硫铁矿制酸装置电除尘器出口安装省煤器实践
2021-10-11李家能吴爱民
李家能,吴爱民
(广东广业云硫矿业有限公司,广东云浮 527300)
广东广业云硫矿业有限公司(以下简称广业云硫)燃烧高品位硫精矿,电除尘器出口的炉气温度长期稳定在270 ℃以上[1],炉气温度升高对净化工序产生较大压力,特别是该公司废水零排放工程实施以后,废水实现了循环利用,但之前随废水排走的热量也回到系统,导致净化工序烟气的温度有所上升。若要冷却温度超过270 ℃的炉气,同时移走废水带回系统的热量,不仅增加了能耗,而且不能充分利用炉气本身带有的热量,造成较大的能量浪费。因此,在电除尘器出口处新安装1台热管省煤器[2-3],不仅可回收多余热量,增加产汽量,还可以减少高温炉气对后面工序产生不利影响。
广业云硫120 kt/a硫酸装置制酸过程产生大量热量,其中高温位余热利用由余热锅炉产生蒸汽供3 MW汽轮发电机组发电,而电除尘器出口的中温位余热没有得到利用。为了贯彻公司“多快好省、节支增效”的生产经营方针,该公司成立了“提高硫酸装置余热利用效率”课题小组,通过理论计算和现场调研,在硫铁矿制酸装置电除尘器出口安装省煤器的方案可行。
1 电除尘器出口炉气热能回收理论计算
1.1 沸腾炉出口炉气量
广业云硫120 kt/a硫酸装置正常生产的工艺指标为硫精矿烧出率99.93%、净化率99%、转化率99.8%、吸收率99.99%,则总产酸率达98.7%。按 生 产w(H2SO4)98.3%硫 酸360 t/d计, 则 产w(H2SO4)100% 硫酸 360 t/d÷24 h/d×98.3%=14.745 t/h。根据硫酸装置的实际生产统计数据,生产1 t硫酸消耗w(S)为46%的硫精矿0.76 t,则硫精矿的消耗量为 14.745 t/h×0.76÷98.7%=11.35 t/h,硫的消耗量为 11.35 t/h×46%=5.223 t/h。
硫精矿焙烧的主要反应方程式为:
由式(1)计算出氧气的理论需要量n1=5.223 th×103÷64 g/mol×11÷4=224.43 kmol/h。
所需空气的理论量n2=224.43 kmol/h÷21%=1 068.71 kmol/h。设过剩空气系数为1.23,则实际空气量n3=1 068.71 kmol/h×1.23=1 314.51 kmol/h,空气体积V=1 314.51 kmol/h×22.4 L/mol=29 445 m3/h。该数据与满负荷运行时沸腾炉炉气风量相吻合,所设过剩空气系数较为准确。
由式 (1)可得 :每消耗 11 mol O2,生成 8 mol SO2,出沸腾炉的炉气会减少3 mol,总减少量为224.43 kmol/h÷11×3=61.21 kmol/h。
自2018年起,硫精矿中w(H2O)从原来的2%~3%提高到4.5%,则炉气中增加的水蒸气量n4=11.35 t/h×4.5%×103÷18 g/mol=28.38 kmol/h。
故沸腾炉出口的炉气量为1 314.51 kmol/h-61.21 kmol/h+28.38 kmol/h=1 281.68 kmol/h。
1.2 电除尘器出口炉气量
设沸腾炉到电除尘器出口的漏气率为20%,则 电 除 尘 器 出 口 的 炉 气 量 为 1 281.68 kmol/h×(1+20%)=1 538.02 kmol/h。
1.3 炉气平均分子热容量
计算焙烧硫精矿产生的含二氧化硫炉气的平均分子热容量经验公式[4]为:
CSO2——炉气中二氧化硫的体积分数,%;
t——电除尘器出口至冷却塔进口的炉气平均温度,℃。
将 CSO2=13.5%、t=(210 ℃ +270 ℃ )/2=240 ℃代入公式(2),得=31.2 J/(mol·K)。
1.4 电除尘器出口炉气降温释放的热量
电除尘器出口的炉气温度由270 ℃降到210 ℃,所释放的热量 Q1=1 538.02 kmol/h×31.2 J/(mol·K)×60 K×10-3=2 879.2 MJ/h。
将散热等各项热损失设为5%,则可利用的电除尘器出口的炉气热量Q2=Q1×(1-5%)=2 735.2 MJ/h。
2 经济效益
2.1 直接效益
压力为3.3 MPa、温度为430 ℃的过热蒸汽焓值 H1=3 293.6 kJ/kg,102 ℃给水的焓值 H2=430 kJ/kg,则过热蒸汽的产生量 m1=Q2/(H2-H1)=2 735.2 MJ/h÷(3 293.6-430)kJ/kg=0.96 t/h。
以每吨过热蒸汽发电185 kWh,电价按0.410 3元/kWh计,1年运行时间按330 d计,则回收电除尘器出口炉气的热量所产生的直接经济效益为0.96 t/h×185 kWh/t×24 h/d×330 d×0.410 3元/kWh×10-4=57.71万元。该项目投资80万,投资回收期为1.5年,经济效益明显。
2.2 间接效益
增加省煤器后,冷却塔和洗涤塔除热负荷减少,可适当减少洗涤塔水电消耗,有利于降低生产成本,净化系统除热负荷减少,有利于净化系统工艺指标的控制。
3 安装省煤器方案
采用2台省煤器串联的方式进行安装。省煤器安装示意见图1。
图1 省煤器安装示意
104 ℃的除氧水进入转化工序中的省煤器,将水加热到165 ℃后进入净化工序的省煤器,将水温提高到200 ℃左右进入焙烧工序余热锅炉,产出的蒸汽经高、低温过热器加热至435 ℃进入汽轮机发电。根据上述计算,省煤器可提高余热锅炉产汽量约 0.96 t/h。
该工艺流程不需大幅更改水路管道,且设备使用寿命长。安徽铜陵华兴化工有限公司安装的同类设备使用寿命已经超过6年,广西梧州藤县金茂钛白有限公司安装的3套省煤器设备使用已超过5年,至今未出现任何问题,且使用效果很好,装置产汽量明显提升。
4 项目实施
2019年9月,广业云硫招标采购省煤器。在2019年底停机检修期间,在电除尘器出口安装1台热管省煤器,把省煤器内的热交换管与转化工序省煤器的出水管相连,使之与转化工序的省煤器串连。为方便员工操作,将控制阀门安装在地面,用超过10 m的锅炉管连接控制阀门进出口。净化工序的省煤器与转化工序的省煤器分别加装进出口阀,2台省煤器可串联使用,也可单独使用。炉气热能经省煤器的热交换管交换后用于提高锅炉给水温度,运行后锅炉增加了过热蒸汽流量,从而达到增加汽轮发电机发电量的目的。
5 实施效果
2020年1—12月,电除尘器出口的炉气平均温度从265 ℃降至217 ℃,锅炉平均蒸汽流量从17.12 t/h提高到17.78 t/h。出口炉气温度及蒸汽流量统计数据见表1。
表1 出口炉气温度统计数据
6 结语
广业云硫通过对120 kt/a硫酸装置电除尘器出口的炉气热能回收进行理论计算,在电除尘器出口采用串联的方式安装2台省煤器,可提高余热锅炉产汽量约0.96 t/h,回收电除尘器出口炉气的热量所产生的直接经济效益达57.71万元/a,有效利用了硫酸装置的中温位余热,经济效益明显。项目实施后,净化系统除热负荷减少,工艺指标控制稳定。