关于硫铁矿制酸焙烧工段的节能改造

热管换热器在硫铁矿制酸焙烧工段
中、低温段节能改造中的应用
 1        前言
硫铁矿制酸装置焙烧工段余热锅炉尾部、旋风除尘装置（大部分厂家增加配套电除尘装置）后面出口炉气温度达350℃～300℃进入净化工段，经过冷却塔炉气温度要冷却至60～70℃进入后续工段，炉气通过水冷不但浪费了大量的水资源，而且炉气的低温位余热没有合理的利用，既污染环境又浪费了资源。因该工段的炉气具有含尘量高、露点温度高及低温差的特点，如果使用普通的列管换热器设备回收炉气余热，由于管壁温度过低将会很快发生露点腐蚀现象，同时，结露将加快灰堵的速度，设备一旦出现泄漏将使管材材质发生变化而不能修复，影响系统的整体运行。
针对硫铁矿制酸工艺中普遍存在的这一情况，为了合理的利用中、低温段炉气的这部分余热，南京加诺能源设备有限公司依托南京工业大学热管方面的技术优势共同研发了几类热管换热器装置，用来回收该工段的炉气余热，使炉气温度降至较合理的温度后再进入后续工段，不但回收了炉气余热，降低了后续工段的耗水量，而且产生的低压蒸汽、热水或热风可以供给其它工段生产和生活使用，给企业持续创造可观的经济效益和社会效益。
2        热管技术简介
工业上普遍采用的热管是碳钢－水重力热管，热管内部是抽高真空的，所以工作介质极易蒸发汽化，由于是相变传热，管内传热热阻很小，能以较小的温差获得较大的传热率，而且结构简单，特别是由于热管特有的传热机理，使得冷热流体间的换热均在管外进行，因此可以很方便地进行管外传热，如加焊翅片、钉头等扩展传热面，以克服气体换热系数较小的问题，使整个设备结构紧凑，传热效率高。热管及换热器区别于常规换热器的几个显著特点有：a.强化传热，传热效率高；b.热管具有良好的等温性；c.可避免或减轻露点腐蚀；d.冷、热流体间互不泄漏；e.能在较小的温差下传送较大的热量；f.热管元件可更换等。
我公司利用热管技术在硫铁矿制酸工艺过程中，焙烧炉中、低温段余热回收中开发、应用的热管换热设备主要有热管蒸发器和热管省煤器两种，可以配套在电除尘出口之后，也可以配套在旋风除尘器之后，可根据厂家的实际情况来灵活布置和采用热管换热器型式。具体应用介绍如下：
3        热管蒸汽发生器设备
热管蒸汽发生器是由若干根独立的轴向热管元件并联组合而成。热管的受热段置于电除尘至净化装置之间的炉气风道内，热风横掠热管受热段，热管元件的放热段插在水—汽系统内。由于热管的存在使得该水—汽系统的受热及循环完全和热源分离而独立存在于热流体的风道之外，水—汽系统不受热流体的直接冲刷。它的工作原理是：热流体的热量由热管传给水套内的饱和水（饱和水由汽包下降管输入水套），并使其汽化，所产蒸汽（汽、水混合物）经蒸汽上升管达到汽包，经集中分离以后再送往用户。这样由于热管不断将热量输入水套，通过外部汽—水管道的上升及下降完成基本的汽—水循环，达到将热工艺气降温，并转化为蒸汽的目的。
某些硫酸企业动力厂需要低压饱和蒸汽来供给其它工段使用，从而避免使用高品质的发电蒸汽。针对这些厂家的实际情况，我们建议采用热管蒸发器来回收该工段的余热。现结合改造某公司200kt/a硫铁矿制酸装置电除尘装置后配套热管蒸发器运行情况，来对比系统改造前后各项工艺参数的变化，如表1所示：
表1 热管蒸发器设计运行参数比较
项  目        单位        原工况条件        设计参数        实际测定数据
烟气流量        Nm3/h        55000～65000        65000        60000
烟气进口温度        ℃        310～350        330        340
烟气出口温度        ℃        ――        245        262
烟气阻力损失        Pa        ――        400        320
给水温度        ℃        ――        104        100
饱和蒸汽压力        MPa        ――        0.8        0.6
蒸汽产量        t/h        ――        3.1        2.6
经济效益        万元/年        ――                ～285
4        热管省煤器设备:
热管省煤器由许多根径向热管串连起来构成蛇形盘管束，锅炉给水流经管内。当腐蚀性炉气与热管管束进行换热后，热管内的工质被汽化，加热热管内管内的锅炉给水。由于热管内汽－液两相处于饱和平衡状态，热管管壁具有良好的等温性，可以避免存在于普通省煤器进水处的局部“冷区”。只有进行合理的设计来提高热管管束的管壁温度保持在腐蚀性炉气露点温度之上，从而避免酸露点腐蚀发生，提高设备的使用寿命，保证生产的正常运行。实际应用中可根据不同工艺要求灵活布置热管管束。同时由于径向热管元件为双层结构，万一在开停车或热回收设备发生泄漏引起热管外壁蚀穿时，给水预热器内管中水不会泄漏。
