硫黄制酸装置蒸汽系统能效平衡分析与综合利用

马青艳，杨 劲

（1. 云南天安化工有限公司 生产技术部，云南 安宁 650309；2. 昆明理工大学 化学工程学院，云南 昆明 650500）

1 某硫黄制酸装置蒸汽系统概述

某大型化肥生产公司硫黄制酸装置采用液体硫黄为原料，生产w（H2SO4）98%的浓硫酸，同时余热利用后副产中压蒸汽。副产的中压蒸汽压力主要在3.30 ～3.82 MPa和1.0 MPa左右。

4套硫酸装置副产中压蒸汽330 t/h，大部分用来驱动装置内部汽轮风机，剩余部分进行发电。4套硫酸装置中压蒸汽参数以及中压分汽缸内参数见表1。

表1 硫酸装置副产中压蒸汽参数及中压分汽缸内参数

4套硫酸装置均已投产10年以上，其中3套装置先后通过技改配套建设了低温位热能回收（HRS）装置，3套低温位热能回收装置副产蒸汽指标见表2。

表2 3套硫酸装置配套HRS装置所产蒸汽指标

2 3.30 ～3.82 MPa 中压蒸汽及其利用后副产0.6 MPa低压蒸汽利用情况

3.30 ～3.82 MPa 的中压蒸汽利用平衡情况见表3。根据物料平衡，中压蒸汽驱动汽轮机做功后降为0.6 MPa 低压蒸汽（328 t/h），加上喷水降温产生的低压蒸汽31.4 t/h，共计产生0.6 MPa、155 ～160 ℃的低压蒸汽359.4 t/h，加上HRS 副产蒸汽120 t/h，进入低压管网蒸汽总量为479.4 t/h，利用情况见表4。

表3 中压蒸汽利用平衡情况

表4 低压蒸汽利用情况

由表4可知，通过装置自用、外卖、12 MW低压凝汽式发电利用低压蒸汽173.4 t/h，剩余的302 t/h 0.6 MPa 低压蒸汽通过减压转变成0.2 ～0.3 MPa、150 ～160 ℃低压蒸汽，供后续系统使用。

3 蒸汽系统存在问题及分析

3.1 3.30 ～3.82 MPa中压蒸汽利用存在问题及分析

3.1.1 压力损失

从表1 和表3 中可以看出，3.30 ～3.82 MPa 的中压蒸汽产出和消耗是平衡的。中压蒸汽压力等级跨度较大（0.5 MPa）。从表1 中可以看出，1 号硫酸装置出口中压蒸汽压力最大，2 号、4 号硫酸装置次之。中压蒸汽主要用来驱动风机做功或者发电，由于中压蒸汽管网跨度较大，距离较长，阻力较大，所以，导致憋压后，出现压力有差值。

使用蒸汽情况，只有2号硫酸装置风机进口压力与中压蒸汽集汽联箱出口压力最接近，3 号、4号硫酸装置风机进口压力与中压蒸汽集汽联箱出口压力压差为0.2 MPa 左右，发电机组压差最大，可达0.4 MPa左右，压力损失较大。

3.1.2 热损失

1 号装置产出的蒸汽指标为压力3.62 MPa、温度416.9 ℃、质量流量40.0 t/h，送至中压管网后，压力为3.10 MPa，温度为400 ℃。

热损失根据公式（1）［1-2］进行计算：

式中H1—— 3.62 MPa、416.9 ℃的过热蒸汽焓值，3 267.135 kJ/kg；

H2——3.10 MPa、400 ℃的过热蒸汽焓值，3 231.6 kJ/kg；

qm——过热蒸汽量，40 t/h；

Q——放热量，kJ/h。

将数据带入公式后，粗略折算热损失为：40×1 000×（3 267.135-3 231.6）kJ/h=1 421 400 kJ/h。

3.2 0.6 MPa压力等级蒸汽存在问题及分析

从表2中可以看出，HRS产出的蒸汽压力等级明显高于低压蒸汽管网，3 号、4 号硫酸装置配套HRS 装置产生低压蒸汽压力约为0.8 MPa，温度约170 ℃，而低压管网蒸汽压力0.6 MPa、温度160 ℃，将HRS 所产蒸汽并入低压蒸汽管网上使用，压力和热能损失较大。

