硫酸生产装置中的余热回收和数字化

1、硫酸生产装置中的余热回收和数字化MICHAEL KEMMERICH;HANNES STORCH【摘 要】硫酸装置中具有最大热回收率和高效运行的节能工艺越来越受到重视.现在甚至冶炼厂也有望生产高压蒸汽用于发电.目前一些成熟的工艺,如奥图泰LURECTM,HEROSTM 和 HIPROSTM 技术,这种需求很容易被满足.热量回收导致操作人员提出更高要求.对操作人员的高要求和人员流动性、装置波动,以及与绿色或棕色硫酸装置的偏远地区相结合,经常导致操作当今先进硫酸工厂的人员缺乏经 验.结合奥图泰的工艺知识和工厂的实际运行数据,数字化系统可极大地帮助操作 .%Energy efficient proce

2、sses with maximised heat recovery and efficient operation have moved more and more into focus in the sulphuric acid business.Even metallurgical plants are now expected to produce high pressure steam for power generation.With the help of proven processes,like the Outotec LURECTM,HEROSTM and HIPROSTM

3、technologies this demand can easily be satisfied.Heat recovery causes interconnections between different areas of a complex to become more common.Additionally,individual plants have in-creased in complexity,which both leads to higher requirements for operational personnel.The unfortunate combination

4、 of higher personnel mobility and fluctuation with remote locations of green or brown field sulphuric acid plant projects results in often less experi-enced personnel,who need support to operate todays state of the art sulphuric acid plant.By combining Outotecs process knowledge with actual operatio

5、nal data of the plant,adigitalisation system can greatly assist operation.The combination of higher efficiency and as-sistance through digitalisation will be further detailed in the Outotec presentation.【期刊名称】硫酸工业【年(卷),期】2018(000)002【总页数】6 页(P22-26,29)【关键词】硫酸装置;工艺;热回收;HEROSTM【作 者】MICHAEL KEMMERICH;H

6、ANNES STORCH【作者单位】奥图泰公司,德国;奥图泰公司,德国【正文语种】中 文【中图分类】TQ111.16热回收实质众所周知，硫酸生产存在放热反应，因而需要回收氧化工序(焚硫炉/转化工序)中 所产生的余热；硫酸装置干吸工序中的余热回收则可追溯到 20 世纪 70 年代和 80 年代。奥图泰(Outotec)公司首先在欧洲实施热回收(主要是在斯堪的纳维亚)，回 在沿用。显而易见的是，该技术不适合气候温暖的地方使用。随后，生产热水并在多级蒸发装置中用于海水淡化。2003 年 Outotec 建设了一台磷酸浓缩器，采用热水取代传统的低压蒸汽作为浓缩热源。很显然，在上述能量利用中，最使人感兴

7、趣的是生产蒸汽，既可以用于工艺生产也能发电。最早的装置可以追溯到 20 世纪 90 年代，其中一套由 Outotec 设计的热回收装置(硫酸 120 t/d)运行已超过 25 年，产 0.5 MPa 饱和蒸汽。2016 年初， Outotec 采用一项更高效、更先进的技术代替了该装置。许多单独的工序都要求利用硫磺或诸有色冶炼冶炼烟气(如铜冶炼烟气)生产商品级硫酸。这些工序一般是通过燃烧将硫氧化成 SO2，在转化工序将 SO2 催化氧化成SO3，SO3 与水进行水合作用生成硫酸。所有这些反应均为放热反应，产生大量能量或热量。为使硫酸生产装置利于商业化运行，应回收这些多余热能并将其转化为有用的电能

8、。热能回收率越高，工艺则越有利。硫氧化反应和 SO2 氧化反应均在高温下进行，例如，典型的催化反应温度在390630 ，硫燃烧反应温度在 9001 600 ，这些多余的能量可以变为高压蒸汽。传统工艺中，水合反应是在 50120 低温下进行，因此，从热动力学角度来看，以蒸汽形式回收能量不可行。传统工艺中，这类能量转移到冷却水中浪费掉。硫酸生产装置典型的能量分布见图 1。图1硫酸生产装置典型的能量分布通常，约 60%的初始能量有可能以高压蒸汽形式回收，而剩下的约 40%能量与酸冷却相关，最终通过蒸发冷却消散于环境中。为了将那 40%的部分变成有用的能量，生产低压蒸汽不失为一个有吸引力的方案。低压蒸

