化工厂生产系统余热资源调研

刘建国，王建华 ，马军民，郭效瑛

（1.金川万方实业公司，甘肃 金昌 737102；2.金川集团有限公司工程建设分公司，甘肃 金昌 737102；3.金川集团有限公司化工厂，甘肃 金昌 737104）

化工厂生产系统余热资源调研

刘建国1，王建华2，马军民3，郭效瑛3

（1.金川万方实业公司，甘肃 金昌 737102；2.金川集团有限公司工程建设分公司，甘肃 金昌 737102；3.金川集团有限公司化工厂，甘肃 金昌 737104）

为了更好地利用生产工艺的余热，对所属车间和工艺系统产生的热量和生产、生活的热需求进行了系统的调研工作。经过调查，整个化工厂现有正常生产的工艺系统可回收的中低温余热折成标煤，每年节省100 632 t，相当于其自身消耗生活蒸汽的8倍，充分说明化工厂具有极大的余热回收再利用潜力。

工业余热；回收利用；中温余热；低温余热

1 前言

随着社会的日益发展与进步，国家对资源节约、环境保护、能源的综合利用等方面的要求逐步提高。为了建设节能低碳型社会，国家出台了一系列法律法规，其目的是加快重点节能技术的推广普及，引导用能单位采用先进的节能新工艺、新技术和新设备，提高能源利用效率。余热回收已经成为工业上降低碳足迹最有效的手段之一。

金川集团股份有限公司为国际化运营的集有色金属矿产的开采、选别、火法冶炼、湿法精炼和环保处理于一体的特大型企业，是典型的耗能大户。化工厂承担的是火法冶炼烟气的环保制酸工作和公司大宗氯碱产品的生产业务，其中，某些工艺段是典型的放热反应，另外一些则需要消耗热量。因此，为摸清化工厂生产和生活用汽余热资源的情况，为低品位余热回收利用研究奠定基础并提供研究依据，详细地掌握各生产系统在生产过程中产生的中、低温余热，生活用汽是否可用热水代替，化工厂对各生产系统开展了较为深入的调查研究，各系统基本参数的调研时间是2011年1-4月，每隔5天统计一天，每天统计 4 次，分别为 00：00、06：00、12：00、18：00。

2 化工厂的基本情况

目前，化工厂拥有三大生产系统。主要产品有硫酸、烧碱、亚硫酸钠，其年生产能力分别为252万t、26万t和15万t。氯碱生产系统有金属阳极隔膜电解和离子膜电解2套生产装置；硫酸生产系统有6套生产装置，其中，2套采用“绝热增湿净化、单转单吸”接触法工艺，4套采用“绝热蒸发稀酸洗涤净化、一级干燥、两转两吸”接触法工艺；亚硫酸钠生产系统采用连续式双效蒸发和冷结晶2种工艺，生产无水亚硫酸钠和七水亚硫酸钠2种产品。在生产过程中，系统均产生大量的中、低温余热，需要采用循环水或空气将多余的热量带走，每年从凉水塔蒸发的水量在400万t以上，造成大量水资源浪费。生活采暖方面，除硫酸三车间、氯碱二车间及维修车间的生活采暖采用热水外，其他车间及厂机关的生活采暖仍采用蒸汽。

3 工业余热产生情况

3.1 中温余热

习惯上将200～600℃的废热称为中温余热。中温余热，对化工厂硫酸和氯碱系统来讲，一是产生于硫酸生产系统，是指冷热交换器及层间冷热交换器管程出口的SO3气体从230℃左右冷却到190℃进干吸工段吸收产生的热量[2]，由于进入各生产系统的烟气浓度、烟气量不一样，只有53万t/a、70万t/a及48万t/a硫酸能产生中温余热，采用空气将这部分余热带走，排入大气中；二是产生于氯碱系统合成工序，是指合成炉合成段的600℃氯化氢气体，需要将这部分气体温度冷却到45℃以下，送入吸收单元，目前，采用循环水将这部分热量带走。

