硫酸工程设计节能技术探讨

沙业汪

(中石化南京工程有限公司，江苏南京 211100)

节能与余热回收

硫酸工程设计节能技术探讨

沙业汪

(中石化南京工程有限公司，江苏南京 211100)

对硫酸工程设计的主要节能技术作了深入的探讨。硫酸工程设计要贯彻和执行节能法规和政策，工艺技术需采用成熟可靠、先进适用、效能高、节能、经济效益好的低压降指标，装备选型采用安全可靠、结构合理、压降低、能耗低、效率高、维修方便及两次维修间隔期长、经济上合理的装备、配件和材料，设备布置紧湊合理。节约用水、回收和利用能源，提高热的回收率，投资费用较高的节能措施需根据综合评估决定。

硫酸工程 节能技术 节能法规 节能降耗 先进工艺设备 低压降

我国硫酸行业转型升级形势廹在眉捷，“十三五”期间，新增产能受到严格控制，硫酸低温位热回收技术将继续推广，而且在节能和清洁生产方面的准入门槛提高。“十二五”硫酸行业回收和利用的热能生产蒸汽及发电，虽然取得了很好的成果，也为企业带来丰厚的回报，但是今后对硫酸企业，特别是对新建硫酸工程的节能要求越来越高，还需继续努力创建新纪录。硫酸工程项目建设的全过程中，设计阶段是贯彻和执行国家有关节能政策的先行及关键时期，节能措施通过设计可充分落实到工程中，如果硫酸工程建成后再考虑节能，是很被动和费劲的。所以，硫酸工程的设计应把好节能关、做出好的节能设计。就硫酸工程设计的主要节能技术措施进行探讨和交流。

1 政策导向

硫酸工程设计需全面贯彻和执行国家有关节能的政策、法规、标准和规范。近几年国家有关部门公布的节能新政如下：

2016年6月30日，开始执行工业和信息化部公布的《工业节能管理办法》(以下简称《办法》)。《办法》鼓励工业企业加强节能技术创新和技术改造，鼓励工业企业创建“绿色工厂”。《办法》提出，重点用能的工业企业应开展能效水平对标达标活动，争创能效“领跑者”。鼓励重点用能的工业企业利用自动化、信息化技术，提高企业能源利用效率和管理水平。

2012年12月31 日发布GB 29141—2012 《工业硫酸单位产品能源消耗限额的规定》。该《标准》对现有工业硫酸企业单位产品能耗限定值和先进值作了规定，还对新建工业硫酸装置单位产品能耗准入值作了规定。提出企业应建立健全能源管理组织机构，对节能工作进行组织、管理、监督、考核和评价。《标准》要求：生产设备达到高效率低能耗经济运行的状态，对余热和余压，加强回收和利用；开发利用高效节能的新技术、新工艺、新设备；推进清洁生产，提高资源利用效率，减少污染物排放量； 推广热电联产，提高热电机组的利用率；推广“三废”综合利用技术； 淘汰高能耗、高污染的工艺和设备。

由中国硫酸工业协会组织起草、新编的《工业硫酸取水定额》，已于2015年底上报国家标委会，待审批后发布。新编的《工业硫酸取水定额》比现行标准HG/T 4186—2011《硫酸取水定额》，提高了对现有企业取水限额值的要求，并增加了新建项目取水准入值。

2013年3月国家发展改革委发布《关于调整销售电阶分类结构有关向题的通知》，国家逐步将现行销售电价归并为居民生活用电、农业生产用电和工商业及其它用电。在5年调整过渡期内，将黄磷、中小化肥等用电逐步归并于大工业用电类。中小化肥用电系指300 kt/a以下(不含300 kt/a)的单系列合成氨、磷肥、钾肥、复合肥料生产企业中化肥生产用电。2016年4 月起化肥企业优惠电价已全部取消。

