國內單系列處理煙氣量最大的制酸裝置介紹

肖萬平

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

國內單系列處理煙氣量最大的制酸裝置介紹

肖萬平

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

本文詳細介紹了國內最大銅冶煉煙氣制酸系統的工藝方案選擇、工藝流程、工藝特點及系統配置、主要設備選型。制酸系統處理煙氣量為29×104Nm3/h，硫酸產能為1200 kt/a，是目前國內單系列處理煙氣量最大的一套。制酸采用絕熱蒸發、稀酸洗滌、五段3+2 Ⅲ,Ⅰ—Ⅴ,Ⅳ,Ⅱ兩轉兩吸流程，尾氣脫硫采用堿法脫硫，污酸處理采用污酸凈化濃縮回用工藝。工藝設計中充分體現了節能、發展循環經濟的理念。

制酸裝置； 工藝； 節能

某冶煉廠處理100萬t/a銅冶煉項目冶煉采用富氧底吹熔池熔煉+PS轉爐吹煉+陽極爐精煉工藝。熔煉、吹煉和精煉煙氣經余熱鍋爐、靜電除塵器后進入制酸系統。制酸系統處理煙氣量為29×104Nm3/h，SO2濃度約14%，硫酸產能為1200 kt/a，是目前國內單系列處理煙氣量最大的一套制酸系統。制酸系統于2013年8月破土動工，目前正在施工、安裝，預計2015年6月投入運行。

1 工藝方案的選擇

制酸系統是冶煉的配套系統，其工藝方案需結合冶煉煙氣的特點、用戶的需求確定。

在方案選擇上，冶煉工藝方案有2個，其一為能耗低的超大規格富氧底吹熔池熔煉+環境友好、節能的連續吹煉爐方案(簡稱“連吹方案”)，該方案冶煉煙氣量小、SO2濃度高、煙氣量及SO2濃度相對穩定，制酸工藝適宜采用高濃度轉化技術，可回收中溫位熱能和低溫位熱能，提高熱能的回收利用水平；其二為富氧底吹熔池熔煉+PS轉爐吹煉+陽極爐精煉工藝方案(簡稱“PS轉爐方案”)，該方案的冶煉煙氣量是連吹方案的1.6倍，SO2濃度降至14%左右，且煙氣量及SO2濃度波動較大，此時，制酸工藝適合采用常規兩轉兩吸方案。由于連吹方案暫時沒有大規模生產實踐的工程案例，存在一定風險，故最終確定PS轉爐方案。

根據冶煉煙氣的特點，借鑒國內幾套大型冶煉煙氣制酸系統的成功經驗，制酸系統采用國內工藝技術，一些關鍵設備、部件、材料采用進口。制酸系統凈化、干吸采用目前國內外廣泛采應用的絕熱蒸發、稀酸洗滌流程，一級干燥、兩次吸收、泵后冷卻串酸流程，轉化可采用四段轉化3+1 Ⅲ，Ⅰ—Ⅳ，Ⅱ流程或Ⅳ，Ⅰ—Ⅲ，Ⅱ流程，也可采用五段轉化3+2 Ⅲ，Ⅰ—Ⅴ，Ⅳ，Ⅱ流程或Ⅴ，Ⅳ，Ⅰ—Ⅲ，Ⅱ流程。結合用戶的操作習慣和對轉化率的要求，轉化確定轉化采用3+2 Ⅲ，Ⅰ—Ⅴ，Ⅳ，Ⅱ流程。

結合工業園區內有企業排放待處理的廢堿液，可作為脫硫劑，故制酸尾氣工藝采用堿法脫硫，脫硫副產Na2SO3作為原料送原有的Na2SO3制備系統。污酸處理采用污酸凈化濃縮回用工藝，通過硫化、除氟、氯等過程，除去污酸中的砷、重金屬離子、氟、氯后，經與熱空氣接觸，實現污酸的濃縮，濃縮后的污酸可作為干吸工序的補充水。體現了廢物再利用、變廢為寶，發展循環經濟的理念。

