摘要：硫酸工業是十分基礎的化工生產門類，其系統節能技術水平的進步對推動化工行業的節能具有重要意義。本文在回顧硫酸生產工藝流程的基礎上，總結筆者多年在工業企業進行流體系統節能項目中的方法與經驗共享，從液體和氣體輸送系統節能的角度介紹了硫酸工業流體輸送過程的節能方法及其實施步驟，并重點針對水量和風量的調節進行了詳細闡述，最后則報道了業內最新的硫酸工業節能裝備成果。
關鍵詞：硫酸；流體；系統節能；泵
1 硫酸生產工藝流程
生產硫酸的方法有多種，目前，主要是硫磺制酸和冶煉煙氣制酸，硫磺制酸是使用固體硫磺為原料，生產過程可分為熔硫、焚硫、轉化和吸收工序。冶煉煙氣是以各類礦石為原料，生產過程可分為焙燒、爐氣凈化、干燥、SO2的轉化和SO3的吸收，盡管方法不同，但從SO2的轉化開始，工藝過程都是相同的，下面是典型的硫酸裝置中泵所處的位置，采用的是干燥塔和吸收塔設置單獨的酸循環系統，但也可以共用一套循環酸槽、酸泵和酸冷卻器（如一泵供兩塔等），最終吸收塔通常采用單獨的一套循環設備，避免酸中溶解的二氧化硫隨尾氣排放。
如圖1所示，在制硫工藝中有很多流體設備，站在流體技術的角度上來說，整個硫磷化工工藝就是化學與流體力學的疊加。
2 硫酸工業中的節能技術
從流體輸送的角度來討論硫磷化工中的節能技術。
圖2是煙臺鵬暉銅業有限公司的硫酸系統的用水工藝圖，按MOAR理論，我們一般把循環水系統作為標準樣本進行研究，并認為石化、化工、鋼鐵、市政和排灌等應用場合都可以適用于上述模型或是上述模型的一部分。
循環水系統模型示意圖見圖3所示。
如圖所示，在硫酸生產中需要大量的循環水，就從冷供配用4個子系統及給排水和送風系統的角度考慮硫磷生產體系中的節能。
第一步：推算合理能耗
第五步：根據前面所得到的流量和壓力用能耗平衡法推算泵房供水效率
本步驟的數學模型圖見圖5所示：
第七步：根據前面所確定的最佳流量，重新優化設計、調整循環水系統的關鍵參數及設備配置
(1) 流量要并根據客戶要求，留有一定富余量得出最終流量；
(2) 根據最不利點確定壓力時應在最不利點安裝壓力測量儀表，不能用理論數據進行推算，以免由于推算有誤，對生產帶來不利影響；
(3) 設計供水壓力，供水壓力的計算按照如下公式進行：
最不利點壓力+最終流量下的管路損耗=設計供水壓力
(4) 根據設計的結果，重新配置設備，其中包括平衡推算過程中發現明顯不合理、效率低的供水設備，換熱設備和冷卻塔等，當電機運行負載率在75%以下時，應當配置功率補償設備，運行負載率在50%以下時，應當更換電機，以免由于功率因數低對電網造成不利影響。
3 用水量調節的措施
對于用水量而言，最重要的就是應設法使供水量不間斷的跟隨工藝需求，大多數情況下，硫磷化工系統還是用閥門調節，作為小管徑流量調節，從性價比考慮，是不適合用余壓回收系統或分級供水的，所以這種情況下，用自適應調節閥是很合適的。
自適應閥門是專門適應復雜配送系統DCS智能工控元件，采用微處理器分布式控制系統控制各個回路和各個用水單元，同時可以與原有的上一級工業控制計算機或高性能的微處理器之間通過高速數據通道交換信息的接口和能力，分布式控制系統具有數據獲取、直接數字控制、人機交互以及監控和管理等功能。
自適應閥門一般安裝在調節位置所在地，把微處理機器直接并接在控制執行機構亦即可調節閥門上，測量裝置則在附近的換熱器出口管道上。自適應閥門屬于典型的分散化控制設備，這種控制方式能夠大幅度地提高每個用水單元生產過程控制的可靠性，不會由于計算機的故障而使整個系統失去控制。即使管理級計算機發生故障時，自適應閥仍然具有獨立控制能力。明確了需求參數后，就可以對供給系統進行配置。使用自適應閥門動態調整系統供給配置的示意圖見圖6所示。