2013年12月31日工信部发布《石化和化学工业节能减排指导意见》，该指导意见确定到2017年底，石化和化学工业万元工业増加值能源消耗比2012年下降18%，单位工业增加值用水量降低30%，水的重复利用率提高到93%以上。控制氮肥、磷肥、“三酸两碱”等高耗能、大宗基础化学品的总量，淘汰或改造其中部分能耗高、污染重的产能和装置，提高新建项目的能效和环保门槛。重点研发和推广硫磺制酸的低温位热回收技术及硫铁矿制酸和冶炼烟气制酸中、低温位热能回收技术。

2 业主意向

硫酸工程设计需达到业主的期望，需要业主的理解和支持。目前，我国大、中型硫酸企业单位产品的实际耗电量，差别相当悬殊，原因较多，除特殊情况外，一般而言与企业的环境和状况、设计和管理的水平有关。完善的工程设计，给设备采购、施工和安装、试车和投入正常运行等后续阶段的工作，打下良好的基础；而节能措施合理和有效的工程设计，又能为企业节能降耗、降低企业管理费用和产品成本等带来较高的经济效益。硫酸工程设计落实工程的节能措施应达到业主的期望，也需要业主的理解和支持。业主对有关节能问题，做好调查研究，审查有关设计文件，从严把关，落实措施，向节能要效益，提升项目的市场竞争能力，争创成为能效“领跑者”。

3 节能方向

硫酸工程设计需采用先进工艺和设备，实现能耗最小化，效益最大化。节能问题在项目设计中，政策性很强、很重要，是设计的主要内容。节能的标志之一，是单位产品能的消耗量。新建工业硫酸装置按GB 29141—2012 《工业硫酸单位产品能源消耗限额》及有关工业硫酸取水定额执行。GB 29141—2012中对新建工业硫酸装置工业硫酸单位产品能耗准入值、现有工业硫酸企业单位产品能耗限定值、先进值，综合列于表1。

表1 新建工业硫酸装置单位产品能耗准入值、先进值及現有企业限定值

据报导，我国有些大型化企业的电耗控制得很好，超过对现有企业限定值，达到先进值的要求。2012年，云南三环、云南祥丰、湖北三宁、云南云峰、云南富瑞等硫磺制酸企业单位产品电耗 30～42 kWh；湖北鄂中、云浮宝利等硫铁矿制酸企业单位产品电耗也仅 82～83 kWh；“双闪”铜冶炼烟气制酸单位产品电耗，广西金川有色45 kWh[1]、铜陵金冠铜业冬季62 kWh、夏季73 kWh[2]。据新发布的2016年度石油和化工行业重点耗能产品能效“领跑者”数据，硫磺制酸企业单位产品电耗宜都兴发28 kWh、云南天安36 kWh、湖北三宁36 kWh，硫铁矿制酸企业单位产品电耗贵州瓮福72 kWh、铜陵华兴115 kWh、浙江巨化134 kWh。因此，新建硫酸工程设计，有这些先进企业所采用的工艺技术和装备、节能措施等经验借鉴，能耗指标达到或超过标准规定的准入值要求，一般应该有信心有把握的。下面就主要的节能技术措施进行探讨。

3.1 工艺参数的先进性与经济性评估

目前，我国硫酸工程设计，尤其是大型化装置，采用国产化技术越来越多，许多项目从实际出发，因地制宜，博采众长，选择先进合适的低压降工艺控制参数。在消化吸收国外某些指标时，考虑了我国的能源状况和能源政策、能源价格，工艺和装备配套技术水平等与欧美国家不同的因素，结合具体情况处理管道和设备的工艺参数与投资、节能的关系。从整个工程全方位进行评估，既考虑了投资费用合适，又考虑了能耗低，两者兼顾，达到了工艺指标先进、经济上适度、较低的能耗，处理得非常恰当，可供新建硫酸工程设计借鉴。

