硫磺制酸装置设计热能分析及热能利用

向志全 普红英 李海昆 云南化工设计院有限公司 昆明 650041

设计技术

硫磺制酸装置设计热能分析及热能利用

向志全*普红英 李海昆 云南化工设计院有限公司 昆明 650041

分析和计算800kt/a硫磺制酸装置产生的热能，并结合工厂的实际提出热能利用建议，以提高热能利用。

硫磺制酸热能分析热能利用节能

节能减排是我国基本国策，设计中充分重视生产装置节能和热能利用率，提高企业经济效益、社会效益、环境效益和企业的竞争能力是工程设计的指导思想。分析硫磺制酸装置热能将促进和提高热能利用，对新建装置和老装置改造的设计都具有十分重要的意义。

现以800kt/a硫磺制酸装置为例进行热能分析。该装置于2009年建成投产，2010年5月完成环保、消防、安全、节能及职业卫生验收，装置建成投产以来，一直处于长周期、满负荷安全运行中。

1 装置介绍

1.1 工艺流程

800 kt/a硫磺制酸装置工艺流程见图1。

(1)熔硫过滤:固体硫磺经胶带机送至快速熔硫槽，用0.7MPa低压蒸汽加热熔融后溢流至粗硫槽，经粗硫泵送至液硫过滤机进行机械过滤，滤液进入精硫槽后由精硫泵送至液硫贮槽，并自流入液硫地下槽后用液硫输送泵送至炉前槽。滤渣(含硫)收集后送硫铁矿制酸厂作原料使用不外排。

(2)焚硫转化:炉前槽中液硫经泵送至硫磺喷枪，经机械雾化与干空气接触燃烧，产生11%SO21050℃的高温气体进废热锅炉换热后，进转化器Ⅰ段触媒层转化，产生的中温SO3气体经高温过热器换热，进II段触媒层转化，再经热换热器换热降温后进Ⅲ段触媒层完成一次转化。出HRS塔含SO2气体，经冷换热器和热换热器升温后进Ⅳ段触媒层，完成二次转化，总转化率达99.85%。

(3)干燥吸收:空气经鼓风机升压后进干燥塔，与干燥酸泵送来的浓酸在填料层发生逆流接触，空气中水份被吸收并经丝网除沫后送焚硫炉燃烧。出Ⅲ段触媒层SO3气体，经冷换热器和省煤器Ⅰ换热后进HRS塔，与联合循环酸泵送来并经HRS酸冷器冷却的低温酸和HRS泵送来的高温浓酸分别在HRS塔上下两段填料层发生逆流接触，完成第一次吸收。吸收酸经HRS酸泵送至HRS锅炉换热，部分酸稀释后进HRS塔循环，部分经HRS加热器及HRS预热器换热后进入联合循环酸槽。出Ⅳ段触媒层SO3气体，依次经低温过热器和省煤器II换热降温后进二吸塔，并与二吸酸泵送来经冷却的浓酸在塔中填料层发生逆流接触，完成第二次循环吸收，吸收率达99.98%。吸收后的浓硫酸流入联合循环酸槽，由干燥酸泵出口分流至成品酸冷却器冷却后进成品酸槽。

(4)尾气吸收:来自二吸塔并经除雾的含SO2尾气进尾吸塔，与循环液槽循环泵送入的稀氨水溶液进行逆向旋流碰撞接触，发生中和反应完成SO2的循环吸收。吸收液为亚硫铵溶液流入循环液槽，再经氧化生成硫铵溶液送复合肥装置使用，吸收尾气经除沫后进烟囱排空。

(5)热力系统:来自脱盐水站的脱盐水，经HRS预热器预热升温并经除氧器加热至105℃后，大部分经省煤器Ⅰ、Ⅱ升温后进废热锅炉，回收高温位热能后产生4.20MPa，256℃饱和蒸汽，再经低温和高温过热器过热后产生3.82MPa，450℃过热蒸汽，送发电车间发电和硫酸车间驱动风机透平。其余部分进入HRS加热器加热升温后进HRS锅炉，回收低温位热能后产生0.8MPa饱和蒸汽，送低压蒸汽管网并网使用。

1.2 工艺技术参数

(1)精制液硫灰分含量≤20ppm。

(2)干燥塔出口干空气含水量≤0.1g/Nm3。

(3)转化器一段进口炉气量204127Nm/h，成份:SO211.00%，SO30.22%，O29.67%，N279.11%。

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

(5)吸收率99.98%。

(6)进HRS塔气体温度170℃，塔出口气体温度71℃。

进二吸塔气体温度146℃，出二吸塔气体温度72℃。

(7)风机进口设计温度30℃，年平均相对湿度71%。

2 硫磺制酸热能分析

2.1 化学反应热

2.2 热能计算

(1)液体硫磺燃烧热q1:液体硫磺用量1025 kmol/h。

(2)SO2氧化为SO3反应热q2:SO2氧化成SO3气量1000.91 kmol/h。

(3)SO3吸收热q3:SO3被吸收气量1000.71 kmol/h。

(4)硫酸稀释热q4:稀释硫酸量1020.41 kmol/h。

(5)干燥塔内水蒸汽凝结热q5:空气风机为干燥塔塔前风机，设计大气温度为30℃，空气相对湿度为71%，干燥塔脱出水汽量约为5800 kg/h。

(6)空气鼓风机压缩热q6:当风机升压为ΔP=48～52 kPa时，气体温升为48～50℃，干燥塔出口进风机空气温度为60℃时，风机出口至焚硫炉空气温度为110℃。

空气量9122.81 kmol/h，利用60℃升到110℃热量。

某公司800kt/a硫酸装置空气鼓风机设置于干燥塔前，未充分利用风机的压缩热，若设置在干燥塔后可充分利用这部分热量。

产生热量总计Q:

产生热量的比例:液硫燃烧热q1为53.47%; SO2氧化反应热q2为17.40%;SO3吸收反应热q3为24.08%;硫酸稀释热q4为0.23%;水蒸汽冷凝热q5为2.41%;风机压缩热q6为2.41%。

3 已利用热能分析

3.1 热力系统回收热能

(1)余热锅炉回收热量q1':炉气量204127Nm3/h，温度从1070℃降至425℃。

(2)高温过热器回收热量q2':炉气量196941Nm3/h，温度从623℃降至435℃。

(3)低温过热器回收热量q3':炉气量170916Nm3/h，温度从463℃降至350℃。

(4)三段出口省煤器3A回收热量q4':炉气量193349Nm3/h，温度从276℃降至170℃。

(5)四段出口省煤器4A回收热量q5':炉气量170916Nm3/h，温度从350℃降至146℃。

合计Q1:

3.2 HRS系统回收热量

(1)HRS锅炉回收热量q1″:硫酸量约1740m3/h，温差Δt=20℃。

(2)HRS硫酸加热器回收热量q2″:硫酸量约192 m3/h，温差Δt=16℃。

(3)HRS硫酸预热器回收热量q3″:硫酸量约185 m3/h，温差Δt=78℃。

合计Q2:

3.3 已利用总热量及占总产热量的比例

已利用热量的总量:

已利用热量占产热量的比例:

其中，热力系统占65.28%;HRS系统占28.43%。

4 热能回收的建议

工艺流程选择和工艺参数选取是热量回收和利用最大化和最优化的重要因素。根据以上热能分析，结合目前国内许多硫磺制酸厂只采用热力系统回收利用了部分中温位热能的工艺技术状况，提出以下建议:

4.1 与装置配套的低温位能热回收系统

从热能分析知，低温位能热回收系统回收热量占总产热量的28.43%，某公司800kt/a硫酸装置采用美国MECS公司不带蒸汽喷射的HRS系统，回收0.8MPa蒸汽保证值42t/h，期望值45t/h，HRS总回收热量1.6183×108kJ/h，折标煤5528.9kg/h，每年节约标煤44231.2 t;同等规模如采用带蒸汽喷射的HRS系统，在HRS塔入口管道内喷入0.1MPa的低压蒸汽约6t/h，副产0.8MPa的蒸汽约52t/h。

由于采用HRS系统，干吸工段循环水用量减少较多，不带HRS每吨酸循环水量为48～52m3，Δt=10℃;带HRS为25～26m3，800kt/a装置节约循环水约2500 m3/h，折热量1.0247×107kJ/h，折标煤350.1kg/h，每年节约标煤2800.8 t。

低温位能热回收技术在国内外已广泛应用，美国MECS公司的HRS技术在国内外已有多家硫磺制酸厂使用，运行情况良好;中国石化集团南京工程公司低温回收(DWRHS)技术、上海奥格利公司低温热回收技术(DWHS)已开发研究成功，在多套生产装置使用。

国产化设备和技术在经济上有很大的竞争优势，投资回收期约三年。因此建议300kt/a以上的装置应配套建设低温位能热回收系统。

4.2 调整二吸塔气体进口温度

硫磺制酸装置二吸塔进口气体温度一般为160～170℃，有的装置高达180℃，气体热量转移到酸中，加大了循环冷却水用量，为了增加热量回收，国际先进制酸技术二吸塔气体进口温度为135℃，某公司800kt/a装置为146℃。

二吸塔进口气体中SO3的浓度约为0.5%，气体压力约为10kPa，当气体温度为135～140℃时，SO3或硫酸雾的分压低，不会产生冷凝酸，国内外已有多家工厂采用此工艺参数。

经计算800kt/a硫酸装置二吸塔气体入口温度由170℃降到140℃，热力系统可多回收热量8.60 ×106kJ/h，可多产中压蒸汽(3.82MPa、450℃) 2580 kg/h，折标煤294 kg/h，每年节约标煤2352t，同时减少Δt=8℃的循环水用量257 m3/h，折热量1.077×106kJ/h，折标煤约为36.74kg/h，每年节约标煤294 t，以上两项每年可节省标煤约2646 t。

4.3 采用塔后风机流程

将空气鼓风机设置在干燥塔后(塔后风机流程)，可利用干燥塔进塔酸传递给干空气的热量，而且可利用空气经压缩产生的热量，一般空气鼓风机升压ΔP=48～52kPa，气体温升48～50℃，使进焚硫炉干空气温度由55～65℃提高到110～115℃，焚硫炉出口炉气温度相应升高，增加了余热锅炉蒸汽产量。

经计算800kt/a硫酸装置的塔后风机流程可多回收热量约1.374×107kJ/h，约占总产热量的2.41%，可多产中压蒸汽4.12 t/h，折标煤约470 kg/h，年节省标煤约3760 t。

采用塔后风机流程时，空气风机进口压力约－4.5 kPa(G)，温度约60℃，干空气中含有少许硫酸雾。另外，干燥塔的塔径应比采用塔前风机流程稍大，风机出口空气总管上应设置一回流管到干燥塔进口，低负荷时调节焚硫炉进口空气量，使干燥塔除雾段气速保持在除雾器要求范围内，达到高的除雾效率，减少湿空气进入干燥塔的气量，从而减少干燥酸的串酸量。

通过采用以上建议，热能回收率将从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)

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*向志全:高级工程师，国家注册化工工程师。1961年毕业于昆明工学院化工系。历任云南省化工设计院总工程师，云南化工设计院有限公司技术顾问，曾获中国磷肥工业协会、中国硫酸工业协会授予“终生荣誉奖”。联系电话:(0871)3333268。

2011－05－30)