HRS低溫余熱高效回收利用技術(shù)與應(yīng)用

王伯義，韓戰(zhàn)旗，卓儉進

（1.河南中原黃金冶煉廠有限責(zé)任公司，河南三門峽 472000；2.河南省黃金資源綜合利用重點實驗室，河南三門峽472000）

近年來，在碳達峰、碳中和背景下，國家日益重視經(jīng)濟與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，積極引導(dǎo)企業(yè)走綠色發(fā)展之路，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，鼓勵高耗能企業(yè)采用先進的節(jié)能新工藝、新技術(shù)和新設(shè)備，提高能源利用效率，助力實現(xiàn)節(jié)能減排。在此背景下，硫酸工業(yè)節(jié)能與熱回收利用技術(shù)將煥發(fā)勃勃生機，硫酸行業(yè)低碳化高能效發(fā)展也將成為未來的發(fā)展趨勢[1]。河南中原黃金冶煉廠有限責(zé)任公司（以下簡稱中原黃金冶煉廠）作為國有大型企業(yè)，處理金銅精粉1 500 kt/a，工業(yè)用電量達到6億kWh/a，天然氣消耗量2.5×107m3/a，新水用量3.5×106t/a，能源消耗規(guī)模龐大。隨著國家“雙碳”政策的落實，企業(yè)做好能源管理、提高能效將在碳減排中創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益和社會效益。

中原黃金冶煉廠1 600 kt/a冶煉煙氣制酸裝置采用高濃度煙氣預(yù)轉(zhuǎn)化、“3+2”二轉(zhuǎn)二吸及HRS低溫位熱回收工藝，其中HRS系統(tǒng)可產(chǎn)0.85 MPa低壓飽和蒸汽約80 t/h，所產(chǎn)蒸汽除用于冬季采暖以及作為生產(chǎn)工藝熱源使用外，富余蒸汽利用工業(yè)汽輪機技術(shù)進行發(fā)電自用[2]。在實際生產(chǎn)中，為了維持干吸系統(tǒng)酸濃度平衡和液位穩(wěn)定，HRS系統(tǒng)需向干燥和二吸循環(huán)酸槽進行串酸，串酸溫度在126 ℃左右。由于外串硫酸溫度較高，大量的熱能被帶出HRS系統(tǒng)，最終流失于循環(huán)冷卻水中，造成可回收熱能減少。如果能夠?qū)⑦@部分熱能充分回收利用，可進一步提高HRS系統(tǒng)的總熱能回收率，達到節(jié)能降耗的目的。

1 HRS工藝介紹

1.1 工藝流程

HRS低溫位熱回收技術(shù)是由美國孟莫克公司于20世紀80年代開發(fā)的一項節(jié)能環(huán)保技術(shù)，通過提高吸收系統(tǒng)循環(huán)酸溫度，用吸收反應(yīng)熱來生產(chǎn)低壓飽和蒸汽，實現(xiàn)回收干吸工序低溫位熱能[3]。該技術(shù)利用HRS熱回收塔取代傳統(tǒng)工藝的一吸塔，用HRS鍋爐取代傳統(tǒng)工藝的一吸塔酸冷卻器，從而使硫酸生產(chǎn)裝置的余熱回收率從50%～70%提高至90%以上[4]，且減少循環(huán)冷卻水的消耗。HRS系統(tǒng)主要由HRS熱回收塔、HRS酸循環(huán)泵、HRS鍋爐、HRS稀釋器、HRS加熱器及HRS預(yù)熱器等關(guān)鍵設(shè)備組成[5]，其工藝流程見圖1。

圖1 中原黃金冶煉廠HRS工藝流程

來自省煤器出口180 ℃含SO3的一段轉(zhuǎn)化氣，經(jīng)過蒸汽噴射器噴入蒸汽后進入HRS塔下部，氣體自下而上流經(jīng)一級、二級填料與自上而下流經(jīng)填料的一級、二級循環(huán)酸相接觸，煙氣中絕大部分的SO3被吸收，然后再經(jīng)過位于HRS塔頂部的除霧器除去酸霧后離開HRS塔，最后進入下游的層間冷熱交換器。

HRS塔內(nèi)設(shè)有上、下兩級填料層，第一級（下層填料）的循環(huán)酸為180 ℃、w(H2SO4)99.0%以上的濃硫酸，第二級（上層填料）的循環(huán)酸為65 ℃、w(H2SO4)98.5%的濃硫酸，來自干吸工序二吸塔酸冷卻器，用于冷卻氣體及除去第一級填料剩余的SO3，以確保SO3的總吸收率。一級循環(huán)酸和二級循環(huán)酸吸收SO3后流入塔底泵槽，w(H2SO4)約為99.96%，溫度升高約20 ℃，由HRS酸循環(huán)泵將200 ℃的高溫濃硫酸送至HRS鍋爐，在鍋爐內(nèi)與除氧后的鍋爐水進行換熱回收熱能，產(chǎn)出的0.85 MPa低壓飽和蒸汽并入全廠低壓蒸汽管網(wǎng)；濃硫酸經(jīng)過HRS鍋爐換熱，酸溫降低約20 ℃后分成兩路：一路進入HRS稀釋器與經(jīng)霧化的稀釋水和來自干燥循環(huán)酸槽的干燥酸混合后，調(diào)節(jié)w(H2SO4)在99.0%以上，然后返回至HRS塔一級分酸器進行再循環(huán)吸收；另一路作為HRS產(chǎn)酸依次進入HRS加熱器和HRS預(yù)熱器，分別加熱HRS鍋爐給水和進除氧器的脫鹽水，換熱降溫后的硫酸分別送至干燥和二吸循環(huán)酸槽。

