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制酸系統(tǒng)煙氣凈化工段熱平衡測試與節(jié)能措施研究

文檔作者：王明軍時章明孫平平李明輝楊雙歡李云新文檔來源： 1．中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院 2．株洲冶煉集團(tuán)有限責(zé)任公司，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2022年03月11日
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201 1年2月第1期 制酸系統(tǒng)煙氣凈化工段熱平衡測試與節(jié)能措施研究——王明軍 時章明 孫平平等 ·51·
制酸系統(tǒng)煙氣凈化工段熱平衡
測試與節(jié)能措施xOt-究
王明軍 時章明 孫平平 李明輝 楊雙歡 李云新
(1．中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410083；2．株洲冶煉集團(tuán)有限責(zé)任公司，株洲412004)
[摘要] 通過對株洲冶煉集團(tuán)制酸系統(tǒng)煙氣凈化工段進(jìn)行的熱平衡測試與計算，了解了該工段各個設(shè)備的熱工
狀況。分析了影響熱平衡狀態(tài)的各個因素，針對該工段存在能源損失較大的問題，提出了節(jié)能技術(shù)改造的措施建
議。
[關(guān)鍵詞] 煙氣凈化；熱平衡測試；分析；節(jié)能措施
[中圖分類號]TF061．26 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B [文章編號]1008—5122(2011)01—005l一04
Research on Thermal Balance Test and Energy Saving M easures for
Flue Gas Purification Section of Sulfuric Acid System
WANG Ming-jun，SHI Zhang—ruing，SUN Ping—ping，LI Ming—hui，YANG Shuang—huan，LI Yun—xin
Abstract：Heat condition for each equipment in the flue gas purification section of sulfuric acid system in
ZhuZhou smelter group CO．，LTD． is realized by means of thermal balance test and calculation． Every
factor influencing heat balance state is analyzed．In view of the high losses of energy sources existing in
this section，some measures and suggestions about modification of energy saving technology are proposed．
Key words：flue gas purification；thermal balance test；analysis；energy saving measures
1 概述
煙氣凈化過程是制酸系統(tǒng)非常重要的環(huán)節(jié)，凈
化程度的高低直接影響最終成品酸的質(zhì)量。從沸騰
爐出來的爐氣，除有用的二氧化硫外，還含有大量的
礦塵、一定數(shù)量的三氧化二砷、二氧化硒、未經(jīng)燃燒
的硫磺、三氧化硫、水蒸氣，以及少量氟化氫及鉛、鋅
等的氧化物，經(jīng)焙燒工段的旋風(fēng)除塵器和熱電除塵
器等設(shè)備除去絕大部分礦塵外，余下的雜質(zhì)需經(jīng)過
凈化工段除去，以保證轉(zhuǎn)化工段的正常操作和成品
硫酸的質(zhì)量 。株洲冶煉集團(tuán)煙氣凈化采用酸洗
