摘要：硫酸工业是十分基础的化工生产门类，其系统节能技术水平的进步对推动化工行业的节能具有重要意义。本文在回顾硫酸生产工艺流程的基础上，总结笔者多年在工业企业进行流体系统节能项目中的方法与经验共享，从液体和气体输送系统节能的角度介绍了硫酸工业流体输送过程的节能方法及其实施步骤，并重点针对水量和风量的调节进行了详细阐述，最后则报道了业内最新的硫酸工业节能装备成果。
关键词：硫酸；流体；系统节能；泵
1 硫酸生产工艺流程
生产硫酸的方法有多种，目前，主要是硫磺制酸和冶炼烟气制酸，硫磺制酸是使用固体硫磺为原料，生产过程可分为熔硫、焚硫、转化和吸收工序。冶炼烟气是以各类矿石为原料，生产过程可分为焙烧、炉气净化、干燥、SO2的转化和SO3的吸收，尽管方法不同，但从SO2的转化开始，工艺过程都是相同的，下面是典型的硫酸装置中泵所处的位置，采用的是干燥塔和吸收塔设置单独的酸循环系统，但也可以共用一套循环酸槽、酸泵和酸冷却器（如一泵供两塔等），最终吸收塔通常采用单独的一套循环设备，避免酸中溶解的二氧化硫随尾气排放。
如图1所示，在制硫工艺中有很多流体设备，站在流体技术的角度上来说，整个硫磷化工工艺就是化学与流体力学的叠加。
2 硫酸工业中的节能技术
从流体输送的角度来讨论硫磷化工中的节能技术。
图2是烟台鹏晖铜业有限公司的硫酸系统的用水工艺图，按MOAR理论，我们一般把循环水系统作为标准样本进行研究，并认为石化、化工、钢铁、市政和排灌等应用场合都可以适用于上述模型或是上述模型的一部分。
循环水系统模型示意图见图3所示。
如图所示，在硫酸生产中需要大量的循环水，就从冷供配用4个子系统及给排水和送风系统的角度考虑硫磷生产体系中的节能。
第一步：推算合理能耗
第五步：根据前面所得到的流量和压力用能耗平衡法推算泵房供水效率
本步骤的数学模型图见图5所示：
第七步：根据前面所确定的最佳流量，重新优化设计、调整循环水系统的关键参数及设备配置
(1) 流量要并根据客户要求，留有一定富余量得出最终流量；
(2) 根据最不利点确定压力时应在最不利点安装压力测量仪表，不能用理论数据进行推算，以免由于推算有误，对生产带来不利影响；
(3) 设计供水压力，供水压力的计算按照如下公式进行：
最不利点压力+最终流量下的管路损耗=设计供水压力
(4) 根据设计的结果，重新配置设备，其中包括平衡推算过程中发现明显不合理、效率低的供水设备，换热设备和冷却塔等，当电机运行负载率在75%以下时，应当配置功率补偿设备，运行负载率在50%以下时，应当更换电机，以免由于功率因数低对电网造成不利影响。
3 用水量调节的措施
对于用水量而言，最重要的就是应设法使供水量不间断的跟随工艺需求，大多数情况下，硫磷化工系统还是用阀门调节，作为小管径流量调节，从性价比考虑，是不适合用余压回收系统或分级供水的，所以这种情况下，用自适应调节阀是很合适的。
自适应阀门是专门适应复杂配送系统DCS智能工控元件，采用微处理器分布式控制系统控制各个回路和各个用水单元，同时可以与原有的上一级工业控制计算机或高性能的微处理器之间通过高速数据通道交换信息的接口和能力，分布式控制系统具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和管理等功能。
