CN107848800B - 用于冷却含有so2和/或so3和水的气体的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
上述发明介绍了一种用于冷却SO2和/或SO3和水的气体混合物的方法，其中，该气体混合物通过承载冷却剂的第一换热器来冷却。冷却剂的温度高于气体或气体混合物的露点。
Description
本发明涉及一种用于冷却SO2和/或SO3与水的气体混合物的方法和设备，其中，该气体混合物通过承载冷却剂的第一换热器来冷却，且冷却剂的温度高于气体或气体混合物的露点。
当冷却腐蚀性气体或气体混合物时，存在这样的问题，即气体或气体混合物局部冷却太多，以至于温度下降至低于露点，因此，一部分腐蚀介质冷凝，且周围的材料开始腐蚀，在最坏情况下，这将导致换热器内的泄漏。
由于多个原因，这种泄漏有很高的危险。一方面，混合气体的逸出可能导致环境的负担，这从生态学的观点来看是极大的问题。另一方面，腐蚀性介质的排出对于设备中的人员也有相当大危险。最后，设备的这个部分必须关闭和修理，从而造成很高的成本。
高腐蚀性气体混合物的实例包括含有二氧化硫(SO2)和三氧化硫(SO3)的混合物。在硫酸生产中获得这种气体混合物。在由冶金废气生产硫酸或由单质硫燃烧而生产硫酸的设备中，通过这种燃烧生成SO2，该SO2随后被催化转化成SO3，再用水处理以便获得H2SO4。在SO3存在的情况下，当温度下降至低于露点时，气体中的最少量水汽都将导致形成硫酸(H2SO4)，并因此腐蚀所使用的金属材料。
因此在这种设备中，尽可能完全地从气体中取出水汽，这样，在催化转化为SO3之前，在干燥塔中通过浓硫酸来处理SO2。这里的典型浓度是94-97vol％的硫酸。硫酸的吸湿特性(即极低的蒸汽分压) 将水汽从气体中取出，直至20-30mg水/Nm3的典型剩余水含量。
在催化转化之后，气体混合物中含有的SO3的量在4和20vol％之间，因此，与存在的剩余水相比，有化学计量明显过量的SO3。不过，剩余水含量影响硫酸露点，即水含量越高，硫酸露点越高。这意味着，当设备内任意一点的气体混合物撞击在温度低于露点的表面上时，硫酸将在该表面处从气体中冷凝出来，从而引起腐蚀。
还一问题是，气体在干燥塔中干燥的程度和质量可能根据多种参数(例如酸浓度、酸温度、酸和/或气体在塔的横截面上的均匀分布) 而有较大变化，这也由于处理参数随压力或温度的变化而加强。总而言之，这意味着气体混合物可能采取多种水含量，因此露点也可能升高至150℃的温度。
在这种情况下，经常形成冷凝液，因此在硫酸设备内的冷部件(优选是换热器)将发生腐蚀。如上所述，这导致对于操作人员、设备部分和环境的相当大的和较远范围的后果和危险。
特别是，当水在所使用的换热器中用作冷却剂时还有这样的危险，即在泄漏情况下，大量的水与泄漏的SO3混合。因此获得大量的硫酸，这又导致更强的腐蚀，并且加强了所有不利后果。当由于对金属材料的腐蚀而产生氢气，且该氢气甚至点燃时，这特别有问题。
过去，为了可靠避免凝结液的形成，已经采取了多种方法。最简单的技术方案是将换热器设计成具有双夹套，如由DE1933460中已知。因此试图将其设计成引导冷却剂和气体混合物，以便即使在冷凝情况下也不能发生泄漏。
由US4949782已知腐蚀性气体在换热器中的冷却，该腐蚀性气体含有硫氧化物以及钠盐和钒盐。要加热或冷却的气体以高于钠和钒的腐蚀临界温度的温度被送入，因此该温度是用于换热器的材料的冶金质量和废气组分的函数。
由US2947522已知将换热器分成两部分，在第一部分中的要冷却的气体利用冷的冷却剂来冷却，随后，在第二部分中的已冷却的气体利用已经局部加热的冷却剂来进一步冷却。通过这样分开，也能够避免由酸的冷凝引起的腐蚀。能够同时逆流地分别操作两个部分而增强了冷却能力。由US4870816也已知类似的原理。
最后，DE24199096介绍了一种用于在硫酸生产中避免腐蚀的方法和装置，其中，冷却器自身通过正的外部热流而保持在高于腐蚀性气体的露点的温度。
所有这些方法的共同之处在于它们只能调节至固定操作状态，或者由于它们的惯性而对于气体混合物露点的波动反应太慢。当由于操作状态的变化而引起露点偏移时，特别是在设备的启动和关闭过程中，例如由于SO2/SO3混合物中的水含量增加，不可能在这里保证冷却剂继续被引导通过换热器同时使得在换热器的各个位置处的温度都高于气体混合物的当前局部露点。因此，这些系统仍然容易腐蚀，并由于所述原因而仍然有安全风险。
直接测量在进入换热器之前的气体的露点可能相当费力，因此不适用于硫酸设备的正常处理监控。
