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余熱利用
硫酸工業余熱回收
簡介:

硫酸生產過程中產生大量熱能,熱能品位從高到低均可回收加以利用。高品位熱能最好的利用方式是發電,可以大大降低生產成本。

硫酸的原料可以是硫黃、硫鐵礦以及冶煉廠的冶煉氣,以這些原料制取SO2氣均產生高溫熱能,氣體溫度達850~1100℃。根據生產經驗,這部分高溫余熱可產生1.1~1.3噸蒸汽/噸硫酸。而在轉化工段,主要是中溫余熱。一次轉化完畢到吸收塔的轉化氣溫度在400℃左右。利用這部分余熱,據生產實踐估算,每生產一噸硫酸約可生產0.2噸蒸汽。在兩次轉化工藝中,這部分中溫余熱已轉移到酸吸收系統的低溫余熱中。低溫余熱的回收利用主要在干吸系統。當采用高溫吸收工藝,把中間吸收塔酸溫提高到165℃時,出塔酸溫可達200℃。這部分低溫余熱可以用來發電。每小時進塔氣量為111000m3,溫度為194℃條件下,可產生185℃、壓力為1043kPa的蒸汽29.7噸,供9000KW汽輪電機發電。

我公司已在硫酸生產中開發了熱管SO2氣體余熱回收蒸汽發生器和熱管SO3冷卻蒸汽發生器兩種設備,并在工業生產應用中取得了很好的使用效果。由于硫酸生產是連續性生產,生產過程中的高溫,礦塵磨損,高、低溫腐蝕等因素常使設備受到侵害,致使整個生產停頓造成損失。熱管設備的個別管件損壞不會影響整體設備效能,因之也不需停工檢修,故熱管技術在硫酸生產中發揮了具大的作用。主要表現在以下幾個方面

沸騰焙燒爐沸騰層內的余熱回收:

硫酸生產中沸騰床內沸騰層的溫度一般控制在800~900℃之間。硫鐵礦燃燒是一強放熱反應,為了維持這一溫度必須從床層中導走多余的熱量。根據熱量平衡計算,每生產1噸硫酸(100%濃度)從沸騰層中導出的熱量可達1.482MJ。將此熱量折合成標準蒸汽約為0.55噸/噸H2SO4。一個年產10萬噸硫酸的工廠從沸騰爐中回收的蒸汽量約為5.50萬噸/年。下圖為熱管在沸騰焙燒爐中回收熱量的兩種形式。圖a所示縱向插入式。熱管的蒸發段(受熱段)的下部直接插入沸騰層內,另一部分在沸騰層的爐膛擴大部分,熱管沿爐膛周邊布置。在沸騰層內爐氣以對流和輻射的方式將熱量傳給熱管,爐膛擴大部分的傳熱以輻射為主。熱管的冷凝段(放熱段)伸出在爐頂外的水夾套中。水夾套與上下聯箱相連,蒸汽由上聯箱直接進入汽包,汽包的飽和水沿下降管進入下聯箱,從而形成自然循環。這種布置的優點是熱管沿爐壁周向布置,熱管在沸騰層內受單側礦塵縱向磨損較輕,熱管不僅在沸騰層中吸熱,而且沿整個爐膛高度以輻射形式吸熱,這樣又可以降低爐氣出口溫度減輕爐氣廢熱鍋爐的負荷。由于輻射傳熱率與溫度的四次方成正比,故傳熱效率極高。熱管由于縱向伸縮自由不存在溫差應力。同時單根熱管的損壞不影響設備整體運行,保證了生產的穩定性

上圖(b)為徑向插入式。熱管在沸騰床中承受爐氣及礦塵的橫向沖刷。傳熱方式主要為強迫對流換熱。同樣,單根管破壞也不影響整體運行,更換熱管也比較方便

沸騰焙燒爐礦渣余熱回收:

