浅谈硫铁矿及烟气制酸低温余热回收工艺及设备优化

邹玉霜

(中石化南京工程有限公司，江苏南京 211100)

节能与余热回收

浅谈硫铁矿及烟气制酸低温余热回收工艺及设备优化

邹玉霜

(中石化南京工程有限公司，江苏南京 211100)

针对硫铁矿及烟气制酸具有负荷波动大、干吸所需水分基本来自干燥塔进口烟气带入水分、干吸酸浓调节及水平衡依靠干燥与吸收之间大量串酸、干燥酸中溶解的SO2串入吸收酸循环槽后会发生解吸等特点，建设低温余热回收装置时不能简单套用硫磺制酸低温余热回收工艺流程和设备，通过预干燥或预干燥再浓缩等措施优化工艺流程，解决干吸水平衡后热回收效率提高1.5～2.5倍。通过优化热回收塔2级分酸器使热回收塔具有较大的操作弹性，能适应硫铁矿及烟气制酸装置的大幅度负荷波动。

烟气制酸 低温余热回收 优化 水平衡 预干燥 预干燥再浓缩

自2009年中石化南京工程有限公司自主研发的硫磺制酸低温余热回收技术全面推广以来，低温回收技术在我国硫酸行业得到了迅速发展，截至2016年底，全国200 kt/a以上规模硫磺制酸装置基本都已建设了低温余热回收装置。对于硫铁矿及冶炼烟气制酸装置，除一些大型高浓度冶炼烟气制酸装置采用MECS公司HRS技术及个别硫铁矿制酸装置采用了国产低温余热回收技术外，硫铁矿及冶炼烟气制酸装置低温余热回收尚处于起步阶段。

硫铁矿及冶炼烟气制酸装置低温余热回收技术的推广不仅与企业效益、硫酸开工率有关，同时还与低温余热回收装置的蒸汽产率有关。硫铁矿及冶炼烟气制酸低温余热回收本质上是对干吸工序硫酸吸收过程中产生的低温反应热的回收，但又与硫磺制酸干吸低温余热回收有很大区别，硫铁矿及冶炼烟气制酸低温余热回需要解决如下问题：①装置负荷波动大；②水平衡问题严重，干吸所需水分基本来自干燥塔进口烟气带入水分，加水量很少或基本不加水，干吸酸浓调节及水平衡依靠干燥与吸收之间大量串酸；③干燥酸中溶解的SO2串入吸收酸循环槽后会在吸收塔内发生解吸从而影响总转化率[1]。因此硫铁矿及冶炼烟气制酸低温余热回收可以借鉴硫磺制酸低温余热回收相似的工艺流程主体及关键设备，但不能简单套用，必须根据硫铁矿及冶炼烟气制酸装置的特点在硫磺制酸低温余热回收工艺基础上进行优化。

1 低温余热回收基本流程

硫铁矿及冶炼烟气制酸低温余热回收工艺流程是在硫磺制酸低温余热回收工艺流程基础上发展的，在此将与硫磺制酸低温余热回收主体相同、只是串酸热量回收改进的工艺流程称为基本流程。低温余热回收基本工艺流程见图1。

图1 低温余热回收基本工艺流程

低温余热回收基本工艺流程由热回收塔、蒸发器、混合器组成一级循环，由给水预热器、混合器串酸加热器、脱盐水加热器回收串酸带出热。干吸低温余热回收所回收的热量主要有3部分：