3套汽轮发电机组做功后的蒸汽温度可达300 ℃以上，但是后续装置不需要如此高的温度，每套装置后都配有喷水减温装置，将温度减至150 ～160 ℃，然后并入低压蒸汽管网，热能损失较大。

3.3 0.2 ～0.3 MPa蒸汽存在问题及分析

供后续系统使用的低压蒸汽需要从0.6 MPa 减温减压至0.2 ～0.3 MPa，减压过程中蒸汽热能损失较大。

后续系统故障时，物料平衡比较难，蒸汽存在较大冗余，只能放空，能量损失较大。

4 解决思路探寻

4.1 针对3.30 ～3.82 MPa 蒸汽利用存在问题的解决思路探寻

解决思路：1 号硫酸装置所产中压蒸汽不送中压蒸汽管网，直接中压减低压。优点是可以提升3号、4号硫酸装置的蒸汽焓值。

根据水和水蒸气热焓表，当换热总量一定的情况下，压力保持不变，温度提升，焓值升高。

3.6 MPa、417 ℃的过热蒸汽焓值为3 267.135 kJ/kg，418 ℃的过热蒸汽焓值为3 269.335 kJ/kg，3号、4 号硫酸装置过热蒸汽流量为245 t/h，折合245 × 1 000 kg/h。在压力3.6 MPa 情况下，温度每提升1 ℃，蒸汽焓值提升折合热能为：

245×1 000× （3 269.335- 3 267.135） kJ/h =539 000 kJ/h。

缺点主要有两个方面：（1）中压发电量损失较大，40 t/h的中压蒸汽，每小时可发电2 900 kW·h左右；（2）直接减成低压，热损失较大，而且新增加0.6 MPa低压蒸汽冗余量较大，可达40 ～50 t/h。

4.2 0.6 MPa压力等级蒸汽利用存在问题的解决思路探寻

解决思路：HRS装置副产蒸汽压力等级与低压管网不一致，建议HRS 副产的低压蒸汽不并入0.6 MPa的低压蒸汽管网，直接送去低压发电机组进行发电，充分利用蒸汽的焓值。

优点：可以用来直接送至12 MW 低压发电机组，增加发电量。

缺点：操作控制存在一定难度，必须保证发电机组和HRS蒸汽管网稳定运行。

4.3 0.2 ～0.3 MPa压力等级蒸汽利用存在问题的解决思路探寻

解决思路：新建低压发电机组代替减温减压装置，减为0.2 ～0.3 MPa蒸汽送磷酸装置使用［3］。

优点：可以利用这部分蒸汽的焓值发电。

缺点：前期需要对新建装置投入成本，后期可收回成本。

4.4 物料平衡解决思路探寻

加强生产管控，所需蒸汽量大，通过发电机组负荷调整；所需蒸汽量小，通过装置生产负荷调整。

5 结论

通过对此工厂蒸汽管网的分析，找到问题，并对问题提出对策，通过论证后，采取以下措施，提高此工厂的蒸汽利用率。

（1）加强生产管理，遇到所需蒸汽量小的情况，用装置生产负荷调整，尽量避免蒸汽放空造成的能源浪费。

（2）在蒸汽第三梯级利用时，建议用低压发电机组代替减温减压装置。

（3）HRS 装置所产0.8 MPa 左右蒸汽不进入低压蒸汽管网，直接送去12 MW 凝汽式发电机发电，最大限度利用蒸汽的焓值［4］。

通过以上几个措施的实施，达到蒸汽热能最大化利用，实现了降本增效。