节能问题下硫酸工艺和设备选择分析

陈海洋

（大冶有色金属有限责任公司冶炼厂，湖北黄石 435005）

根据中商产业研究院公布的相关数据：2022年12月我国硫酸月度产量达到了850.8万t，同比增长3.3%，年度产量为9 504.6万t，总降幅0.5%，表明整体硫酸生产力有所减弱，为满足硫酸实际需求，理应从生产工艺和生产设备层面进行优化，兼顾生态环保标准开设绿色制酸项目，以便妥善解决高能耗问题，实现硫酸产品大规模生产，进一步降低能耗，控制生产投入度。

1 硫酸生产节能问题

硫酸产品在诸多产业中均有重要作用，比如农业生产中针对棉花种子常用硫酸进行有效脱绒，表明行业硫酸需求量普遍较高，一旦能耗较大，不但影响制酸企业的生产效益，而且长此以往会在高能耗下加剧环境污染。通常情况下硫酸生产项目中多释放大量的二氧化硫成分，随即在催化反应下形成三氧化硫，并且98%左右的浓硫酸产品可顺利被高塔吸收。而在硫酸生产阶段不同工艺下形成的能耗种类存在差异性。以应用普遍的硫磺制酸工艺为例，其生产流程见图1，基本上会消耗45 kW·h 至90 kW·h 电能，液态水能耗基本在2 m³左右，而低压蒸汽能耗为140 ~180 kg。如若以锌精矿制酸工艺生产硫酸产品，其电能和液态水耗能量分别为120~150 kW·h、＜2 m³，甚至在制酸环节也会出现热量损失。特别是在锌精矿制酸项目中，常需要在不同温度环境下（500℃以下）汲取热能，且1 t 硫酸产品的制备多释放至少2 500 J热量，对应燃料用量为100 kg（燃煤），若此部分散失的热量能重新得到利用，也能应对节能风险。要想满足节能标准，需针对具体能耗种类提出优化建议，涵盖生产工艺和生产设备两项内容[1]。

图1 硫磺制酸工艺流程演示图

关于能量损失问题的形成，一方面会加剧制酸企业生产成本，另一方面将降低企业效益水平，使之难以有充足资金用于开设长远制酸项目。对此，加强能耗分析与节能优化管理是制酸企业发展中重要改革事项。出于对制酸项目中能量的高效利用以及能耗损失的有效控制的目的，理应制定工艺优化和设备改进规划，以期节能问题得到妥善处理。

2 节能问题下硫酸工艺优化方法

2.1 再生制硫酸工艺

于硫酸生产工艺实际应用环节，除了按照既定制酸工艺保持硫酸基本产量供应保障外，还可以在浓硫酸生产项目中重点利用低浓度稀废硫酸，此类产品常作为残留组分被损耗，如若能利用再生制硫酸工艺对其进行回收，可适当提高浓硫酸总体生产量。首先，基于节能需求，需要加强对浓硫酸生产项目中稀废硫酸的有效回收，随即对其进行预处理操作，以喷雾浓缩方式实施充分分解和完全燃烧，具体可以借助清洁燃料创造燃烧条件，预处理后的废硫酸产品能成为具备开发价值的硫酸产品。需注意的是，在此工艺应用环节需借助脱硫器、氧化器等设备做好脱硫处理，以免影响制酸质量；其次，预处理后进入高温环境时还要将脱硫后的产品转移到裂解场景内，一般质量分数5%稀硫酸按照此工艺处理后质量分数将提高15%，继而通过稀硫酸向浓硫酸的有效制备，提高整体制酸产量；最后，为达成再生制硫酸工艺制备目标，还要研发专用设备。以托普索公司研发的一种制酸设备为例，以硫化氢充当原料气体，能够顺利将稀硫酸中含有的硫酸成分转化为气态，并从中提取出二氧化硫，便于在该工艺助力下降低制酸项目的能耗。回收稀硫酸、废弃硫酸等原料时，也要利用成本控制方式避免出现电能损失、蒸汽损失等问题。

