煙氣制酸吸收塔酸溫控制系統改造

周圣兵

(江西銅業集團公司鉛鋅金屬有限公司，江西 九江 332500)

1 引言

江銅鉛鋅金屬有限公司是江銅集團根據江西省政府整合全省銅、鉛、鋅資源有關精神，建設鉛鋅冶煉項目成立的公司。一期200kt/a鉛鋅(鉛、鋅各100kt/a)工程配有一套冶煉煙氣制酸系統，其設計規模為年產100%濃硫酸30萬t。該制酸系統設計采用“兩頭一尾”[1]的方式:單套煙氣制酸系統同時接收來自鉛冶煉基夫賽特爐煙氣和鋅冶煉沸騰焙燒爐煙氣。這種大型“兩頭一尾”的方式在國內鉛鋅冶煉行業屬首次成功應用。2011年12月該系統對接單沸騰焙燒爐煙氣制酸，2012年3月順利實現同時接受基夫賽特爐和沸騰焙燒爐煙氣，兩個爐窯爐內壓也得到較好控制，“兩頭一尾”的煙氣制酸方式投產成功。

2 吸收塔入塔酸溫改造前的運行情況

本套制酸系統采用“兩轉兩吸”的工藝流程，分設凈化、干吸、轉化、尾氣脫硫等工序。流程如下:

干吸工序一吸塔及二吸塔設計相關參數如下:

表1 一吸塔二吸塔部分設計參數

日常生產過程中，基夫賽特爐和沸騰焙燒爐同時滿負荷作業，SO2濃度較高，煙氣量較大，一吸塔、二吸塔入塔酸溫在現有酸溫控制系統的調節下能達到65～75℃，基本達到設計水平，總吸收率可以達到99.9%以上。當鉛冶煉基夫賽特爐或鋅冶煉沸騰焙燒爐出現工藝、設備等方面的故障，需停爐檢修時，制酸系統之接收單臺爐窯送過來的煙氣，入塔煙氣溫度、煙氣量、SO2濃度同時下降，屬低SO2濃度煙氣制酸[2]。為調節吸收塔入塔酸溫，生產操作中不斷關小AT－AP入口水閥，最小關至3%，此時引起AT－AP內部冷卻水偏流，局部高溫，維鈍電流迅速上升，長時間在10A以上，最高可達60A，AT－AP腐蝕加劇，使用壽命縮短。

此時吸收塔入塔酸溫在現有酸溫控制系統調節下最高只能達到61℃，吸收率為99.3%，不能達到設計要求。改造前各爐窯作業對應的煙氣狀況以及吸收酸溫實際值如下:

表2 改造前不同煙氣狀況下吸收酸溫及AT－AP電流

3 改造前干吸酸溫控制系統流程簡圖

改造前吸收酸溫控制系統流程圖如圖1。AT泵出口的高溫酸(溫度高于90℃)通過DN600的不銹鋼陽極保護管道[3]進入 AT－AP，AT－AP出口DN400管道連接一個DN400－250三通，三通左右兩邊各通過DN250管道將濃酸輸送至一吸塔和二吸塔塔內分酸槽。一吸塔及二吸塔入塔酸溫通過泵出口DN150旁通管控制調節，管道上各安裝有DN150的自動閥，通過自動閥開度來調節一吸塔、二吸塔入塔酸溫。

圖1 改造前吸收酸溫控制簡圖

4 吸收酸溫對吸收率影響

在煙氣制酸過程中，三氧化硫的吸收是一個物理反應和化學反應同時發生的過程，其方程式如下:

氣體中的三氧化硫從氣相主體中向界面擴散，穿過界面的三氧化硫在液相中向反應區擴散。接著與三氧化硫起反應的水份，在液相主體中向反應區擴散，三氧化硫和水在反應區進行化學反應，最后生成的硫酸向液相主體擴散。事實上，氣體中的三氧化硫不可能百分之百被吸收，只有吸收氣體中超過硫酸相平衡的那一部分三氧化硫，超過的越多，吸收過程的推動力就越大，吸收速度就越快，吸收率就越高。一般把被吸收的三氧化硫數量和原來氣體中三氧化硫的總數量之百分比稱為吸收率。

