两种典型三氧化硫磺化装置余热回收工程改造

两种典型三氧化硫磺化装置余热回收工程改造张国华，严国乔，李 峰，张卫民( 轻工业杭州机电设计研究院，浙江 杭州310004)摘要: 简要阐述了两种典型三氧化硫磺化装置的工艺; 较详细地介绍了热管余热锅炉回收余热的方式和余热回收工艺;对两种典型装置从余热回收改造的工艺、设备、投入和收益等方面进行了对比，针对性地提出了各自余热回收的改造方 案，通过投入和效益的比较，指出了对已有磺化装置余热回收工程改造的必要性。关键词: 三氧化硫磺化装置; 余热回收; 工程改造中图分类号: TQ395文献标识码: A文章编号: 1001 1803( 2013) 02 0159 04Technical retrofitting for waste heat recovery intwo kinds of typical SO3 sulfonation plantZHANG Guo hua，YAN Guo qiao，LI Feng，ZHANG Wei min( Hangzhou Project Research Institute of Electro mechanic in Light Industry，Hangzhou，Zhejiang 310004，China)Abstract: Process technology of two kinds of typical SO3 sulfonation plant was briefed with thermotube wasteheat boiler method as well as the process technology for heat recovery described in details Comparison with respect to two kinds of typical SO3 sulfonation plant was made in view of process，equipment，investment and benefit In consideration with the situation of the two kinds of SO3 sulfonation plant，corresponding technical retrofitting plan was provided Based upon the comparison of investment and benefit，the necessity of technical retrofitting for the current existing SO3 sulfonation plants in China was shown obviouslyKey words: SO3 sulfonation plant; waste heat recovery; engineer reformBallestra 公司为代表的典型生产工艺3，前者的典型特征是采用双膜磺化器和连续环路中和，后者采用多 管膜式磺化器和两级连续中和，同时，在三氧化硫气体 发生和冷却等工段中也分别运用了不同的工艺和设 备，这给余热回收的改造也带来了一定的差异。在生 产规模上，两种装置都具有 1. 0，1. 6，2. 0，3. 0，3. 8，5. 0 和 6. 0 t h 1 等的定型生产线。50 多年来，磺化 装置在数量和规模上都有了很大的发展，生产的产品种类也由单一的烷基苯磺酸( LABSA) 到 AES 及 AOS等多品种发展，据不完全统计，至 2012 年 7 月底，国内 已经建成的各种规模的装置有 120 多套4，这些装置 对余热回收有一定的市场需求。磺化反应在现代化工领域中占有重要地位，是合成多种化工产品及中间体的重要工序，在表面活性剂 行业、皮革、医药、农药、染料、涂料、石油和选矿等领域 应用较广1。表面活性剂 LAS，AES 等产品的生产过 程中都有磺化工序，而三氧化硫磺化装置燃硫和转化 时采用空气换热2，随着现代绿色理念和清洁化工以 及节能减排的深入推广，该部分热空气的有效利用具 有重要的社会效益和良好的经济效益。