法。煙氣依次經(jīng)過空塔、填料塔、一級電除霧、二級
電除霧和脫汞塔。空塔的作用是將大部分的礦塵及
[收稿日期]2010～07—26
[作者簡介]王明軍(1984一)，男，陜西寶雞人，碩士，
研究方向：系統(tǒng)節(jié)能與優(yōu)化。
雜質(zhì)除去，填料塔進(jìn)一步將其中的煙塵及雜質(zhì)除去。
第一級電除霧器是將大部分酸霧除去，其余一部分
很細(xì)的微粒，仍被氣流帶走，經(jīng)增濕器將顆粒增濕
后，進(jìn)入第二級電除霧器，殘余的酸霧在此除去。最
后經(jīng)脫汞塔除汞后，仍然含有大量的水分，必須經(jīng)過
干燥塔進(jìn)行干燥 。
凈化過程中煙氣所帶入熱量不能被制酸系統(tǒng)所
利用的部分，主要包括循環(huán)冷卻水與空氣接觸所散
失的熱量，以及各個設(shè)備的表面散熱和所排出的污
酸帶出的熱量，而此部分未被利用熱量的數(shù)值相當(dāng)
大，要對其進(jìn)行能耗分析必須通過熱平衡測試，然后
進(jìn)行熱平衡計算，得出凈化工段的能耗情況，進(jìn)而進(jìn)
行節(jié)能潛力分析和提出節(jié)能措施。
熱平衡測試是考察設(shè)備能量構(gòu)成、分布、流向和
利用水平的極其重要且行之有效的科學(xué)手段之一，
是加強(qiáng)能源管理、提高能源利用水平、降低能源消耗
的重要基礎(chǔ)工作 。通過對株洲冶煉廠制酸系統(tǒng)
· 52· 有色冶金節(jié)能 口環(huán)保與綜合利用
煙氣凈化工段的熱平衡測試，分析設(shè)備的能源消耗
量、利用水平和存在的問題及原因，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，
提出煙氣凈化工段節(jié)能降耗的途徑和措施。
煙氣凈化工藝流程圖如圖1所示。
酸 酸
圖1 煙氣凈化流程圖
2 煙氣凈化工段熱平衡測試方案
釋水
測試的對象是空塔、填料塔、稀酸循環(huán)槽、板式
換熱器、電除霧和脫汞塔。由于凈化工段各設(shè)備有
其自身特點(diǎn)，必須根據(jù)實(shí)際情況采用科學(xué)合理的熱
平衡測試方法。熱平衡測試采用正平衡法(直接測
量設(shè)備的工質(zhì)流量、參數(shù)，按一定的公式求出設(shè)備的
效率)和反平衡法(測量設(shè)備各項(xiàng)熱損失的方法來
確定設(shè)備效率的方法)相結(jié)合的綜合平衡法測定設(shè)
備各種參數(shù)。
2．1 熱平衡測試基準(zhǔn)期及基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的確定
2．1．1 基準(zhǔn)期的確定及數(shù)據(jù)選擇
選擇熱平衡測試前的1個月為基準(zhǔn)期，要求在
基準(zhǔn)期內(nèi)凈化工段操作基本穩(wěn)定，且無重大設(shè)備和
操作事故。凈化工段熱平衡測試基準(zhǔn)期期間的有關(guān)
數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；環(huán)境基準(zhǔn)溫度為測試期間正常生
產(chǎn)的平均環(huán)境溫度。
2．1．2 熱平衡測試期的選擇原則
要求在凈化工段穩(wěn)定操作期，即不頻繁變料、常
規(guī)技術(shù)指標(biāo)相對穩(wěn)定、無重大操作事故的時期進(jìn)行
測定。
2．2 熱平衡測試項(xiàng)目及測試方法
(1)測量該制酸系統(tǒng)各設(shè)備進(jìn)出口的煙氣流量
及成分(不包括部分設(shè)備進(jìn)口、出口沒有測點(diǎn)或不
允許開孔處)。
(2)測量該制酸系統(tǒng)板式換熱器的水量，分析
換熱器換熱量及換熱能力。
(3)測量所有設(shè)備的外壁溫度分布，分析系統(tǒng)
的散熱狀況。
(4)測量環(huán)境溫度、濕度。
(5)控制室記錄系統(tǒng)自帶各溫度測點(diǎn)和壓力測
點(diǎn)以及流量測點(diǎn)的讀數(shù)。
