Tăng tối đa hiệu quả thu hồi nhiệt ở nhà máy sản xuất Axit sunphuric

09:13' AM - Thứ tư, 23/02/2011

Các nhà máy axit sunphuric có thể được coi như những kho năng lượng. Tất cả các phản ứng trong sản xuất H2SO4 đều là những phản ứng tỏa nhiệt. Nhìn chung, phần lớn nhiệt sinh ra trong giai đoạn oxy hóa khí SO2 thành SO3 được thu hồi ở dạng hơi cao áp. Nhưng nhiệt phản ứng sinh ra trong giai đoạn pha lỏng, khi tạo thành axit sunphuric, thường bị mất đi và thải vào nước làm mát. Đây là nhiệt năng có hàm lượng năng lượng thấp, vì vậy từ trước đến nay thường không được thu hồi một cách có hiệu quả kinh tế.

Trong những năm gần đây, các nhà cung ứng công nghệ hàng đầu trên thế giới đã tập trung nghiên cứu vấn đề tăng cường thu hồi nhiệt trong các nhà máy sản xuất axit sunphuric. Hiện nay, một số quá trình thu hồi nhiệt có tính đổi mới đã được những công ty hàng đầu trong lĩnh vực sản xuất H2SO4 như MECS (Mỹ, trước đây là Monsanto EnviroChem), Outotec (Phần Lan) cung cấp.

Hệ thống thu hồi nhiệt của Công ty MECS

MECS là công ty chuyên về thiết kế và xây dựng các nhà máy axit sunphuric, đã xây dựng hơn 900 nhà máy H2SO4 trên toàn thế giới.

Suốt một thời gian dài từ khi quy trình sản xuất axit sunphuric được sáng chế lần đầu tiên, quá trình hấp thụ chính đã hầu như không thay đổi. Hệ thống thu hồi nhiệt do Công ty MECS phát triển về cơ bản bao gồm thiết bị hấp thụ hoạt động ở 200oC, sử dụng một nồi hơi để lấy đi nhiệt hấp thụ ở dạng hơi nước, thay cho các thiết bị làm nguội axit thông thường - ở đó phần lớn nhiệt được thải ra môi trường. Sau đó, các khí nóng rời khỏi giai đoạn đầu sẽ được làm nguội ở giai đoạn hai và phần SO3 còn lại được hấp thụ.

Điều kiện để vận hành phương án này là duy trì nồng độ axit trong một phạm vi hẹp, khi đó tốc độ ăn mòn của axit nóng đối với hợp kim ZeCor 310M rất thấp, đồng thời vẫn đảm bảo hiệu quả hấp thụ mong muốn. ở phần lớn các nhà máy sản xuất axit sunphuric, nhiệt của quá trình đốt và chuyển hóa SO3 được thu hồi và sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện và dùng để cấp nhiệt cho các quá trình. Các nhà máy H2SO4 thông thường có thể cung cấp toàn bộ điện năng và hơi nước cần thiết cho các nhà máy khác trong tổ hợp sản xuất phân bón. Như nêu trong bảng dưới đây, nhà máy hấp thụ kép thông thường với công suất 2000 tấn/ ngày có thể cung cấp mỗi giờ 100 tấn hơi cao áp ở nhiệt độ cao (62 bar, 480oC). Hơi nước sinh ra có thể tạo ra năng lượng 28 MW đối với kiểu nhà máy này, nếu nhà máy không xuất hơi nước áp suất thấp ra bên ngoài. Lượng năng lượng thu hồi có thể được tăng đến 35,5 MW bằng cách lắp đặt bổ sung hệ thống thu hồi nhiệt vào tháp trung gian, tháp này thu hồi phần lớn nhiệt được giải phóng khi tạo ra, cô và pha loãng axit.

Tuy phần lớn nhiệt được giải phóng khi tạo ra, cô và pha loãng axit được thu hồi trong nhà máy khô thông thường với hệ thống thu hồi nhiệt, năng lượng thu hồi được sử dụng để sinh ra hơi nước áp suất trung.

Từ khi lắp đặt hệ thống thu hồi nhiệt đầu tiên của mình vào năm 1987, MECS đã dần dần cải tiến hệ thống này để tăng thời gian hoạt động và độ đáng tin cậy. Thiết kế hệ thống thu hồi nhiệt Super HRS của MECS có một tuabin khí, dùng khí thải gia nhiệt hơi nước thành hơi quá nhiệt để tăng tiếp hiệu quả, nhờ đó tăng hơn gấp ba lượng nhiệt thu hồi so với các hệ thống thông thường.