目前國內硫酸工業處理焙燒爐排出的爐渣大部分都用回轉圓筒筒外噴水的方法使其冷卻。這不僅損失了礦渣的余熱,而且額外損失水、電。根據物料平衡計算,每生產上噸硫酸,相應的礦渣量為0.286噸(礦石含硫量40%)。設排出的礦渣溫度為800℃,將其降為80℃由輸送機送走,則可回收的有效熱量為1.98×105 kJ/t (H2SO4),一個年產10萬噸硫酸的工廠其回收的熱量可達1.02t蒸汽/h。采用如下圖所示的裝置,既可回收余熱又可避免環境污染。冷卻空氣從下而上通過多段沸騰層,在沸騰層內埋有冷卻熱管,按熱量品位利用的需要逐級移走。冷卻空氣通過循環風機在密閉空間內循環,不會污染環境。相應的,來自廢熱鍋爐的沉渣也可收入一并處理

SO2爐氣余熱回收:

從沸騰爐出來的高溫爐氣溫度約為750~850℃,如果使其降溫至350~450℃,則每生產1噸硫酸可從爐氣中回收熱量1.3×106kJ。把這部分熱量和從沸騰爐中導出的熱量加到一起用于發電,則每生產1噸硫酸可發電150KW。然而,硫酸余熱鍋爐是在高溫、高含塵率、高腐蝕性氣體的條件下工作,在這種環境下只要有一根爐管發生泄露就必須全系統停車,檢查、補修。而熱管在這種情況下工作有其獨特的優越性
     可以選擇適合的風速使磨損率減至最低
     可用增加管外翅片的辦法來彌補因風速減小而導致的傳熱系數的減小
     可利用靈活的布置減少礦塵在管上的沉積
     可以用調整管壁溫度的方法避免露點腐蝕
     單根熱管破損不影響整體運行,可以保證設備長期穩定運行

當前可用于SO2爐氣冷卻的熱管蒸汽發生器有如圖所示的三種形式


圖中(a)為爐氣縱向沖刷熱管管束;(b)為爐氣橫向沖刷管束;(c)為爐氣斜向沖刷管束。下面為二個實例

  年產10萬噸硫酸的某硫酸廠,生產原料為硫鐵礦,出沸騰爐的SO2爐氣溫度為950℃,含塵約250g/m3(標準狀態),且顆粒大。爐氣露點溫度為192~210℃。用一臺水管式廢熱鍋爐回收爐氣余熱,產生壓力為2.5MPa的蒸汽

由于露點高,一些穿墻管處的管子及爐氣出口處的管壁容易腐蝕,同時爐氣含塵量高,煙塵顆粒大,管壁受到的磨損嚴重,尤其是氣流拐彎處流動不均的局部位置情況更加嚴重。由于水管鍋爐的特點,一旦有漏點,爐水即流入煙道,必須停產檢修,而停產一天損失達數萬元。由于以上原因,該廠生產周期最短時僅為一個月左右,嚴重影響了正常生產及工廠的經濟效益,同時也增加了檢修工人的勞動強度。現根據硫鐵礦制酸沸騰爐氣的特殊性和熱管的特點,設計了一臺熱管式蒸汽發生器用以回收SO2爐氣余熱,產生2.5MPa的飽和蒸汽。經計算可產生9.50t/h的飽和蒸汽。回收熱量6497.5kW。結構形式如上圖所示。爐氣經過熱管蒸汽發生器后降為355℃進入電除塵室。圖中隔板的下部為熱管的吸熱段,焊有縱向直翅片。上部為熱管的放熱段,采用水夾套結構,經集箱集汽后經上升管與汽包連接。冷熱側由隔板完全分開,即使出現有個別熱管磨損破壞,也只會是熱管內部少量工作流體流入煙道,不會影響正常生產,可避免大量爐水向煙道泄露而導致停產。各熱管通過控制加熱段傳熱面積使管壁溫度tw>230℃,可有效地防止露點腐蝕

   某廠年產1萬噸硫酸的新建工程,其制酸原料為硫黃,從焚硫爐出來的SO2爐氣流量為(標準狀態)3346 m3/h,溫度為970℃。現設計一臺熱管蒸汽發生器回收SO2爐氣余熱。結構形式如右圖所示。爐氣橫向沖刷熱管束,熱管吸熱段焊有環向翅片,以強化傳熱。與上例相同,管束中產生的蒸汽經上升管進入汽包。設計結果如下:爐氣溫度由950℃降至350℃,將熱量傳給104℃的水產生壓力為1.4MPa的蒸汽,產汽率為1.5t/h,回收熱量1016kW

