工业硫酸生产中余热利用的研究与实践

摘要：本文聚焦工业硫酸生产中的余热利用。通过分析硫酸生产工艺及余热产生环节，对余热资源进行量化分析，明确余热分布与潜力。阐述高温、中温、低温余热的回收利用手段，深入研究余热发电、供暖制冷及工艺预热技术。研究表明，合理利用余热可显著提升能源利用效率，实现节能减排与经济效益双赢。为工业硫酸生产的绿色可持续发展提供了理论与实践参考。

关键词：工业硫酸生产；余热利用；余热发电；余热供暖；工艺预热

引言

工业硫酸作为一种重要的基础化工原料，广泛应用于化肥、冶金、石油化工等多个领域，在国民经济中占据关键地位。在工业硫酸生产过程中，伴随着一系列复杂的化学反应，会产生大量余热。然而，长期以来，相当一部分余热未得到有效利用，直接排放到环境中，不仅造成了能源的极大浪费，还对环境产生热污染。在全球倡导节能减排、绿色发展的大背景下，提高工业硫酸生产中的余热利用效率，成为化工行业实现可持续发展的重要课题。

一、工业硫酸生产过程中的余热资源

1.1 硫酸生产工艺及余热产生环节

目前，工业上最常用的硫酸生产工艺是接触法。该工艺主要分为三个阶段：硫铁矿焙烧、二氧化硫催化氧化以及三氧化硫吸收。在硫铁矿焙烧阶段，硫铁矿（主要成分 FeS₂）与空气中的氧气发生剧烈反应，生成二氧化硫气体和氧化铁，同时释放出大量的热。反应方程式为：4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂。此过程产生的高温炉气温度可达 800 - 900℃，是硫酸生产中高温余热的主要来源。二氧化硫催化氧化阶段，在催化剂作用下，二氧化硫与氧气反应生成三氧化硫，该反应为放热反应。反应方程式为：2SO₂+ O₂⇌2SO₃。反应后的气体温度在 400 - 600℃左右，属于中温余热。三氧化硫吸收阶段，用 98.3% 的浓硫酸吸收三氧化硫生成发烟硫酸或更高浓度的硫酸。

1.2 余热资源的量化分析

为了充分利用余热资源，需要对其进行量化分析。通过能量衡算，可计算出各生产环节的余热数量。在硫铁矿焙烧环节，根据反应热和物料的比热容等参数，能够计算出每生产1吨硫酸，从焙烧炉排出的高温炉气所携带的热量。假设炉气的流量、温度以及组成成分已知，利用热力学公式可算出余热的能量值。对于二氧化硫催化氧化和三氧化硫吸收环节，同样可以依据反应热、物料特性以及工艺流程中的热损失等因素，精确计算出余热的数量。通过量化分析，明确各阶段余热资源的分布和能量大小，为后续针对性地选择余热利用技术提供数据支持，以便最大化地回收和利用余热，提高能源利用效率。

二、工业硫酸生产中余热利用的主要技术手段

2.1 高温余热的回收利用

工业硫酸生产中，硫铁矿焙烧阶段产生的800-900℃高温余热，通常采用余热锅炉进行回收。余热锅炉利用高温炉气的热量，将水加热产生高压蒸汽。这些高压蒸汽可直接用于驱动蒸汽轮机发电，实现热能向电能的高效转换。发电后的蒸汽还可根据需求，部分用于工厂内部的其他工艺加热环节，如物料的预热、干燥等，提高能源的综合利用效率。通过余热锅炉回收高温余热发电，不仅能满足硫酸生产企业自身的电力需求，降低外购电量，减少用电成本，多余的电力还可并网出售，为企业带来额外的经济效益。

2.2 中温余热的回收利用

对于二氧化硫催化氧化阶段产生的400-600℃中温余热，可采用热管换热器和余热锅炉联合回收的方式。热管换热器先将中温余热传递给低温介质，使其温度升高，初步回收热量。之后，再将经过热管换热器降温后的气体引入余热锅炉，进一步产生蒸汽。产生的蒸汽可用于驱动小型汽轮机，带动工厂内的泵、风机等设备运转，减少电机的耗电量。蒸汽也可用于一些对蒸汽温度和压力要求相对较低的生产工艺，如某些化工产品的蒸馏、浓缩等过程，实现中温余热在生产环节的有效利用，提高整个生产系统的能源利用效率。