4水溫控制控制技術
在硫磷化工行業中，很多工藝節點對水溫要求非常嚴格，比如，SO2 風機油站冷卻水溫是根據油溫的要求確定, 要求不超過32 ℃。間冷冷卻水的水溫是根據轉化進口煙氣的SO2濃度、轉化率和吸收率、當地大氣壓等確定凈化工序出口煙氣的含水量, 保證干吸工序水平衡, 間冷冷卻水夏季要求水溫不超過32 ℃, 春、秋季不超過33 ℃, 冬季不超過34℃；干吸冷卻水的水溫根據上塔酸溫度的要求來確定, 干吸冷卻水夏季要求水溫不超過32 ℃, 春、秋季不超過36 ℃, 冬季不超過40 ℃。
從上圖可以看出，在其他參數條件一定時，循環水的出水溫度隨風量增加而減小，冷卻塔的冷卻效果隨風量的增加而增加，當風量增加到一定程度后，冷卻效果的增加會慢慢減小。
4.1.2 調整風機風量的方法
調整風機的風量可以從兩個方面進行，一是調整風機的轉速，通過改變電機或者減速機的轉速，帶動葉輪變化轉速，從而達到調整風量的目的；二是調整風機葉片的角度，不同的葉片角度對應不同的風量，這是軸流風機的特性，通過改變葉輪葉片角度就可以調整風機的風量。
(一)調整風機轉速
調整風機的轉速主要有變頻調速、齒輪調速、皮帶調速這三種辦法。
(二)調整風機葉片角度
(1) 風機葉片角度的測量
冷卻塔風機屬于軸流風機，葉輪一般采用翼型葉片，空氣從軸向流入葉輪并沿軸向流出，其工作原理基于葉翼型理論：空氣由一個攻角進入葉輪時，在翼背上產生一個升力，同時在翼腹上產生一個大小相等方向相反的作用力，該力使氣體排出葉輪呈螺旋形沿軸向向前運動。同時，風機進口處由于壓差的作用，氣體不斷地被吸入。
針對冷卻塔風機葉片角度，一般廠家會配備一把專用的萬用角尺，也可以用角度儀，在葉片末端25mm-90mm處沿葉片截面，也就是上圖中翼型弦長位置，放置一塊長度大于葉片寬度的直尺或鋼板等平直度較好、厚度較小的物件，然后用萬用角尺或角度儀測量該物件與葉輪旋轉平面（也就是水平面）的夾角，即為葉片的安裝角βL。
(2) 風機葉片角度的調整
風機葉輪由葉片和輪轂組成，一般有固定式、半調節式和全調節式三種。固定式的葉片在出廠時已經按一定角度直接與輪轂焊接在一起，無法調節；半調節式的葉片只能在停機后通過人工改變葉片定位銷的位置進行角度調節，風機運轉時不能調節；全調節式葉片在風機運轉時可以隨時改變葉片安裝角度，葉輪配有動葉調節機構，通過調節桿上下移動，帶動拉桿一起移動，從而改變葉片安裝角。
半調節式的軸流風機在出廠時，會按照角度可調整范圍，在輪轂和葉片上分別鉆出對應數量的定位孔，在停機并把葉片拆卸后，只能根據風機規定的角度，順時針或逆時針方向扭轉葉片，并加以固定，利用角度差值法的原理調整葉片角度。角度差值法是利用輪轂上定位孔間的圓心角度與葉片上定位孔間的圓心角度之差，來達到調整葉片角度的目的。
全調節式的軸流風機可以在風機運轉中或停機后不拆卸葉輪的情況下，在一定范圍內任意調節葉片的安裝角。全調節式有機械調節和液壓調節兩種，目前較常見的是液壓調節。
液壓調節機構采用控制壓力油的壓力，使液壓缸或者活塞移動，再通過曲柄連桿機構轉動葉片，使葉片角度得到調節。
4.2 優化填料性能
填料是冷卻塔最重要的組成部分，其產生的溫降效果在整塔的冷卻效果中比重最大。填料性能主要體現在兩個方面，一方面是散熱效率，另一方面是氣流阻力。散熱效率越高，氣流阻力越小，填料性能越好，冷卻塔的整體冷卻能力越高。