2.2 脱氟循环利用工艺

硫酸生产中除了需要浓硫酸产品外，也要生产一定稀硫酸。因此在优化硫酸工艺时，也可以运用脱氟循环利用工艺防范原有工艺脱氟处理消耗的电能等能源损失后果。即该工艺下可及早去除稀硫酸产品中的氟成分，以免后续花费较多能量解决氟超标问题。具体可从鲁北集团工艺优化成果中汲取经验，早期出于节能降耗目的，该企业专门将制酸原料从半水石膏调整为二水石膏，而后以磷石膏制备硫酸，并联合脱氟循环利用工艺降低稀硫酸氟含量。于此工艺应用阶段，需要增设复式烘干机，使稀硫酸制备环节消耗的电能等其他能量得到有效控制，同时原料的更换还能净化生产环境。该企业每年硫酸产量高达20万t，且需要配备30万t 水泥材料，造成预热环节长期处于高能耗状态，此时可以在原有制酸结构上安装带有粉煤灰涂层的滤膜，使稀硫酸达到浓度标准后顺利进入干燥、吸收步骤。此工艺下进行脱氟处理时，还要使用除氟药剂，使整体氟含量低于300 mg/L，甚至能够将悬浮物浓度调整为20 mg/L，保证该工艺为稀硫酸生产项目中原料损耗和电能损耗提供可靠保障。

至于此工艺下配置的相关设备，实则可以选用碳钢衬胶自动反洗表面过滤器和长120 cm，宽180 cm，容积2 m³的除氟装置，每小时10 m³流量的耐酸超滤装置，每小时50 m³且扬程25 m 的进液泵，每小时10 m³流量且扬程15 m 的除氟泵等设备，硫酸工艺与设备的充分匹配是发挥工艺节能价值的重要依据。

2.3 余热回收利用工艺

除了要实现电能、蒸汽等能量的有效节约外，还要运用余热回收利用工艺降低热量损耗量。针对热量损耗问题，可以划分不同温度区间实现高效回收利用，且回收的热量可重新用于低压蒸汽或燃烧预热环节。大于500℃的高温区间内，应充分回收高压蒸汽能量，可以配备高压透平机，随即在设备助力下提高热量利用率，同时制酸企业的成本投入也将随之减少。至于250℃~500℃中温区间，此时需重点加强反应转化器预热回收，即依靠冷却设备调控温度，使之在冷却处理下避免消耗过多热量，所配备的设备以省煤器、低压锅炉为主，促使在SO3→SO2转化过程中多余热能能顺利被冷却装置利用吸收。而温度低于250℃的低温区，可运用辅料调整吸收条件[2]。例如可以增加高浓度硫酸，使之在加热后得以分解，此时有望助力制酸企业节省热能，从余热利用环节为硫酸生产工作提供能量。同时，也可以与发电装置共联设计，所消耗的余热可回收供应给发电机，在某种程度上可适当节省硫酸生产电能用量。

上述每项工艺的优化应用都需要针对硫酸设备予以改进设计，因而制酸企业在制备硫酸产品时，除了要加强制酸工艺的优化处理外，也要加强制酸设备结构的升级改造，以期在工艺导向下提高硫酸生产综合效益和节能水平。

3 节能问题下硫酸生产设备选择路径

基于节能问题优选硫酸生产设备，在上述配备与优化工艺相匹配的生产设备之上，也要兼顾工艺未更新条件下生产设备选择标准，进而为硫酸生产项目的节能发展提供全方位指引，制酸企业既可以同步优化工艺和设备，又能单纯改进制酸设备。

