節(jié)能問(wèn)題下硫酸工藝和設(shè)備選擇分析

陳海洋

（大冶有色金屬有限責(zé)任公司冶煉廠，湖北黃石 435005）

根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院公布的相關(guān)數(shù)據(jù)：2022年12月我國(guó)硫酸月度產(chǎn)量達(dá)到了850.8萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)3.3%，年度產(chǎn)量為9 504.6萬(wàn)t，總降幅0.5%，表明整體硫酸生產(chǎn)力有所減弱，為滿足硫酸實(shí)際需求，理應(yīng)從生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備層面進(jìn)行優(yōu)化，兼顧生態(tài)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)設(shè)綠色制酸項(xiàng)目，以便妥善解決高能耗問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)硫酸產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)，進(jìn)一步降低能耗，控制生產(chǎn)投入度。

1 硫酸生產(chǎn)節(jié)能問(wèn)題

硫酸產(chǎn)品在諸多產(chǎn)業(yè)中均有重要作用，比如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中針對(duì)棉花種子常用硫酸進(jìn)行有效脫絨，表明行業(yè)硫酸需求量普遍較高，一旦能耗較大，不但影響制酸企業(yè)的生產(chǎn)效益，而且長(zhǎng)此以往會(huì)在高能耗下加劇環(huán)境污染。通常情況下硫酸生產(chǎn)項(xiàng)目中多釋放大量的二氧化硫成分，隨即在催化反應(yīng)下形成三氧化硫，并且98%左右的濃硫酸產(chǎn)品可順利被高塔吸收。而在硫酸生產(chǎn)階段不同工藝下形成的能耗種類存在差異性。以應(yīng)用普遍的硫磺制酸工藝為例，其生產(chǎn)流程見(jiàn)圖1，基本上會(huì)消耗45 kW·h 至90 kW·h 電能，液態(tài)水能耗基本在2 m3左右，而低壓蒸汽能耗為140 ~180 kg。如若以鋅精礦制酸工藝生產(chǎn)硫酸產(chǎn)品，其電能和液態(tài)水耗能量分別為120~150 kW·h、＜2 m3，甚至在制酸環(huán)節(jié)也會(huì)出現(xiàn)熱量損失。特別是在鋅精礦制酸項(xiàng)目中，常需要在不同溫度環(huán)境下（500℃以下）汲取熱能，且1 t 硫酸產(chǎn)品的制備多釋放至少2 500 J熱量，對(duì)應(yīng)燃料用量為100 kg（燃煤），若此部分散失的熱量能重新得到利用，也能應(yīng)對(duì)節(jié)能風(fēng)險(xiǎn)。要想滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，需針對(duì)具體能耗種類提出優(yōu)化建議，涵蓋生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備兩項(xiàng)內(nèi)容[1]。

圖1 硫磺制酸工藝流程演示圖

關(guān)于能量損失問(wèn)題的形成，一方面會(huì)加劇制酸企業(yè)生產(chǎn)成本，另一方面將降低企業(yè)效益水平，使之難以有充足資金用于開(kāi)設(shè)長(zhǎng)遠(yuǎn)制酸項(xiàng)目。對(duì)此，加強(qiáng)能耗分析與節(jié)能優(yōu)化管理是制酸企業(yè)發(fā)展中重要改革事項(xiàng)。出于對(duì)制酸項(xiàng)目中能量的高效利用以及能耗損失的有效控制的目的，理應(yīng)制定工藝優(yōu)化和設(shè)備改進(jìn)規(guī)劃，以期節(jié)能問(wèn)題得到妥善處理。

2 節(jié)能問(wèn)題下硫酸工藝優(yōu)化方法

2.1 再生制硫酸工藝

于硫酸生產(chǎn)工藝實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，除了按照既定制酸工藝保持硫酸基本產(chǎn)量供應(yīng)保障外，還可以在濃硫酸生產(chǎn)項(xiàng)目中重點(diǎn)利用低濃度稀廢硫酸，此類產(chǎn)品常作為殘留組分被損耗，如若能利用再生制硫酸工藝對(duì)其進(jìn)行回收，可適當(dāng)提高濃硫酸總體生產(chǎn)量。首先，基于節(jié)能需求，需要加強(qiáng)對(duì)濃硫酸生產(chǎn)項(xiàng)目中稀廢硫酸的有效回收，隨即對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理操作，以噴霧濃縮方式實(shí)施充分分解和完全燃燒，具體可以借助清潔燃料創(chuàng)造燃燒條件，預(yù)處理后的廢硫酸產(chǎn)品能成為具備開(kāi)發(fā)價(jià)值的硫酸產(chǎn)品。需注意的是，在此工藝應(yīng)用環(huán)節(jié)需借助脫硫器、氧化器等設(shè)備做好脫硫處理，以免影響制酸質(zhì)量；其次，預(yù)處理后進(jìn)入高溫環(huán)境時(shí)還要將脫硫后的產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到裂解場(chǎng)景內(nèi)，一般質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%稀硫酸按照此工藝處理后質(zhì)量分?jǐn)?shù)將提高15%，繼而通過(guò)稀硫酸向濃硫酸的有效制備，提高整體制酸產(chǎn)量；最后，為達(dá)成再生制硫酸工藝制備目標(biāo)，還要研發(fā)專用設(shè)備。以托普索公司研發(fā)的一種制酸設(shè)備為例，以硫化氫充當(dāng)原料氣體，能夠順利將稀硫酸中含有的硫酸成分轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，并從中提取出二氧化硫，便于在該工藝助力下降低制酸項(xiàng)目的能耗?；厥障×蛩帷U棄硫酸等原料時(shí)，也要利用成本控制方式避免出現(xiàn)電能損失、蒸汽損失等問(wèn)題。