自适应阀门一般安装在调节位置所在地，把微处理机器直接并接在控制执行机构亦即可调节阀门上，测量装置则在附近的换热器出口管道上。自适应阀门属于典型的分散化控制设备，这种控制方式能够大幅度地提高每个用水单元生产过程控制的可靠性，不会由于计算机的故障而使整个系统失去控制。即使管理级计算机发生故障时，自适应阀仍然具有独立控制能力。明确了需求参数后，就可以对供给系统进行配置。使用自适应阀门动态调整系统供给配置的示意图见图6所示。
4水温控制控制技术
在硫磷化工行业中，很多工艺节点对水温要求非常严格，比如，SO2 风机油站冷却水温是根据油温的要求确定, 要求不超过32 ℃。间冷冷却水的水温是根据转化进口烟气的SO2浓度、转化率和吸收率、当地大气压等确定净化工序出口烟气的含水量, 保证干吸工序水平衡, 间冷冷却水夏季要求水温不超过32 ℃, 春、秋季不超过33 ℃, 冬季不超过34℃；干吸冷却水的水温根据上塔酸温度的要求来确定, 干吸冷却水夏季要求水温不超过32 ℃, 春、秋季不超过36 ℃, 冬季不超过40 ℃。
从上图可以看出，在其他参数条件一定时，循环水的出水温度随风量增加而减小，冷却塔的冷却效果随风量的增加而增加，当风量增加到一定程度后，冷却效果的增加会慢慢减小。
4.1.2 调整风机风量的方法
调整风机的风量可以从两个方面进行，一是调整风机的转速，通过改变电机或者减速机的转速，带动叶轮变化转速，从而达到调整风量的目的；二是调整风机叶片的角度，不同的叶片角度对应不同的风量，这是轴流风机的特性，通过改变叶轮叶片角度就可以调整风机的风量。
(一)调整风机转速
调整风机的转速主要有变频调速、齿轮调速、皮带调速这三种办法。
(二)调整风机叶片角度
(1) 风机叶片角度的测量
冷却塔风机属于轴流风机，叶轮一般采用翼型叶片，空气从轴向流入叶轮并沿轴向流出，其工作原理基于叶翼型理论：空气由一个攻角进入叶轮时，在翼背上产生一个升力，同时在翼腹上产生一个大小相等方向相反的作用力，该力使气体排出叶轮呈螺旋形沿轴向向前运动。同时，风机进口处由于压差的作用，气体不断地被吸入。
针对冷却塔风机叶片角度，一般厂家会配备一把专用的万用角尺，也可以用角度仪，在叶片末端25mm-90mm处沿叶片截面，也就是上图中翼型弦长位置，放置一块长度大于叶片宽度的直尺或钢板等平直度较好、厚度较小的物件，然后用万用角尺或角度仪测量该物件与叶轮旋转平面（也就是水平面）的夹角，即为叶片的安装角βL。
(2) 风机叶片角度的调整
风机叶轮由叶片和轮毂组成，一般有固定式、半调节式和全调节式三种。固定式的叶片在出厂时已经按一定角度直接与轮毂焊接在一起，无法调节；半调节式的叶片只能在停机后通过人工改变叶片定位销的位置进行角度调节，风机运转时不能调节；全调节式叶片在风机运转时可以随时改变叶片安装角度，叶轮配有动叶调节机构，通过调节杆上下移动，带动拉杆一起移动，从而改变叶片安装角。
半调节式的轴流风机在出厂时，会按照角度可调整范围，在轮毂和叶片上分别钻出对应数量的定位孔，在停机并把叶片拆卸后，只能根据风机规定的角度，顺时针或逆时针方向扭转叶片，并加以固定，利用角度差值法的原理调整叶片角度。角度差值法是利用轮毂上定位孔间的圆心角度与叶片上定位孔间的圆心角度之差，来达到调整叶片角度的目的。
全调节式的轴流风机可以在风机运转中或停机后不拆卸叶轮的情况下，在一定范围内任意调节叶片的安装角。全调节式有机械调节和液压调节两种，目前较常见的是液压调节。
液压调节机构采用控制压力油的压力，使液压缸或者活塞移动，再通过曲柄连杆机构转动叶片，使叶片角度得到调节。