1.2 串酸流程

干燥系統(tǒng)、二吸系統(tǒng)和HRS系統(tǒng)均配置有循環(huán)酸槽，干燥系統(tǒng)w(H2SO4)控制在95.5%～96.5%，二吸系統(tǒng)w(H2SO4)控制在98.3%～98.7%，HRS系統(tǒng)w(H2SO4)控制在99.0%～99.6%。為維持各循環(huán)酸槽的硫酸濃度和液位平衡，需要不同濃度的硫酸相互進行串酸以及對系統(tǒng)補加稀釋水，其中干燥系統(tǒng)向二吸循環(huán)酸槽和HRS稀釋器串酸；HRS系統(tǒng)向干燥和二吸循環(huán)酸槽串酸；二吸系統(tǒng)向HRS二級噴淋串酸；干吸補水從HRS稀釋器和二吸循環(huán)酸槽加入；成品酸從二吸循環(huán)酸槽中引出，串酸流程見圖2。

圖2 中原黃金冶煉廠干吸工序串酸流程

2 HRS產(chǎn)汽量影響因素

HRS系統(tǒng)帶入的熱量主要包括煙氣帶入的熱量、SO3的吸收反應(yīng)熱、硫酸帶入的熱量、補水的微分溶解熱、循環(huán)酸濃縮熱以及硫酸稀釋熱；帶出的熱量主要包括煙氣帶出的熱量、硫酸帶出的熱量及熱損失。HRS低溫?zé)崮芑厥绽玫臒崃恐饕獮镾O3的吸收反應(yīng)熱、硫酸稀釋熱以及煙氣冷卻熱，HRS產(chǎn)汽量可通過HRS系統(tǒng)帶入熱量和帶出熱量進行熱量衡算求出。制約產(chǎn)汽量的主要因素有煙氣中SO2濃度、一次轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)汽壓力、二級噴淋酸量、干燥塔入口煙氣中的水含量、HRS產(chǎn)酸溫度等[6-8]。在煙氣條件一定的情況下，HRS產(chǎn)汽量對于干燥塔入口煙氣中的水含量和HRS產(chǎn)酸溫度比較敏感。

干燥塔入口煙氣中的水含量和煙氣溫度相關(guān)，煙氣溫度越高，煙氣中飽和水含量就越多，進入干燥塔的水分也就增加，為維持干吸系統(tǒng)水平衡，干燥系統(tǒng)需要向HRS稀釋器加大干燥酸的串酸量，來代替稀釋水調(diào)節(jié)酸濃度，硫酸稀釋熱會減少，導(dǎo)致HRS產(chǎn)汽量會相應(yīng)減少。因此，為了提高HRS產(chǎn)汽量可適當降低干燥塔入口煙氣的溫度，但是溫度的控制也要考慮經(jīng)濟性，因為煙氣溫度越低，凈化工序循環(huán)冷卻水的消耗量就越大，成本也就越高。

HRS鍋爐酸側(cè)出口高溫硫酸一部分作為HRS產(chǎn)酸串至干吸系統(tǒng)，酸溫在180 ℃左右，通常用于加熱HRS鍋爐給水和脫鹽水進一步回收熱量后，再串出系統(tǒng)。但僅靠加熱鍋爐給水和脫鹽水所回收的這部分熱量并不夠充分，此時HRS產(chǎn)酸溫度基本維持在126 ℃左右，會造成串入干燥和二吸循環(huán)酸槽的酸溫度過高，循環(huán)冷卻水用量加大。

因此，為提高HRS系統(tǒng)總熱能回收率，應(yīng)充分回收利用HRS系統(tǒng)串至干燥和二吸循環(huán)酸槽這部分硫酸所帶的熱能，盡可能地多產(chǎn)蒸汽。

3 技術(shù)改造

3.1 技改方案

目前HRS鍋爐產(chǎn)汽量約為80 t/h，而HRS鍋爐設(shè)計最大產(chǎn)汽量為100 t/h，還存有較大的產(chǎn)汽余量。為了維持干吸系統(tǒng)物料平衡，HRS系統(tǒng)需向干燥和二吸循環(huán)酸槽串出126 ℃、w(H2SO4)99.6%的濃硫酸約420 m3/h，干燥循環(huán)酸槽同時要向HRS稀釋器串入75 ℃、w(H2SO4)96.0%的干燥酸約160 m3/h。為進一步高效回收利用HRS系統(tǒng)外串酸所帶的熱能，基于現(xiàn)有的HRS系統(tǒng)外串酸工藝路線，在加熱器和預(yù)熱器之后串聯(lián)增加1臺HRS換熱器及配套設(shè)施，使HRS外串酸（即HRS產(chǎn)酸）和串入HRS稀釋器的干燥酸進行換熱，將外串酸的熱量進行回收并返回HRS系統(tǒng)，從而提高HRS鍋爐的蒸汽產(chǎn)量，其余熱回收流程示意見圖3。