3.1.1 53万t/a硫酸系统

化工厂的硫酸系统全部为冶炼烟气制酸。在该制酸过程中，二氧化硫浓度较低，且波动很大。其中的53万t/a硫酸系统于2005年10月投入生产，采用“绝热蒸发稀酸洗涤净化、一级干燥、两转两吸”接触法工艺，系统包括净化工段、干洗工段、转化工段、循环水系统等。该系统设计烟气处理能力为160 000~200000m3/h，正常设计值为 180000m3/h，目前实际处理的烟气量为140 000~200 000 m3/h，处理的烟气主要是铜合成炉烟气、大部分铜转炉烟气，混合烟气总量为184 108.40 m3/h。

中温余热产生于转化工序，根据转化热量衡算，需将转化来的162 633.6 m3/h烟气通过SO3冷却器，用空气将烟气从288℃降到200℃以下，再送往一、二吸塔进行吸收。目前，从SO3冷却器出来约180℃的热空气直接排空。

SO3冷却器的参数和运行情况为，1#SO3冷却器在用，设计风量为97 754 m3/h；2#SO3冷却器已作为风机出口烟气升温的辅助换热设备。由于在冶炼烟气制酸系统中，烟气的稳定性、连续性相对较差，如果系统的SO2浓度为7.50%以下，则系统不会产生中温余热。若SO2浓度为8.00%以上，进口空气温度年平均按24℃、出口温度按200℃计算，则其余热量为 20.31×106kJ/h。

目前53万t/a系统的烟气浓度为7.5%以下，转化释放的热量仅能维持系统自身热平衡，没有余热。

3.1.2 70万t/a硫酸系统

70万t/a硫酸系统于2008年10月投入生产，其设计生产规模为64万t/a（100%硫酸计），采用“绝热蒸发稀酸洗涤净化、一级干燥、两转两吸”接触法工艺，系统包括净化工段、干洗工段、转化工段、循环水、尾气脱硫系统等。硫酸系统设计烟气处理能力为205 855.50~281 342.14 m3/h，入转化系统正常设计值为2 499 043.7 m3/h，目前实际生产处理的烟气量为180 000~270 000 m3/h，处理的烟气主要是顶吹炉烟气、转炉、沉降电炉、贫化电炉烟气。

中温余热产生于转化工序，根据转化热量衡算，需将转化来的229 999 m3/h烟气通过SO3冷却器，用空气将烟气从240℃降到180℃以下，再送往一、二吸塔进行吸收。从SO3冷却器出来约180℃左右的热空气，目前直接排空。

SO3冷却器的参数和运行情况为，1#SO3冷却器设计风量122 000 m3/h，2#SO3冷却器设计风量为155 000 m3/h；SO2浓度为8%以下时，运行2#SO3冷却器，负荷为25%；SO2浓度为9.0%左右时，运行2#SO3冷却器，负荷为80%；SO2浓度为9.5%以上时，1#、2#SO3冷却器同时运行，负荷为80%。

若SO2浓度为7.5%~8.0%，2#SO3冷却器空气进口年平均温度按24℃计、1-4月空气出口平均温度为 196.83℃，则余热量为 7.88×106kJ/h；若 SO2浓度为9.0%左右，2#SO3冷却器空气进口年平均温度按24℃计、1-4月空气出口平均温度为196.83℃，则余热量为 25.23×106kJ/h；若SO2浓度为9.5%以上，1#SO3冷却器空气进口年平均温度按24℃计、1-4月空气出口平均温度为196.83℃，则余热量为19.85×106kJ/h；2#SO3冷却器空气进口年平均温度按24℃计、空气出口平均温度为196.83℃，热量为25.23×106kJ/h；合计余热量为 45.08×106kJ。

2011年1-4月，SO2浓度为7.5%~8.0%，热量为7.88×106kJ/h。

3.1.3 48万t/a硫酸系统

化工厂48万t/a系统于2010年9月冷修扩能改造后投入生产，其设计生产规模为48.97万t/a（100%硫酸计），采用“绝热蒸发稀酸洗涤净化、一级干燥、两转两吸”接触法工艺，系统包括净化工段、干洗工段、转化工段、循环水、尾气脱硫系统等。硫酸系统设计烟气处理能力为110 000~200 000 m3/h，入转化系统正常设计值为193 555.12 m3/h，SO2浓度为10.79%，目前实际生产处理的烟气量为：220 000~250 000 m3/h，处理的烟气主要是闪速炉烟气、转炉、贫化电炉烟气等。