磺化装置余热 回收主要指硫磺燃烧以及二氧化硫转化成三氧化硫所 放出热量的回收，目前国内运行的装置中，除近期建设 和改造的磺化装置外，先前建设的大部分装置都没有 余热回收装置，特别是 2. 0 th 1 及以下装置，随着能 源价格的不断上涨，装置一次性投入和运行成本的盈 亏点在下移，这些装置的余热回收改造显得有实际的 经济价值。余热回收2余热回收方式余热回收的方式很多，目前比较成熟的有热管余 热回收器( 热管余热锅炉) 、间壁式换热器、蓄热式换 热器、节能陶瓷换热器、喷射式混合加热器等5。国 内磺化装置多采用热管余热锅炉和间壁式换热器。其2. 11两种典型三氧化硫磺化装置国内的三氧化硫磺化装置自 20 世纪 60 年代发展至今，基本上形成了定型化与成套化的特点。在生产工艺上，分别形成了以美国 Chemithon 公司和意大利收稿日期: 2012 12 18; 修回日期: 2013 02 20作者简介: 张国华( 1975 ) ，男，浙江人，高级工程师，电话: ( 0571) 85186069，E mail: zhanggh2002 163 com。159生产与技术日用化学工业第 43 卷中热管余热锅炉由于采用了热管原理，具有传热能力大和传热效率高等特点6，而且可以对整个热管余热 锅炉进行整体或者分离式设计7，同时配合自动控制 系统，对热管余热锅炉压力和水位进行精确控制，在大 型的硫酸生产装置中都能稳定运行8。余热锅炉在磺化装置中应用有其突出的优点，尤 其是“钢水重力式热管”余热锅炉，设备结构是产蒸 汽侧位于设备上方，热风侧位于设备下方，其热量的传 递方式有单向特征。设备在运行过程中，有 3 种可能 发生的情况: 第一，当热风侧流体温度高于蒸汽侧温度 时，热量从高向低端传递，蒸汽侧产生蒸汽，产出的蒸 汽可以并网; 第二，当热风侧温度等于蒸汽侧温度时， 热量平衡，蒸汽侧无蒸汽产出; 第三，当热风侧温度低 于蒸汽侧温度时，热量不会反向传递，热风侧只是一个 通道。此外，设备在运行过程中热风一侧的流动阻力 小，热风流量的变化、产汽率变化均不会对磺化装置的 正常运行产生任何的干扰，综合其本身特点，“钢水 重力式热管”余热锅炉是磺化装置中余热回收的性能 绝佳的设备。却器冷却，三氧化硫气体通过水喷淋冷却器冷却。U型 SO 冷却器产生的热空气在硅胶干燥器再生阶段去2用于硅胶再生，而其余时间则放空; 三氧化硫气体转化 产生的热量用循环冷却水通过水喷淋冷却器冷却。因 此，在余热回收改造时，需要将原有的水喷淋冷却器拆 除，换成列管式空气冷却器，同时增加冷却风机等辅助 设备，对三氧化硫气体进行冷却。二氧化硫气体冷却 器不需要改造，产生的热空气和冷却三氧化硫产生的 热空气通过热管余热锅炉进行热量回收，这种改造方 案对原有装置的稳定性无不良影响。改造前的工艺和 改造后的工艺分别如图 1 和图 2 所示。余热回收工艺硫磺燃烧生产二氧化硫气体以及二氧化硫转化成 三氧化硫气体的过程中放出大量热，为使三氧化硫气 体温度能满足磺化的要求，这些热量需要通过冷却带 出，带出的热量部分用于空气干燥系统中硅胶或分子 筛的再生加热，其余大量的热量都放空而白白浪费掉 了。早前的磺化装置有将硫磺燃烧产生 600 650 的二氧化硫气体作为热管余热锅炉的热源，产生饱和 蒸汽进行回收热量，据介绍，每燃烧 1 kg 硫磺可产生3 kg 蒸汽9，也有采用简单的空气冷却器，将热风与 洗衣粉喷粉塔热风炉的冷空气混合来利用余热。不 过，随着专业的精细化分工和装置规模的不断扩大，大 部分的磺化厂和洗衣粉厂分别独立经营，磺化装置的 余热回收则往往通过蒸汽发生器、汽水分离器等非标 设备来产生蒸汽实现回收。随着热管技术的不断应用推广，热管余热锅炉的 结构设计和其自动控制技术配套不断完善，目前比较 简单且经济合理的余热回收工艺就是通过热管余热锅 炉产生二次蒸汽，进行热量回收，回收的热量用于磺化2. 2图 1 Chemithon 工艺余热回收改造前Waste heat recovery device in Chemithon process plant before technical retrofittingFig. 1图 2 Chemithon 工艺余热回收改造后Waste heat recovery device in Chemithon process plant after technical retrofittingFig. 