低位熱回收系統(tǒng)(L-HRS)的模塊化應用

陳濤，鄧兆敬

(中化學科學技術研究有限公司，北京 102402)

0 引言

石油化工裝置工藝復雜且布置高度密集，管道縱橫交錯。我國石化行業(yè)發(fā)展迅猛，在偏遠地區(qū)或海外建設石化項目，施工復雜、成本高、管理難、風險難以控制。為了強化項目質(zhì)量，節(jié)省項目成本，保證項目進度，模塊化制造和組裝正在逐步替代傳統(tǒng)的現(xiàn)場施工。與現(xiàn)場施工相比，將設計制造好的模塊交付現(xiàn)場進行快速組裝，具有非常顯著的優(yōu)勢：高效、快速、安全。

模塊化是基于對工藝系統(tǒng)的整體分析，分割、設計和制造出一系列的單元模塊，通過組合實現(xiàn)不同功能[1-2]。硫磺生產(chǎn)硫酸主要有焚硫、SO2轉(zhuǎn)化和SO3吸收三步。其中，SO3吸收反應釋放的熱能品位太低，傳統(tǒng)工藝產(chǎn)生的余熱一般通過循環(huán)水冷卻流失。利用SO3吸收反應的低位熱生產(chǎn)蒸汽，該工藝最早由美國孟莫克有限公司開發(fā)，實現(xiàn)了硫酸工業(yè)低位熱利用的重大技術突破[3]。以往低位熱回收裝置通常采用傳統(tǒng)的“螞蟻搬家”模式建造，投資巨大，施工復雜，技術參數(shù)的控制難以實現(xiàn)，沒有考慮整體進行模塊化設計和施工[3-5]。

SABIC配建的國產(chǎn)化低位熱回收系統(tǒng)，建成投產(chǎn)后各項指標均達到設計要求，連續(xù)產(chǎn)出0.8 MPa(G)低壓蒸汽，成功實現(xiàn)低位熱回收系統(tǒng)的模塊化應用，成本經(jīng)濟、布置合理、結構精細、運行安全平穩(wěn)。該模塊解決了工藝難點，控制技術先進，最大限度利用SO3吸收反應釋放的低位熱，利用率國際領先。采用模塊化的設計和施工，不僅能提高項目的綜合管理水平，讓設計、制造、運輸、安裝和施工合理銜接，更能有效降低項目成本，提高企業(yè)生產(chǎn)效益。

1 低位熱回收模塊的工藝流程

SABIC的硫磺制酸裝置配套增設的低位熱回收模塊，主要由熱回收塔T1、熱循環(huán)槽V1、熱循環(huán)泵P1、低位熱回收器E1、均混器V2、鍋爐水再熱器E2、管殼式酸冷器E3等設備組成，工藝流程示意圖，如圖1所示。

圖1 低位熱回收模塊的工藝流程示意圖

熱回收塔由下而上分為第一、第二填料段。含SO3的工藝氣體從底部進入熱回收塔T1，與一級噴淋酸和二級噴淋酸進行逆流接觸，反應吸收。二級噴淋酸(60 ℃，98.5%)來自一吸酸冷器，在第二填料段逆流吸收少量SO3后噴淋進入第一填料段，與一級噴淋酸(190 ℃，99.0%)匯合，吸收SO3后流入塔底的熱循環(huán)槽V1，經(jīng)熱循環(huán)泵P1送入低位熱回收器E1。低位熱回收器利用高溫熱硫酸生產(chǎn)低壓蒸汽，降溫后的硫酸(約180 ℃)送入均混器V2調(diào)節(jié)酸濃，循環(huán)送至熱回收塔進行噴淋。多余的高溫濃硫酸，跨線進入鍋爐水再熱器E2和管殼式酸冷器E3，進一步余熱回收后，送入模塊外的干吸酸循環(huán)槽。

脫鹽水在管殼式酸冷器E3進行預熱，經(jīng)模塊外的除氧器除氧后形成低壓鍋爐給水，送至本系統(tǒng)的鍋爐水再熱器E2進行二次換熱，最后送入低位熱回收器，汽化產(chǎn)生0.8 MPa(G)的飽和蒸汽，并入硫酸工段低壓蒸汽管網(wǎng)。