4.2 优化填料性能
填料是冷却塔最重要的组成部分，其产生的温降效果在整塔的冷却效果中比重最大。填料性能主要体现在两个方面，一方面是散热效率，另一方面是气流阻力。散热效率越高，气流阻力越小，填料性能越好，冷却塔的整体冷却能力越高。
设定一组工况条件，选择一种双向波填料，填料高度为1m，其设计热力特性为N=1.37λ0.69
。假设该填料在设定工况时的冷却数小于其设计值，通过计算、举例来简要说明优化填料性能的三种方法。
4.2.1对填料进行清理、除垢、修复
随着填料清理、除垢、修复的程度不同，其散热效率，即冷却数会逐渐升高，逼近其设计的热力特性，冷却塔的冷却效果也会逐渐升高。取湿球温度和干球温度分别为25℃和28℃，大气压力取100kPa，水量和风量分别为4500m3/h和2500000m3/h，利用计算程序可以拟合出出水温度与冷却数的关系曲线，如下图11所示，出水温度随冷却数的升高而降低。
增加填料高度虽然增加了填料的散热效率，但是同时也加大了填料的气流阻力，在不改造风机的前提下，会使风机的全压增加，风量有所减少，导致其真实的冷却效果达不到上面计算的结果。因此，在增加填料高度时，通常都会同时对风机进行一定的调整，使风量不会减少，保证冷却效果。
4.2.3 更换新填料
选择两种种新填料，其热力特性分别为：
斜折波填料，高度1m，热力特性为N=1.40λ0.61；
高度1.25m，热力特性为N=1.65λ0.59；
高度1.5m，热力特性为N=1.78λ0.63；
双斜波填料，高度1m，热力特性为N=1.61λ0.66；
高度1.25m，热力特性为N=1.90λ0.66；
高度1.5m，热力特性为N=2.08λ0.76；
通过计算程序，计算出在设定工况条件下，以上两种种填料不同高度的冷却数及对应的出水温度，然后与上文中双向波填料不同高度对应的冷却数及出水温度进行比较，通过计算，可以拟合出不同填料出水温度与填料高度的关系曲线，如下图13所示，出水温度随填料热力特性的加强及高度的增加而降低。
不同填料的阻力特性也是不同的，填料的阻力特性需通过试验得到。针对现有的不同类型的填料，目前国内基本上已经试验出了其对应的阻力特性参数，可通过查阅相关图表得到。我们在更换填料时，需考虑不同填料阻力特性的不同，在散热效率增加的同时，倘若气流阻力也减小，那么冷却效果自然会更好，如果气流阻力增加，则需要对风机或冷却塔其他部位进行一定的调整、改造，才能保证最终的冷却效果。
4.3 提高配水均匀度
冷却塔的配水系统是将进入冷却塔中的热水均匀地淋洒在填料的顶面上，淋水的均匀性对冷却塔的冷却效果影响极大。无论哪种填料，如果淋不到水，那么这一部分填料就不能起到冷却作用。若填料是点滴式填料，空气在没有淋水的填料区通过的量比有水区大，降低冷却塔的效率是明显的；对于薄膜式填料，空气的重新分配不如点滴式填料明显，但通过无水的填料区的空气没有参与塔内的热交换过程，塔的效率也必然是下降的。即使是填料都能够淋到热水，如果配水的均匀性不好，也会使冷却塔的效果变坏。
配水的均匀度通常用不均匀系数来作为判别标准。不均匀系数即喷洒在填料表面的淋水密度均匀程度，如下式所示：
不均匀系数越小，配水均匀度就越高，冷却塔的冷却效果就越好。但是目前并没有一个精确的计算方法能用来量化不均匀系数与冷却效果之间的对应关系，只能针对不同的冷却塔通过实际的试验来观察。