中温余热产生于转化工序，根据转化热量衡算，需将转化来的184 635 m3/h烟气通过SO3冷却器，用空气将烟气从280℃降至200℃以下，再送往一、二吸塔进行吸收。从SO3冷却器出来约180℃空气，目前直接排空。如果系统SO2浓度为7.5%以下，则系统不会产生中温余热。

SO3冷却器参数和运行情况为，SO3冷却器设计风量为137 000 m3/h，SO2平均浓度为9.50%左右，风机负荷为100%。

SO2浓度为9.5%左右，SO3冷却器空气进口年平均温度按24℃计、1-4月空气出口平均温度为207.58℃，则余热量为 26.77×106kJ/h。

3.1.4 隔膜及离子膜氯碱系统

隔膜氯碱系统经过2004年扩能改造后，生产规模达到5.5万t/a（100%液碱计），有16型和30型电解2套生产系统。离子膜氯碱系统的设计规模为20万t/a（100%液碱），中温余热产生于合成盐酸工序。

2011年隔膜烧碱（100%）计划产量为5万t/a，则年产氯气4.65万t/a，去除液氯1.6万t/a，每年按8 000 h有效作业时间计算，折合氯化氢为3.8125t/h。

离子膜烧碱（100%）计划产量为14万t/a，则年产氯气 13.02 万t/a（氯碱产出比按 0.93∶1.00），去除液氯2.3万t/a、氯气7.45万t/a，每年按8 000 h有效作业时间计算，折合氯化氢为4.09 t/h。

（1）氯化氢合成的化学反应方程式为：Cl2+H2=2HCl+92.0（kJ/mol），则氯化氢合成的热量为：Q反=（7.902 5×106×2×92.0）÷（2×36.5）=19.93×106（kJ/h）。

（2）氯化氢合成段的平均温度按600℃计算，氯化氢气体在 600℃的比热容为 0.85 kJ/（kg·℃），则氯化氢合成段的热量为 Q出=（7.902 5×103×0.85×600）=40.54×105（kJ/h）。

（3）每小时多余的热量为 Q反-Q出=15.93×106（kJ/h）

3.1.5 离子膜氯碱系统

3.1.6 中温余热总量

化工厂的所有中温余热情况统计见表1。

表1 化工厂中温余热统计表

按所有硫酸系统最低SO2浓度计算，现有化工厂所有生产系统中温余热量为50.58×106kJ。按60%的余热回收利用效率计算，余热利用折标煤为1.039 t/h（每公斤标煤的热值按29 190 kJ计算），则每年按330天计算，可节省标煤8 232 t。

3.2 低温余热

习惯上，将100℃以下的余热称为低温余热。低温余热主要产生于硫酸、烧碱和亚硫酸钠生产系统，目前是采用循环水将这部分余热带走。硫酸系统的低温余热主要是指干燥93%酸余热和一吸、二吸98%酸余热，经过酸冷却器和板式换热器，用循环水将93%和98%酸的余热带走。

3.2.1 30万t/a硫酸

30万t/a及一、二系统硫酸干系和净化共用1套循环水系统。干燥酸冷却器平均水量为1.66×106kg/h，进口平均水温为28.88℃，出口平均水温为36.28℃，热量为 5.13×107kJ/h。

一吸酸冷却器平均水量为1.17×106kg/h，进口平均水温为28.88℃，出口平均水温为36.28℃，热量为3.63×107kJ/h。二吸酸冷却器平均水量为4.73×105kg/h，进口平均水温为28.88℃，出口平均水温为36.28℃，热量为 1.46×107kJ/h。

总热量为 10.22×107kJ/h。

3.2.2 53万t/a硫酸

53万t/a硫酸干燥和吸收共用1个循环水系统。干燥酸冷却器平均水量为1.35×106kg/h，进口平均水温为28℃，出口平均水温为36℃，热量为4.50×107kJ/h。一吸酸冷却器平均水量为2.03×106kg/h，进口平均水温为28℃，出口平均水温为36℃，热量为6.76×107kJ/h。二吸酸冷却器平均水量8.0×105kg/h，进口平均水温为28℃，出口平均水温为36℃，热量为 2.67×107kJ/h。 总热量为 13.93×107kJ/h。

3.2.3 70万t/a硫酸

70万t/a硫酸干燥和吸收共用1个循环水系统。干燥酸冷却器平均水量为2.90×106kg/h，1-4月进口平均水温为18.55℃，出口平均水温为32.64℃，热量为 17.01×107kJ/h。

