硫铁矿制酸装置电除尘器出口安装省煤器实践

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。