2 低位熱回收模塊的構造和設計理念

低位熱回收模塊屬于具有完整工藝過程和功能的區(qū)塊。主要由熱回收塔、低位熱回收器、均混器、熱循環(huán)泵、鍋爐水再熱器、管殼式酸冷器等設備組成。熱回收塔為填料塔，主體立式圓筒形結構，整體由特種不銹鋼材料制作；低位熱回收器是列管釜式鍋爐，生產(chǎn)低壓蒸汽，殼體為碳鋼，列管為特種合金鋼；均混器為橫臥筒式結構，主體為特種合金鋼，內(nèi)置混合器耐高溫、耐腐蝕；熱循環(huán)泵選用國產(chǎn)的立式泵，單泵在線運行，輸送高溫濃硫酸；鍋爐水再熱器和管殼式酸冷器，換熱管束采用特種不銹鋼，用于低壓鍋爐水二次換熱和脫鹽水預熱[6]。

2.1 設計原則

SABIC低位熱回收模塊的設計遵循工藝流程，將設備、管道、儀表和電氣等必需的構造單元布置在模塊內(nèi)，工藝滿足SABIC工程規(guī)范(SES)，模塊的重量和尺寸滿足道路運輸和現(xiàn)場裝卸的規(guī)范要求。模塊采用的鋼結構滿足強度、剛度、抗震、運輸及吊裝工況的要求。各子模塊都在制造廠內(nèi)完成，子模塊之間的界面接口較少，模塊運到項目現(xiàn)場后進行組裝拼接，安裝方便，施工簡單。

2.2 模塊布置

SABIC低位熱回收模塊的布置按工藝流程排列設備，設備之間預留檢修空間和公用通道，滿足SES對安全生產(chǎn)、操作檢修等的要求。模塊外側(cè)通常布置維護和檢修頻次較高的設備，模塊內(nèi)側(cè)通常布置尺寸高大的設備；具有換熱管束的設備，如低位熱回收器、鍋爐水再熱器和管殼式酸冷器等留有檢修空間；熱循環(huán)泵、酸冷器及均混器等采用體積小、效能高的設備；熱回收塔超出單個模塊最大尺寸，無法滿足布置要求，整體作為獨立模塊建造，關聯(lián)的管道結構、儀表電氣、保溫防腐等均在生產(chǎn)廠內(nèi)完成預制，最后在項目現(xiàn)場進行拼接和組裝。

2.3 模塊設計

Smart Plant是美國Intergraph公司推出的工程設計軟件，該軟件以區(qū)域或系統(tǒng)劃分工廠結構，按照制定的規(guī)則及工作流程來進行設計，可進行各模塊間的集成，便于設計信息的查詢和管理。低位熱回收模塊采用Smart Plant集成平臺，在項目設計、三維建模、施工管理和運營維護等方面效果顯著。

(1)設計階段工藝先行導入P＆ID，管道、儀表、電氣、結構等多個專業(yè)在同一平臺協(xié)同辦公，將設計過程中的工程信息數(shù)字化、集成化，實現(xiàn)工程信息跨專業(yè)、跨部門共享。數(shù)據(jù)實時更新，上下游專業(yè)的設計文件準確一致。

(2)低位熱回收模塊整體在SP3D建模，實現(xiàn)設備、管道、電氣和儀表的精準布置，交接界面清晰，工程信息涵蓋施工、采購等所有工程階段，便于后期的模塊預制、施工、組裝和生產(chǎn)管理。

(3)通過整體布局，模塊中所有的設備、管件、儀表、電氣、結構等單元可以按規(guī)格進行獨立編號和準確定位。以數(shù)據(jù)倉庫方式來管理整個項目的工程數(shù)據(jù)及工程數(shù)據(jù)之間的關系，包括工藝流程圖、三維模型、儀表接線圖、設備表、管線表、廠家文件等，設計質(zhì)量和深度要求更容易滿足。

(4)集成化服務貫穿設計、施工到運營這個完整的工廠生命周期。通過后續(xù)的數(shù)字化移交和面向業(yè)主的運營和維護，可以實現(xiàn)全生命周期的數(shù)字化工廠。

2.4 模塊組裝

SABIC低位熱回收模塊的鋼結構節(jié)點主要采用焊接或螺栓連接方式。本模塊建造完成后先在生產(chǎn)廠內(nèi)進行預裝，確保精準對接，預裝后進一步完成模塊的鋼結構涂裝和絕熱涂漆、無損檢驗、清洗試壓，以及儀表、電氣、管廊橋架敷設等工作。對模塊內(nèi)的輔助支撐和臨時支撐，大都采用螺栓連接，完成模塊的現(xiàn)場組裝后進行拆除。

3 低位熱回收模塊的流程模擬

利用Aspen Plus建立低位熱回收模塊的工藝模型，使用Electrolyte Wizard 定義各種組分，選擇ENRTL-RK物性方程，模擬吸收工藝并計算了本模塊的主要設備。進料為含SO3的工藝氣體，吸收率為99.96%，低壓蒸汽(177 ℃，0.8 MPa(G))產(chǎn)量為20.36 t/h，流程模擬結果與現(xiàn)場實際數(shù)據(jù) (20.62 t/h)基本吻合。通過Aspen Plus建模分析低位熱回收模塊的節(jié)能效率，計算 結果表明本模塊的低位熱回收利用率達到96.8%。