2 工藝描述及特點

制酸系統包括凈化、干吸、轉化、尾氣脫硫、污酸處理等。

2.1 凈化工序

2.1.1流程簡述

根據冶煉煙氣的氣量波動大、煙塵成分復雜的特點，凈化采用操作彈性大、除塵效果好、可減少污酸排放量的湍沖泡沫洗滌技術。具體流程為一級洗滌器——氣體冷卻塔——二級洗滌器——一級電除霧器——二級電除霧器。

一級洗滌器、氣體冷卻塔、二級洗滌器的循環稀酸系統是各自獨立的。洗滌器、氣體冷卻塔間的串酸，采用泵后流程。通過液位控制，稀酸采用由稀向濃的串酸方式，最后污酸從一級洗滌器泵出口引出，經沉降槽固液初分離后，沉降槽底流送壓濾機壓濾，濾渣返回冶煉系統或外售；沉降槽上清液與壓濾機濾液進上清液儲槽，由上清液輸送泵送往事故水高位槽和稀酸脫吸塔，從稀酸脫吸塔出來的稀酸自流至污酸儲槽，經污酸泵送至污酸處理站。

在工藝設計中，專為電除霧器沖洗水設置了沖洗水槽系統，這樣，可減少新水的用量，減少污酸排放量。

具體流程見圖1凈化流程圖。

1.一級洗滌器 2.氣體冷卻塔 3.二級洗滌器 4.一級電除霧器 5.二級電除霧器 6.稀酸冷卻器 7.沉降槽 8.壓濾機 9.上清液儲槽 10.稀酸脫吸塔 11.污酸儲槽 12.事故水高位槽 13.電除霧器沖洗水槽 14.安全水封圖1 凈化流程圖

2.1.2工藝特點

(1)凈化工段洗滌器采用泡沫接觸技術，允許氣量波動大、氣速高、除塵效率高；采用大開孔噴嘴，使液體不霧化，適用于含固量高的液體。這樣，可使設備規格減小，減少污酸排放量，有利于減小占地、降低污酸處理設施投資及運行成本。

(2)電除霧器采用導電玻璃鋼電除霧器，其沉淀極由六角形陽極管組成，結構緊湊、重量輕、壽命長、除霧效率高[1]。

(3)稀酸冷卻器采用換熱效率高、占地面積小的進口產品。

(4)凈化為密閉微負壓操作，減少SO2氣體外溢，避免低空污染。

(5)提高水的重復利用率，減少新水的用量，減少污酸的排放量。

2.2 干吸工序

2.2.1流程簡述

來自二級電除霧器的潔凈煙氣進入干燥塔與噴淋的93%H2SO4逆流接觸，煙氣被干燥后經SO2鼓風機增壓后去轉化工段。

來自SO3冷卻器的煙氣在中間吸收塔內與噴淋的98%H2SO4逆流充分接觸，煙氣中的SO3被溶解、吸收。煙氣經中間吸收塔上部的捕沫器除去酸霧后排出進入層間冷熱交換器。

來自層間冷熱交換器的煙氣在最終吸收塔內與噴淋的98%H2SO4逆流充分接觸，煙氣中的SO3被溶解、吸收。煙氣經最終吸收塔上部的捕沫器除去酸霧后排出進入尾氣脫硫系統。

干吸塔的循環酸按著塔—泵槽—循環酸泵—陽極保護管殼式冷卻器—塔進行循環，干吸塔循環槽之間通過液位、酸濃等參數實現自動串酸。產品98%酸由最終吸收酸冷卻器后引出，經成品酸冷卻器冷卻后，送至地下槽。最后由地下槽泵送至酸庫。