2.2 脫氟循環(huán)利用工藝

硫酸生產(chǎn)中除了需要濃硫酸產(chǎn)品外，也要生產(chǎn)一定稀硫酸。因此在優(yōu)化硫酸工藝時(shí)，也可以運(yùn)用脫氟循環(huán)利用工藝防范原有工藝脫氟處理消耗的電能等能源損失后果。即該工藝下可及早去除稀硫酸產(chǎn)品中的氟成分，以免后續(xù)花費(fèi)較多能量解決氟超標(biāo)問(wèn)題。具體可從魯北集團(tuán)工藝優(yōu)化成果中汲取經(jīng)驗(yàn)，早期出于節(jié)能降耗目的，該企業(yè)專門(mén)將制酸原料從半水石膏調(diào)整為二水石膏，而后以磷石膏制備硫酸，并聯(lián)合脫氟循環(huán)利用工藝降低稀硫酸氟含量。于此工藝應(yīng)用階段，需要增設(shè)復(fù)式烘干機(jī)，使稀硫酸制備環(huán)節(jié)消耗的電能等其他能量得到有效控制，同時(shí)原料的更換還能凈化生產(chǎn)環(huán)境。該企業(yè)每年硫酸產(chǎn)量高達(dá)20萬(wàn)t，且需要配備30萬(wàn)t 水泥材料，造成預(yù)熱環(huán)節(jié)長(zhǎng)期處于高能耗狀態(tài)，此時(shí)可以在原有制酸結(jié)構(gòu)上安裝帶有粉煤灰涂層的濾膜，使稀硫酸達(dá)到濃度標(biāo)準(zhǔn)后順利進(jìn)入干燥、吸收步驟。此工藝下進(jìn)行脫氟處理時(shí)，還要使用除氟藥劑，使整體氟含量低于300 mg/L，甚至能夠?qū)腋∥餄舛日{(diào)整為20 mg/L，保證該工藝為稀硫酸生產(chǎn)項(xiàng)目中原料損耗和電能損耗提供可靠保障。

至于此工藝下配置的相關(guān)設(shè)備，實(shí)則可以選用碳鋼襯膠自動(dòng)反洗表面過(guò)濾器和長(zhǎng)120 cm，寬180 cm，容積2 m3的除氟裝置，每小時(shí)10 m3流量的耐酸超濾裝置，每小時(shí)50 m3且揚(yáng)程25 m 的進(jìn)液泵，每小時(shí)10 m3流量且揚(yáng)程15 m 的除氟泵等設(shè)備，硫酸工藝與設(shè)備的充分匹配是發(fā)揮工藝節(jié)能價(jià)值的重要依據(jù)。

2.3 余熱回收利用工藝

除了要實(shí)現(xiàn)電能、蒸汽等能量的有效節(jié)約外，還要運(yùn)用余熱回收利用工藝降低熱量損耗量。針對(duì)熱量損耗問(wèn)題，可以劃分不同溫度區(qū)間實(shí)現(xiàn)高效回收利用，且回收的熱量可重新用于低壓蒸汽或燃燒預(yù)熱環(huán)節(jié)。大于500℃的高溫區(qū)間內(nèi)，應(yīng)充分回收高壓蒸汽能量，可以配備高壓透平機(jī)，隨即在設(shè)備助力下提高熱量利用率，同時(shí)制酸企業(yè)的成本投入也將隨之減少。至于250℃~500℃中溫區(qū)間，此時(shí)需重點(diǎn)加強(qiáng)反應(yīng)轉(zhuǎn)化器預(yù)熱回收，即依靠冷卻設(shè)備調(diào)控溫度，使之在冷卻處理下避免消耗過(guò)多熱量，所配備的設(shè)備以省煤器、低壓鍋爐為主，促使在SO3→SO2轉(zhuǎn)化過(guò)程中多余熱能能順利被冷卻裝置利用吸收。而溫度低于250℃的低溫區(qū)，可運(yùn)用輔料調(diào)整吸收條件[2]。例如可以增加高濃度硫酸，使之在加熱后得以分解，此時(shí)有望助力制酸企業(yè)節(jié)省熱能，從余熱利用環(huán)節(jié)為硫酸生產(chǎn)工作提供能量。同時(shí)，也可以與發(fā)電裝置共聯(lián)設(shè)計(jì)，所消耗的余熱可回收供應(yīng)給發(fā)電機(jī)，在某種程度上可適當(dāng)節(jié)省硫酸生產(chǎn)電能用量。