Các công nghệ như phun hơi nước cũng cho phép tăng tiếp hiệu quả năng lượng. Mới đây, MECS đã đưa ra thị trường hệ thống thu hồi nhiệt StefaMax, đây là thế hệ tiếp theo của hệ thống thu hồi nhiệt tại các nhà máy axit sunphuric. Hệ thống này tăng tối đa hiệu suất thu hồi nhiệt bằng cách phun gần như 100% nước pha loãng ở dạng hơi nước áp suất thấp vào dòng khí phía trước tháp thu hồi nhiệt. Các hệ thống thu hồi nhiệt của MECS đã được lắp đặt ở hơn 30 nhà máy H2SO4 trên thế giới, kể cả ba hệ thống đã xây dựng cho Công ty OCP ở Marốc.

Hệ thống thu hồi nhiệt của Công ty Outotec

Công ty outotec đã phát triển các hệ thống thu hồi nhiệt của riêng mình. Từ khi quá trình hấp thụ kép của Công ty Bayer AG được đưa ra áp dụng vào giữa thập niên 1960, Công ty Outotec (sau khi sát nhập với Công ty Lurgi Metallurgie) đã lắp đặt hơn 190 nhà máy sản xuất H2SO4 theo công nghệ hấp thụ kép, với tổng công suất hàng năm trên 33 triệu tấn H2SO4/ năm. Từ năm 1973, Outotec đã xây dựng nhiều hệ thống thu hồi nhiệt, sử dụng nước nhiệt độ thấp, với ba lĩnh vực áp dụng chính như sau:

- Sản xuất nước nóng để cung cấp vào hệ thống cấp nước nóng gia đình của địa phương.

- Sản xuất nước nóng để cô axit phốtphoric.

- Sản xuất nước nóng cho các ứng dụng công nghiệp (rửa bộ lọc, chưng cất nước biển,…).

Trong quá trình sản xuất H2SO4 ở nhà máy đốt lưu huỳnh, khoảng 98% năng lượng đưa vào là đến từ năng lượng hóa học nội tại của các chất phản ứng, phần còn lại đến từ bộ truyền động của quạt chính ở dạng nhiệt nén. Trong quá trình truyền thống, 57% tổng năng lượng được thu hồi ở dạng hơi nước cao áp, 3% bị mất đi qua ống khói cùng với khí đuôi, 0,5% bị mất đi như nhiệt trong axit thành phẩm, gần 40% có thể được thu hồi như nhiệt năng với hàm lượng năng lượng thấp trong hệ thống làm nguội axit.

Trong các nhà máy sản xuất H2SO4, hầu như toàn bộ nhiệt phản ứng đều đã được sử dụng. Một giải pháp vạn năng cho tất cả các nhà máy này là sản xuất hơi bằng nhiệt thải của chu trình axit. Điều kiện tiên quyết cho việc này là thiết bị trao đổi nhiệt có thể chịu được lâu dài tác động của axit sunphuric ở nhiệt độ 160 - 200oC và nồng độ 95-99% ở phía axit, và tác động của nước nồi hơi với áp suất 5-10 bar ở phía nước. Khi nhiệt độ tăng, các tháp hấp thụ thông thường sẽ bắt đầu đạt đến giới hạn vận hành của mình. Nếu muốn sử dụng axit nhiệt độ cao mà không giảm hiệu suất hấp thụ, việc làm nguội/ hấp thụ phải được thực hiện trong hai giai đoạn. Thiết bị hấp thụ Venturi của Outotec đáp ứng các tiêu chí này.

Trong hệ thống thiết bị của Outotec, hơi nước bão hòa có thể được sản xuất với áp suất cho đến 10 bar. Hệ thống ống dẫn axit và thiết bị trao đổi nhiệt được thiết kế để sử dụng ở phạm vi nhiệt độ cho đến 200oC và phạm vi nồng độ axit là 95-100% (trọng lượng), do đó cho phép vận hành an toàn hơn so với các chế độ vận hành thông thường. Các thành phần khác được chế tạo bằng các vật liệu xây dựng truyền thống, kể cả tháp lót gạch, và không phải chịu tác động ăn mòn ngay cả trong các điều kiện cực trị.

Việc kiểm soát nồng độ axit trong cả phần Venturi và phần thông thường là đơn giản. Nhà máy sản xuất H2SO4 có thể tiếp tục vận hành ngay cả khi hệ thống thu hồi nhiệt (nhất là phần hơi nước) ngừng hoạt động. Khi đó, nhà máy sẽ vận hành theo chế độ tiêu chuẩn. Hệ thống thu hồi này có thể được trang bị thêm vào nhà máy đã hoạt động nếu có đủ diện tích ở phần hấp thụ.

