烟气制酸生产流程的热平衡测试及分析

1、烟气制酸生产流程的热平衡测试及分析在任何一个系统（生态、自然、生产过程、社会）中，其内部各个环节之间及与外部环境之间都在不断进行着物质利能量的交换。物质是能量的载体*能量则是反映在物质上的性质。为获得该烟气制酸生产流程的各项热工参数，了解热量分布、热效率及其它技术经济指标，找出目前生产中存在的问题和不足，同时为采用分析法和基准物流图研究法提供基础数据，项目组于2010年4月23日至4月30日对该系统进行了详细的物料平衡及热平衡测试，本章将在此次测试的基础上对该系统的物料平衡及热平衡测试结果进行分析与讨论。2.1烟气制酸生产工艺流程锌精矿经沸騰焙烧炉焙烧后，冶炼烟气经废热锅炉冷却、旋风收尘器除尘

2、后进入由空塔、填料塔和电除雾器组成的净化系统，然后经干燥.转化、吸收过程，产出合格硫酸，是典型的“两转两吸”制酸法，制硫酸的工艺流程如图2-1所示*244净化工序由于锌精矿经培烧以后除生成含有$02的炉气和矿尘以外，还分别含有确、硒、铅、氛和水分等杂质以及少量的SO3以氧化物存在于炉气中的神和硒会导致转化工序所用的帆触媒中毒，氟以氟化氢形态存在会腐蚀设备，SO?容易生成酸雾使设备受到鷹蚀.所以.S6炉气进入转化工序以前，必须使这些杂质的含盘达到标淮.该系统烟气净化采用一塔（空塔）绝热.二塔（填料塔）洗涤、二级电陰雾器的酸洗流程。脱汞塔中，当S©烟气被氯化汞络合物溶液洗涤时，溶液中的汞

3、离子将与烟气中的金属汞蒸汽进行一个快速而完全的反应，生成不溶于水的氯化亚汞晶体，一部分氯化亚汞被氯气重新氯化成溶于水的氯化汞，加入洗涤液中继续循环.多余部分经处理后成为甘汞产品.其化学反应如式（2J）（2-2）：回收部分：Hg+HgCl?-11>=Hg3C12+nC'(n>4)(2-1)SCh+2HgCl2+2H2O=HgzCh+lHgCl+H2SO4(边界量)(2-2)氯化工程古HgzClhCl产2HgCb(2-3)HgCb斗nCEHgClf型(2-4)图21某厂冶炼烟气创酸系统的工艺;亢程转化工序该系统转化工序采用对冶炼烟气适应性强、热稳定性好的“3+1”、IV-1-I

4、II-II流程，并设置冷激副线对各段转化温度进行调节。经净化干燥后的气体首先分为两部分，一部分经IV、I换热器，另一部分经开工炉预热器预热后，两股烟气混合经过转化器第一段转化，转化后气体在换热器I冷却，后进入转化器二段触媒转化，转化后气体经换热器II冷却，进第三段蝕媒转化，转化后气体经换热器III冷却后去第一吸收塔吸收，经第一吸收塔吸收后的S02再经过换热器III和换热器II加热后，再进入转化器四段触媒转化，然后经过换热器IV换热后送第二吸收塔吸收.转化工序的主要设备有一台转化器及四台列管换热器。转化原理如下：SO2+I/2O2二SO3+Q(2-5)反应(25)有两个特点：第一，这是可逆放热反

5、应。因此，所处的条件不同，其反应进行的方向和程度也不同；第二，转化反应必须通过傩媒的催化作用，并要将温度维持在傩媒的活性范围内，才能达到一定的速度.由此可见，要想这两个条件同时满足，温度的控制至关重要。干吸工序干吸工序的主要设备有吸收塔、循环槽、板翅式冷却器、酸泵等。干燥是本是净化工序的组成部分，净化和吸收本是制酸生产中两个不相连的程序，但由于在这两个操作过程中都使用浓硫酸作为吸收剂，都是吸收过程，因此生产上把它们划归为同一个工序，统称干吸工序当含有SO的烟气与浓硫酸接他时，S03选择性地溶解在浓硫酸中，该过程的化学反应如式(2-6)：SO3+H2O-H2SO4+Q(2-6)从化学反应式来看，

6、吸收SOj似乎可以用水，但在工业生产上是不可能的.因为硫酸生产对so3的吸收是有要求的，要求so3能尽可能地被快速完全吸收,成品是浓硫酸。浓度为93%的硫酸是最理想的S03吸收剂，因为低于93%的硫酸液面上没有SOj蒸汽，但有水气，高于98.3%的硫酸液面上没有水气，但有S03蒸汽，浓度越髙，S03蒸汽越多.2.2热平衡测试及分析热平衡测试体系烟气制酸工业流程的热平衡测试根据有色金属行业标准YS/执行。热平衡测试前的1个月为基准期，基准期内制酸系统操作基本稳定，且无重大设备和操作事故。环境基准温度为测试期间正常生产的平均环境温度，测试期间当地气压Po-l.OlXlO5Pa,平均气温T（r311