3.1 修复电除雾器气室

在选择制酸设备期间，可以针对电除雾器气室予以修复，正如安徽司尔特肥业以往开设硫铁矿制酸项目，每年生产20 kt 硫酸产品，具体运用氧化净化（焙烧酸洗）工艺。为增强硫酸生产力，考虑到所用设备有破损问题，出于节约修复成本等节能目的，专门编制了电除雾器气室修复计划，预计选择玻璃钢蜂窝管式电除雾器，此设备配有196个支管[3]。因设备运行中易受制酸影响出现硫含量残留问题，造成整体设备修复成本偏高，在执行修复计划后保留原有防腐结构的前提下，增设拉杆装置，以蜗杆减速机充当切断阀开关配件，原有切断阀需要至少人工转动300转才能启动切断动作，而修复后既可节省人力，同时消耗费用仅需5 000元，比原有人工手轮结构更有实操性，并在耐酸耐腐玻璃钢元件助力下建立相对密闭的气室环境，此种增强原有设备结构更具稳定性和抗压特性。经过在该企业中的实际投运，其节能效果如表1所示，验证选择修复后的电除雾器设备具有实践价值，制酸企业可以使用此设备打造气室场所。

表1 修复电除雾器选择前后效果对比

3.2 优化阳性保护设备

在“中国制造2025”规划指引下解决制酸项目产生的节能问题，还可以通过选择优化后的阳性保护设备降低制酸能耗。阳性保护设备指的是浓硫酸冷却器阳极保护设备，与往日所用的铁制冷却器相比，不但易于保养、绿色节能优势，而且还能有效提高冷却效率。为保证新时代背景下达成绿色生产、节能发展目标，要求优选阳性保护设备。该设备主要是通过电流释放提高电极电位，便于形成金属耐腐钝化膜。从活化区向钝化区变化时能够延缓设备金属腐蚀速度，由此确保冷却器有优良冷却状态，不会因过早腐蚀提高能耗。在对现有阳性保护设备予以优化时，可以增设远程监控、自动预警、智能排障等功能。例如与物联网系统进行共联设计，促使系统连接后的设备能远程监控设备使用动态，随即在数据分析中预判制酸项目中冷却条件。一旦出现设备冷却缺陷隐患，须立即提出解决对策，以免在低效冷却下引发高能耗后果[4]。同时，在智能排障功能下可以通过采集控制参数和设定值的大小比较结果判断故障原因，并按照标准化故障排除方案及时处理。例如电流控制参数低于设定值，可能表示设备存在主板损毁、信号线断开等问题，随之以更换、检查决策快速修复。而硫酸制备中处于高温状态，此时可能引起“大电流”故障，即两项参数相同，此时可以从设备反馈结果中执行降温计划。与未优化前的阳性保护设备比较，选择优化后设备显然效果更好，可早期预判能耗范围，通过增强排障时效性维护硫酸生产能耗稳定性。

3.3 引入高性能制酸设备

为解决节能问题，应积极选择高性能制酸设备，本文列举凯密迪化工企业硫酸设备更新成果，从中归纳适用于硫酸生产场景中的优良设备。该企业在设备革新环节，针对原有硫酸制备转化器进行改进，即剔除一二段床层间隔管道，未改进前该部分管道为高能耗区，且安装此设备时需要数月方能完成且投入人力多达50余人，因此在后期该企业选择配备预制转化器。另外，在原有准等温反应器设备使用中，容易产生质量分数15%以上的二氧化硫，与既定12%标准不相符，因此选择BAYQIK 注册产品进行更换。经过该设备的成功引进，所需成本得到有效缩减，投资额度降低30%，并且在模拟实验中该产品能够达到477℃的出口温度，每小时体积流量为1万m³，反应器内温度最高值537℃，能够获得94%以上的转化率，由此表明高性能设备应当成为硫酸生产环节较为关键的选择依据，而且也可采用有效措施优化设备性能，如实施定期保养等，促使投入的新设备拥有持久性运行状态，以优质设备持续助力硫酸高效生产。

4 结论

基于节能问题下优化硫酸工艺并选择适合的生产设备，理应借助再生制硫酸工艺、脱氟循环利用工艺、余热回收利用工艺提高能源利用率，而后从电除雾器气室、阳性保护设备、高性能制酸设备等方面着手，建立节能生产环境。随着能耗水平的降低，制酸项目将逐渐体现低能耗、低成本优势，助力制酸企业尽快达成省本增效目标，为我国硫酸产品的推广发展提供新指引。