低位热回收系统(L-HRS)的模块化应用

陈涛，邓兆敬

(中化学科学技术研究有限公司，北京 102402)

0 引言

石油化工装置工艺复杂且布置高度密集，管道纵横交错。我国石化行业发展迅猛，在偏远地区或海外建设石化项目，施工复杂、成本高、管理难、风险难以控制。为了强化项目质量，节省项目成本，保证项目进度，模块化制造和组装正在逐步替代传统的现场施工。与现场施工相比，将设计制造好的模块交付现场进行快速组装，具有非常显著的优势：高效、快速、安全。

模块化是基于对工艺系统的整体分析，分割、设计和制造出一系列的单元模块，通过组合实现不同功能[1-2]。硫磺生产硫酸主要有焚硫、SO2转化和SO3吸收三步。其中，SO3吸收反应释放的热能品位太低，传统工艺产生的余热一般通过循环水冷却流失。利用SO3吸收反应的低位热生产蒸汽，该工艺最早由美国孟莫克有限公司开发，实现了硫酸工业低位热利用的重大技术突破[3]。以往低位热回收装置通常采用传统的“蚂蚁搬家”模式建造，投资巨大，施工复杂，技术参数的控制难以实现，没有考虑整体进行模块化设计和施工[3-5]。

SABIC配建的国产化低位热回收系统，建成投产后各项指标均达到设计要求，连续产出0.8 MPa(G)低压蒸汽，成功实现低位热回收系统的模块化应用，成本经济、布置合理、结构精细、运行安全平稳。该模块解决了工艺难点，控制技术先进，最大限度利用SO3吸收反应释放的低位热，利用率国际领先。采用模块化的设计和施工，不仅能提高项目的综合管理水平，让设计、制造、运输、安装和施工合理衔接，更能有效降低项目成本，提高企业生产效益。

1 低位热回收模块的工艺流程

SABIC的硫磺制酸装置配套增设的低位热回收模块，主要由热回收塔T1、热循环槽V1、热循环泵P1、低位热回收器E1、均混器V2、锅炉水再热器E2、管壳式酸冷器E3等设备组成，工艺流程示意图，如图1所示。

图1 低位热回收模块的工艺流程示意图

热回收塔由下而上分为第一、第二填料段。含SO3的工艺气体从底部进入热回收塔T1，与一级喷淋酸和二级喷淋酸进行逆流接触，反应吸收。二级喷淋酸(60 ℃，98.5%)来自一吸酸冷器，在第二填料段逆流吸收少量SO3后喷淋进入第一填料段，与一级喷淋酸(190 ℃，99.0%)汇合，吸收SO3后流入塔底的热循环槽V1，经热循环泵P1送入低位热回收器E1。低位热回收器利用高温热硫酸生产低压蒸汽，降温后的硫酸(约180 ℃)送入均混器V2调节酸浓，循环送至热回收塔进行喷淋。多余的高温浓硫酸，跨线进入锅炉水再热器E2和管壳式酸冷器E3，进一步余热回收后，送入模块外的干吸酸循环槽。

脱盐水在管壳式酸冷器E3进行预热，经模块外的除氧器除氧后形成低压锅炉给水，送至本系统的锅炉水再热器E2进行二次换热，最后送入低位热回收器，汽化产生0.8 MPa(G)的饱和蒸汽，并入硫酸工段低压蒸汽管网。

2 低位热回收模块的构造和设计理念

低位热回收模块属于具有完整工艺过程和功能的区块。主要由热回收塔、低位热回收器、均混器、热循环泵、锅炉水再热器、管壳式酸冷器等设备组成。热回收塔为填料塔，主体立式圆筒形结构，整体由特种不锈钢材料制作；低位热回收器是列管釜式锅炉，生产低压蒸汽，壳体为碳钢，列管为特种合金钢；均混器为横卧筒式结构，主体为特种合金钢，内置混合器耐高温、耐腐蚀；热循环泵选用国产的立式泵，单泵在线运行，输送高温浓硫酸；锅炉水再热器和管壳式酸冷器，换热管束采用特种不锈钢，用于低压锅炉水二次换热和脱盐水预热[6]。

2.1 设计原则

SABIC低位热回收模块的设计遵循工艺流程，将设备、管道、仪表和电气等必需的构造单元布置在模块内，工艺满足SABIC工程规范(SES)，模块的重量和尺寸满足道路运输和现场装卸的规范要求。模块采用的钢结构满足强度、刚度、抗震、运输及吊装工况的要求。各子模块都在制造厂内完成，子模块之间的界面接口较少，模块运到项目现场后进行组装拼接，安装方便，施工简单。

2.2 模块布置

SABIC低位热回收模块的布置按工艺流程排列设备，设备之间预留检修空间和公用通道，满足SES对安全生产、操作检修等的要求。模块外侧通常布置维护和检修频次较高的设备，模块内侧通常布置尺寸高大的设备；具有换热管束的设备，如低位热回收器、锅炉水再热器和管壳式酸冷器等留有检修空间；热循环泵、酸冷器及均混器等采用体积小、效能高的设备；热回收塔超出单个模块最大尺寸，无法满足布置要求，整体作为独立模块建造，关联的管道结构、仪表电气、保温防腐等均在生产厂内完成预制，最后在项目现场进行拼接和组装。

2.3 模块设计

Smart Plant是美国Intergraph公司推出的工程设计软件，该软件以区域或系统划分工厂结构，按照制定的规则及工作流程来进行设计，可进行各模块间的集成，便于设计信息的查询和管理。低位热回收模块采用Smart Plant集成平台，在项目设计、三维建模、施工管理和运营维护等方面效果显著。