因此，本发明的目的是提供一种方法，该方法保证在任意时候温度都不会下降至低于要冷却的腐蚀性气体的露点。
该目的通过具有权利要求1的特征的方法来实现。该方法包括：在承载冷却剂的第一换热器中冷却含有SO2/SO3的气体混合物，该气体混合物含有微量水。控制冷却剂的温度而使它高于气体混合物的露点，单位为℃的露点τ按照下面的等式来计算：
其中：
p＝气体压力，单位为毫巴
c＝水含量，单位为mg/Nm3(在干燥塔之后)
通过持续地或以每分钟至少一次测量的短间隔来确定水含量，能够灵活地反应气体的质量(这又取决于多个处理参数)，因此能够考虑露点的偏移。这提供的优点是，在正进行的处理中，还在例如启动或关闭的特殊状态下，设备始终安全操作，因为能够可靠地避免在换热器中的冷凝和相关腐蚀。
优选是，气体混合物中的水含量通过基于例如激光二极管系统的方法来完成。
而且发现，根据本发明的方法有利地调节这样的系统，其中，气体混合物从在400℃和500℃之间的温度冷却至在130℃和180℃之间的温度。这是与SO2/SO3的冷却相关的温度范围，其中，冷却进行至只稍微高于露点的温度，因此，根据本发明的安全措施特别重要。
在硫燃烧中和/或SO2绝热催化氧化成SO3中的放热化学反应导致相应能量加热气体。在本发明的一个方面中，使用水作为冷却剂。因为水可以以低成本大量供给，所以它作为冷却剂将特别经济。
当使用水作为冷却剂时，有利地产生蒸汽和/或热水。这有利于设备的更好的经济性。优选是，产生40至80巴绝对值的蒸汽。因此，在硫酸设备的“冷”端提供一个或多个水预热器(＝省煤器)。为了在中间或最终的吸收的上游冷却含有SO3的气体，冷锅炉供水作为冷却剂，它在加热后流向蒸汽鼓。冷锅炉供水通常将在100至110℃和50至100 巴进入换热器。
另外，水有相对较高的比热容。不过，当使用水时，特别需要使用根据本发明的安全系统，因为通过与SO3混合能够获得大量的硫酸。
因为液体的传热系数比气体的传热系数高一个数量级，所以换热器的表面温度几乎与液体的温度相同。因此，这里的温度直接在酸的露点附近。
本发明的优选实施例提供了在第一换热器之后布置第二换热器。这提供了能够逐步冷却腐蚀性气体混合物的优点。在第一换热器上游的第二换热器中，将带走包含在气体混合物中的大部分能量，因此这里能够采用相对较低的冷却剂温度。不过，由于气体混合物的温度仍然较高，所以在第二换热器中的冷却不会有冷凝的危险。为了达到目标温度，气体混合物再在第一换热器中进一步冷却。由于这里的气体混合物温度明显降低，因此存在冷凝的风险，这是为什么根据本发明的第一换热器设计成避免局部温度下降至低于露点的原因。
特别有利的设计是，冷却剂首先通过第二换热器，然后通过第一换热器。因此，冷却剂的温度升高至这样的温度，在该温度下，由于根据本发明的控制，只需要小的校正，优选是在+/-10℃的范围内，特别优选是+/-5℃。
当使用水作为冷却剂时，发现有利于操作换热器，以使得水至少部分蒸发。因此，甚至更多的能量能够吸收至水中。通常，在5和10 vol％之间的水被蒸发。
还提供了优选的实施例，其中，腐蚀性气体混合物与冷却剂逆流地被引导通过第一和/或第二换热器，这样，与顺流引导相比，优化了冷却能力。
而且，本发明还包括用于冷却腐蚀性气体混合物的装置，该腐蚀性气体混合物含有水以及SO2和/或SO3，其中，该装置包括承载冷却剂的第一换热器，该第一换热器有用于冷却剂的进口和出口。而且，该装置包括：测量装置，用于确定在气体混合物中的水含量；以及控制装置，该控制装置通过确定水含量来确定气体混合物的露点，并控制在进口处的冷却剂温度，以使得它高于气体混合物的露点。
通过这种技术设计，能够保证在系统的任意位置处，腐蚀性气体混合物都不会局部冷却至低于它的露点温度(低于露点温度将导致冷凝，这又将涉及腐蚀)。
优选是，第二换热器设置在第一换热器的上游。因此，大部分能量能够首先在第二换热器中排出，而在第一换热器中，以控制敏感的方式来安全地实现所需的目标温度。
特别优选是，承载冷却剂的第二换热器装备有出口，导管从该出口导入第一换热器的进口内。冷却剂因此能够在进入根据本发明设计的换热器之前在第二换热器中预热。同时，在第一换热器中提供的冷却能力因此降低。该第一换热器能够尺寸更小，并更好地控制或调节。
优选是，第一和/或第二换热器装配有铸铁翅片。铸铁的优点在于，由于较高的传热面积和较高的导热率，铸铁的表面温度比无翅片部分的表面温度高一些。另外，铸铁的耐腐蚀性远高于锅炉钢。
而且，有利的是将两个换热器安装在相同壳体中，设备因此能够以紧凑的方式构成。