1)一次转化气体带进热回收塔的显热，该显热与气浓和进塔气温相关。气浓低，对应的气量大，进出口气体显热差大。

2)热回收塔内SO3吸收水分生成硫酸的反应热。

3)混合器内高浓度硫酸加水稀释为w(H2SO4)99%硫酸的稀释热。

对于气浓、进塔气温相同的不同原料制酸装置的低温余热回收来说，前两部分的热量是相同的，第三部分的热量相差很大。对于硫磺制酸装置，由于制酸所需的水分除空气带入系统外，几乎全部通过混合器加水，除夏季极端情况外，干吸工序一般不会出现水不能平衡需要向混合器串酸的情况，而矿及冶炼烟气制酸装置所需水分几乎全部由烟气带入系统，只有通过大量的干燥酸串入混合器来调节酸浓以实现水平衡，因此在混合器中不仅有高浓度酸稀释为w(H2SO4)99%硫酸释放热量，还有w(H2SO4)93%～95%硫酸浓缩为w(H2SO4)99%硫酸及升温吸收热量。当干燥串酸浓度为w(H2SO4)93%、温度65 ℃(一般低于此温度)时，浓硫酸稀释放热少于w(H2SO4)93%硫酸浓缩及升温所需热，所以一级循环酸经过混合器后温度不升反降。对硫磺制酸低温余热回收第三部分的热量占总回收热量的1/3以上，硫铁矿及冶炼烟气制酸装置回收的热量显然降低，低压蒸汽产量相对减少40%以上。对于硫磺制酸装置，低温余热回收与干吸系统的串酸只有低温余热回收系统的外串酸及2级喷淋酸，串酸量不大，携带的可回收热量不多，用于加热蒸发器给水及全厂脱盐水后串酸温度可降到75 ℃以下。硫铁矿及冶炼烟气制酸装置低温余热回收与干吸系统之间的串酸除上述串酸外还有大量串往混合器用于取代加水的低温、低浓度酸。由于低温余热回收外串酸流量加大，大量的热量存在于外串酸回路上，在极端情况下这部分串酸带出的热量甚至可达塔内回收热量的50%，但这部分热量可用于加热其他锅炉给水、蒸发器给水、脱盐水及混合器串酸，可同时将主装置的锅炉给水及蒸发器给水加热到175 ℃，全厂脱盐水加热到90 ℃(视蒸发器蒸汽压力而定)以上，混合器串酸加热到65 ℃，最终串酸温度降至75 ℃以下。

如果串往干吸系统的浓硫酸的热量能如上所述充分利用，那么硫铁矿及冶炼烟气制酸与硫磺制酸低温余热回收热回收效率总体相差不是太大，但在实际生产中，硫铁矿及冶炼烟气制酸装置转化器三段后通常设置了省煤器可直接将锅炉给水加热到175 ℃甚至更高，也有一些装置有大量的冷凝水回收，无需补充大量的常温脱盐水，此时低温余热回收效率就大大降低。取消三段省煤器能增加低压蒸汽的产量，也能通过低温余热回收系统将锅炉给水加热到一定温度，但由于主装置锅炉给水一般压力较高，需要另外增加给水储罐及更大功率的给水泵供加热后的给水使用，使给水流程复杂，动力消耗增加。也可以不改变给水流程，这时一旦发生泄漏会给酸系统造成较大的影响。

2 工艺流程优化

硫铁矿及冶炼烟气制酸低温余热回收采用基本流程时混合器不但不能产生热量还需要消耗塔内回收热，同时还有大量塔内回收热需要通过加热锅炉给水、脱盐水及混合器串酸来加以利用，其中混合器串酸加热温度由于受到酸浓和耐酸材料的限制，回收热量有限。锅炉给水及脱盐水的加热量是不确定的，因此采用基本流程对硫铁矿及冶炼烟气制酸的低温余热进行回收其效率是难以保证的，应该进行优化，减少混合器串酸尤为重要。

减少混合器串酸本质是解决水平衡问题，水平衡是硫铁矿及冶炼烟气制酸装置普遍存在和必须解决的首要问题。解决水平衡的方法有2种[2]：①设置2个干燥塔，预干燥塔喷淋w(H2SO4)76%以下硫酸，产出部分稀酸；主干燥塔喷淋w(H2SO4)93%硫酸保证干燥效果；②预干燥再浓缩，将水分直接带出系统。硫铁矿及冶炼烟气制酸可以采用这两种办法解决低温余热回收系统水平衡问题。

2.1 优化流程1：预干燥流程

预干燥流程需要设置2个干燥塔，预干燥塔采用浓度不高于w(H2SO4)76%硫酸进行干燥。预干燥塔循环酸系统引出一部分w(H2SO4)76%硫酸，经脱吸塔脱除二氧化硫后一部分与二吸系统产w(H2SO4)98.5%硫酸混合为w(H2SO4)98%成品酸，另一部分串入混合器。预干燥低温余热回收工艺流程见图2。

图2 预干燥低温余热回收工艺流程

2.2 优化流程2：预干燥再浓缩流程

该流程仍然采用2级干燥，在二吸塔出口设置浓缩塔，利用二吸出口尾气对预干燥吸收的水分进行绝热蒸发带出系统。

预干燥再浓缩能直接减少进入干吸水量，提高低温余热回收效率。该工艺尤其适合用双氧水进行尾气吸收的装置，可利用一级尾吸塔作为浓缩塔。

预干燥再浓缩低温余热回收工艺流程见图3。

图3 预干燥再浓缩低温余热回收工艺流程

3 流程优化效果

以1套1 200 t/dw(H2SO4)100%硫酸装置为例进行说明。产w(H2SO4)98%硫酸，干燥进气φ(SO2)8.5%，温度39 ℃，干燥酸w(H2SO4)93%，进干燥塔酸温50 ℃，当地大气压101.3 kPa，干燥塔进口压力-6.5 kPa，干燥酸脱吸后串吸收循环槽，一吸塔进塔气温170 ℃，二吸塔进塔气温143 ℃，二吸循环酸温70 ℃，出塔气温74 ℃，尾气采用Na2CO3溶液洗涤。