一吸酸冷却器平均水量为2.90×106kg/h，1-4月进口平均水温为18.41℃，出口平均水温为28.52℃，热量为12.22×107kJ/h二吸酸冷却器平均水量1.09×106kg/h，1-4月进口平均水温为18.41℃，出口平均水温为28.52℃，热量为4.59×107kJ/h。总热量为33.82×107kJ/h。

3.2.4 硫酸三系统

硫酸三系统干燥和吸收共用1个循环水系统。在2010年冷修后，产能由32万t/a提升至48万t/a，而干燥和一、二吸阳极保护酸冷却器均采用原来的，为保证有效的换热量，同时又增加了3台板式换热器。干燥酸冷却器平均水量为3.0×106kg/h，1-4月进口平均水温为27.00℃，出口平均水温为30.25℃，热量为4.09×107kJ/h。一吸酸冷却器平均水量为3.0×106kg/h，1-4月进口平均水温为27.75℃，出口平均水温为33.25℃，热量为6.92×107kJ/h。二吸酸冷却器平均水量为0.83×106kg/h，1-4月进口平均水温为27.75℃，出口平均水温为33.25℃，热量为4.59×107kJ/h。 总热量为 14.43×107kJ/h。

3.2.5 双钠车间

车间有2 000 m3/h、3 500 m3/h 2套循环水系统，设计分别给七水亚硫酸钠和无水亚硫酸钠供水，泵出口有连通管。2011年1-2月，系统处于停产状态，3-4月，由于2个系统处于半负荷（约36%）生产状态，2个月仅生产无水亚钠0.6万t，车间只开1台3 500 m3/h的供水泵，阀门开度60%就能满足生产。

2011年3-4月，循环水平均流量为2 250 m3/h，循环水上塔平均温度为21.6℃，循环水下塔平均温度为13.4℃，余热量为7.21 kJ/h。

3.2.6 氯碱一车间

氯碱系统在生产过程中会产生一定的低温余热，主要在蒸发工序。

蒸发工序的主要任务是将电解来的8%电解液，通过一效、二效、三效、四效蒸发器，用蒸汽将电解液浓缩到32%或42%。通过循环水对蒸发器出来的二次蒸汽进行降温，以提高蒸发器内的真空度。蒸发工序有1套单独的循环水系统。

2011年4-5月，循环水平均流量1 160 m3/h，循环水上塔平均温度为45.24℃，循环水下塔平均温度为36.08℃，余热量为4.42 kJ/h。

3.2.7 低温余热总量统计表

化工厂低温余热总的情况统计见表2。

4 化工厂总的热量需求情况

4.1 生活采暖用热

化工厂2010年全年用汽438 071 t，其中生产用汽量约为35 505 t，主要在氯碱一车间、氯碱二车间、双钠车间和草酸车间，要求温度达到220℃左右；其余蒸汽用于冬季采暖和全澡堂全年供热，现采暖供热蒸汽温度为170～230℃。化工厂2010年生产、生活用汽量见表3。

4.1.1 氯碱车间

氯碱一车间全年用汽284 734 t，其中，生产用汽279 589 t，生活用汽5 147 t。氯碱二车间由于系统未能满负荷生产，2010年产量为67 420 t，为设计产能的33.71%。全年用汽100 955 t，其中，生产用汽75 955t，生活用汽25000t。生产用汽点主要为溶盐工序、电解工序和蒸发工序，目前，溶盐和蒸发的蒸汽冷凝水部分（70%）回用到溶盐工序化盐，电解工序的蒸汽冷凝水外排。生活用汽主要供各生产厂房的采暖。

4.1.2 硫酸车间

硫酸车间生产不用蒸汽，消耗的蒸汽全部为生活用汽，2010年生活用汽4 600 t，蒸汽冷凝水全部外排。

4.1.3 双钠车间

2010年七水亚钠亚钠系统未能满负荷生产，生产七水亚钠33 095 t，为设计产能的66.19%，无水亚钠处于试车阶段，产量为6 920 t，为设计产能的6.92%。全年用汽42 510 t，其中生产用汽37 610 t，生活用汽9 700 t，蒸汽冷凝水部分（60%）回用于蒸发器洗效和配碱。生产用汽点主要为蒸发工序和冷结晶厂房，生活用汽主要是厂房、厂浴池及食堂的采暖用汽。如果系统能满负荷生产，生产蒸汽用量还将大幅度上升。