在本发明的优选方面中，还提供了三通阀，供给管道从该三通阀延伸至第一换热器的进口内。而且，从该三通阀，导管还从第二换热器的出口伸出，还有用于供给附加冷却剂的导管。因此，能够在三通阀中调节来自第二换热器的冷却剂混合物和附加冷却剂，其被控制而使得冷却剂通过导管冷却剂以高于气体混合物的温度进入第一换热器的进口。
换热器优选地能够设计成管束换热器，因为在这里，换热表面特别大(由于管的较大表面积)。
不过，具有管盘管的设计也很有利，因为大量的冷却剂能够被引导通过换热器。
通过下面对附图和示例实施例的说明，还能够获得本发明的其它发展形式、优点和可能的应用。所述和/或所示的所有特征将自身或以任意组合来形成本发明的主题，而不管它们是包含在权利要求或还是参考背景技术中。
在附图中：
图1表示了根据现有技术的冷却；
图2表示了根据现有技术的冷却；
图3示意表示了通过根据本发明设计的第一和第二换热器来冷却含有SO2和/或SO3的气体混合物；
图4示意表示了利用根据本发明设计的第一换热器和另外两个换热器来冷却SO2和/或SO3和水。
图1示意表示了本发明的基本问题的通常解决方案。在供给水进入蒸汽鼓30之前，通过导管31进入的水的温度在测量装置32中测量。在蒸汽鼓30中，将其预热至稍微高于预期露点的温度，该温度通常为 120至130℃。
然后，这样预热的水通过导管34作为冷却水而通过进口11引入至换热器10中，然后它通过出口12而离开该换热器。通过导管35，冷却水从出口12返回至蒸汽鼓30内，在该蒸汽鼓30中，通过吸收热量获得的能量将被回收，并能够在处理过程的某个其它点处使用。
通过导管13，要冷却的气体在它通过导管14被抽出之前供给至换热器10中。
这个系统的缺点是它不能对露点的偏移作出反应，因此不能安全地避免腐蚀和相关危险。
图2表示了现有技术的另一种形式，其中，如图所示，换热器分成两个单独和独立的模块，或者只有换热表面分开。冷却水通过导管 41而进入换热器20的进口21。在冷却水已经横过换热器20之后，它再次通过出口22而离开。
导管42使得换热器20的出口与第一换热器10的进口11连接。换热器10也由冷却水穿过，该冷却水随后通过出口12而再次离开，并通过导管35而进入蒸汽鼓30。通过导管13，要冷却的气体再次供给至换热器中，并通过导管14而再次抽出。导管15使得第一换热器 10与第二换热器20连接。
图3表示了用于冷却含有SO2和/或SO3以及水的气体的装置的发明设计。通过导管60和导管61，冷却水到达第二换热器20的进口21。通过出口22，冷却水从换热器20进入导管71和进入三通阀70。导管 62通向该三通阀，该导管62从冷却水供给源60分支。因此，能够在三通阀中使得两种不同的冷却水流相互混合，也就是，来自第一换热器10的冷却水和来自第二换热器20的冷却水。
控制变量是产生的混合物流的温度，该温度通过测量装置82来确定。气体的水含量用作控制变量，该水含量通过在气体出口导管14 中的测量装置83来确定。同样，也能够在进口导管13中进行测量。由于水含量，气体的露点能够通过下面的等式推导出来，因此，三通阀70能够通过控制装置80来正确驱动。
这样调节了温度的气体通过导管72而进入气体进口11，并因此通过换热器10，然后它通过出口12而进入导管35，并从该导管35 进入蒸汽锅炉30。
图4表示了两个并联连接的换热器。通过导管60、61和进口21，冷却剂进入换热器20。在经过换热器20和通过出口20离开之后，它通过导管71而进入三通阀70。在三通阀70中，来自导管60的一部分新鲜冷却水也通过导管62来供给。通过导管72，在三通阀中确定剂量的流体流供给至第二三通阀90。该第二三通阀90将冷却水流分成两个分流。
通过导管91和进口11，第一部分进入换热器10中，并再次通过出口12离开该换热器10。通过导管35和设置于其中的分离器36，冷却水进入蒸汽锅炉30。
通过导管92和进口94，第二分流进入换热器93中。在通过换热器93之后，气体同样通过出口95以及导管98和设置于其中的分离器 99而供给至蒸汽锅炉30。
换热器20和换热器10通过导管13和15充以要冷却的气体，该气体随后通过导管14排出。通过导管96，换热器93充以要冷却的气体，然后该气体通过导管97取出。
用于第一三通阀70的控制变量是流体流72的温度，该温度通过温度计82来检查。温度取决于要冷却的气体的水含量，它通常由装置 83来确定。在露点系统的控制单元80中，管道72中的冷却水的温度因此能够由该控制变量来确定为高于露点温度的温度。
