HRS低温余热高效回收利用技术与应用

王伯义，韩战旗，卓俭进

（1.河南中原黄金冶炼厂有限责任公司，河南三门峡 472000；2.河南省黄金资源综合利用重点实验室，河南三门峡472000）

近年来，在碳达峰、碳中和背景下，国家日益重视经济与环境的协调发展，积极引导企业走绿色发展之路，大力发展循环经济，鼓励高耗能企业采用先进的节能新工艺、新技术和新设备，提高能源利用效率，助力实现节能减排。在此背景下，硫酸工业节能与热回收利用技术将焕发勃勃生机，硫酸行业低碳化高能效发展也将成为未来的发展趋势[1]。河南中原黄金冶炼厂有限责任公司（以下简称中原黄金冶炼厂）作为国有大型企业，处理金铜精粉1 500 kt/a，工业用电量达到6亿kWh/a，天然气消耗量2.5×107m3/a，新水用量3.5×106t/a，能源消耗规模庞大。随着国家“双碳”政策的落实，企业做好能源管理、提高能效将在碳减排中创造更高的经济效益和社会效益。

中原黄金冶炼厂1 600 kt/a冶炼烟气制酸装置采用高浓度烟气预转化、“3+2”二转二吸及HRS低温位热回收工艺，其中HRS系统可产0.85 MPa低压饱和蒸汽约80 t/h，所产蒸汽除用于冬季采暖以及作为生产工艺热源使用外，富余蒸汽利用工业汽轮机技术进行发电自用[2]。在实际生产中，为了维持干吸系统酸浓度平衡和液位稳定，HRS系统需向干燥和二吸循环酸槽进行串酸，串酸温度在126 ℃左右。由于外串硫酸温度较高，大量的热能被带出HRS系统，最终流失于循环冷却水中，造成可回收热能减少。如果能够将这部分热能充分回收利用，可进一步提高HRS系统的总热能回收率，达到节能降耗的目的。

1 HRS工艺介绍

1.1 工艺流程

HRS低温位热回收技术是由美国孟莫克公司于20世纪80年代开发的一项节能环保技术，通过提高吸收系统循环酸温度，用吸收反应热来生产低压饱和蒸汽，实现回收干吸工序低温位热能[3]。该技术利用HRS热回收塔取代传统工艺的一吸塔，用HRS锅炉取代传统工艺的一吸塔酸冷却器，从而使硫酸生产装置的余热回收率从50%～70%提高至90%以上[4]，且减少循环冷却水的消耗。HRS系统主要由HRS热回收塔、HRS酸循环泵、HRS锅炉、HRS稀释器、HRS加热器及HRS预热器等关键设备组成[5]，其工艺流程见图1。

图1 中原黄金冶炼厂HRS工艺流程

来自省煤器出口180 ℃含SO3的一段转化气，经过蒸汽喷射器喷入蒸汽后进入HRS塔下部，气体自下而上流经一级、二级填料与自上而下流经填料的一级、二级循环酸相接触，烟气中绝大部分的SO3被吸收，然后再经过位于HRS塔顶部的除雾器除去酸雾后离开HRS塔，最后进入下游的层间冷热交换器。

HRS塔内设有上、下两级填料层，第一级（下层填料）的循环酸为180 ℃、w(H2SO4)99.0%以上的浓硫酸，第二级（上层填料）的循环酸为65 ℃、w(H2SO4)98.5%的浓硫酸，来自干吸工序二吸塔酸冷却器，用于冷却气体及除去第一级填料剩余的SO3，以确保SO3的总吸收率。一级循环酸和二级循环酸吸收SO3后流入塔底泵槽，w(H2SO4)约为99.96%，温度升高约20 ℃，由HRS酸循环泵将200 ℃的高温浓硫酸送至HRS锅炉，在锅炉内与除氧后的锅炉水进行换热回收热能，产出的0.85 MPa低压饱和蒸汽并入全厂低压蒸汽管网；浓硫酸经过HRS锅炉换热，酸温降低约20 ℃后分成两路：一路进入HRS稀释器与经雾化的稀释水和来自干燥循环酸槽的干燥酸混合后，调节w(H2SO4)在99.0%以上，然后返回至HRS塔一级分酸器进行再循环吸收；另一路作为HRS产酸依次进入HRS加热器和HRS预热器，分别加热HRS锅炉给水和进除氧器的脱盐水，换热降温后的硫酸分别送至干燥和二吸循环酸槽。

