核心提示：用板式换热器回收锅炉出口炉气热量及低温位热能利用的热力学分析 硫酸生产废热锅炉出口炉气温度一般为350～400℃，或电除尘出口炉气温度320℃左右。这部分炉气热量的回收利用一直为硫酸工作者所关注。但要回收这部分热量有2个问题需解决：一是防止三氧化硫的冷凝；二是烟尘对传热设备的影响。这2个问题一直阻碍着去涉及这一领域，笔者也一直思考如何回收利用这部分热量。这部分热量如果能利用，不但增加蒸汽产量，而且减轻净化负荷。2007年中明(湛江)化机工程有限公司在400 t／d硫酸装置的锅炉出口安装了1台板式换热器用于预热进沸腾炉的空气，将空气从40℃预热到130℃，回收的热量可多产蒸汽1.1～1.20 t／h，即9 000 t／a左右，增加蒸汽产量约5%，而投资仅30万元左右(包括管道和保温)，取得较好的经济效益，同时较好地解决了三氧化硫冷凝和烟尘堵塞的问题。 1.用板式换热器回收锅炉出口炉气热量预热空气 1.1需注意解决的问题 1)提高炉气侧壁温，防止三氧化硫冷凝。三氧化硫露点，其本质为三氧化硫与水汽结合成硫酸蒸气而冷凝成一定浓度的硫酸。在炉气的条件下，如果冷凝成硫酸其w(H2SO4)一般为90%左右，对普通钢材的腐蚀较为严重，所以无论是省煤器还是换热器都需避免炉气中三氧化硫冷凝。 三氧化硫的露点温度与炉气中的三氧化硫浓度和水蒸气含量有关。炉气中三氧化硫浓度与焙烧条件有关。对于硫铁矿焙烧而言，炉气中的三氧化硫浓度主要与尘的颜色有关，尘色从黑色到棕黑色间(SO3)为0.05%～0.13%，其分压为50～130Pa。 水蒸气含量与空气的含水和矿的含水有关：若空气温度按30℃，相对湿度按80%计算；矿的含水主要是块矿和尾砂的区别，含水按1.0%～6%计算。由此，可计算炉气中水蒸气分压为4 000～9 000 Pa，在三氧化硫露点图上查得三氧化硫露点温度为190～220℃。当然在三氧化硫露点图上查得的露点温度只能作参考。根据有的厂低压锅炉使用经验数据，压力0.8 MPa(表压)的蒸汽温度为175℃，管壁温度应在185℃左右，这样的低压锅炉只要结构合理也能用4～5年。但在实际设计“板换”时应设法使炉气侧的壁温≥200℃，较为安全。 如何能提高炉气二氧化硫侧的壁温呢？这就要从换热器的设计中解决。假如，炉气进板式换热器的温度为320℃，出口温度为250℃，空气进口温度为30℃。如果按正常的设计炉气和空气为逆流，那么低温端壁温的平均温度只有(250＋30)／2＝140℃，这样做不到使炉气侧壁温≥200℃。因此，在设计时采用炉气和空气并流的方式以提高空气进口端炉气侧的壁温，这样平均壁温(320＋30)／2＝175℃，比逆流设计提高了35℃，但还是＜200℃，使用仍然不安全。所以在设计“板换”时，需使炉气侧的给热系数大于空气侧的给热系数，以提高炉气侧壁温。 设空气侧给热系数为α，炉气侧给热系数为1.5α，并设壁温为t。如果不考虑钢板的热阻和污垢影响，在进口端则有：(t-30)α＝(320-t)1.5α，得t＝204℃；在出口端，按热平衡计算空气温度约为130℃，则有：(t-130)α＝(250-t)1.5α，得t＝202℃。如果实际操作中空气温度＜130℃，可以在空气侧装副线，使板式换热器空气出口温度≥130℃。 以上数据说明，采用空气和炉气并流操作，以及设计“板换”炉气侧的给热系数大于空气侧的给热系数，可以使炉气侧壁温高于三氧化硫的露点温度。 在特殊情况下，例如北方冬天鼓风机出口空气温度可能只有0℃，甚至低于0℃该怎么办？可以设计一个用低压蒸汽加热的空气预热器，先将空气预热到30～40℃，然后再进板式换热器加热，则可确保板式换热器炉气侧壁温高于三氧化硫露点温度。 2)防止炉气中的尘粘附在板壁上造成堵塞。 利用锅炉出口或电除尘出口炉气余热，必须考虑尘对换热器的影响。用板式换热器可以较好地解决这一问题，因为带尘气体是自上而下流动，尘也随气流而运动。且尘还有一个重力作用，所以只要不产生冷凝酸，尘就不容易粘附在板壁上。在设计时气体流道还装有加强气体湍流的装置，使尘不易附在壁上。 1.2用板式换热器回收炉气热量的效果板式换热器参数： 硫酸产量17.0 t／h 炉气含尘30 g／m3(标态) 炉气进出温度317～250℃ 空气进出温度40～130℃ 炉气侧压降450Pa 根据酸产量计算空气量26 000～27 000 m3／h回收热量3.0×106～3.15×106 kJ／h这台板式换热器使用半年多来进出气体温度没有什么变化，说明传热系数没有下降，基本没有尘粘附在板壁上。