(6)與現(xiàn)場工作人員一起進(jìn)行硫酸取樣及濃度
分析。
(7)排空尾氣監(jiān)測站觀察讀數(shù)。
2．3 熱平衡測試儀表
本次熱平衡測試所使用的儀器見表1。
表1 熱平衡測試的測量儀表
3 物料平衡和熱平衡計算結(jié)果與分析
3．1 計算過程中所用到的主要公式
V =V·C (1)
式中： — — 煙氣中的某種成分；
煙氣的體積流量，Ill ／h；
c—— 某種成分占煙氣總體積流量的百分
比，％ 。
q =n ‘c 。t (2)
式中： —— 煙氣中的某種成分；
g— — 煙氣所帶的熱量，kJ／h；
n— — 煙氣的物質(zhì)的量，kmol／h；
201 1年2月第1期 制酸系統(tǒng)煙氣凈化工段熱平衡測試與節(jié)能措施研究—— 王明軍時章明孫平平等 ·53·
Cp。
式中：Q—
A—
H-
△t
- 煙氣的熱熔量，kJ／kmol·oC。
Q=A·H·At
設(shè)備表面散失的熱量，kJ／h；
設(shè)備表面積，m ；
對流換熱系數(shù)，w／m ·k；
一表面溫度與環(huán)境溫度的差值，℃ 。
Q 一Q =
式中：Q 一Q 一
2×17 860 1 X 178 60
部損失熱量指凈化工段各設(shè)備表面散熱；化學(xué)反應(yīng)
(3) 熱是在凈化過程中，SO，轉(zhuǎn)化為硫酸所生成的熱量。
塑 ! 掣 三
f釋
l稀
— — — — — — 一煳氣?爭1 1．段
㈩
l 煙氣(凈化后)
每摩爾H2SO 放出的熱量，J； 圖2 煙氣凈化工段物料平衡示意圖
n —— 濃度為c。時每摩爾H：s0 所含的水的
摩爾數(shù)，tool；
n：—— 濃度為C 時每摩爾H：sO 所含的水的
摩爾數(shù)，tool。
3．2 物料平衡與熱平衡計算結(jié)果
株洲冶煉集團(tuán)所在地區(qū)的氣壓P =1．01 X 10
Pa，平均氣溫To=301 K。相對濕度65％ 。
煙氣凈化工段物料質(zhì)量平衡示意圖如圖2所
示；能量流圖如圖3所示。
其中輸入熱量包括煙氣(主要成分為SO：、SO。、
0 、N 和水蒸氣)帶入熱、冷卻水及稀釋水帶入熱；
輸出熱量包括煙氣帶出熱、污酸及冷卻水帶出熱；外
輸入熱量
[二二= >
圖3 煙氣凈化工段能量流圖
根據(jù)測試數(shù)據(jù)，對凈化工段進(jìn)行物料衡算，計算
結(jié)果見表2，并以此為基礎(chǔ)對其進(jìn)行熱平衡計算，計
算結(jié)果見表3。
表2 凈化工段物料平衡表
收入項(xiàng) 支出項(xiàng)
項(xiàng)目 流N：／kg·h 比例／％ 項(xiàng)目 流量／kg·hI1 比例／％
SO2 22 462．36 11．54 SO2 16 896．25 8．68
SO 292．53 0．15 SO 53．07 0．03
0， 29150．57 14．98 0， 2O 745．31 10．66
N， l34 129．58 68．94 N， 92 054．66 47．31
H20(g) 6 466．50 3．32 H20(g) 3 987．92 2．05
稀釋水 2 072．31 1．06 排出污酸 19 873．34 10．21
差值40 963．31 21．05
合計 194 573．86 100．00 合計 194 573．86 100．00
表3 凈化工段熱量平衡表
熱收入 熱支出
項(xiàng)目 數(shù)量／MJ·h 比例／％ 項(xiàng)目 數(shù)量／NJ-h 比例／％
SO，帶人熱4 367．25 2．50 SO2帶出熱 42．92 0．24
SO 帶入熱 6O．89 0．03 SO 帶出熱 1．27 0．001
0，帶人熱 7 767．00 4．44 0，帶出熱413．87 0．24
N，帶入熱 39 378．45 22．52 N2帶出熱 3 568．04 2．04
H 0(g)帶人熱 3 460．25 1．98 H2O(g)帶出熱 274．03 0．16
冷卻水帶入熱 118 202．00 67．59 污酸帶出熱4 882．88 2．79
稀釋水帶入熱 735．00 0．42 冷卻水帶出熱 137 782．25 78．78