設定一組工況條件，選擇一種雙向波填料，填料高度為1m，其設計熱力特性為N=1.37λ0.69
。假設該填料在設定工況時的冷卻數小于其設計值，通過計算、舉例來簡要說明優化填料性能的三種方法。
4.2.1對填料進行清理、除垢、修復
隨著填料清理、除垢、修復的程度不同，其散熱效率，即冷卻數會逐漸升高，逼近其設計的熱力特性，冷卻塔的冷卻效果也會逐漸升高。取濕球溫度和干球溫度分別為25℃和28℃，大氣壓力取100kPa，水量和風量分別為4500m3/h和2500000m3/h，利用計算程序可以擬合出出水溫度與冷卻數的關系曲線，如下圖11所示，出水溫度隨冷卻數的升高而降低。
增加填料高度雖然增加了填料的散熱效率，但是同時也加大了填料的氣流阻力，在不改造風機的前提下，會使風機的全壓增加，風量有所減少，導致其真實的冷卻效果達不到上面計算的結果。因此，在增加填料高度時，通常都會同時對風機進行一定的調整，使風量不會減少，保證冷卻效果。
4.2.3 更換新填料
選擇兩種種新填料，其熱力特性分別為：
斜折波填料，高度1m，熱力特性為N=1.40λ0.61；
高度1.25m，熱力特性為N=1.65λ0.59；
高度1.5m，熱力特性為N=1.78λ0.63；
雙斜波填料，高度1m，熱力特性為N=1.61λ0.66；
高度1.25m，熱力特性為N=1.90λ0.66；
高度1.5m，熱力特性為N=2.08λ0.76；
通過計算程序，計算出在設定工況條件下，以上兩種種填料不同高度的冷卻數及對應的出水溫度，然后與上文中雙向波填料不同高度對應的冷卻數及出水溫度進行比較，通過計算，可以擬合出不同填料出水溫度與填料高度的關系曲線，如下圖13所示，出水溫度隨填料熱力特性的加強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過試驗得到。針對現有的不同類型的填料，目前國內基本上已經試驗出了其對應的阻力特性參數，可通過查閱相關圖表得到。我們在更換填料時，需考慮不同填料阻力特性的不同，在散熱效率增加的同時，倘若氣流阻力也減小，那么冷卻效果自然會更好，如果氣流阻力增加，則需要對風機或冷卻塔其他部位進行一定的調整、改造，才能保證最終的冷卻效果。
4.3 提高配水均勻度
冷卻塔的配水系統是將進入冷卻塔中的熱水均勻地淋灑在填料的頂面上，淋水的均勻性對冷卻塔的冷卻效果影響極大。無論哪種填料，如果淋不到水，那么這一部分填料就不能起到冷卻作用。若填料是點滴式填料，空氣在沒有淋水的填料區通過的量比有水區大，降低冷卻塔的效率是明顯的；對于薄膜式填料，空氣的重新分配不如點滴式填料明顯，但通過無水的填料區的空氣沒有參與塔內的熱交換過程，塔的效率也必然是下降的。即使是填料都能夠淋到熱水，如果配水的均勻性不好，也會使冷卻塔的效果變壞。
配水的均勻度通常用不均勻系數來作為判別標準。不均勻系數即噴灑在填料表面的淋水密度均勻程度，如下式所示：
不均勻系數越小，配水均勻度就越高，冷卻塔的冷卻效果就越好。但是目前并沒有一個精確的計算方法能用來量化不均勻系數與冷卻效果之間的對應關系，只能針對不同的冷卻塔通過實際的試驗來觀察。
西北電力設計院曾針對4000m3塔進行一組試驗，試驗數據表明，配水不均勻系數由0增加到0.2，出水溫度升高0.2℃，不均勻系數達0.4時，出水溫度升高近1℃，不均勻系數達0.7時，出水溫度升高了4℃?？梢娕渌鶆蛐栽诶鋮s塔中所起的作用之大。