圖3 HRS換熱器余熱回收流程示意

HRS系統(tǒng)外串酸依次經(jīng)加熱器、預(yù)熱器換熱降溫后，酸溫度由180 ℃降至126 ℃后引至HRS換熱器管程，經(jīng)干燥酸再次換熱后酸溫度降至約112 ℃，然后送至干燥和二吸循環(huán)酸槽；同時來自干燥循環(huán)酸槽的干燥串酸進入HRS換熱器殼程，酸溫由75 ℃換熱升至約109 ℃后串入HRS稀釋器。

3.2 設(shè)備性能

HRS換熱器是一種臥式管殼式酸酸換熱器，熱側(cè)為管程，流動介質(zhì)為HRS系統(tǒng)外串的高溫硫酸；冷側(cè)為殼程，流動介質(zhì)為串入HRS系統(tǒng)的低溫干燥酸。由于低濃度硫酸隨著酸溫的升高會加劇對金屬材料的腐蝕，因此換熱器材質(zhì)的選擇至關(guān)重要。該換熱器殼體和列管均采用我國自主研發(fā)的特種高硅合金耐腐蝕材料制作，腐蝕速率小于0.1 mm/a，能夠耐受w(H2SO4)96.0%干燥酸在高溫條件下的腐蝕，其主要技術(shù)性能參數(shù)見表1。

表1 HRS換熱器技術(shù)性能參數(shù)

3.3 技術(shù)特點

1）HRS換熱器是對HRS外串酸熱能回收工藝路線的有效補充，實現(xiàn)對這部分高溫硫酸所帶的熱量進行梯級回收，通過用于加熱鍋爐給水、脫鹽水和干燥系統(tǒng)串入的干燥酸，進一步提高HRS低溫余熱回收效率，并增加鍋爐蒸汽產(chǎn)量。

2）HRS換熱器在現(xiàn)有HRS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行改造，對現(xiàn)場土建施工、設(shè)備布局要求比較低，節(jié)省占地面積和項目投資。

3）HRS換熱器及配套裝置實現(xiàn)完全國產(chǎn)化，與現(xiàn)有HRS系統(tǒng)相匹配，殼程和管程的介質(zhì)均為濃硫酸，即使發(fā)生設(shè)備腐蝕泄漏，在事故狀態(tài)下可與HRS系統(tǒng)隨時斷開，應(yīng)急響應(yīng)可控，不影響制酸系統(tǒng)的正常運行。

4）HRS換熱器日常生產(chǎn)維護和使用，無需額外新增崗位人員及電力負荷，無明顯新增作業(yè)成本。

4 技術(shù)經(jīng)濟分析

4.1 項目投資

HRS低溫余熱高效回收利用項目于2022年初開始啟動，經(jīng)過設(shè)備安裝和調(diào)試，目前已投入運行。項目總投資為450萬元，其中工程費用投資為405萬元，工程建設(shè)其他費用30萬元，基本預(yù)備費15萬元，主要設(shè)備HRS換熱器購置費為365萬元。

4.2 效益分析

HRS換熱器自投入運行以來，各項技術(shù)指標運行平穩(wěn)，經(jīng)測算，可多回收熱量1.53×107kJ/h，折算成0.85 MPa低壓飽和蒸汽量為5.5 t/h，HRS系統(tǒng)蒸汽產(chǎn)量由80 t/h提高至85.5 t/h，產(chǎn)汽率由0.43 t/t提高至0.46 t/t，HRS系統(tǒng)總熱能回收率提高6.88%，同時可降低循環(huán)冷卻水消耗，緩解設(shè)備運行壓力，改善干燥泵、二吸泵以及管道腐蝕情況，延長裝置更換周期。

運行時間按每年330 d考慮，可多回收低壓蒸汽43 600 t/a，多發(fā)電5 668 000 kWh/a，工業(yè)電按0.75元/kWh計，可創(chuàng)造經(jīng)濟效益425.10萬元/a，投資回收期1.06年。節(jié)約標準煤1 714.57 t/a（供電煤耗按302.5 g/kWh計），相當于可減少CO2排放量4 492.17 t/a，減少SO2排放量14.57 t/a，減少NOx排放量12.69 t/a，經(jīng)濟效益和環(huán)保效益顯著。

5 結(jié)語

HRS低溫余熱高效回收利用技術(shù)通過增加1臺國產(chǎn)化HRS換熱器，不僅有效實現(xiàn)了對HRS外串酸能量的梯級回收利用，而且降低了循環(huán)冷卻水消耗，延長了設(shè)備使用周期。該項目提高了能源的利用效率，降低了企業(yè)生產(chǎn)能耗，具有很好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益，促進企業(yè)較好地踐行低碳循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展理念，值得借鑒和推廣。