9、汽用于化工行业的许多工艺，如稀磷酸浓缩、化肥结晶或发电。后者明显更 有吸引力，因为电可作为硫酸生产装置的“附产品”。过去几年，热能总回收率逐渐增加，实际已达 90%。尽管带有热回收系统的其他装置都想将低压蒸汽利用率最大化，但 Outotec HIPROSTM 却将目标定为高压蒸汽利用率最大化。HIPROSTM 可将部分低压蒸汽转变为高压蒸汽，利用这些更有价值的高压蒸汽发电。Outotec 当前的热能回收率约为 95%，如果不是考虑到节约成本，热能回收率可进一步提高。设计热回收系统必须考虑特定标准和注意问题，而且决不能妥协：第一个需要注意问题是安全。设计硫酸生产装置的初期需注意操作问题，首先使装

10、置处于安全区域，影响因素是仪器、材料等。第二个注意问题是硫酸生产必须可持续性，因为这是对硫酸装置基本要求。要确保制酸装置的运行与热回收系统是否运行无关，绝不允许因热回收系统运行不佳或停止运行而影响到装置制酸能力。第三个注意问题是生产低压蒸汽不会显著提高硫酸装置运行的经济性(本质上取代燃料)，但一定不能在确保第一个注意问题时带来任何障碍和风险。第四个注意问题是高压蒸汽产量的最大化不仅在制酸装置中可以实现，而且还能为发电装置提供经济性。回收低压蒸汽的任何一种热回收工艺都要面临一个关键问题，即干吸工序；该工序有温度达 200220 的高温浓硫酸，生产 1.0 MPa 低压饱和蒸汽时，这个温度是必要的

11、。200 的浓硫酸具有强腐蚀性，必须在酸浓、酸温方面采取极严格的防范措施。材料应采用经过验证的(如不锈钢)，但都必须在运行中加以防范，不同材质采取不同的防范措施。对制酸装置影响最恶劣的就是热回收系统停运时制酸装置也必须停车，不能继续运行。这个影响很恶劣，因为不生产硫酸将严重影响到下游生产单元：像湿法磷酸生产时的磷矿酸解，或是冶炼生产时停运上游单元(如铜冶炼)。所以，装置运行安全保证以及装置和操作人员的安全是主要关注的问题。浓酸工序热回收技术尽管经济性与当地条件有关联，但仍然建议安装热回收系统，其成本适中且回报期有吸引力，只要持续提供低压蒸汽就可满足工艺需求。此外，低压蒸汽进入涡轮发动机发电也是

12、较为理想的方案。配置与设计构思应根据当地建设条件而定。Outotec HEROSTM 技术见图 2。图2Outotec HEROSTM技术若浓度不合适，譬如有少量水略微泄漏到酸中，那么 200 硫酸腐蚀性极强。注意：水(汽)压比酸压大。因此，任何泄漏都会将水推到酸侧。这种泄漏很难检测或确定。传统硫酸装置中，液压就是如此，若酸进入水侧，则很容易利用 pH 仪和导电性监测。但在热回收系统情况就不是这样了，因此有可能发生严重腐蚀。下面的图 3 表示采用不同材质时，酸浓和温度等参数的限值。耐腐蚀性越好，该材质就越适合这种用途。不过，耐腐蚀性得以提高，或是防范措施有力，那么制作该材质的成本也随之增加。图