上述每項(xiàng)工藝的優(yōu)化應(yīng)用都需要針對(duì)硫酸設(shè)備予以改進(jìn)設(shè)計(jì)，因而制酸企業(yè)在制備硫酸產(chǎn)品時(shí)，除了要加強(qiáng)制酸工藝的優(yōu)化處理外，也要加強(qiáng)制酸設(shè)備結(jié)構(gòu)的升級(jí)改造，以期在工藝導(dǎo)向下提高硫酸生產(chǎn)綜合效益和節(jié)能水平。

3 節(jié)能問(wèn)題下硫酸生產(chǎn)設(shè)備選擇路徑

基于節(jié)能問(wèn)題優(yōu)選硫酸生產(chǎn)設(shè)備，在上述配備與優(yōu)化工藝相匹配的生產(chǎn)設(shè)備之上，也要兼顧工藝未更新條件下生產(chǎn)設(shè)備選擇標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而為硫酸生產(chǎn)項(xiàng)目的節(jié)能發(fā)展提供全方位指引，制酸企業(yè)既可以同步優(yōu)化工藝和設(shè)備，又能單純改進(jìn)制酸設(shè)備。

3.1 修復(fù)電除霧器氣室

在選擇制酸設(shè)備期間，可以針對(duì)電除霧器氣室予以修復(fù)，正如安徽司爾特肥業(yè)以往開(kāi)設(shè)硫鐵礦制酸項(xiàng)目，每年生產(chǎn)20 kt 硫酸產(chǎn)品，具體運(yùn)用氧化凈化（焙燒酸洗）工藝。為增強(qiáng)硫酸生產(chǎn)力，考慮到所用設(shè)備有破損問(wèn)題，出于節(jié)約修復(fù)成本等節(jié)能目的，專門(mén)編制了電除霧器氣室修復(fù)計(jì)劃，預(yù)計(jì)選擇玻璃鋼蜂窩管式電除霧器，此設(shè)備配有196個(gè)支管[3]。因設(shè)備運(yùn)行中易受制酸影響出現(xiàn)硫含量殘留問(wèn)題，造成整體設(shè)備修復(fù)成本偏高，在執(zhí)行修復(fù)計(jì)劃后保留原有防腐結(jié)構(gòu)的前提下，增設(shè)拉桿裝置，以蝸桿減速機(jī)充當(dāng)切斷閥開(kāi)關(guān)配件，原有切斷閥需要至少人工轉(zhuǎn)動(dòng)300轉(zhuǎn)才能啟動(dòng)切斷動(dòng)作，而修復(fù)后既可節(jié)省人力，同時(shí)消耗費(fèi)用僅需5 000元，比原有人工手輪結(jié)構(gòu)更有實(shí)操性，并在耐酸耐腐玻璃鋼元件助力下建立相對(duì)密閉的氣室環(huán)境，此種增強(qiáng)原有設(shè)備結(jié)構(gòu)更具穩(wěn)定性和抗壓特性。經(jīng)過(guò)在該企業(yè)中的實(shí)際投運(yùn)，其節(jié)能效果如表1所示，驗(yàn)證選擇修復(fù)后的電除霧器設(shè)備具有實(shí)踐價(jià)值，制酸企業(yè)可以使用此設(shè)備打造氣室場(chǎng)所。