投资费用与能耗的平衡，达到投资最小化、节能最大化的目的。在技术和设备的选择中，工艺技术参数定得高，设备和管道的尺寸减少，大型化的设计、制造、安装的复杂性降低，投资费用相应降低，但能耗却增加较多，硫酸的生产成本也随之增加。反之，为了降低能耗而选择较低的工艺参数，所需的设备尺寸庞大、增加了投资费用也是不适宜的。所以，投资费用与能耗平衡的尺度，可简单表述如下：一般情况下，在投资贷款偿还期内所节约或增加的能量价值，应相当于设备和管道尺寸大小的增加或减少所需的投资费用。有些文献曾介绍了这方面的原理和应用，很有实用价值。例如，孟山都公司曾经提出的投资当量法，是一个比较简单的节能经济评估方法之一。

3.2 开发或采用先进工艺技术提高炉气SO2浓度

开发或采用先进工艺技术提高炉气 SO2浓度是很有效地节省能源的措施，并有很多成功的经验可供硫酸项目设计参考。硫磺制酸工程设计中，进转化器的气体中φ(SO2)9.5%～10.5%提高到 10.5%～11.5%，总气体量减少 10.0%～13.0%，主鼔风机所需的功率亦相应降低，能耗下降；气体量减少后全系统所需的设备和管道尺寸大小减少，降低了投资费用，还略可降低单位产品的能耗，节能效益显著。不过，提高SO2浓度，对催化剂的性能要求高，转化器的结构和材料需要适应更高的工况，需采取应对措施。铜冶炼烟气制酸工程设计中，由于采用“双闪”冶炼工艺，产生的高浓度SO2烟气制酸，环境、经济、节能效益均很好，文献[3]介绍φ(SO2)18%～20%的冶炼烟气预转化工艺制酸，耗电量可减少约22.8%。广西金川有色1 600 kt/a“双闪”铜冶炼烟气制酸装置采用该技术，据报道较常规技术节电22.48%，单位产品电耗量45 kWh，节省投资19.36%，增产蒸汽量较大；祥光铜业1 000 kt/a硫酸装置采用LURECTM工艺，铜陵有色1 450 kt/a硫酸装置采用非衡态转化工艺，金隆700 kt/a硫酸装置采用支路循环-预转化预吸收工艺赤峰云铜400 kt/a硫酸装置采用预转化工艺等，均取得了显著的节能效益。硫铁矿制酸工程设计中，也可适当提高炉气中的SO2浓度，节能降耗。10多年前鹿寨化工400 kt/a硫铁矿制酸装置扩产改造，就是采用提高炉气中的SO2浓度方案实施的，达到了预期设想，现在该装置仍按此措施正常运行，产量一般在440～460 kt/a。2013年该装置增设尾气回收SO2设施，采取了减少进入干燥塔的补充空气量的措施，提高了炉气的 SO2浓度，主鼔风机输送气量降低，全系统的压降减少3～4 kPa，电耗也下降了。

3.3 调整布置及改进设备，降低压降、节省能源

硫酸工程流程长、设备多、管道多、阀门多，设计中优化调整工艺设备布置，在平面布置中，给操作和检修留足位置和空间后，设备布置紧湊，连接的管道短、弯也少；竖向布置中，降低位差缩短距离，利用位能少用动力。对有关设备结构适当改造，使硫酸生产系统压降降低，例如改进转化器的设备结构，把转化器顶层的催化剂层改放在该设备的底部，缩短至顶层的管道，布置合理又节能。干吸工序有类似情况，就不多赘述了。当然转化器的改进，主要还是工艺和结构方面的需要来降低转化器自身的压降，改进设备结构后在高温下运行更加合理和安全。选用强度高粉化少、活性高装填量少(减薄了床层厚度)、空隙率大压降低(催化剂的形状从柱状改为环状/大环状或菊形)、转化率高的催化剂。

富瑞800 kt/a硫磺制酸装置改造，把主鼔风机从干燥塔后改为在塔前，产量增加了约9.0% ,吨酸电耗从27.2 kWh下降至18.81 kWh，吨酸发电量从48.2 kWh增加至52.9 kWh，工艺水消耗量略有增加，副产中圧蒸汽量略降[4]。主鼔风机流程中的位置，在干燥塔前、塔后各有利弊，要具体分析评估，文献[5]认为主鼓风机设于干燥塔前，总体上是利大于弊。