在第二控制阀90中进行分开，以使得导管35和导管98中的冷却水的出口温度仍高于露点，其中，由控制装置100驱动的控制阀90 仍然重要，因为在流动气体中的酸露点也在换热器93中确定。
优选是，在控制阀90中的分开使得在测量装置102和103中测量的出口温度相等。因此保证在热供给装置中的两个换热器相应地供给有冷却水。
在某些情况下，组合供热超过了将冷却水加热至沸腾温度所需的量。在换热器中，预蒸发将在一定程度上进行。这能够达到引入的水的5-10％。因此，蒸汽混合物从换热器排出，该换热器有相同温度，因此不再适用于根据这些温度将预热水分配至两个换热器。在这种情况下，预热的冷却水的分配能够通过两个气体出口温度来控制，这两个气体出口温度通过测量装置101和14来确定。
原则上，该概念也可应用于超过两个换热器(在水侧并联操作)。
参考标号列表
10 第一换热器
11 进口
12 出口
13 气体进口
14 气体出口
15 气体导管
20 第二换热器
21 进口
22 出口
30 蒸汽锅炉
31 测量装置
33-35 导管
36 分离装置
41、42 导管
60-62 导管
70 三通阀
71、72 导管
80 控制装置
81 信号发生器
82 温度测量装置
83 温度测量装置
90 三通阀
91、92 导管
93 换热器
94 进口
95 出口
96 气体进口
97 气体出口
98 导管
99 分离器
100 控制装置
101-103 温度测量装置
Claims (11)
1.一种用于冷却SO2和/或SO3和水的气体混合物的方法，其中，该气体混合物通过承载冷却剂的第一换热器来冷却，且冷却剂的温度高于气体或气体混合物的露点，其特征在于：冷却剂是水，单位为℃的露点τ根据以下等式来计算：
其中，
p＝气体压力，单位为毫巴，以及
c＝水含量mg/Nm3。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过基于激光二极管系统的方法来确定水含量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体混合物从在400℃和500℃之间的温度冷却至在130℃和180℃之间的温度。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：冷却剂被加热到至少部分蒸发的程度。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：气体混合物与冷却剂逆流地被引导通过换热器。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：在第二换热器之前设置第一换热器，且冷却剂首先被引导通过第二换热器，然后通过所述第一换热器。
7.一种用于冷却SO2和/或SO3和水的气体混合物的装置，其有承载冷却剂的第一换热器，该第一换热器有用于冷却剂的进口和出口，该装置还有控制或调节装置，该控制或调节装置将在进口处的冷却剂的温度调节至高于气体或气体混合物的露点的温度，其特征在于：还有用于确定气体混合物的水含量的测量装置，该测量装置与控制或调节装置联接，以使得单位为℃的露点τ根据以下等式来计算：
其中
p＝气体压力，单位为毫巴，以及
c＝水含量mg/Nm3。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：提供了承载冷却剂的第二换热器，第二换热器有进口和出口，其中，导管使得第二换热器的出口与第一换热器的进口连接。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于：第一换热器和/或所述第二换热器在它内部包括铸造翅片，冷却剂通过该铸造翅片而从进口被引导至出口。
10.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于：第一换热器和所述第二换热器安装在相同壳体中。
11.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于：提供了三通阀，供给导管从该三通阀延伸至第一换热器的进口中，来自第二换热器的出口的导管和用于供给附加冷却剂的导管通向该三通阀中，该三通阀设计为使得它调节来自第二换热器的冷却剂和附加冷却剂的混合物，这样，冷却剂通过导管而进入第一换热器的进口，且温度高于气体或气体混合物的露点。
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