個系統(tǒng)，而未考慮整個冶煉煙氣治理過程，其所得的結(jié)果僅為局部最優(yōu)，而非整體最優(yōu)。

在實際冶煉煙氣治理過程中，由于系統(tǒng)產(chǎn)熱遠(yuǎn)大于系統(tǒng)用熱，會導(dǎo)致人們對熱量進(jìn)一步回收的關(guān)注較少，夾點(diǎn)法在冶煉煙氣治理過程中的應(yīng)用相對較少。但是，夾點(diǎn)法依然可以運(yùn)用在冶煉煙氣治理系統(tǒng)中。筆者分析，夾點(diǎn)法在冶煉煙氣治理系統(tǒng)中的應(yīng)用前景至少包含以下幾個方面：

1）對冶煉煙氣制酸過程整體進(jìn)行分析，如陳珊采用夾點(diǎn)法對韶冶煙氣制酸系統(tǒng)進(jìn)行了研究[2]，并對煙氣制酸熱系統(tǒng)進(jìn)行了分析及優(yōu)化。通過合理設(shè)置冷凍機(jī)組，消除夾點(diǎn)障礙，實現(xiàn)了換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化集成和系統(tǒng)節(jié)能。需要注意的是，由于冶煉制酸過程中冷熱流股的數(shù)量較多，最好是借助計算機(jī)輔助工具（如ASPEN軟件）來實現(xiàn)換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

2）干吸工序低溫余熱回收系統(tǒng)的換熱系統(tǒng)設(shè)計可采用夾點(diǎn)法驗證其合理性，以盡可能多的回收干吸工序的低溫位熱量。

3）低溫余熱回收系統(tǒng)產(chǎn)生中、低溫?zé)崮埽x子液脫硫系統(tǒng)消耗中、低溫?zé)崮?，可將低溫余熱回收系統(tǒng)和離子液脫硫系統(tǒng)的熱量進(jìn)行耦合，采用夾點(diǎn)法設(shè)計換熱系統(tǒng)，以極大的節(jié)約能源。