同时也可以说明板式换热器器壁上没有冷凝酸，否则，尘就会粘附在上面。从这一点分析，我们设计的板式换热器应能长期使用，当然还要经更长时间的考验。 2.低温位热能利用的热力学分析 硫酸生产过程有大量的低温位废热，把这部分废热利用起来或部分利用起来，对于提高硫酸生产过程的蒸汽产量，从而提高发电量具有很好的经济效益。本文提到：利用锅炉出口或电除尘出口炉气热量来预热进沸腾炉的空气；用干吸热量来预热汽轮机出来的软水，将其预热到100℃左右；利用转化省煤器将锅炉给水泵出来的104℃水预热到170～180℃。这几项热能利用如果都能很好做到，可以增加蒸汽产量20%左右，且节省了除氧器的蒸汽，实际发电量增加值超过20%。 2.1预热空气的热力学分析 设进沸腾炉的空气为40℃，焙烧过程可做出(1-T0／T)-Q图(见图1)。 炉气可用能为：Ex＝∫(1-T0／T)dQ式中T0———环境温度，298K； T———介质温度，K； Q———介质热量，kJ／h。 可以用图解积分AB为炉气的热量，可用能为ABB3A这块面积；AD为锅炉出口烟气带走的热量，其可用能为ADD1A这块面积；CB段为沸腾层蒸发管移走的热量，可用能为CBB3C1C这块面积；曲线以上至双点划线这块面积为焙烧过程可用能损失。现在将空气进行预热，热量为AA2，使沸腾层炉气增加热量为BB1，显然AA2＝BB1。但这二者可用能差别就很大，空气预热后的可用能面积为AA1A2A，而因空气预热炉气增加的可用能为BB1B2B3B，显然后者大于前者很多。2.2锅炉传热过程和汽包汽水混合的热力学分析以上炉气不是我们所能获得的可用能，实际所能获得的为蒸汽可用能，这里还有锅炉传热过程和汽包中汽水混合的可用能损失 中蒸汽可用能面积为DD2E1G1H2H1B4B1D，其中H1B4B1HH1为沸腾炉产生蒸汽的可用能；G1H2H1G1为过热蒸汽和饱和蒸汽可用能之差。这里传热过程可用能损失为 D2D1B2B4B5H1H2G1D2这块面积；而汽包中汽水混合时热量没有变化，但产生可用能损失，其面积为DD2E1D，这里因为进汽包水为常温水，温度低于饱和蒸汽的温度，混合时产生熵增，引起可用能的损失。 如果将进汽包的水进行预热，因这部分热量是从锅炉以外得到的，所以热量线可向左延伸，假定进汽包的水在锅炉以外预热到蒸汽的饱和温度，那么这时汽包中就没有可用能损失，并且增加了FD这段热量，可用能增加了FD2DF这块面积。通常锅炉给水在除氧器中预热到104℃，而现在利用转化的余热将给水预热到170～180℃，既增加了热量，同时减少了汽包中汽水混合的可用能损失。以上分析提高锅炉给水温度，是减少了汽包中蒸汽的冷凝量，从而增加蒸汽产量，也就减少汽包中汽水混合时的熵增，减少可用能的损失，提高锅炉给水温度，从而提高蒸汽产量的过程，并没有增加锅炉的蒸发量。锅炉蒸发量是由蒸发管的面积、饱和水温度(或饱和蒸汽温度)和炉气温度决定的。因此，给水温度高低只与汽包中汽水混合过程有关，而与蒸发管的蒸发过程无关。因此，在转化系统装省煤器，无论新旧锅炉，其锅炉本体的蒸发面积均不变。但因为给水温度提高了，实际蒸汽产量提高了。需注意的是锅炉给水温度提高了，用于产生减温水的冷凝器面积就需进行调整。因为原来减温水是用104℃的水与250℃左右的饱和蒸汽进行热交换，使饱和蒸汽冷凝成水，现在用170～180℃的水与饱和蒸汽进行热交换，Δt减少了，故产生减温水的冷凝器面积需增加。 2.3蒸汽热能转化为机械能的可用能分析 利用炉气来预热进沸腾炉的空气，把转化余热用来预热锅炉给水，可增加中压蒸汽产量20%左右。因为蒸汽产量增加了，除氧器消耗的蒸汽量也增加了，如果将干吸余热来取代除氧器消耗的蒸汽，那么增加的发电量就超过20%，综合经济效益更明显。当然蒸汽的热量不能全部作为机械能，蒸汽的有效能面积为FD2G1H2H1B4B1，减去乏汽可用能面积FMNL，两者之差的面积表示蒸汽热能可转化为机械能对外做功的面积 3.结语 低温废热的利用是以锅炉为中心的，其利用量受锅炉参数的限制。预热空气温度受到锅炉出口炉气温度和三氧化硫露点温度的限制；而锅炉给水温度受锅炉饱和蒸汽温度的限制，当然在硫铁矿制酸系统转化余热用来预热锅炉给水不太可能达到蒸汽饱和温度。预热空气和预热锅炉给水这两部分热量均可直接增加中压蒸汽产量。而干吸虽有大量低温废热可供利用，但受到锅炉综合产汽量的限制，空气预热和锅炉给水预热提高了锅炉产汽量，这也就增加了干吸低温废热的利用量。当然，干吸废热利用受酸温限制和一些技术问题需解决。总之，硫酸废热利用应综合考虑，才能提高其经济效益。