1.2 串酸流程

干燥系统、二吸系统和HRS系统均配置有循环酸槽，干燥系统w(H2SO4)控制在95.5%～96.5%，二吸系统w(H2SO4)控制在98.3%～98.7%，HRS系统w(H2SO4)控制在99.0%～99.6%。为维持各循环酸槽的硫酸浓度和液位平衡，需要不同浓度的硫酸相互进行串酸以及对系统补加稀释水，其中干燥系统向二吸循环酸槽和HRS稀释器串酸；HRS系统向干燥和二吸循环酸槽串酸；二吸系统向HRS二级喷淋串酸；干吸补水从HRS稀释器和二吸循环酸槽加入；成品酸从二吸循环酸槽中引出，串酸流程见图2。

图2 中原黄金冶炼厂干吸工序串酸流程

2 HRS产汽量影响因素

HRS系统带入的热量主要包括烟气带入的热量、SO3的吸收反应热、硫酸带入的热量、补水的微分溶解热、循环酸浓缩热以及硫酸稀释热；带出的热量主要包括烟气带出的热量、硫酸带出的热量及热损失。HRS低温热能回收利用的热量主要为SO3的吸收反应热、硫酸稀释热以及烟气冷却热，HRS产汽量可通过HRS系统带入热量和带出热量进行热量衡算求出。制约产汽量的主要因素有烟气中SO2浓度、一次转化率、产汽压力、二级喷淋酸量、干燥塔入口烟气中的水含量、HRS产酸温度等[6-8]。在烟气条件一定的情况下，HRS产汽量对于干燥塔入口烟气中的水含量和HRS产酸温度比较敏感。

干燥塔入口烟气中的水含量和烟气温度相关，烟气温度越高，烟气中饱和水含量就越多，进入干燥塔的水分也就增加，为维持干吸系统水平衡，干燥系统需要向HRS稀释器加大干燥酸的串酸量，来代替稀释水调节酸浓度，硫酸稀释热会减少，导致HRS产汽量会相应减少。因此，为了提高HRS产汽量可适当降低干燥塔入口烟气的温度，但是温度的控制也要考虑经济性，因为烟气温度越低，净化工序循环冷却水的消耗量就越大，成本也就越高。

HRS锅炉酸侧出口高温硫酸一部分作为HRS产酸串至干吸系统，酸温在180 ℃左右，通常用于加热HRS锅炉给水和脱盐水进一步回收热量后，再串出系统。但仅靠加热锅炉给水和脱盐水所回收的这部分热量并不够充分，此时HRS产酸温度基本维持在126 ℃左右，会造成串入干燥和二吸循环酸槽的酸温度过高，循环冷却水用量加大。

因此，为提高HRS系统总热能回收率，应充分回收利用HRS系统串至干燥和二吸循环酸槽这部分硫酸所带的热能，尽可能地多产蒸汽。

3 技术改造

3.1 技改方案

目前HRS锅炉产汽量约为80 t/h，而HRS锅炉设计最大产汽量为100 t/h，还存有较大的产汽余量。为了维持干吸系统物料平衡，HRS系统需向干燥和二吸循环酸槽串出126 ℃、w(H2SO4)99.6%的浓硫酸约420 m3/h，干燥循环酸槽同时要向HRS稀释器串入75 ℃、w(H2SO4)96.0%的干燥酸约160 m3/h。为进一步高效回收利用HRS系统外串酸所带的热能，基于现有的HRS系统外串酸工艺路线，在加热器和预热器之后串联增加1台HRS换热器及配套设施，使HRS外串酸（即HRS产酸）和串入HRS稀释器的干燥酸进行换热，将外串酸的热量进行回收并返回HRS系统，从而提高HRS锅炉的蒸汽产量，其余热回收流程示意见图3。