Hệ thống thu hồi nhiệt HEROS của Outotec/ Lurgi đã được sử dụng thành công từ năm 1989. ở hệ thống này, khí chứa SO3 đi vào tháp Venturi ở nhiệt độ 200oC. Nhiệt độ axit tại đầu vào của tháp hấp thụ Venturi là khoảng 170oC. Để tạo điều kiện cho sự hấp thụ SO3 và phản ứng của nó với nước đưa vào thiết bị Venturi, nhiệt độ axit được tăng lên đến 195oC. Khoảng 95% SO3 trong khí được hấp thụ ở phần Venturi, điều đó có nghĩa là nồng độ axit được theo dõi và được kiểm soát trong chu trình Venturi. Axit nóng sẽ chảy nhờ trọng lực vào bể chứa, từ đó nó được bơm bằng máy bơm thẳng đứng qua thiết bị sinh hơi nước và sau đó trở về thiết bị Venturi.

Bằng cách sử dụng chu trình này người ta có thể thu hồi được những lượng năng lượng đáng kể. Bắt đầu từ nước nạp nồi hơi ở 105oC, có thể thu hồi thêm cho đến 0,6 tấn hơi nước áp suất trung trên mỗi tấn axit. Lượng thu hồi chính xác phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau, kể cả độ ẩm của môi trường xung quanh.

Ngoài các chức năng kiểm soát tương tự như quá trình thông thường (kể cả kiểm soát nhiệt độ và nồng độ axit), hệ thống thu hồi nhiệt của Outotec trong nhà máy axit sunphuric còn có các chức năng kiểm soát khác, như đo liên tục tốc độ ăn mòn, theo dõi và báo động rò gỉ bằng hệ thống âm thanh, đo độ dẫn nhiệt và độ pH của nước nồi hơi, bao gồm cả các hệ thống khóa liên động tương ứng.

Kết quả áp dụng hệ thống thu hồi nhiệt của Outotec tại các nhà máy sản xuất H2SO4 cho thấy, việc thu hồi nhiệt năng có hàm lượng năng lượng thấp bằng cách sử dụng công nghệ trao đổi nhiệt là rất có lợi trong sản xuất axit sunphuric, nó cung cấp nguồn năng lượng có giá trị để sử dụng cho các quá trình sản xuất cuối dòng.

Việc thu hồi nhiệt theo công nghệ của Outotec đã chứng tỏ là rất hữu ích chẳng hạn trong sản xuất đồng và kẽm: nước nóng thu hồi từ hơi nước có tính axit được sử dụng để gia nhiệt dung dịch điện ly trong sản xuất đồng và gia nhiệt dung dịch ZnSO4 trong sản xuất kẽm.

Trong sản xuất đồng, điện phân thường là quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng nhất. ở đây, người ta phải sử dụng hơi nước để gia nhiệt dung dịch điện ly cho đến nhiệt độ cần thiết trước khi đưa vào bình điện phân. Nếu sử dụng nước nóng với hàm lượng năng lượng thấp, lấy từ nhà máy axit sunphuric, để thay thế cho hơi nước, thì có thể giảm đáng kể tiêu thụ năng lượng ròng trong nhà máy.

ở công đoạn ngâm chiết của nhà máy sản xuất kẽm, quặng kẽm được phối trộn với axit sunphuric để hòa tan kẽm trong quặng và tạo thành dung dịch ZnSO4. Dung dịch này được gia nhiệt bằng hơi nước trong thiết bị trao đổi nhiệt trước khi đi vào các công đoạn tinh chế và điện phân. Việc sử dụng nước nóng là sản phẩm phụ của nhà máy axit sunphuric để gia nhiệt sẽ giúp giảm đáng kể tiêu thụ năng lượng ròng, với mức tiết kiệm khoảng 20-25 tấn hơi nước/ giờ, thời gian thu hồi vốn 1-4 năm .

TN

Theo Fertilizer International, 6/2010

Sponsor links (Provided by VIEPortal.net - The web cloud services for enterprises)
Thiết kế web, Thiết kế website, Thiết kế website công ty, Dịch vụ thiết kế website, Dịch vụ thiết kế web tối ưu, Giải pháp portal cổng thông tin, Xây dựng website doanh nghiệp, Dịch vụ web bán hàng trực tuyến, Giải pháp thương mại điện tử, Phần mềm dịch vụ web, Phần mềm quản trị tác nghiệp nội bộ công ty,