具體流程見圖2干吸流程圖。

1.干燥塔 2.中間吸收塔 3.最終吸收塔 4.干燥酸循環槽 5.干燥酸循環泵 6.吸收酸循環槽 7.中間吸收酸循環泵 8.最終吸收酸循環泵 9.干燥酸冷卻器 10.中間吸收酸冷卻器 11.最終吸收酸冷卻器 12.地下槽 13.地下槽泵 14.成品酸冷卻器 15.取樣罐圖2 干吸流程圖

2.2.2工藝特點

(1)干吸塔采用碟形底結構，分酸器、捕沫器采用進口產品。確保干燥、吸收效果，出塔煙氣的酸霧含量≤30mg/Nm3，減少對下游設備的腐蝕。

(2)泵槽采用臥式結構，干燥塔系統設置了一臺臥式泵槽，兩臺吸收塔系統共用一臺泵槽，強化混酸，簡化了流程，減少了液位、酸濃等控制回路，有利于降低投資。

(3)采用低位配置，取消了原來干吸塔的承重平臺，同時，可降低循環泵的揚程。有利于降低投資和能耗。

(4)干吸加水采用混酸器，克服以往集中加水，造成局部酸濃度變化大、局部酸溫度過高、加水管壽命短等不足。

(5)自動化程度高，干吸酸泵槽間通過液位、酸濃度等控制回路實現自動串酸。增設了進塔酸溫度、流量監測。

(6)人工取樣點由原來的兩處，合并為一處，使人工取樣罐處于微負壓狀態，降低人員的勞動強度，改善人員的勞動環境。

(7)充分考慮節能及開車母酸用量，在最終吸收塔與干燥塔之間設置一氣體管線，從最終吸收塔出口排放的熱氣體，直接返回干燥塔，不但有利于節能，而且節省干燥母酸用量。

(8)考慮轉化預熱升溫的特點，在干燥塔氣體進口管線上設置了空氣管線。在開車升溫階段，可不啟動凈化工序，空氣直接進入干燥塔干燥，經SO2風機增壓后進入轉化工序。同時，該管線有調節進轉化系統煙氣SO2及O2濃度的作用。這樣，可減少開車母酸的用量、減小凈化的設備規格、降低能耗。

2.3 轉化工序

2.3.1流程簡述

轉化工藝采用五段3+2、Ⅲ，Ⅰ—Ⅴ，Ⅳ，Ⅱ流程。

從SO2鼓風機出來的煙氣，依次通過冷熱交換器、熱熱交換器，與三段轉化、一段轉化后的高溫煙氣進行換熱后，氣體升溫至390℃，進入一段轉化。在此，煙氣中的大部分SO2被轉化成SO3，反應放出的熱使煙氣溫度升高，為提高SO2轉化率，經熱熱交換器降溫后進入二段轉化。在此，煙氣中的部分SO2被轉化成SO3，從二段轉化出來的高溫煙氣經層間熱熱交換器降溫后進入三段轉化，煙氣中的SO2進一步轉化為SO3，從三段轉化出來的高溫煙氣依次經冷熱交換器、SO3冷卻器降溫冷卻后，進入中間吸收塔。在中間吸收塔煙氣中SO3被充分吸收。出中間吸收塔的煙氣，經過層間冷熱交換器、中間熱交換器、層間熱熱交換器，被五段轉化、四段轉化、二段轉化后的高溫煙氣加熱升溫至420℃，進入四段轉化，煙氣中的SO2進一步轉化為SO3，出四段轉化后的高溫煙氣經中間熱交換器降溫后進入五段轉化，煙氣中的SO2進一步轉化為SO3，出五段轉化的高溫煙氣經層間冷熱交換器冷卻降溫后進入最終吸收塔。轉化預熱升溫系統采用燃油燃燒間接加熱的方式。

具體流程見圖3轉化流程圖。

1.轉化器 2.熱熱交換器 3.層間熱熱交換器 4.冷熱交換器 5.中間熱交換器 6.層間冷熱交換器7.SO3冷卻器 8.SO2鼓風機 9.SO3冷卻風機 10.熱風爐 11.預熱器 12.燃燒風機 13.稀釋風機圖3 轉化流程圖