某些厂家焙烧炉配套的余热锅炉随着积灰和内部水侧结垢的影响，换热效率不断降低，所产蒸汽量不足将使汽轮发电机不能满负荷运行而致使效率大大降低。针对有些厂家的这种情况，我们建议采用热管省煤器来回收该工段的余热。现结合某化工厂120kt/a硫铁矿制酸装置旋风除尘器后配套热管省煤器的运行情况，比较系统改造前后各项工艺参数的变化，如表2所示：
表2 热管省煤器设计运行参数比较
项  目        单位        原工况条件        设计参数        实际测定数据
烟气流量        Nm3/h        33000        33000        33000
烟气进口温度        ℃        350～400        400        380
烟气出口温度        ℃        ――        250        242
烟气阻力损失        Pa        ――        350        300
进水压力        MPa        5.2        5.5        5.1
进水温度        ℃        104        104        104
出水温度        ℃        ――        220        210
锅炉蒸发量        t/h        12        15.6        15.1
经济效益        万元/年        ――                ～196
5        热管换热器特点
针对换热设备所处焙烧工段特殊的工况:含尘量大、烟气露点温度高等特点而极易使该工段设备磨损、腐蚀和积灰的情况，我们所开发、设计的热管换热器设备有如下特点：
1）        设备运行安全、可靠，绝不会因该设备造成系统停车；每根热管都是一个独立的换热元件，即使某根热管因磨损、氧化、腐蚀等原因而损坏，仅仅该根热管失效，而不会影响到其它热管的工作；且冷、热流体分走两侧，热管的泄露不会导致炉气和水的贯通，即热管具有二重密封的作用；因此，即使热管失效或泄漏也不会影响设备的整体运行，不会影响化工连续生产。
2）        利用工艺流程的设计来避免设备出现露点腐蚀问题，根据各厂不同工况采用逐排设计，保证与炉气接触的换热元件的管壁温度要高于露点温度。
3）        热管等壁温设计，提高管壁温度，避免露点腐蚀；通过调节热管冷侧长度和热侧的翅片密度，可以调节热管管壁温度，这是热管所独有的特性优点，通过调节，可以有效控制热管的管壁温度高于露点温度。
4）        因为热管是通过工质的相变来传热的，其温度均匀性好，抗热冲击性能好，易于实现温度控制。而且热管两端可自由伸缩，从而避免了高温下可能会发生的温差应力变形破坏。
5）        采用模块式结构，节省安装改造时间；系统投资少，没有其它辅助设备，炉气侧阻力降小，运行费用低。
6）        通过合理的流速设计，保证设备有自清灰效果；且设备箱体侧均设有检修人孔、观察孔及吹灰孔，便于平时的管理维护。
7）        关于在线清灰和如何合理解决设备出现露点问题，我们在这方面做了大量试验工作，有多套成功运行的案例，通过改善和调整设备的积灰情况，大大提高了热管换热器换热效率，延长了设备的使用寿命。有关这方面的技术我们已经取得了国家实用新型专利证书，专利号：ZL 2008 2 0030746.7。
6 经济效益分析
以某公司200kt/a硫铁矿制酸装置配套热管蒸发器工程实例为例，包含设备本体、土建、安装、仪表控制等整个项目改造投资约190万元。该套系统将炉气降低的同时副产低压蒸汽2.6t/h，蒸汽价格如按市场均价来计约为140元/t，年生产天数按330天计算，则产生经济效益计算为：2.6t/h×24 h/天×330天/年×140元/t＝288万元，可见，投资～200万的项目将在八个月内收回所有投资，经济效益十分显著。
经过我们多个工程实例的比较核算，无论采用热管蒸发器还是热管省煤器设备，投资回收效益大致在每年14～16万元/万吨酸，投资回收期均在一年以内。
7 结束语
我国是一个资源相对比较缺乏的国家，资源和环保的压力都很大，国家坚持不懈抓企业节能减排工作将是大势所趋。现在很多硫酸企业对余热回收利用都非常重视，通过改造不但可以为企业带来长期的经济效益：降低生产成本，提高产品竞争力；更可以改善环境状况，减少热污染和水资源的浪费，达到国家环保政策要求，产生积极的社会效益。所以合理的利用硫酸生产工艺中各个工段的炉气余热，对于硫酸生产企业至关重要。