3.1 热回收效果比较

3种低温余热回收流程热量回收效果对比见表1。

表1 3种低温余热回收流程热量回收效果对比

3.2 流程优化效果评价

表1 计算基础是基本流程由干燥和二吸混合产酸，调节产酸浓度至w(H2SO4)98%。预干燥流程中预干燥塔循环酸w(H2SO4)60%，循环酸温40 ℃，主干燥塔循环酸w(H2SO4)93%，酸温50 ℃，混合器串酸来自预干燥系统经脱气后的酸，由预干燥系统经脱气后的酸与二吸酸混合产酸，调节产酸浓度至w(H2SO4)98%。预干燥再浓缩流程中二吸塔出口尾气可绝热蒸发水1.7 t/h，预干燥塔循环酸w(H2SO4)60%，循环酸温40 ℃，主干燥塔循环酸w(H2SO4)93%，酸温50 ℃，混合器串酸来自预干燥系统经脱气后的酸，由预干燥系统经脱气后的酸与二吸酸混合产酸，调节产酸浓度至w(H2SO4)98%。

由表1可见：采用预干燥流程蒸汽产量提高了1倍，干吸循环水减少率提高了0.7倍；采用预干燥再浓缩流程蒸汽产量提高了1.25倍，干吸循环水减少率提高了0.72倍，优化效果显著。预干燥再浓缩流程因二吸塔出口尾气温度较低，蒸发水量不大，热回收效率与预干燥流程相比没有明显优势，当尾吸采用双氧水吸收，用一级尾吸塔代替浓缩塔时建议采用该流程。

4 设备优化

针对矿及冶炼烟气制酸负荷波动大的特点，热回收塔分酸器必须优化。热回收塔二级喷淋密度小于3 m3/(m2·h-1)，很难调节，二级酸量不但影响蒸汽产量还直接影响硫酸雾指标。中石化南京工程公司开发的小流量多级分酸器能根据负荷变化调节喷淋酸量，其特点是保证塔截面分酸点数不变，流量可以根据负荷调节。兴化宏伟科技开发的蝶式分酸器采用2级流量控制，具有优异的分酸均匀性和超宽的流量调节范围，能适应负荷波动大的热回收塔2级分酸。上海奥格利环保工程开发的小流量槽管式分酸器据介绍使用效果也很好[3]。

5 结语

影响硫铁矿及冶炼烟气制酸低温余热回收效率的最大因素是干吸水平衡，基本流程没解决水平衡问题，造成大量的反应热随系统串酸带出，而串酸回收热的回收利用是不确定的，因此基本流程的热回收效率也是不确定的。预干燥流程及预干燥再浓缩流程都是在基本流程的基础上增加了解决水平衡的优化措施，使蒸汽产率及循环水减少率大幅度提高。预干燥及预干燥再浓缩都是十分成熟且成功应用的技术，建议在硫铁矿及冶炼烟气制酸装置低温余热回收中推广使用。

[1] 丁华. 矿及烟气制酸装置的酸热回收特点[J] .硫酸工业，2017(3)：16-19.

[2] 汤桂华. 硫酸[M].北京：化学工业出版社，1999：248.

[3] 孙正东 .硫铁矿和冶炼烟气制酸配套低温余热回收系统技术总结[J] .硫酸工业，2017(3)：20-26.

Optimizationofprocessflowandequipmentinlow-scalewasteheatrecoveryofpyrite-basedsulphuricacidandmetallurgicalacidplant

ZOUYushuang

(SINOPEC Nanjing Engineering Co.,Ltd., Nanjing, Jiangsu, 211100, China)

According to the characteristics of large load fluctuation, water needed in drying and absorption section coming from flue gas at inlet drying tower, drying and absorption concentration adjust and water balance relying on acid crossflow between drying and absorption, sulphur dioxide dissolved in drying acid desorbing after acid crossflow into circulating tank, process flows are optimized by pre-drying or pre-drying & recondensation instead of apply mechanically process flow and equipment in low-scale waste heat recovery sulphur-burning sulphuric acid plant,heat recovery efficiency was increased by 1.5-2.5 times by solving water balance in drying and absorption. By optimizing two grade acid distributor in heat recovery tower, heat recovery tower had larger operation elasticity, suitable for large load fluctuation of pyrite-based sulphuric acid and metallurgical acid plant.

smelter off-gas； low-scale waste heat recovery； optimization； water balance； pre-drying； pre-drying & recondensation

2017-08-11。

邹玉霜，女，中石化南京工程有限公司高级工程师，主要从事硫酸低温余热回收、湿法制酸设计工作。电话：13813861704；E-mail：zouys.snei@sinopec.com。

TQ111.16

B

1002-1507(2017)10-0028-04