2.3.2工藝特點

(1)轉化器主體材質采用304H，根據進各段轉化的煙氣特點，采用不同型號、規格的高效、低阻觸媒。其中在一段轉化床層設置了起燃溫度低、抗粉塵能力強的銫觸媒。轉化器底座采用自滑式結構。

(2)轉化熱交換器選用新型急擴加速流縮放管氣體換熱器[2]。具有傳熱效率高、阻力小、不宜結垢等特點，有利于降低能耗、減小設備規格及重量，降低投資。結合冶煉煙氣的特點，在部分熱交換器的下殼程及換熱管的下端部采用316L材質，提高抗腐蝕能力。

(3)強化余熱回收利用。根據用戶對熱空氣的需求，將轉化過程中的余熱轉移到空氣，產生250℃左右空氣送至下游用戶。

(4)合理利用熱能，降低能耗。在轉化預熱升溫系統，將出預熱器的250～300℃的燃燒煙氣部分作為稀釋風返回至熱風爐，提高能源的利用效率。

(5)自動化程度高，轉化各段進氣溫度均設有調節回路，并對一段轉化出口煙氣溫度設置超溫報警。

(6)節能。結合冶煉煙氣量及SO2濃度波動大的特點，SO3冷卻風機采用變頻電機，以降低能耗。

2.4 污酸處理工序

2.4.1流程簡述

污酸處理采用污酸凈化濃縮回用工藝。來自凈化的污酸進入硫化，去除污酸中的砷、部分重金屬離子后，經壓濾機壓濾后，濾液進入除氟、氯系統，濾渣按固體危廢處理。出除氟、氯系統的污酸進入濃縮系統。在濃縮系統，污酸與來自轉化工序的熱空氣逆流接觸，污酸中的水分被蒸發隨熱空氣帶走，達到濃縮效果，濃縮系統兼有除氟、氯的功能。

2.4.2工藝特點

(1)污酸凈化濃縮回用工藝有利于提高硫資源的利用率、減少廢物排放量， 符合清潔生產中廢物減量化、資源化的要求。

(2)與傳統的硫化、中和工藝相比，減少了污酸中和過程中產生大量的石膏渣。

(3)有利于減少占地，降低污酸處理投資。

2.5 尾氣脫硫

2.5.1流程簡述

尾氣脫硫采用堿液脫硫。利用工業園區內其他企業排放的廢堿液作為脫硫劑。脫硫產物亞硫酸鈉溶液送至現有的亞硫酸鈉制備系統。

來自最終吸收塔的制酸尾氣在脫硫塔內與含氫氧化鈉的循環液逆流接觸，煙氣中SO2被吸收，出脫硫塔的煙氣經尾氣煙囪排空。

脫硫系統通過液位、pH值等參數實現自動控制。

2.5.2工藝特點

(1)該工藝簡單、脫硫效率高、操作彈性大。

(2)利用周圍企業的排放物作為脫硫劑，并將脫硫產物作為產品，實現廢物再利用、變廢為寶，符合發展循環經濟的理念。

(3)控制過程成熟、可靠。

3 系統配置

本著工藝路線走向合理，原料、產品運送方便，減少占地等原則，考慮到該制酸裝置毗鄰原制酸裝置，減少污染源排放點，將尾氣煙囪設置為兩套制酸系統共用，待尾氣煙囪建成后，將擇機拆除原制酸尾氣煙囪。考慮物流運輸及廠區環境，將硫酸成品庫及裝酸設施布置在物流出口附近。

制酸系統是目前國內單系列處理煙氣量最大的一套裝置，工藝管線規格大(如濃酸管線DN200～DN950，氣體管線規格DN1800～DN3300)，尤其是轉化工序的高溫管線，在配置上吸收國內其他大型冶煉煙氣制酸裝置的經驗，根據應力分析，優化工藝管線配置，在不同的位置設置了補償器、彈簧支架、滑動支架、限位拉桿、固定支架等，避免因局部應力過大，造成設備損壞、焊縫拉裂等現象的發生。