图3 HRS换热器余热回收流程示意

HRS系统外串酸依次经加热器、预热器换热降温后，酸温度由180 ℃降至126 ℃后引至HRS换热器管程，经干燥酸再次换热后酸温度降至约112 ℃，然后送至干燥和二吸循环酸槽；同时来自干燥循环酸槽的干燥串酸进入HRS换热器壳程，酸温由75 ℃换热升至约109 ℃后串入HRS稀释器。

3.2 设备性能

HRS换热器是一种卧式管壳式酸酸换热器，热侧为管程，流动介质为HRS系统外串的高温硫酸；冷侧为壳程，流动介质为串入HRS系统的低温干燥酸。由于低浓度硫酸随着酸温的升高会加剧对金属材料的腐蚀，因此换热器材质的选择至关重要。该换热器壳体和列管均采用我国自主研发的特种高硅合金耐腐蚀材料制作，腐蚀速率小于0.1 mm/a，能够耐受w(H2SO4)96.0%干燥酸在高温条件下的腐蚀，其主要技术性能参数见表1。

表1 HRS换热器技术性能参数

3.3 技术特点

1）HRS换热器是对HRS外串酸热能回收工艺路线的有效补充，实现对这部分高温硫酸所带的热量进行梯级回收，通过用于加热锅炉给水、脱盐水和干燥系统串入的干燥酸，进一步提高HRS低温余热回收效率，并增加锅炉蒸汽产量。

2）HRS换热器在现有HRS系统的基础上进行改造，对现场土建施工、设备布局要求比较低，节省占地面积和项目投资。

3）HRS换热器及配套装置实现完全国产化，与现有HRS系统相匹配，壳程和管程的介质均为浓硫酸，即使发生设备腐蚀泄漏，在事故状态下可与HRS系统随时断开，应急响应可控，不影响制酸系统的正常运行。

4）HRS换热器日常生产维护和使用，无需额外新增岗位人员及电力负荷，无明显新增作业成本。

4 技术经济分析

4.1 项目投资

HRS低温余热高效回收利用项目于2022年初开始启动，经过设备安装和调试，目前已投入运行。项目总投资为450万元，其中工程费用投资为405万元，工程建设其他费用30万元，基本预备费15万元，主要设备HRS换热器购置费为365万元。

4.2 效益分析

HRS换热器自投入运行以来，各项技术指标运行平稳，经测算，可多回收热量1.53×107kJ/h，折算成0.85 MPa低压饱和蒸汽量为5.5 t/h，HRS系统蒸汽产量由80 t/h提高至85.5 t/h，产汽率由0.43 t/t提高至0.46 t/t，HRS系统总热能回收率提高6.88%，同时可降低循环冷却水消耗，缓解设备运行压力，改善干燥泵、二吸泵以及管道腐蚀情况，延长装置更换周期。

运行时间按每年330 d考虑，可多回收低压蒸汽43 600 t/a，多发电5 668 000 kWh/a，工业电按0.75元/kWh计，可创造经济效益425.10万元/a，投资回收期1.06年。节约标准煤1 714.57 t/a（供电煤耗按302.5 g/kWh计），相当于可减少CO2排放量4 492.17 t/a，减少SO2排放量14.57 t/a，减少NOx排放量12.69 t/a，经济效益和环保效益显著。

5 结语

HRS低温余热高效回收利用技术通过增加1台国产化HRS换热器，不仅有效实现了对HRS外串酸能量的梯级回收利用，而且降低了循环冷却水消耗，延长了设备使用周期。该项目提高了能源的利用效率，降低了企业生产能耗，具有很好的经济效益和环保效益，促进企业较好地践行低碳循环经济发展理念，值得借鉴和推广。