浅析无机化工生产中余热利用

化学工业是一个大量消耗能量的工业部门。因为一些化工产品本身就是以煤、石油、天然气等燃料作为原料的。另一些化工原料(如硫磺、硫铁矿等)在加工处理过程中要放出大量热量。许多化工过程都要求一定的温度、压力、物料组成等工艺条件，为了保证实现这些条件，也常要外界提供燃料、电、蒸汽等能量加人过程。在过程完成后，这些能量除一部份被产品带走外，其余部分或由排出物带出，或以余热形式释出。本文主要就是针对无机化工生产中余热利用来进行分析。

 

能源问题已经是当今世界各国普遍关注的重大问题之一，同时也关系到各行各业长远发展的直接利益。作为能源消耗大户的无机化工生产企业，一方面应该积*地响应国家节能减排的战略发展要求，转变发展观念，主动查找自身在能源利用方面存在的不合理之处；同时要积*地进行设备改造和技术创新，提高自身生产过程中余热的利用水平。只有这样才能在激烈的市场竞争中立于不败之地，为企业的长远发展创造巨大的进步空间。

 

1、概述

 

一般我们所说的余热主要是指一次能源与可燃物发生某种化学反应所发出的热量在完成某一工艺过程后所剩下的热量。从这个意义上来讲，余热本身可以看作是一种二次能源。作为一种热源，余热具有以下几个比较鲜明的特点：**是热负荷不稳定，也就是说余热提供的热量会随着生产条件的变化和反应过程的进行而产生一定的波动，这主要是由具体的生产工艺所决定的；其次是具有一定的腐蚀性，余热中包含的二氧化硫等腐蚀性气体会对生产制造设备和余热回收设备造成不可忽视的腐蚀作用；*后是利用条件受限，在大多数的化工生产过程中余热是普遍存在的，但是余热回收利用时间和空间条件却十分严格。尽管这样，余热回收利用所产生的社会价值和经济效益在当今能源日益紧张的条件下显得越来越重要，得到了人们的广泛关注。

 

2、无机化工生产过程中余热利用问题

 

2.1、余热数量的计算

 

为了尽可能精确地掌握无机化工生产过程中产生余热的多少，以便更好地指导实际的工业生产价格过程，往往需要对余热的数量进行计算。余热的计算一般是以具体的化学反应过程为基础，结合实际生产条件来实施。下面以工业硫酸生产为例来说明无机化工生产中的余热计算问题。我们知道硫酸的生产过程中伴随着强烈的放热，产生的余热是相当可观的。总结来看，硫酸生产的化学反应过程如下所示：

 

S（固）+O2→SO2(1)

 

2SO2+O2→2SO3(2)

 

SO3+H2O→****H2SO4(3)

 

****H2SO4+H2O→98.5%H2SO4(4)

 

将式(1)、(2)、(3)、(4)合并可以得到总的反应方程式为：

 

S（固）+O2+H2O→98.5%H2SO4(5)

 

其中，反应过程(1)的△H=70.9千卡/克分子，反应过程(2)的△H=23.5千卡/克分子，反应过程(3)的△H=32.8千卡/克分子，反应过程(4)的△H=0.8千卡/克分子，而整个反应的△H=128千卡/克分子。因此可以很容易地计算出，每生产一吨H2SO4仅反应热就要多余1.3×106千卡/克分子，如果再加上生产过程中消耗的电能（按照每吨消耗70度电量计算），整个生产过程中产生和消耗的热量就相当于6×104千卡，并且*终这些数量巨大的能量都是以余热的形式放出。需要说明的是，大多数无机化工生产过程所涉及到的化学反应是十分复杂的，并且所要求的反应环境和条件也是十分苛刻的，因此往往不容易通过简单的计算得到余热值，在这种情况下一般可以通过建立合适的模型来对生产和反应过程进行简化。

 

2.2、能量质量的衡量标准

 

这些余热是否可能全部回收呢?大家知道，能量的利用结果，往往都变成为热量。因此。能量回收利用的多少，一般以热效率写表示。其定交是过程中被利用的所有能量之和万ΣQ-与进入过程中所有能量之和万ΣQ+的比值。即