(1)设计阶段工艺先行导入P＆ID，管道、仪表、电气、结构等多个专业在同一平台协同办公，将设计过程中的工程信息数字化、集成化，实现工程信息跨专业、跨部门共享。数据实时更新，上下游专业的设计文件准确一致。

(2)低位热回收模块整体在SP3D建模，实现设备、管道、电气和仪表的精准布置，交接界面清晰，工程信息涵盖施工、采购等所有工程阶段，便于后期的模块预制、施工、组装和生产管理。

(3)通过整体布局，模块中所有的设备、管件、仪表、电气、结构等单元可以按规格进行独立编号和准确定位。以数据仓库方式来管理整个项目的工程数据及工程数据之间的关系，包括工艺流程图、三维模型、仪表接线图、设备表、管线表、厂家文件等，设计质量和深度要求更容易满足。

(4)集成化服务贯穿设计、施工到运营这个完整的工厂生命周期。通过后续的数字化移交和面向业主的运营和维护，可以实现全生命周期的数字化工厂。

2.4 模块组装

SABIC低位热回收模块的钢结构节点主要采用焊接或螺栓连接方式。本模块建造完成后先在生产厂内进行预装，确保精准对接，预装后进一步完成模块的钢结构涂装和绝热涂漆、无损检验、清洗试压，以及仪表、电气、管廊桥架敷设等工作。对模块内的辅助支撑和临时支撑，大都采用螺栓连接，完成模块的现场组装后进行拆除。

3 低位热回收模块的流程模拟

利用Aspen Plus建立低位热回收模块的工艺模型，使用Electrolyte Wizard 定义各种组分，选择ENRTL-RK物性方程，模拟吸收工艺并计算了本模块的主要设备。进料为含SO3的工艺气体，吸收率为99.96%，低压蒸汽(177 ℃，0.8 MPa(G))产量为20.36 t/h，流程模拟结果与现场实际数据 (20.62 t/h)基本吻合。通过Aspen Plus建模分析低位热回收模块的节能效率，计算 结果表明本模块的低位热回收利用率达到96.8%。

4 低位热回收模块的控制关键

SABIC低位热回收模块通过提高酸温来提升低位余热品位，要求整个酸循环系统在200 ℃左右的高浓度硫酸工况下运行。不锈钢的腐蚀速率与硫酸的温度和浓度密切相关，根据美国孟莫克有限公司提供的不锈钢等腐蚀数据可知，在温度为120 ℃以上，ω(H2SO4)在 98%以上时，304不锈钢的腐蚀速率＜ 0.13 mm/a；当温度达到200 ℃时，大部分不锈钢的腐蚀速率降至最低点。低位热回收模块选用比304不锈钢耐腐蚀性更强的特种铬锰合金作为材料，用于塔、槽、阀、循环酸管线等的制造，在正常的操作条件下，具有良好的抗氧化性、耐晶间腐蚀能力、耐冲刷性能[6]。SABIC低位热回收模块对操作温度和硫酸浓度的控制要求非常严格，操作温度为160～200 ℃，ω(H2SO4)为98%～100%。

(1)除二级进口酸浓为98.5%以外，低位热回收工艺的正常酸浓ω(H2SO4)操作范围为99.0%～99.7%，温度操作范围为180～200 ℃。

(2)热回收塔出口处的酸浓度应保持低于99.7%，第一级入口处的酸浓度不应低于99.0%。

(3)开车期间当酸温低于93 ℃时第一级入口处的酸浓可以低于99.0%。但即使在开车期间，酸浓也不允许下降到97%以下。一旦酸温超过120 ℃或浓度下降到97%以下，就必须停车换酸。

(4)低位热回收装置在正常的酸浓、酸温范围内操作时，腐蚀率很低，一旦偏离正常操作范围，即使很短的时间(约1 h)也会对设备造成严重损坏。设备和管道与高温硫酸直接接触，对工艺干扰敏感，要求生产运行中密切关注各工艺参数，将循环酸温度、浓度等控制在正常范围内。

本模块在硫酸循环管道上设置多台在线酸浓分析仪，通过联锁自动调节一级喷淋酸浓度，在线监控系统的泄漏情况。通过控制关键工艺参数，实现高吸收率、高产气率和低腐蚀率。

5 低位热回收模块的运行效果

SABIC低位热回收模块的主体设备和管道采用特殊材料制造，整个酸循环系统适用于强腐蚀工况，可以保证生产安全和利用效率。该模块自开车后达到设计能力，连续产出0.8MPa(G)低压蒸汽，运行平稳。与传统装置相比，SABIC硫磺制酸装置每生产1 t硫酸可以增产低压蒸汽0.4～0.6 t，同时减少循环水消耗20～30 t。使用该低位热回收模块增产的低压蒸汽和减少的循环水耗量，每年为SABIC创造额外的经济效益约1300万元，1.5年收回全部投资，节能降耗带来的经济效益明显。

6 结论

本文的低位热回收模块以吸收SO3后的浓硫酸为热能载体，通过酸循环回收低位热生产蒸汽，杜绝了传统的低位热流失，将低位热利用率从传统装置的零利用提高到95%以上。将低位热回收系统进行模块化设计和制造后，以模块形式在SABIC现场进行交付和组装，具有高效、快速、安全的优势。这不仅有利于提高项目整体的综合管理水平，更能大幅节约项目执行成本。随着国家“一带一路”倡议的展开，中国海外投资和建设的项目逐年增多，低位热回收的模块化应用更具价值。希望本文的模块化思想和技术应用，能够促进模块化设计和施工在石油化工行业中的应用。