3.4 采用稳妥可靠、低压降节能的先进装备

目前，有些硫酸生产企业选用了许多节能设备，效果很好。供应啇推出一些先进的节能装备须达到业主的意向。例如主鼓风机、酸泵就有多种节能机型可供选择，有汽轮机驱动调速鼓风机，也有高压电动机配调节装置(有液力耦合器、变频调速、永磁涡流柔性传动调速及带有导向叶轮等多种节能调节的装备和配件) 的鼓风机，又如，设有全数字微电脑PLC控制的智能化变频系统的酸泵。各种节能及高效的塔器(洗涤塔、干吸塔、洗涤器、除雾器、换热器、除沫器)，各种低能耗电器设备、元件、材料、其他电器产品(如高、低压开关柜、变压器、操作箱、灯具、各种电缆等)，可供评估选用。考虑电力电容器的补偿设施，确保供电系统有较高的功率因数，降低无功损耗。

3.5 适当考虑主鼓风机风量和升压的余量

主鼓风机作为整个气相系统输送炉气的设备，炉气通过各有关设备和连接设备的管道、阀门等，克服这些设备、管道，阀门的阻力，系由主鼓风机压头承担。主鼓风机是全装置的用能大户，在硫磺制酸装置中占总用能的60%～70%，在硫铁矿制酸装置中占总用能的35%～45%，是硫酸装置的重要设备，对节能降耗有很大的影响。因此，主鼓风机的节能降耗，除了降低炉气所经过各个设备和连接设备的管道、阀门等的压降外，也要降低主鼔风机本体运行所消耗的能量。生产系统压降的变化对主鼓风机能耗十分敏感，例如1 200 t/d硫磺制酸装置，进入转化器炉气φ(SO2)为10.5%，系统的压降增加或降低100 Pa，鼓风机的耗能量每年可增加或减少约22 000 kWh，如果以电价0.5元/kWh作基础计算，硫酸生产费用每年可增加或降低约11 000元，可见，系统压降仅微量变动100 Pa，累积的能量就跟可观，不容轻视。

主鼓风机的能力(风量和升压)除根据装置的规模外，还取决于工艺过程和装备的选型，以及设备和管道的参数，关系到能源的使用和消耗。随着硫酸工业向大型化发展，主鼓风机既要满足大型化装置为改善设备结构和流体分布状况、减小设备尺寸、降低投资费用等所需的风量和升压，还要从主鼓风机最终反映的能耗，从节能降耗的要求出发合理地考虑生产系统中设备和管道的压降。根据我国的国情、企业的状况、能源的供应和价格来确定合适的主鼓风机风量和升压，并考虑留有一定的余量。一般情况下主鼓风机风量的余量控制在5%～10%、升压的余量控制在7.0～8.0 kPa是较为适宜的[5]。

升压余量的控制，因设备使用日久，被灰尘和污垢堵塞或损坏而引起的压降增加一般不会也不应该超过允许的升压余量限额。即在两次大修间隔期间，系统连续满负荷操作下，压降上升的允许值应控制在该限额之内。留有较大的升压余量主要是与大修的周期长短挂钩，设备性能好、特别是管理到位，可以实现较长时间系统仍可正常运行，直到升压接近用足余量时停车。较高的开车率、维持数年不停车检修就是企业的效益。特别指出，对于新建装置或大修后投入运行的洁净装置有可能超负荷运行，但不要因这种情况误解为预留给装置有超负荷(设计产能)的潜在能力。

主鼓风机能力的余量过大，设备费用高，鼓风机长期在低负荷下运行，既不利于操作又增加电耗，还需设置调速装备或调节阀门、导向叶片调控，这些设备亦引起能耗的增加；若是由电动机驱动鼓风机，不但要配套设置大功率的电动机，而且还需考虑适应起动增加的电器负荷和无功功率补偿设施，亦使投资费用增加。因此，余量愈大能耗愈多，仅考虑实际的需要和具备的条件，因地制宜确定便可。