任何濃度的硫酸，隨著酸溫的升高，液面上的三氧化硫、水蒸汽、硫酸蒸汽的平衡分壓都跟著相應增加。對吸收過程來說，在入塔氣體條件不變的情況下，意味著隨著酸溫的不斷升高，推動力將越來越小，收率越來越低。酸溫無限制地升高會出現液面上三氧化硫的平衡分壓(Pso3)和入塔氣體中三氧化硫分壓(Pso3)成為相當的狀態，這時三氧化硫的吸收過程停止、吸收率等于零。因此，要有較高的吸收率，酸溫不能過高。

生產條件下，入塔煙氣不易絕對干燥的，一般都含有一定量的水份(規定＜0.1克/標準立方米)。在吸收塔內，入塔煙氣溫度合適時，如果入塔酸溫很低，在傳熱傳質過程中，不可避免地會發生局部溫度低于露點。那么，氣體中的三氧化硫就會有相當數量變成酸霧，繼而被出塔煙氣帶走，這直接降低了吸收率。

生產中，三氧化硫在塔內被吸收的過程是絕熱進行的，酸溫隨著吸收過程的進行逐步升高。酸溫升高主要是由以下熱量增加引起的:

(1)氣體帶入塔內的熱量。氣體帶入塔內的熱量直接與氣體溫度、氣體量和氣體成份有關。當溫度高，氣量大和三氧化硫含量高時，其熱量就多。在一般的操作條件下，隨著兩相傳質傳熱的進行，約有70%氣體帶入塔內的熱量傳給液相硫酸，使酸溫升高。

(2)吸收反應熱。吸收三氧化硫過程中，反應熱的情況是比較復雜的。目前一般認為，該反應熱包括了三氧化硫生成100%硫酸(液)的反應熱、當100%硫酸稀釋到出塔酸濃度時的稀熱，入塔酸濃度提高到出塔酸濃度時的濃縮熱。其中，濃縮熱是負值，其它都是正值，它們的代數和即為吸收過程的反應熱。反應熱的多少，最終還是決定于吸收三氧化硫的總量。在一般的操作條件下，引起出塔酸溫上升的因素中，反應熱約占60%左右。

因此，出塔酸溫一定會高于入塔酸溫，如果不對吸收酸進行冷卻，隨著吸收三氧化硫過程的進行，酸溫將越來越高，必將引起吸收率下降，甚至使吸收完全停止。所以必須使入塔酸通過濃酸冷卻器降溫。

影響吸收溫度的另一個因素是入塔氣溫。從氣體吸收的一般情況來看，入塔氣溫控制得低一些對吸收率有利，但對三氧化硫來講，它是有限度的。入塔氣溫不能太低，原因有三:

①需要增大氣體冷卻設備和動力消耗;

②低于露點溫度時會產生酸霧，引起吸收率下降并造成煙害和腐蝕設備;

③不利于熱能的合理利用。

既然氣體入塔溫度不能太低，那么提高氣體入塔溫度行不行呢?過高地提高溫度肯定是不行的。實踐證明，適當提高入塔氣體溫度，非但不會降低吸收率，反而對吸收有利。

我們對吸收系統采用的是高溫吸收工藝，所謂高溫吸收不是單純指入口氣體溫度高或吸收酸溫度高，而是入口氣體溫度與吸收酸溫同時高。高溫吸收工藝具有下列特點:

(1)綜合考慮了影響吸收溫度的條件因素，提高了吸收溫度，從而避免了生成酸霧，有利于提高吸收率。

研究酸霧的成因[4]，冷凝量和酸霧的生成量，主要取決于三氧化硫和水蒸汽含量的多少，冷卻速度和其它工藝設備等各種條件。這樣，避免生成酸霧，要求注意如下幾點:

a.盡量降低干燥后的氣體含水量，從而達到有效地降低氣體的露點溫度;

b.提高吸收塔氣體的入塔溫度，使入塔前的氣體不發生局部冷凝成酸霧，并使塔內的吸收溫度保持在露點以上;

c.提高入塔酸溫。從吸收溫度上看，即使提高了入塔氣體溫度，若吸收酸溫較低，吸收溫度仍可能在露點以下，這樣就會在塔內的局部范圍產生酸霧。所以，在提高入塔氣體溫度的同時還要提高入塔酸溫，如果能保證出塔酸溫也在露點以上，那是完全可以避免生成酸霧的。