化學(xué)反應(yīng)熱 918．00 0．53 表面散熱 542．43 0．31
其它熱支出 27 002．44 15．44
合計 174 388．84 100．00 合計 174 5l0．14 100．00
· 54· 有色冶金節(jié)能 口環(huán)保與綜合利用
3．3 計算結(jié)果分析與節(jié)能措施
3．3．1 冷卻水熱量的回收利用
一 由熱平衡表3可以得出，冷卻水帶人熱量是熱
收入中比重最大的，占67．59％ ；同時冷卻水帶出熱
也是熱支出比重最大的，占78．78％ 。此冷卻水是
循環(huán)冷卻水，在冷卻了酸以后，直接經(jīng)過空氣冷卻再
循環(huán)回來繼續(xù)冷卻酸，其散失在空氣中的熱量每小
時可達(dá)19 580．27 MJ，占總熱支出的11．2％ 。但是
由于水量大，水溫升高幅度小，屬于量大、熱焓低的
余熱，以目前的技術(shù)回收可能出現(xiàn)投入大于收益的
情況。建議可以來加熱其他物料，如預(yù)熱鍋爐給水、
加熱生活用水和工業(yè)用水，加熱濃縮硫酸、磷酸等
等。也可考慮采用高溫吸收，生產(chǎn)中低壓蒸汽，增加
發(fā)電量，或以低沸點(diǎn)物料做載體，帶動透平發(fā)電機(jī)組
發(fā)電 。在這個領(lǐng)域，美國孟山都公司已經(jīng)開發(fā)了
HRS(Heat Recovery System)技術(shù)，同時美國也已經(jīng)
開發(fā)出Monarch熱量回收系統(tǒng) 。
3．3．2 其它熱損失
其它熱支出占總熱支出的15．44％ ，主要包括
管道表面散熱、體系的積蓄熱、塔系破損輻射和導(dǎo)致
的熱散失。其中空塔及空塔進(jìn)口段的管道的漏風(fēng)率
比較大，由此導(dǎo)致空塔處的其它熱損失占空塔熱支
出總量的15．39％ ，因此對空塔及其管道的修復(fù)是
極其必要的。另外還包括測量數(shù)據(jù)誤差造成的數(shù)據(jù)
計算結(jié)果誤差等。理論情況下其他熱損失如果所占
比例較大，應(yīng)該找出其中某一項(xiàng)或者幾項(xiàng)熱損較多
的項(xiàng)目進(jìn)行測試記錄計算，但是此次的熱平衡測試
是在摸索中進(jìn)行，有一些問題是由于測量技術(shù)有限
而測量不到，因此這個問題需要完善熱平衡測試方
案，提高測試工具精度等方面來減少測試誤差。
3．3．3 污酸帶出熱的回收
污酸帶出熱占熱支出總量的2．79％ ，熱量比較
高，屬于量大、熱焓高的余熱。這部分熱量得到回收
利用是提高熱效率節(jié)約能源的有效途徑。此部分熱
量可考慮加熱生活用水和工業(yè)用水，使其得到充分
利用。
3．3．4 動力波洗滌技術(shù)的應(yīng)用
動力波洗滌技術(shù)是含塵氣體濕法凈化工藝的重
大革新，該技術(shù)已在美國、加拿大、法國、芬蘭和中
國的數(shù)家有色金屬冶煉廠的制酸系統(tǒng)凈化工序中成
功應(yīng)用，取得良好效果 。建議可以采用此項(xiàng)技術(shù)
來改造煙氣凈化系統(tǒng)，更大程度的提高煙氣凈化效
率和能源利用率。
4 結(jié)語
通過對冷卻水熱量的回收，利用此類低溫?zé)崮?
加熱預(yù)熱鍋爐給水、加熱生活用水和工業(yè)用水，加熱
濃縮硫酸、磷酸，采用高溫吸收，生產(chǎn)中低壓蒸汽，增
加發(fā)電量，或以低沸點(diǎn)物料做載體，帶動透平發(fā)電機(jī)
組發(fā)電。既可充分利用能源，又有很好的經(jīng)濟(jì)效益
和環(huán)境效益。
凈化工段各個設(shè)備的破損的及時修復(fù)是十分必
要的，這樣不僅可以減小漏風(fēng)率，提高煙氣的凈化質(zhì)
量，而且也可減少設(shè)備的熱輻射，節(jié)約熱能。
用合理有效的方法將制酸系統(tǒng)煙氣凈化工段的
熱量損失回收利用，對煙氣凈化工段的各個設(shè)備能
夠保持節(jié)能環(huán)保的運(yùn)行非常有益。
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