2.3 低温余热的回收利用

三氧化硫吸收阶段产生的100-200℃低温余热，利用难度相对较大，但也有多种可行的回收利用方式。其中，吸收式热泵技术是一种较为有效的方法。吸收式热泵以热能为动力，通过吸收剂对制冷剂的吸收和释放过程，将低温余热提升为较高温度的热能，用于工厂内的供暖、生活热水供应等。还可以利用低温余热对硫酸生产中的原料进行预热，如将低温余热用于预热进入焙烧炉的硫铁矿，提高原料的初始温度，减少焙烧过程中的燃料消耗。通过这些方式，将原本难以利用的低温余热转化为有用的能量，降低企业的能源消耗和生产成本，实现节能减排的目标。

三、工业硫酸生产余热利用技术研究

3.1 余热发电技术

余热发电技术在工业硫酸生产余热利用中占据重要地位。常见的余热发电方式有两种，即余热锅炉-蒸汽轮机发电和有机朗肯循环（ORC）发电。余热锅炉 - 蒸汽轮机发电原理是利用高温余热产生高压蒸汽，推动蒸汽轮机转动，进而带动发电机发电。该技术成熟，应用广泛，能有效回收高温余热，如硫铁矿焙烧阶段产生的800-900℃高温炉气，通过余热锅炉可高效转化为电能。有机朗肯循环发电则适用于中低温余热发电。它以低沸点有机物作为工质，利用中低温余热使有机工质气化，推动透平机做功发电。对于硫酸生产中二氧化硫催化氧化阶段产生的400-600℃中温余热，ORC技术可实现高效回收利用。

3.2 余热供暖与制冷技术

余热供暖与制冷技术可有效利用工业硫酸生产中的低温余热。吸收式热泵是实现余热供暖的重要设备，它以热能为驱动，通过吸收剂对制冷剂的吸收和释放，将低温余热提升为可用热能，用于厂区或周边区域的供暖。如三氧化硫吸收阶段产生的100-200℃低温余热，可通过吸收式热泵为工厂办公区和生活区供暖，降低冬季供暖成本，减少对外部能源的依赖。在制冷方面，可采用吸收式制冷技术。该技术利用余热驱动溴化锂-水或氨-水等吸收式制冷机组，实现夏季制冷。通过合理配置吸收式制冷系统，将低温余热转化为冷量，满足工厂内部的制冷需求，如生产车间的降温、设备冷却等，实现余热的梯级利用，提高能源利用效率。

3.3 余热用于工艺预热

将余热用于工艺预热是提高硫酸生产能源利用效率的重要途径。在硫酸生产过程中，原料预热可显著减少后续反应的能耗。例如，利用低温余热预热进入焙烧炉的硫铁矿，可提高原料的初始温度，减少焙烧过程中燃料的消耗。在二氧化硫催化氧化和三氧化硫吸收阶段，利用余热对反应气体进行预热，可加快反应速率，提高反应转化率，减少催化剂用量，降低生产成本。通过余热用于工艺预热，实现了余热在生产流程中的内部循环利用，形成了一个高效、节能的生产体系，为工业硫酸生产的可持续发展提供了有力支持。

结语

本研究系统剖析了工业硫酸生产中的余热资源，从工艺环节梳理余热产生过程，并量化分析余热潜力。通过对高温、中温、低温余热回收利用技术手段的探讨，以及余热发电、供暖制冷和工艺预热等技术研究，明确了余热利用的多种有效途径。尽管取得一定成果，但仍存在技术应用成本较高、部分余热回收效率有待提升等问题。未来，应进一步探索新型余热利用技术，优化现有技术方案，降低成本，提高余热回收利用率，推动工业硫酸生产向绿色、节能、高效方向发展。

参考文献

[1]胡秀峰.工业硫酸生产中余热利用的研究与实践[J].山西化工，2024，44（12）：95-96+118.

[2]罗洪杰.工业硫酸生产中余热利用的研究与实践[J].化工管理，2014，（17）：36.