4 低位熱回收模塊的控制關鍵

SABIC低位熱回收模塊通過提高酸溫來提升低位余熱品位，要求整個酸循環(huán)系統(tǒng)在200 ℃左右的高濃度硫酸工況下運行。不銹鋼的腐蝕速率與硫酸的溫度和濃度密切相關，根據(jù)美國孟莫克有限公司提供的不銹鋼等腐蝕數(shù)據(jù)可知，在溫度為120 ℃以上，ω(H2SO4)在 98%以上時，304不銹鋼的腐蝕速率＜ 0.13 mm/a；當溫度達到200 ℃時，大部分不銹鋼的腐蝕速率降至最低點。低位熱回收模塊選用比304不銹鋼耐腐蝕性更強的特種鉻錳合金作為材料，用于塔、槽、閥、循環(huán)酸管線等的制造，在正常的操作條件下，具有良好的抗氧化性、耐晶間腐蝕能力、耐沖刷性能[6]。SABIC低位熱回收模塊對操作溫度和硫酸濃度的控制要求非常嚴格，操作溫度為160～200 ℃，ω(H2SO4)為98%～100%。

(1)除二級進口酸濃為98.5%以外，低位熱回收工藝的正常酸濃ω(H2SO4)操作范圍為99.0%～99.7%，溫度操作范圍為180～200 ℃。

(2)熱回收塔出口處的酸濃度應保持低于99.7%，第一級入口處的酸濃度不應低于99.0%。

(3)開車期間當酸溫低于93 ℃時第一級入口處的酸濃可以低于99.0%。但即使在開車期間，酸濃也不允許下降到97%以下。一旦酸溫超過120 ℃或濃度下降到97%以下，就必須停車換酸。

(4)低位熱回收裝置在正常的酸濃、酸溫范圍內(nèi)操作時，腐蝕率很低，一旦偏離正常操作范圍，即使很短的時間(約1 h)也會對設備造成嚴重損壞。設備和管道與高溫硫酸直接接觸，對工藝干擾敏感，要求生產(chǎn)運行中密切關注各工藝參數(shù)，將循環(huán)酸溫度、濃度等控制在正常范圍內(nèi)。

本模塊在硫酸循環(huán)管道上設置多臺在線酸濃分析儀，通過聯(lián)鎖自動調(diào)節(jié)一級噴淋酸濃度，在線監(jiān)控系統(tǒng)的泄漏情況。通過控制關鍵工藝參數(shù)，實現(xiàn)高吸收率、高產(chǎn)氣率和低腐蝕率。

5 低位熱回收模塊的運行效果

SABIC低位熱回收模塊的主體設備和管道采用特殊材料制造，整個酸循環(huán)系統(tǒng)適用于強腐蝕工況，可以保證生產(chǎn)安全和利用效率。該模塊自開車后達到設計能力，連續(xù)產(chǎn)出0.8MPa(G)低壓蒸汽，運行平穩(wěn)。與傳統(tǒng)裝置相比，SABIC硫磺制酸裝置每生產(chǎn)1 t硫酸可以增產(chǎn)低壓蒸汽0.4～0.6 t，同時減少循環(huán)水消耗20～30 t。使用該低位熱回收模塊增產(chǎn)的低壓蒸汽和減少的循環(huán)水耗量，每年為SABIC創(chuàng)造額外的經(jīng)濟效益約1300萬元，1.5年收回全部投資，節(jié)能降耗帶來的經(jīng)濟效益明顯。

6 結論

本文的低位熱回收模塊以吸收SO3后的濃硫酸為熱能載體，通過酸循環(huán)回收低位熱生產(chǎn)蒸汽，杜絕了傳統(tǒng)的低位熱流失，將低位熱利用率從傳統(tǒng)裝置的零利用提高到95%以上。將低位熱回收系統(tǒng)進行模塊化設計和制造后，以模塊形式在SABIC現(xiàn)場進行交付和組裝，具有高效、快速、安全的優(yōu)勢。這不僅有利于提高項目整體的綜合管理水平，更能大幅節(jié)約項目執(zhí)行成本。隨著國家“一帶一路”倡議的展開，中國海外投資和建設的項目逐年增多，低位熱回收的模塊化應用更具價值。希望本文的模塊化思想和技術應用，能夠促進模塊化設計和施工在石油化工行業(yè)中的應用。