具體參數如下表所示

 

熱側(SO2氣體)

冷側(汽、水混合物)

設計值

實測值

流量(標準狀態)m3/h

3110

32004000

1500kg/h

1600kg/h

壓力/MPa

微正壓

微正壓

1.4

1.4

進口溫度/

950

900940

104

104

出口溫度/

350±20

226228

195

195

換熱量/kW

1016

熱管SO2轉化器:

SO2催化氧化反應器(簡稱轉化器)是硫酸生產中的重要設備。對工業生產轉化器的要求是希望用最少的投資、最低的運行費用獲得最大的經濟效益。為達此目的,必須使SO2的催化氧化過程實現最佳化,也即使SO2的催化氧化過程盡可能地遵循最適宜的溫度曲線進行。欲使多段催化氧化過程盡可能接近最適宜操作線,反應溫度的控制是關鍵,也即如何尋求最佳的換熱設備使其滿足這一要求。熱管換熱器用于轉化反應器有如下優點

  傳熱效率高,壓力降小SO2與的SO3的段間換熱是典型的氣-氣換熱,因之其傳熱系數很小,理論上一般不會超過30W/(㎡·K),由于受到風機壓頭限制,換熱氣體流速不能過高,否則流體阻力將會上升。根據實測,在管內流速5~7m/s、管間流速4~6 m/s的情況下,轉化器段間換熱器的傳熱系數一般在7~12W/(㎡·K),阻力約為1000~1500Pa,如提高流速可以將換熱系數提高到23~29W(㎡·K),但阻力增大到1500~2500Pa,這將引起動力消耗增加及風機打氣下降。

對于氣-氣式熱管換熱器,若在相同流速下,一般總傳熱系數可達16~20W(㎡·K),每管束阻力在10~20Pa之間,總壓力降一般不會超過1000Pa。由于熱管采用翅片管強化傳熱,因之在同樣的傳熱面積下,熱管所用的管數比普通光管要少得多。

  結構緊湊,流程管線少,散熱損失少。從下圖可知,由于熱管轉化器可以將熱管的受熱段直接布置在轉化器內,因之省去了大量的進出口管道,減少了流動阻力、熱損、投資和操作費用

  特別適用于沸騰床轉化器。固定床催化反應器生產強度受多種因素的限制,如催化劑顆粒不能太小,否則氣體通過催化劑床時阻力太大;由于釩催化劑導熱系數小,因而不能在床層中埋設換熱管移走熱量;二氧化硫濃度不能太高等。而沸騰轉化反應器則不存在上述限制,在沸騰床中由于物料處于恒定攪動狀態,反應放出的熱量可以很簡單地移走,而且床層溫度均勻,非常接近于等溫狀態,因之沸騰床的操作溫度可以按最大轉化速度與最大轉化率二者相致的原則來選擇。由于沸騰床中傳熱條件優越,因而對進入沸騰床的氣體溫度高低的要求可以較為靈活。

沸騰床反應器如下圖所示。溫度為50~60℃的SO2氣體,在沸騰反應器外部預熱器的頂部自上而下吸收熱管從各段沸騰層導出的熱量,SO2氣體被加熱到300~350℃進入沸騰轉化器的下部第一段沸騰層,由下而上經過四段反應,轉化率達95%~98%,在沸騰床頂部設有SO3冷卻器(此冷卻器也可設在轉化器外部),回收熱量產生蒸汽。  

        
下圖是沸騰床和固定床聯合使用的流程圖。沸騰床可以用一段也可以用兩段,然后進入兩段反應的固定床,實現二轉二吸。由于流程簡單,熱損失少,可直接在沸騰床中回收熱量。傳統的轉化系統設備眾多,粗大管線來往反復,不僅流體阻力增大,熱損也相當嚴重,一般可達反應熱的17%

 

根據熱衡算,一個日產150噸硫酸(100%濃度)的工廠,若將轉化系統的熱損失保持在反應熱的14%,則可回收反應熱的熱量大約為1.2t蒸汽/t H2SO4。沸騰床轉化器的熱損小,因之其熱損控制在反應熱的14%以內。


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