但是在實際的現場，冷卻塔的配水均勻度是無法去檢測的，因為噴頭和填料都是在塔體內部，冷卻塔運行時，人或測量裝置都無法進入其中。因此，對于配水的均勻度，一般是在現場通過觀察填料下方各個部位水流量的情況來大致判斷，如果填料下方有的地方水量很大，有的地方水量很小甚至沒有水，那么說明該冷卻塔的配水是不均勻的，這時就需要查閱冷卻塔配水的設計圖紙，檢查配水管道及噴頭的選型、布置是否合理，如有問題就對其重新進行設計，或者通過計算機仿真重新布置配水管道及噴頭。
4.4 三種改善方法的聯系與制約
在冷卻塔改造時，調整風機風量、優化填料性能、提高配水均勻度這三種方法并不是單一使用，通常是互相配合，以達到最好的效果。而這三者之間主要是通過冷卻塔整體阻力與風機性能匹配的問題聯系起來的。
冷卻塔風機通常都是單個葉輪，沒有導葉的軸流式風機，葉片多是半調節式，只能在停機后通過人工改變葉片安裝角度進行調節。
冷卻塔整體阻力特性基本上與風量成二次方曲線關系，可以通過風機性能曲線和冷卻塔阻力曲線的互相平衡，來分析不同改造方法之間的相互聯系與制約。
將冷卻塔的阻力特性曲線按相同比例繪制在軸流風機性能曲線上，如下圖15所示（只分析風機穩定工作區的運行情況），曲線①表示冷卻塔阻力特性曲線，曲線②表示目前風機性能曲線，曲線③表示增加轉速后風機性能曲線，曲線④表示增大葉片角度后風機性能曲線。
首先計算填料性能優化后所產生的冷卻效果的提升，用ΔT1表示，然后在其基礎上增加風量由qva升高為qvb所帶來的冷效的提升，用ΔT2表示。如果同時對風量也進行一定的調整，如圖13-7（a）所示，曲線④表示風機改造后性能曲線，風機的工作點由b移到c，風量由qvb升高為qvc，就還需增加風量由qvb升高為qvc對冷效的提升，用ΔT3表示。那么改造后總的冷效的提升為ΔT=ΔT1+ΔT2+ΔT3。
如果優化填料時，采用的是增加填料高度或者是更換一種熱力特性優于原填料但阻力特性差于原填料的新型填料的方式，那么冷卻塔整體的阻力會升高。如圖13-7（b）所示，曲線①表示目前冷卻塔阻力特性曲線，曲線②表示改造后冷卻塔阻力特性曲線，曲線③表示目前風機性能曲線，風機的工作點由a移到b，風量由qva降低為qvb。需要在ΔT1的基礎上減去風量由qva降低為qvb所帶來的冷效的下降，也用ΔT2表示。如果同時也對風量進行一定的調整，如圖13-7（b）所示，曲線④表示風機改造后性能曲線，風機的工作點由b移到c，風量由qvb升高為qvc，就需要再加上風量由qvb升高為qvc對冷效的提升，用ΔT3表示。那么改造后總的冷效的提升為ΔT=ΔT1-ΔT2+ΔT3。
配水改造所產生的阻力變化很難精確的分析計算，而配水系統的阻力在冷卻塔整體阻力中的比重很小，配水改造造成的阻力變化對冷卻塔阻力特性的影響也非常微小，因此我們不考慮配水改造后的阻力變化。這樣的話，不管是增加風量、還是優化填料、或者兩者同時改造，如果同時對配水改造，就只需在其產生的冷效提升的基礎上增加配水改造所帶來的冷效提升即可。
參考文獻
[1] 姚平經. 過程系統工程[M]. 上海: 華東理工大學出版社, 2009.
[2] 王舉良,張均杰, 李兆宏.硫酸系統循環水的水質、水溫、水量調節及改進[J]. 中國給水排水, 2010, 26(14): 113-115.
[3] 瞿英杰, 張翮輝, 張智勇, 瞿思危. MOAR系統節能理論與技術應用[M]. 長沙: 中南大學出版社, 2016.
[4] 張智勇. 一種工業循環水系統的優化方法[P]. 中國, 201210108862.7. 2012-04-13.