13、3高合金材料的等腐蚀速率(腐蚀速率0.1 mm/a)一旦认可了设计必须保证并提供策略，那么破坏性就会相应减轻。重中之重是热回收系统如果不参与运行，无论是有意还是被迫，硫酸装置绝不能停车。装置必须继续运行，为下游工序生产硫酸，如磷矿酸解、高压蒸汽生产。在冶炼装置中，上游金属生产工序也不能容忍硫酸装置停车。这是 Outotec 设计完全一体化的基本要求。无论如何，Outotec 尽可能采用传统材料，如砖衬碳钢。这种材料偶尔遇到运行环境超出浓度极限时也能极好地“容忍”。因此，文丘里吸收塔、二吸塔和泵罐都遵循同样的设计。唯一暴露于热硫酸的不锈钢是用于泵、管和 HEROSTM 蒸发器， 且别无其他材料可

14、选。除此之外，Outotec 又为这些部件选择了一种材质，耐腐蚀性相当高，在出现腐蚀之前所适应的酸浓范围较大。Outotec 所选择的材料是 Nicrofer 3033 合金(材料牌号 1.4591)，在 200 、w(H2SO4)98.0%及 240 、w(H2SO4)99.7%工况下，腐蚀速率稳定在0.1 mm/a(见图 3)。热回收系统其他材料是特种 310 不锈钢，只有在w(H2SO4)99.0%99.7%时能耐 200 高温。看起来差别不大，但从腐蚀角度来看，情况就不一样。Outotec 目前采用 Nicrofer 3033 合金，使酸浓“容忍”区间扩大了 1 倍。此外，Outote

15、c HEROSTM 蒸发器设计是基于强制型循环水系统。不用传统的“如前所述，硫酸装置正常运行的同时，Outotec 热回收系统 HEROSTM 可以不参与运行。Outotec 开发了专有技术，保证 HEROSTM 操作和传统一吸塔操作能顺利切换。这在硫酸装置开车方面是个重大改进。传统一吸塔先稳定运行，然后慢慢“激活”HEROSTM。反之也有效，所控制的装置停车很方便。事实上，其中一部分 HEROSTM 或 HEROSTM 组合能在大负荷范围内持续运行，这表明装置一部分在利用 HEROSTM，而一吸塔也同时在运行。总之，Outotec 相信将来热回收系统与所有新建硫磺制酸装置不可分割，这主要受经

16、济利益所驱使。然而，业主必须更加警惕这种应用的本质和危险。Outotec 已采用一个更安全、更稳健的方式提高系统的认可度及可靠性。吨酸低压蒸汽产量是典型的性能数据，然而必须要仔细对待。因为，有许多涉及到蒸汽产量的影响因素，如：进入热回收装置的 SO3 气体温度。显而易见，蒸汽产量随气体温度升高而增加。进干燥塔气体/为从一吸塔到干燥塔有串酸(反之亦然)，导致热量(能量)从热回收系统转移到干燥系统。Outotec HEROSTM 热回收系统具有以下特点：文丘里吸收设备已有几十年历史，并成功应用于 Outotec HEROSTM 技术。另一个改进的地方是工艺水添加装置(或稀释装置)以及酸分布到填料塔

17、。热回收系统第二级吸收设计成填料塔，适合作为进酸极少的热回收塔， HEROSTM 不运行时也可作为传统一吸塔，这样喷淋速率必须按数量级增加。3)严格控制进 HEROSTM 文丘里吸收塔的酸浓，增加工艺水调节酸浓。为此Outotec 专门研发出水稀释器，确保热酸和冷水充分混合。该设备材质主要是玻纤增强聚四氟乙烯，下游则是搪瓷混合管。混合质量由计算流体动力学模拟。4)Outotec HEROSTM 技术不要求吸收塔和泵罐外保温，因为砖衬在某种程度上抑制热损耗，而且这种设计对温度不敏感，节约了大量成本。5)要使热损耗降到最低，剩下的所有管道、蒸发器都要求外保温。高压蒸汽生产除了设计利用硫磺制酸装置中