高溫吸收工藝，就是巧妙的利用了98.3%的硫酸在100℃左右時，液面上的三氧化硫分壓和水蒸汽分壓仍然接近于零，以及酸霧生成條件的可控性，改變了兩相溫度的控制范圍，提高了吸收溫度，避免了酸霧產生，從而能獲得比普通吸收過程還要高的吸收效率。轉化后煙氣以較高溫度進入吸收塔，可以省掉三氧化硫冷卻器，從而簡化了工藝流程并相應地降低了能耗。

(2)出塔酸溫度高，約為90～110℃，由此增加了傳熱溫差，故也可適當減少濃硫酸冷卻器的換熱面積。提高了入塔氣溫和吸收酸溫，同時有利于解決兩轉兩吸的熱平衡問題[5]。

綜合高溫吸收的出塔酸溫控制以及一吸塔、二吸塔的工藝條件，為將塔內三氧化硫與水發生吸收反應時溫度為100℃，一般將一吸塔入塔酸溫控制在70℃左右，二吸塔入塔酸溫控制在75℃左右，此時兩塔的吸收率最高，總吸收率可達99.99%。

5 改造方案

為提高入塔酸溫，本次改造在泵出口DN600不銹鋼陽極保護式管道與AT－AP出口管道之間裝一截旁通管。管道大小為DN400，管道材質為不銹鋼陽極保護式管道，中間加裝一個DN400的不銹鋼蝶閥，通過蝶閥開度來調節一吸塔和二吸塔入塔酸溫。具體流程圖如圖2。

圖2 改造后吸收酸溫控制簡圖

6 改造后運行情況

通過吸收塔入塔酸溫管道改造，在新安裝DN400不銹鋼蝶閥開度大于50%，原DN150酸溫調節自動閥開度100%的條件下，一吸塔、二吸塔入塔酸溫在各種爐況作業時的溫度最高可以達到表1－3值，此時AT－AP水側入口閥門開度大大增加，AT－AP受熱均勻，維鈍電流可以控制在3A以下，比較穩定。

表3 改造后不同煙氣狀況下吸收酸溫及AT－AP電流

同時，在表3所示溫度條件下，一吸塔吸收率可達99.5%以上，二吸塔吸收率可達99.9%以上，總吸收率可達99.99%，完全達到設計要求，減少酸沫產生[6]，提高了硫的利用率。

7 結語

通過吸收酸溫控制系統改造后，單鉛或單鋅作業時一吸塔、二吸塔入塔酸溫均可以達到設計值，降低了AT－AP維鈍電流，延長了設備壽命;減少了酸霧產生，保證了高吸收率;提高了硫利用率，減輕了尾氣脫硫系統負荷，為公司的清潔生產及尾氣排放達標提供了保證。

[1]段林喬.單套制酸系統對應鉛鋅冶煉生產的成功應用[J].銅業工程，2013(2):18－22.

[2]崔恩虎.低濃度SO2煙氣制酸轉化系統設計及實踐[J].硫酸工業，2006(6):30－34.

[3]胡永紅，熊昭霞.陽極保護系統在硫酸裝置中的運用[J].川化，2008(3):38－39.46.

[4]朱化芬，王云昆.硫酸尾氣酸霧超標原因分析及技術改造[J].硫酸工業.2009(5):31－32.

[5]陳姍.煙氣制酸工藝的熱系統分析及優化[D].中南大學，2011.

[6]鄭孝英，自振華，張潤虎.煙氣法制硫酸一吸塔的帶酸沫量的減少[J].化工生產與技術，2010(4):53－55.