3.6 塔器与除沫器的压降亟需大幅度降低

目前，有些硫酸装置中干燥、吸收三个塔和相关的除沫器、设备结构及配套部件的压降较大，亟需大幅度降低，既可节能，还能够改善塔的运行状况。在新建硫酸工程的设计中，考虑选用合适的气体流速、酸的淋洒密度来降低气体带沫量，减轻除沫器的负荷，有利于除沫器能长期保持较稳定的除沫效果；采购压降小、強度高的填料，降低填料层的高度；采用合适的、结构简单的、压降小、效率高的分酸器及除沫器。例如云南三环600 kt/a硫磺制酸装置技术改造[6]，干燥、吸收三个塔改用S流线型填料，3个塔(不包括除雾器)的压降共计由10.7 kPa下降至 2.1 kPa，减少了 8.6 kPa，节省了 80.37% 的能量。经改造后，各塔运行的压降均保持在0.8 kPa 以下。

3.7 尾气回收与节能

为了降低放空烟气中的 SO2量，许多企业和工程增设尾气回收装备，选用效率高、不产生二次污染、压降较小的工艺装备，回避风险，既可满足正常运行时放空烟气中的 SO2量达标的要求，又可用于开停车时处理放空废气。例如鹿寨化工减少干燥塔的补充空气量，降低系统的压降用以设置尾气回收装备，省去接力风机，便是一个很好的方案[7]。

20世纪60年代，因硫酸企业尾气排放污染严重，二转二吸工艺的问世，几乎以一边倒的态势获得迅速的应用和推广，增加了许多设备,投资和电耗也相应增加。在不很长的时间内，许多硫酸企业采用二转二吸工艺取代了一转一吸工艺或一转一吸+尾吸工艺。现在可供新建硫酸装置选用高效和节能的尾气回收工艺和催化剂品种较多，选择余地较大，探索简化工艺过程满足环境和节能的要求，已具备一定条件。

3.8 采用次高压参数的装备

目前，已有个别硫酸企业的热回收设施，采用次高压参数的余热锅炉及其热力系统生产5.6 MPa的蒸汽。在技术上次高压是可行的，但余热锅炉及热力系统需与发电及用户的设施匹配。次高压参数蒸汽的热焓值比中压参数蒸汽高，随之节能及发电的收益较高，一般具有更好的经济优势，从节能角度考虑是合理的。在投资方面，采用次高压高温参数机组，比中压机组的锅炉、汽轮机等装备的费用高，需要根据项目的具体情况，分析论证确定余热锅炉、发电机组及其热力系统的压力等级。

3.9 节约用水

据了解，新编的《工业硫酸取水定额》较现行HG/T 4186—2011《硫酸取水定额》的要求提高，并增加了新建企业取水定额准入值，设计须考虑应对措施，节约用水，达到准入值的要求。在考虑冷却用水的供水设计方案中，大多推荐循环供水，该方案不但在经济上有优势，在节能和节水方面效果显著。冶炼烟气和焙烧硫铁矿炉气净化排出的污水经处理合格后综合利用，争取不排出或少量排出厂区。硫酸工程界区内所有的设备、机械的冷却用水分类回收，按照污染程度的不同分别处理，然后循环使用。各种反应热尽可能回收和利用，可减少移去这些反应热的冷却用水量。蒸汽的冷凝液回收利用，余热锅炉排出的污水经处理后回收利用。

3.10 加强保温，减少散热损失

生产中热量的散失是不可避免的，但应尽可能减少。散失的热量大部分是高、中温热，其品质好、价值高、数量可观。例如规模300～400 kt/a 硫磺制酸装置，高、中温热散热量达6.3%，其中焚硫炉、余热锅炉及热力系统、连接的管道的散热量占50%～60%，其余是转化系统的设备和管道的散热量[8]。因此，应把保温设计做好，采用绝热性能良好的保温材料和先进的保温结构，确保施工质量和竣工验收，减少散热损失，特别是减少高、中温热的损失，提高热的回收率，多产蒸汽。此外，充分利用各种中、低温热预热余热锅炉给水，既可回收和利用这些热量，又可节省使用其他能源。