表1 修復(fù)電除霧器選擇前后效果對(duì)比

3.2 優(yōu)化陽(yáng)性保護(hù)設(shè)備

在“中國(guó)制造2025”規(guī)劃指引下解決制酸項(xiàng)目產(chǎn)生的節(jié)能問(wèn)題，還可以通過(guò)選擇優(yōu)化后的陽(yáng)性保護(hù)設(shè)備降低制酸能耗。陽(yáng)性保護(hù)設(shè)備指的是濃硫酸冷卻器陽(yáng)極保護(hù)設(shè)備，與往日所用的鐵制冷卻器相比，不但易于保養(yǎng)、綠色節(jié)能優(yōu)勢(shì)，而且還能有效提高冷卻效率。為保證新時(shí)代背景下達(dá)成綠色生產(chǎn)、節(jié)能發(fā)展目標(biāo)，要求優(yōu)選陽(yáng)性保護(hù)設(shè)備。該設(shè)備主要是通過(guò)電流釋放提高電極電位，便于形成金屬耐腐鈍化膜。從活化區(qū)向鈍化區(qū)變化時(shí)能夠延緩設(shè)備金屬腐蝕速度，由此確保冷卻器有優(yōu)良冷卻狀態(tài)，不會(huì)因過(guò)早腐蝕提高能耗。在對(duì)現(xiàn)有陽(yáng)性保護(hù)設(shè)備予以優(yōu)化時(shí)，可以增設(shè)遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)預(yù)警、智能排障等功能。例如與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行共聯(lián)設(shè)計(jì)，促使系統(tǒng)連接后的設(shè)備能遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備使用動(dòng)態(tài)，隨即在數(shù)據(jù)分析中預(yù)判制酸項(xiàng)目中冷卻條件。一旦出現(xiàn)設(shè)備冷卻缺陷隱患，須立即提出解決對(duì)策，以免在低效冷卻下引發(fā)高能耗后果[4]。同時(shí)，在智能排障功能下可以通過(guò)采集控制參數(shù)和設(shè)定值的大小比較結(jié)果判斷故障原因，并按照標(biāo)準(zhǔn)化故障排除方案及時(shí)處理。例如電流控制參數(shù)低于設(shè)定值，可能表示設(shè)備存在主板損毀、信號(hào)線斷開(kāi)等問(wèn)題，隨之以更換、檢查決策快速修復(fù)。而硫酸制備中處于高溫狀態(tài)，此時(shí)可能引起“大電流”故障，即兩項(xiàng)參數(shù)相同，此時(shí)可以從設(shè)備反饋結(jié)果中執(zhí)行降溫計(jì)劃。與未優(yōu)化前的陽(yáng)性保護(hù)設(shè)備比較，選擇優(yōu)化后設(shè)備顯然效果更好，可早期預(yù)判能耗范圍，通過(guò)增強(qiáng)排障時(shí)效性維護(hù)硫酸生產(chǎn)能耗穩(wěn)定性。

3.3 引入高性能制酸設(shè)備

為解決節(jié)能問(wèn)題，應(yīng)積極選擇高性能制酸設(shè)備，本文列舉凱密迪化工企業(yè)硫酸設(shè)備更新成果，從中歸納適用于硫酸生產(chǎn)場(chǎng)景中的優(yōu)良設(shè)備。該企業(yè)在設(shè)備革新環(huán)節(jié)，針對(duì)原有硫酸制備轉(zhuǎn)化器進(jìn)行改進(jìn)，即剔除一二段床層間隔管道，未改進(jìn)前該部分管道為高能耗區(qū)，且安裝此設(shè)備時(shí)需要數(shù)月方能完成且投入人力多達(dá)50余人，因此在后期該企業(yè)選擇配備預(yù)制轉(zhuǎn)化器。另外，在原有準(zhǔn)等溫反應(yīng)器設(shè)備使用中，容易產(chǎn)生質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%以上的二氧化硫，與既定12%標(biāo)準(zhǔn)不相符，因此選擇BAYQIK 注冊(cè)產(chǎn)品進(jìn)行更換。經(jīng)過(guò)該設(shè)備的成功引進(jìn)，所需成本得到有效縮減，投資額度降低30%，并且在模擬實(shí)驗(yàn)中該產(chǎn)品能夠達(dá)到477℃的出口溫度，每小時(shí)體積流量為1萬(wàn)m3，反應(yīng)器內(nèi)溫度最高值537℃，能夠獲得94%以上的轉(zhuǎn)化率，由此表明高性能設(shè)備應(yīng)當(dāng)成為硫酸生產(chǎn)環(huán)節(jié)較為關(guān)鍵的選擇依據(jù)，而且也可采用有效措施優(yōu)化設(shè)備性能，如實(shí)施定期保養(yǎng)等，促使投入的新設(shè)備擁有持久性運(yùn)行狀態(tài)，以優(yōu)質(zhì)設(shè)備持續(xù)助力硫酸高效生產(chǎn)。

4 結(jié)論

基于節(jié)能問(wèn)題下優(yōu)化硫酸工藝并選擇適合的生產(chǎn)設(shè)備，理應(yīng)借助再生制硫酸工藝、脫氟循環(huán)利用工藝、余熱回收利用工藝提高能源利用率，而后從電除霧器氣室、陽(yáng)性保護(hù)設(shè)備、高性能制酸設(shè)備等方面著手，建立節(jié)能生產(chǎn)環(huán)境。隨著能耗水平的降低，制酸項(xiàng)目將逐漸體現(xiàn)低能耗、低成本優(yōu)勢(shì)，助力制酸企業(yè)盡快達(dá)成省本增效目標(biāo)，為我國(guó)硫酸產(chǎn)品的推廣發(fā)展提供新指引。