7、K,相对湿度65%。测试结果取连续6次测试的平均值。热平衡测定设备：空塔（包括与其对应的循环槽）、填料塔（包括循环槽和板翅式换热器）、两级电除雾、转化器（包括I换热器IV换热器）、千燥塔（包括循环槽和板翅式换热器）、一吸塔（包括循环槽和板翅式换热器）以及二吸塔（包括循环槽和板翅式换热器）。测试体系见图21。物料平衡及热平衡计算结果本节将整个硫酸生产流程作为一个研究对象来论述该系统物料平衡及热平衡的计算过程和结果。（1）物料平術计算结果根据GB仃5342002工业硫酸标准以及测试数据，可以计算该系统的物料平衡,计算结果见表21从表21可见，相对误差为|100%=6.7%<10%.该系统流程

8、长、设备多，企业认为该误差值低于允许相对误差。需要说明的是物料支出中的烟气损失项是指系统中各个设备由于漏风而造成的烟气损失量之和。表21创皈系统场神收支平衡表物料收入物料支出项目数量比例项目数董比例/%SCh22462.3611.6so：57.60.03制酸SO3292.530.15排空s0j12.80.01烟气629150.5715.05烟气°223107.8411.93N2134129.5869.25N：7612539.30HQ6466.53.34H：O12.420.01补偿水1188.670.61成品酸24275.2218.21污酸25873.3413.36烟气损失项20100

9、.6610.3813125336.74193690.21100.00193690.21100.00（2）热量平衡计算结果对误差为在物料平衡的基础上，进一步进行热平衡计算，见表22。从表22可见，相xl00%=4.99%<10%,低于企业允许相对误差.需要说明的是，循环冷却水并没有进入到该制酸系统中，它是独立的水循环系统，它将制酸系统中循环酸的热量及时的转移到系统Z外，升温后冷却水经过空冷再进入制酸系统中，这一过程周而复始的进行.因此，本文将冷却水带出的热量列于热支出范围内。表22制酸系统总热走收支平衡表热平衡测试结果分析热收入热支出项目数量/（MJh）比例/%项目数l/fMJ-h*1)比

10、例/%制酸烟气54032.4137.94排空烟气7652.855.37化学反应热87217.1861.25成品酸3855.603.41补偿水1156.990.82污酸8882.88623表面散热3010.392.11満风烟气损失项25081.2017.61冷却水带出热債85816.6560.267107.014.99142406.581001Q142406.58100制酸系统的热收入主要包括来自沸腾炉制酸烟气带入的显热、化学反应热以及补偿水带入的热量，其中冷却水带入热量、S02转化为S03和SO3被浓硫酸吸收的化学反应放热占主要地位。而热量支出主要由以下五个部分组成：冷却水带岀热量、排烟烟气带

11、出热量、污酸带出热量、成品酸带出热量、表面散热及热损失.整个制酸系统的能流图如图22所示。结合表2-2与图2-2可以分析得出关于该制酸系统生产流程热平衡的如下结论：(1) 化学反应放热量较大事实上，经过计算转化工序是一个依靠S02转化为S03的反应放热即能维持自身工序平衡的自热平衡工序.吸收工序的化学反应放热是依靠冷却水与循坏酸进行换热带出的，因此可以得岀循坏酸余热的利用是提高热效率的关键。可以釆用沸点较低的工质替代冷却水冷却循环酸，带动透平发电机组发电也可用于加热进入转化工序的烟气，这样可以达到去除开工炉和预热器的目的。(2) 低温位余热浪费严重由表22可以看出，系统热支出各项中循环冷幫水带

12、出的热量最大，髙达85816.66MJ/h,占总热支出的60.26%,可见冷却水的余热利用是该系统余热回收的重点。然而这部分热量虽然较大，但温度较低，约45C,属于低温位余热，回收困难，因此冷却水余热的回收利用是烟气制酸生产流程中余热回收的重点和难点。可以考虑采用空气源热泵技术对冷却水进行先升温后利用的方法除冷却水外，成品酸、污酸以及排空烟气带出热量共占系统热支出的15.01%,温度均在100X?以下，属于低温位余热，这部分热量目前属于直接空冷处理。(3) 其他热损失较大由表22可以看出，其他热损失量占总支出热量的19.72%,其中表面散热占总支出热量的2.11%,烟气热损失占总支出热量的17

13、.61%»热损失的原因包括表面散热、管道散热、辐射热损失以及漏风等等。经计算，仅空塔和转化器的漏风率分别达到15%和17%,其中转化器一层和二层漏风尤为严重，测试人员面带防毒面具仍无法正常呼吸，因此应加强对设备及管道养护和维修。（4）转化工序备用设施繁冗 通过现场观察，发现该系统转化工序还设有开工炉、预热器以及一个S03冷却塔，开工炉和预热器的目的是使从净化来的S01制酸烟气除走第IV、I换热器以外，另一部分走预热器，两部分同时加热，来保证制酸烟气泡度达到转化要求（测试周期中，有21%的烟气走预热器）. SOj冷却塔只在进入炎夏的时候启用。该地区夏季白天平均温度高达36t,由于环境温度偏高，换热器的换热