3.11 利用装置产生的蒸汽干燥硫精矿

以硫精矿为原料的制酸装置，利用回收的反应热生产蒸汽取代煤或其他燃料干燥硫精矿，既省煤或其他燃料、节电、节水，又不产生废气和废渣污染环境，投资费用也较低。

4 结语

对硫酸工程设计主要节能技术的探讨小结如下：

1)有关节能的新政相继公布，说明了节能的紧迫和重要性。新増产能准入门槛的提高，意味严格要求实现节能目标。新建硫酸工程设计须贯彻和执行节能有关法规和政策，做出符合规范要求的设计。节能措施方案，吸取先进经验，通过调查研究评估制定。

2)工艺参数及技术方面，通过评估采用成熟可靠、先进适用、效能高、节能、经济效益好的低压降技术。装备选型方面，采用安全可靠、结构合理、压降低、能耗低、效率高、维修方便及两次维修间隔期长、经济上合理的装备和配件、材料。设备布置方面，布置紧湊合理，便于操作和检修，管道要短及弯头少，减少压降。

3)节约用水、回收和利用能源。冷却水采用循环供水较佳，回收利用净化工序的洗涤水及各有关设备的冷却水、冷凝水，尽最大的可能回收和利用化学反应热，减少设备和管道的散热，提高热的回收率。

4)投资费用较高的节能措施，效果虽好但回收期较长，根据经济评估决定。

[1] 肖万平.1 600 kt/a铜冶炼烟气制酸装置介绍[J].硫酸工业，2014(3)： 8.

[2] 汪滿清.“非衡态”高浓度SO2转化技术的开发与应用 [J].硫酸工业，2015 (3)：11.

[3] 丁华.孟莫克高浓度SO2预转化工艺介绍[J].硫酸工业，2011(2)：16-19.

[4] 杨建铨. 800 kt/a 硫磺制酸装置风机塔后布置改为塔前布置的生产实践[J].硫酸工业，2009(2)：27-30.

[5] 沙业汪.硫酸工艺和设备选择中的节能问题[J].硫酸工业，2006(5)：5-11.

[6] 陈进福.600 kt/a硫酸装置稳定与增产技术改造总结[J].硫酸工业，2016(2)：13-14.

[7] 覃焕章.400 kt/a硫酸装置尾气氨法脱硫的设计与运行 [J].硫酸工业，2015(6)：28-30.

[8] 沙业汪.硫酸工程热回收和利用的探讨[J].硫磷设计与粉体工程，2008(2)：1-5.

Discussion on energy-saving technology of sulphuric acid engineering design

SHAYewang

(SINOPEC Nanjing Engineering Co., Ltd., Nanjing, Jiangsu, 211100,China)

The major energy-saving technologies of sulphuric acid engineering design has been reviewed extensively. The sulphuric acid engineering design has to comply with energy-saving act, regulations, and policies. The technology should be fully developed and reliable, advanced and suitable, highly efficient, energy-saving, cost-effective, and low pressure drop. Equipment selection should take consideration of safety and reliability, reasonable configuration, low pressure drop, low energy consumption, high efficiency, easy maintenance and long intervals between two maintenances, economically reasonable equipment, accessories and materials, and reasonable and compact equipment layout. Heat recovery should be improved via saving water consumption, energy recovery and reutilization. Integrated assessment should be conducted for selecting an energy-saving technology with high-cost investment.

sulphuric acid engineering;energy-saving technology;energy efficiency act; energy saving;advanced technology and equipment; low pressure drop

2016-12-22。

沙业汪，男，中石化南京工程有限公司教授级高工(己退休)，从事硫酸工程设计、技术资询等有关工作。电话：025-57794167；E-mail：shayewang@hotmail.com。

TQ111.16

B

1002-1507(2017)03-0011-06