4 系統主要設備選型

該制酸系統是目前國內單系列處理煙氣量最大的一套裝置，系統內大規格設備(如一級洗滌器逆噴管、SO2鼓風機、轉化器、換熱器、大流量循環泵等)多，工藝設備的選型、材質的選擇等顯得尤為重要。一些關鍵設備、部件、材料采用進口產品。下面就該制酸系統的主要設備選型進行簡單介紹。

4.1 轉化器

轉化器規格為Φi15000 mm×28600 mm，主體材質：304H，采用MECS生產的低阻、高效觸媒，在第一床層采用了銫觸媒。轉化器設計參數見表1。

表1 轉化器設計參數

4.2SO2鼓風機

為確保制酸系統的穩定運行，提高設備的利用率、減少占地面積，降低土建投資，SO2鼓風機采用單臺配置，選用德國SIEMENS公司生產的單級離心式壓縮機，型號為SFP18。配有稀油站、進口前導葉調節裝置、風機振動和喘振監測裝置。SO2鼓風機設計參數見表2。

表2 SO2鼓風機設計參數

4.3 氣- 氣換熱器

轉化氣- 氣換熱器采用急擴加速流縮放管換熱器，該換熱器換熱效率高、換熱面積小，可使換熱器的直徑減小，從而減輕設備重量，節省投資。對于大型制酸系統，節省投資的效果是比較明顯的。換熱器規格及工藝參數見表3。

表3 換熱器規格及參數

4.4 濃酸冷卻器

干燥酸冷卻器、中間吸收酸冷卻器、最終吸收酸冷卻器采用國產陽極保護管殼式酸冷卻器，換熱管為進口316L焊管。該冷卻器具有換熱效果好、壽命長、投資省、運行成本低等特點[3]。濃酸冷卻器設計參數見表4。

4.5 其他主要設備選型

其他主要設備選型見表5。

表4 濃酸冷卻器設計參數

表5 其他主要設備

5 結語

該制酸裝置是目前國內單系列處理煙氣量最大的一套，工藝采用國內技術，設計強化了節能、循環經濟、以人為本的理念。對我國大型冶煉煙氣制酸系統設計具有很好的示范作用，標志我國在大型冶煉煙氣制酸系統設計、設備加工等已接近或達到了世界先進水平。其在節能、優化配置、降低投資和運營成本等方面的經驗值得推廣。

[1] 肖萬平.大冶硫酸三系列改造項目的設計與實踐[J] 中國有色冶金，2013，(6)：40-43.

[2] 鄧先和，黃維軍.急擴加速流縮放管氣體換熱器的結構及應用[J].硫酸工業，2005，(5)：22-24.

[3] 董四祿.金川集團有限公司700 kt/a硫酸系統設備設計[J].硫酸工業，2007，(6)：12-16.

IntroductionoftheLargestGasflowTreatmentSulfurAcidSysteminChina

XIAO Wan-ping
(China ENFI Engineering Corporation, Beijing 100038, China)

The paper introduces process selection, technological process, process characteristics, system configuration and main equipment of sulfur acid system in copper smelting. The sulfur acid plant has the largest gasflow for 29×104Nm3/h in a single series, the production capacity is 1200 kt/a. The system takes adiabatic evaporation, weak acid-scrubbing cleaning, “3+2” double conversion and double absorption. Process of tail-gas desulphurization is sodium-hydroxide treatment. The waste acid could be recyclable by purification and enrichment. The process design embodies the concept of energy saving and circular economy.

sulphuric acid plant; process; energy saving

2014-09-12

肖萬平(1976-)，男，山西芮城人，高級工程師，大學本科，主要從事冶煉煙氣制酸和環保脫硫等方面的設計、咨詢工作。

TQ111

B

1003-8884(2014)06-0005-07