4.1.4 草酸车间

车间2010年用汽20 709 t，其中实验用蒸汽10 076 t，生活蒸汽10 633 t，蒸汽冷凝水全部外排。

4.1.5 厂办公楼

厂办公楼采暖面积为4 500 m2，冬季采暖用精炼厂的生活蒸汽，一个取暖期约消耗蒸汽2 700 t，蒸汽冷凝水外排。

4.1.6 化工厂目前能用热水替代的生活蒸汽量

经过对各车间生产、生活用汽的调研，认为生活蒸汽可用80℃热水替代，见表4。

表2 化工厂各生产系统低温余热统计表

表3 化工厂2010年生产、生活用汽量

表4 化工厂目前能采用80℃热水代替的生活蒸汽量一览表

从表4可以看出，化工厂每年所需要的生活蒸汽如果用80℃热水代替，则需要320万t才能满足需要，假设这些热水在经取暖、洗浴等用途使用后温度降至40℃，则每年需要的供热量折成标煤为17 142 t。

5 结论与展望

经过调查，整个化工厂现有正常生产的工艺系统的中低温余热每年可回收相当于100 632 t标煤释放出的热量（中低温余热回收的效率分别取60%和40%），而化工厂自身消耗的生活蒸汽如果采用回收余热产生的80℃热水代替，每年可节省相当于13 700 t标煤产生的热量，为现在产量下可回收余热量的1/8。每年金川集团公司有限公司一、二2个厂区的全年取暖和洗浴所用蒸汽量为130万t蒸汽（每吨蒸汽的热量值为271.05万kJ），相当于120 700 t标煤产生的热量，仅相当于化工厂现在状态下可回收余热量的1.2倍。也就是说，当化工厂的40万t/a离子膜烧碱和30万t/a PVC项目达产后，整个化工厂可回收的余热量将超过金川公司的整个矿山厂区（一厂区，面积为6 000亩左右）和选冶化厂区（二厂区，面积为6 300亩）的全部采暖和洗浴所用蒸汽量。因此，化工厂余热回收的潜力巨大。

从整个金川集团有限公司来说，化工厂只是产生生产余热的厂矿之一，镍厂、铜厂、贵金属厂的火法冶炼工艺炉渣的排放温度高达1 400～1 600℃，动力厂的每座凉水塔不断地向空气中排放热量，这些工艺产生的高、中、低温余热的数量也非常可观。金川集团有限公司的余热回收潜力巨大。

［1］施国华，张淑贵，低温余热回收，能源技术.2000，（1）：38－40.

［2］门福君，孙文化，宫淑波.中小硫酸装置中中温余热利用的工业实践.江苏化工，1996，24（5）： 60－61.

Investigation report on the surplus heat resources of all the processes in chemical plant

LIU Jian-guo1,WANG Jian-hua2，MAJun-min3,GUO Xiao-ying3
(1.Jinchuan Wanfang Enterprise Co.Ltd.,Jinchang,Gansu Province,737102；2.Branch of Project Construction,Jinchuan Group Co.Ltd.,Jinchang,Gansu Province,737100;3.Chemical Plant attached to Jinchuan Group Co.Ltd.,Jinchang,Gansu Province,737104)

In order to have a better idea of the kinds and demand of surplus heat in all of the processes,carried out an systematic investigation for four months on the heat which need to be exchanged by other medias in all the production lines.The total surplus heat produced by chemical plant per year equals to the energy emitted by more than 100 thousand ton standard coal even with the lowest recovering rate,and this amounted to eight times as the whole heat consumed by the living steam of chemical plant,and nearly equaled to the annual energy demand of heating and shower by the two production areas.All the numbers in the investigation illustrate a promising future of the surplus recovering and reutilization.

surplus heat;recover and reutilize;medium temperature surplus heat;low temperature surplus heat

TK11+5

B

1009－1785(2012)09-0036-05

刘建国（1963—），男，无机化学本科毕业，冶金材料学硕士研修，曾在金川集团化工厂任高级工程师和技术主管多年，入选金川公司引军人才，现任金川万方实业公司项目主管，主要从事研究方向为冶金环保和再生金属回收。

2012-04-25