西北电力设计院曾针对4000m3塔进行一组试验，试验数据表明，配水不均匀系数由0增加到0.2，出水温度升高0.2℃，不均匀系数达0.4时，出水温度升高近1℃，不均匀系数达0.7时，出水温度升高了4℃。可见配水均匀性在冷却塔中所起的作用之大。
但是在实际的现场，冷却塔的配水均匀度是无法去检测的，因为喷头和填料都是在塔体内部，冷却塔运行时，人或测量装置都无法进入其中。因此，对于配水的均匀度，一般是在现场通过观察填料下方各个部位水流量的情况来大致判断，如果填料下方有的地方水量很大，有的地方水量很小甚至没有水，那么说明该冷却塔的配水是不均匀的，这时就需要查阅冷却塔配水的设计图纸，检查配水管道及喷头的选型、布置是否合理，如有问题就对其重新进行设计，或者通过计算机仿真重新布置配水管道及喷头。
4.4 三种改善方法的联系与制约
在冷却塔改造时，调整风机风量、优化填料性能、提高配水均匀度这三种方法并不是单一使用，通常是互相配合，以达到最好的效果。而这三者之间主要是通过冷却塔整体阻力与风机性能匹配的问题联系起来的。
冷却塔风机通常都是单个叶轮，没有导叶的轴流式风机，叶片多是半调节式，只能在停机后通过人工改变叶片安装角度进行调节。
冷却塔整体阻力特性基本上与风量成二次方曲线关系，可以通过风机性能曲线和冷却塔阻力曲线的互相平衡，来分析不同改造方法之间的相互联系与制约。
将冷却塔的阻力特性曲线按相同比例绘制在轴流风机性能曲线上，如下图15所示（只分析风机稳定工作区的运行情况），曲线①表示冷却塔阻力特性曲线，曲线②表示目前风机性能曲线，曲线③表示增加转速后风机性能曲线，曲线④表示增大叶片角度后风机性能曲线。
首先计算填料性能优化后所产生的冷却效果的提升，用ΔT1表示，然后在其基础上增加风量由qva升高为qvb所带来的冷效的提升，用ΔT2表示。如果同时对风量也进行一定的调整，如图13-7（a）所示，曲线④表示风机改造后性能曲线，风机的工作点由b移到c，风量由qvb升高为qvc，就还需增加风量由qvb升高为qvc对冷效的提升，用ΔT3表示。那么改造后总的冷效的提升为ΔT=ΔT1+ΔT2+ΔT3。
如果优化填料时，采用的是增加填料高度或者是更换一种热力特性优于原填料但阻力特性差于原填料的新型填料的方式，那么冷却塔整体的阻力会升高。如图13-7（b）所示，曲线①表示目前冷却塔阻力特性曲线，曲线②表示改造后冷却塔阻力特性曲线，曲线③表示目前风机性能曲线，风机的工作点由a移到b，风量由qva降低为qvb。需要在ΔT1的基础上减去风量由qva降低为qvb所带来的冷效的下降，也用ΔT2表示。如果同时也对风量进行一定的调整，如图13-7（b）所示，曲线④表示风机改造后性能曲线，风机的工作点由b移到c，风量由qvb升高为qvc，就需要再加上风量由qvb升高为qvc对冷效的提升，用ΔT3表示。那么改造后总的冷效的提升为ΔT=ΔT1-ΔT2+ΔT3。
配水改造所产生的阻力变化很难精确的分析计算，而配水系统的阻力在冷却塔整体阻力中的比重很小，配水改造造成的阻力变化对冷却塔阻力特性的影响也非常微小，因此我们不考虑配水改造后的阻力变化。这样的话，不管是增加风量、还是优化填料、或者两者同时改造，如果同时对配水改造，就只需在其产生的冷效提升的基础上增加配水改造所带来的冷效提升即可。
参考文献
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