23. 2余热回收的设备布置余热回收的热管余热锅炉为压力容器，受国家特种设备条例和相关法规监管。因此，热管余热锅炉的制造、检验及监检有严格的规定和要求，设备质量比较 有保障，由于其具有维护保养方便的特点，对设备布置 没有一些特别的要求。同时，在不影响原有磺化生产 线的前提下，也可以将热风管适当延长引至余热回收 系统。热管余热锅炉的运行稳定，震动小，可以布置在 地面，也可以布置在一定高度的钢结构平台上，其他的装置的熔硫系统、装置保温以及脱二烷装置等系统。两种余热回收装置改造方案及比较3Chemithon 工艺余热回收改造Chemithon 工艺的二氧化硫气体通过 U 型 SO2 冷3. 1160生产与技术张国华，等: 两种典型三氧化硫磺化装置余热回收工程改造第 2 期软水罐和输送泵等占地都非常小。Chemithon 工艺由于拆除了水喷淋冷却器，这些空出来的区域正好可以 用来布置三氧化硫冷却器等设备，也不会对原有的磺 化生产线带来影响。表 1 设备改造情况比较表Tab. 1 Comparison of equipment modification序号设备名称Ballestra 工艺Chemithon 工艺软水罐软水输送泵 热管余热锅炉 冷却风机1#冷却器2#冷却器3#冷却器 燃硫炉 转化塔U 形 SO2 冷却器 再生风机 水喷淋冷却器增加增加 增加 不变 不变 不变 不变 不变 不变 无无 无增加增加 增加 增加 增加 增加 增加 不变 不变 不变 不变 拆除123456789101112Ballestra 工艺余热回收改造Ballestra 工艺的二氧化硫和三氧化硫气体都是采 用风冷的方式进行冷却，因此，在进行改造时，只需要 将热管余热锅炉安装到热风管道上，原有磺化装置的 设备和管道基本不需要进行变动，因此改造相对比较 容易。如改造前的工艺和改造后的工艺分别见图 3 和 图 4 所示。3. 3余热回收的一些计算数据基于液体硫磺温度 140 ，硫磺燃烧的燃烧热 ( 以单位质量的 S 计) 为H = 9 134 kJ kg 1 ; 在427 下，二氧化硫转化成三氧化硫放出的热量( 以单 位质量的 S 计) 为H = 3 043 kJ kg 17，这些热量一部分随三氧化硫气体进入磺化系统，一部分为设 备和管道保温热量损失，另一部分为温度相对较低的 热空气( 180 以下) 带走的热量，能够回收的热量占产生热量的 40% 50% 。根据上述改造工艺，扣除用于空气干燥系统再生加热用的余热，各种规模磺化装 置余热回收和产汽量一览表见表 2。表 2 各种规模磺化装置余热回收和产汽量一览表3. 5图 3Ballestra 工艺余热回收改造前Fig. 3Waste heat recovery device in Ballestra process plant beforetechnical retrofittingTab. 2Heat recovery and amount of steam generation in sulfona-tion plants of various production capacity磺化装置规模/ ( th 1 )回收热量 10 4/ ( kJh 1 )产汽量/ ( kgh 1 )序号12345671. 01. 62. 03. 03. 85. 06. 038 4861 7776 96115 144146 183192 240231 288180 220280 350350 440530 660670 840890 1 1001 060 1 330图 4 Ballestra 工艺余热回收改造后Waste heat recovery device in Ballestra process plant after technical retrofittingFig. 43. 4余热回收改造主要设备比较根据两种工艺的各自特点，Ballestra 工艺比较简单，只需要增加热管余热锅炉以及配套的水供应系统即可实现余热回收，而 Chemithon 工艺相对比较复杂， 需要增加热管余热锅炉以及配套的水供应系统的同 时，要将原有的水喷淋冷却器拆除，并增加三氧化硫空 气冷却器等配套设备，同时需要对热空气去再生的管 路及稀释风管路进行一些相应调整。