 

（1）

 

那么是否回收的热量愈多，热效率愈高，能量就利用愈充分，或者说可以节省的能量就愈多呢?这一概念，在某种意义上来说是不够确切的。因为能量不仅有数量的问题，而且有质量的问题。我们用以回收能量的蒸汽不仅用以作热源或工艺原料，而且还用来作为动力，即让它转化为机械功。然而我们知道，功与热量之间的转化是有严格的方向性和限度的。理论上功可以全部转变为热量，而在一定条件下，热量只能有一部分转变为功。所以根据能量是否可能全部转化为功，可将其分为两类:一类能完全转化为功的能量，如电能、机械能等叫做做**能，另一类只能部分转化为功的能量，如热能、内能、流动物系的总能量(焓)等叫做低级能。

 

热量的有效能可以由其可能转变的*大功Vmax来计算。当温度为的热量在温度为。的周围介质中通过热机所能作的*大功为:

 

△S为物系的熵的变化。显然，To△S为无效能，其数值直接与熵变△S有关。由(2)式可见，热量Q具有的有效能不仅与热量的数值有关，且与周围介质的温度T。和热源温度T的差值有关。To愈低，T愈高，则热量具有的有效能愈大，即该热量Q的质量愈一高。通常周围介质的温度是一定的(大气或冷却水温度)，故单位热量的有效能只是热源盘度的单值函数。

 

3、工业硫酸生产过程中的余热利用

 

3.1、工业硫酸生产余热利用的主要技术手段

 

就目前的理论和研究和工业应用来看，提高工业硫酸生产过程中余热利用水平主要有以下几个技术手段：

 

**是加强对于高中温位热能的回收利用，这点是提高余热回收利用效率的关键举措。由于生产过程中的制酸环节会产生大量的高温热量，因此在硫铁矿制酸和硫磺制酸的相关设备和装置都应该设置废热锅炉，用来对原料燃烧和气体转化过程中产生的大量高中温位热能进行回收。

 

其次是充分利用二氧化硫转化时放出的部分热量来对进入转化器的二氧化硫气体进行预热，使得二氧化硫气体在反应时达到*佳的温度，提高反应和转化的效率。另外还可以通过设置过热器、省煤器等设备回收中温废热，将中压饱和蒸汽转变为过热蒸汽和加热锅炉给水。

 

*后是采用蒸汽透平代替电动机驱动空气鼓风机，背压汽送蒸汽管网，可以提高能量利用效率，减少能量的转换。另外在低温位热量的回收利用方面，目前国内的相关技术和应用还比较薄弱，而国外已经开发出了HRS低温位热能回收系统，该系统能够有效回收干吸工段产生的低温位热能，提高热能回收率。

 

3.2、工业硫酸生产余热利用的具体实践

 

硫酸生产过程中焚硫炉出口高温烟气的回收利用主要通过设置锅炉产生蒸汽用于发电和供热，上海硫酸厂为利用化学放热反应产生的余热，于1984年3月投入运行了3000kW抽汽式汽轮机组。生产硫酸过程中反应产生的余热，经硫酸废热锅炉（锅炉蒸发量：23t/h、压力：3.5MPa、温度：435℃）产生中温中压蒸汽。余热发电站的蒸汽流程：

 

从图中可以看出，整个高温余热的回收利用过程主要包括三个方面：反应过程中产生的余热经硫酸废热锅炉产生中温中压蒸汽，而后蒸汽分为两路，一路蒸汽用于推动汽轮机组发电，另一路经过减温减压设备之后变成低压蒸汽，可以用于其他生产需要。一般来说，其他生产所需要的用汽不是很多，因而大量的蒸汽被用于发电方面，能够产生显着的经济效益，给企业带来十分可观的经济收入。

 

在硫磺制酸系统中，风机、酸泵电耗是主要的能耗，其中风机的能耗占全部能耗的60％~70％，所以空气鼓风机是硫酸生产中主要用电设备。由于蒸汽透平技术可以合理地配置蒸汽透平，提高能源的利用率，在一定程度上达到节能的目的。