18、的高压蒸汽外，Outotec HEROSTM 技术还采用了其他行业很普遍的一个工艺，如发电。为提高总的热效率，电厂采用的高压运行锅炉给水除氧器是利用硫酸装置 1.0 MPa 蒸汽而不是传统的 0.12 MPa 蒸汽。事实上就是用低压蒸汽生产高压蒸汽。Outotec 已将该工艺参数应用到硫酸装置，这与安装热回收系统无关。传统硫酸装置省煤器冷端通常出现腐蚀，在该处进水温度为 104 。这一温度非常接近硫酸露点，从而导致酸冷凝、腐蚀，锅炉给水会逐渐泄漏进系统。若除氧器运行压力为 0.9 MPa，进入省煤器的锅炉给水温度为 175 ，这一温度高于工艺气的硫酸露点。高压状态下运行的除氧器不仅生产更多高压

19、蒸汽，而且锅炉运行更安全。HEROSTM 技术是在高压和高温状态下运行锅炉装置中的除氧器，以提高高压蒸汽产量。同时，进一吸塔/HEROSTM 塔的进气温度尽量低些，有助于提高高压蒸汽流量。硫酸技术与数字化当今世界是数字化世界，这个认知不可否认，只要看看我们周围就会发现许多数字化的东西，如智能手机、智能开关，甚至智能电网，许多技术产品都变成“智能” 槽数字化转换。“数码化”与“数字化”最精确的含义是：不仅将模拟信号转换为数字信号(“数码化”)，而且利用数字内容创造价值。其他方面则是：提高效率和生产率、设备故障防范的预测分析和促进环保达标。 有许多案例足以证明从行业数字内容中获取的价值有多大。以下

20、仅举一些例子： 1)工艺模拟器。Outotec 早已在硫酸工业采用模拟装置培训操作人员，或是将真实数据提高整个效率。远程诊断和维护。通过早期预警和避免非计划性停车减少维修费，提高可靠性。产量。另一趋势是出现了更尖端、更复杂的技术解决方案，而且不止是在硫酸行业。这主要是因为能源成本高从而要求提高能效。参考上述硫磺制酸中利用Outotec HEROSTM 和 HIPROSTM 生产蒸汽的技术，其中发电是由低压和高压蒸汽一体化系统所优化(高压热回收系统 HIPROSTM)。Outotec PORS装置可操作性、可靠性及安全系统如上所述，热回收系统设计成在小范围区域内运行，而且为优化能源回收，化工设备

21、之间存在复杂的交叉联系。即使装置设计没有工艺限制，在偏远地域建设的环保工程，或是现有装置雇用不到熟练和经验丰富的操作人员。此外，人员流动越高，装置波动更大，操作员就越难开好硫酸装置。为帮助业主克服这一困难，Outotec 开发了 PORS 系统，在工作中指导操作人员对运行中潜在的问题保持警惕。利用装置现有仪器收集获取的大量数据并不一定能很好地利用，不能避免设备损坏或非计划停车。而通过数字化，将其与 Outotec 专业工艺技术相结合，赋予数字内容价值，从而展示工艺、装置和单体设备的额外信息。根据 Outotec 专利 ACT 平台将系统设计成独立的解决方案，接收 DCS 的所有工艺参数和数据，

22、通过自有的用户界面显示结果。它可作为新建或改建装置的一部分， 与所有工序一起覆盖整个工艺链，见图 4。图4用于硫磺制酸的Outotec PORS系统下面将重点介绍 Outotec PORS 系统在干吸工序酸冷却器方面的工艺原理。模块案例：监测酸冷却器多个正在运行的设备；只要该设备受损，那装置就不可能长期运行。图 5 表示酸冷却器基本运行流程，酸在壳程，冷却水在管程，逆流换热。该模型要计算出换热器两边的热量。DCS度；冷却水出口温度；酸流量；酸进口温度；酸出口温度。图 5 Outotec PORS 系统子系统酸冷却器利用 Outotec PORS 系统中的 Outotec 化学专利数据库，计算出传递到水侧和酸侧的热量。如预期，只要酸不泄漏进水侧，热传递不受干扰，那么两边的热量应该相等。将考虑误差的特别算法与装置其他特定要素的算法所得到的两种结果加以比较。冷却器正常运行时，比对算法得出