设备改造情况的 比较见表 1。热管余热锅炉产生的蒸汽压力的不同以及设备和管道保温状况的好坏，都直接影响到产汽量的多少。 一些最近运行的热管余热锅炉回收装置表明，产生的 蒸汽量达到或超过表 2 的数据。3. 6余热回收改造投入和经济效益比较相对于其他的余热回收采用的非标设备而言，热161生产与技术日用化学工业第 43 卷管余热锅炉由于集成化程度高，技术成熟可靠，在一次性改造投入和后期的维护成本上都比较有优势。根据装置规模的大小不同，余热回收装置投入也 不同。对 Chemithon 装置，由于改造的设备相对较多， 余热回收改造的投入预期需要 30 250 万元; 对于 Ballestra 装置，余热回收改造的投入预期需要 20 150 万元。余热回收每年产生的蒸汽大约 1 200 9 500 t， 按照 200 元 / t 蒸汽的价格计算，可产生 24 190 万元 的效益，这些投入可以在 1 2 a 内收回。当然，目前 国内现有磺化装置的总体开工率不足，而能源价格的 不断上涨也是主要趋势，因此，对不同的企业，预期改 造投资的回收期存在一定的不同。的应用。在国家建设资源节约型社会，大力发展循环经济的政策下，随着蒸汽等能源价格的不断上涨，磺化 行业利润率越来越薄，企业应努力挖掘自身潜力，在降 低生产成本的前提下，对原有的磺化装置进行余热回 收改造显得尤为必要和有经济价值。余热回收工程改 造方案对于现有的磺化工艺，特别是对于 Chemithon 磺化工艺，在设计中即考虑余热回收工艺是一个很好 的参考。节能减排、大力发展循环经济是我国能源发 展战略的重点工作，更是清洁生产、建设环境友好型社 会的需要，在利用磺化反应推动和发展现代化工进步 的同时要进行生产过程的优化集成，废物再利用，努力 做到零排放，实现绿色化工生产。参考文献:1 张广良，杨效益，郭朝华 磺化反应器进展J 日用化学工业，2011，41( 3) : 2111 2152 乔建芬，郭朝华 SO3 磺化工艺过程废热回收技术进展J 化工 时刊，2012，26( 3) : 41 433 王万绪，郭朝华 我国三氧化硫磺化装置现状及发展趋势J 日 用化学品科学，2006，29( 1) : 6 10，184 孙明和，方银军，周大鹏 我国三氧化硫磺化生产装置的最新发展J 日用化学品科学，2012，35( 9) : 1 5，185 连红奎，李艳，束光阳子 我国工业余热回收利用技术综述J 节 能技术，2011，29( 166) : 123 128，1336 胡炯华 热管余热锅炉在低温烟气余热回收中的应用J 有色冶 金设计与研究，2006，27( 4) : 9 127 蔡一静，刘绍铃，董建文 余热回收装置在 SO3 磺化装置中的应用 与推广J 日用化学品科学，2012，35( 9) : 44 468 张素军，刘小平 分离型循环管式热管蒸汽发生器在硫酸生产中 的应用J 硫酸工业，2012( 2) : 39 419 W HERMAN DE GROOT 工业磺化 / 硫酸化生产技术M 方云， 崔正刚，刘学民，等译 北京: 中国轻工业出版社，1993: 12710 王全贵 转化系统节能分析J 日用化学品科学，2008，31 ( 11 ) :30 3211 高斌 热泵技术的应用J 石油化工设备技术，2007，28 ( 6 ) : 52 5412 方银军，吴红平，任国晓 三氧化硫磺化技术中节能减排研究进展 及方向J 日用化学品科学，2010，33( 9) : 10 13余热回收的其他方式如上所述，热管余热锅炉能回收的热量只占放出 热量的 40% 50% 。三氧化硫发生系统的绝热材料 及施工质量对热量的回用有很大的影响10，而且大部 分的 180 以下的热空气的热量没有得到很好的回收 利用，这部分的热能可以通过加热产生热水，热水用于 预热物料或者设备保温等，也可以通过热泵技术11进 行回收，以及利用蓄热式换热器或者节能陶瓷换热器 来利用余热，目前，这些技术在磺化装置上的应用几乎 是一个空白，具有很大的发展空间。除了三氧化硫气体发生系统产生的余热进行回收 外，磺酸中和反应放出的反应热在一定的产品中也得 到了有效利用12。比如在生产 AES 系列产品中，可4以利用中和反应热来闪蒸部分产品中的水，利用二烷和水