大冶有色煙氣制酸裝置技改實踐及效果

張冠華，俞 陽，林先彬，李小偉

（大冶有色金屬集團控股有限公司/有色金屬冶金與循環利用湖北省重點實驗室，湖北黃石435005）

1 煙氣制酸裝置概述

大冶有色金屬股份有限公司冶煉廠（簡稱大冶有色）目前擁有270 kt/a和700 kt/a 2套銅冶煉煙氣制酸裝置。270 kt/a制酸裝置配套處理轉爐吹煉煙氣，設計凈化入口處理煙氣量14×104～16×104m3/h、φ(SO2)為6.38%～8.27%，2004年2月投入運行生產；700 kt/a制酸裝置配套處理澳斯麥特爐熔煉煙氣，設計凈化入口處理煙氣量2.5 × 105m3/h、φ(SO2)為10.82%，于2011年9月建成投產。2套煙氣制酸裝置均采用稀酸洗滌、絕熱蒸發稀酸冷卻移熱、動力波氣體凈化工藝流程，“3+1”、Ⅳ Ⅰ-ⅢⅡ二轉二吸工藝流程，尾氣脫硫采用鈉堿法脫硫工藝。

回顧近年生產實踐，2套制酸裝置運行基本穩定，生產能力達到或超過設計能力，但部分指標控制及設備運行仍存在問題，經濟技術指標、單位產品變動成本與標桿企業先進水平相比還存在不小的差距。

2 存在的問題及改進措施與效果

2.1 改進優化實現煙氣平衡生產

隨著粗銅產能的擴大，轉爐吹煉按4H3B不完全期（正常情況下轉爐采取4H3B不完全期交換作業方式，5臺轉爐，4臺運行，1臺備用，采取3臺高壓風機分別對4臺轉爐送風，3臺爐同時送風，另1臺待出銅、進料等操作，4臺轉爐進行爐交換與期交換相結合的作業方式，在交換作業期間可進行除篩爐渣、修爐口、加第一批冷銅以及備料和出銅，實現4臺轉爐之間交換作業）交換組織生產，適應澳斯麥特爐210 t/h銅精礦處理量，產能增加、煙氣量及煙氣SO2濃度波動大，2套制酸系統不能很好與其匹配，經常出現1套“吃不飽”，造成熱平衡難以維持；1套制酸裝置“吃不了”，熱量富余、尾氣難控制。盡管煙道設置有混煙裝置，但在實際生產中，由于冶化上下游工序協調不及時、混煙裝置設置不合理等影響，煙氣平衡生產欠佳，導致熔煉及吹煉2爐爐口負壓不能保證，低空煙害相對較為嚴重。

針對以上問題主要采取4項措施：①實施轉爐高溫風機自動化控制系統改造，實現轉爐爐臺狀態與高溫風機轉速、SO2風機導葉聯鎖調節，強化工序聯系、減少人為影響；②改造煙氣管路，優化混煙裝置減少壓損、增設調煙鐘罩閥，煙氣混合更均勻、通暢、機動；③構建冶化生產煙氣平衡管理網絡，動態辨識漏風點及堵塞點，定期對電收塵器、鍋爐、鐘罩閥、煙道人孔門及彎頭等部位清堵與堵漏；④對制酸裝置轉化、干吸工序局部優化，提升裝置處理負荷。

通過改進優化，冶化系統煙氣平衡生產趨于合理、受控，2套制酸裝置能夠實現煙氣平衡生產，2爐爐口低空煙害得到有效控制。

2.2 改造過濾設備提升固液分離能力

700 kt/a制酸裝置凈化工序原配置CN過濾器用于循環稀酸過濾，過濾效果欠佳，濾球易堵塞濾帽，運行穩定性差，無法滿足壓濾機物料供給，導致稀酸固含量長期高位運行，固含量(ρ)最高時超過15 g/L，影響核心設備溢流堰安全運行，歷年停車檢查動力波洗滌塔底部酸泥堆積厚度高達50～80 cm。因此CN過濾器已不能滿足凈化稀酸固液分離能力要求。

2017年年初，經比選，在CN過濾器場地旁邊新建1臺高效斜板沉降器，替代原CN過濾器，設計處理能力大于或等于180 m3/h，處理后清液固含量 (ρ)≤ 0.5 g/L，濃液固含量 (ρ)≥ 30 g/L。

2017年7 月投用并穩定運行3個月后，斜板沉降器運行穩定、達到設計要求，凈化循環稀酸固含量(ρ)穩定降低且維持在1 g/L以內，停車檢查管道結垢及溢流堰酸泥黏結情況均較好，2018年系統大修一級洗滌塔底部酸泥堆積厚度降至20 cm。

2.3 改造除氟裝置降低SO2風機出口氟含量

礦源氟含量波動、除氟裝置自動化水平低、除氟效率低，導致SO2風機出口煙氣氟含量指標偏高，ρ(F)達到5 mg/m3以上，給后續設備運行帶來影響。其中，2016年270 kt/a制酸裝置轉化一段催化劑中毒粉化及結疤，床層壓降快速上漲至10 kPa，700 kt/a制酸裝置受此影響轉化一段床層壓降也有所上漲，270 kt/a制酸裝置被迫于2017年1月停產檢修。

針對凈化工序除氟存在的問題，主要分四步優化改進：①改進添加方式和比例，由單點投加改為多點投加，建立合理的凈化稀酸氟濃度梯度，提高一級動力波洗滌器除氟效率[1]；②改進添加位置，由塔壁處添加改為循環泵進口添加，利于玻璃水迅速與稀酸混合均勻與煙氣接觸，增強反應；③增加氣體冷卻塔除氟層，在填料表層均勻鋪設碎瓷環，主動與氣相中氟反應實現除氟；④除氟裝置自動化改造，實現玻璃水自動精度配置、參數調整與均勻添加。

優化改造后，除氟裝置運行正常、自動化程度高，2018年2套制酸裝置SO2風機出口煙氣ρ(F)能穩定保持至1 mg/m3以內，再未發生嚴重催化劑氟中毒現象，床層壓降受控。

2.4 開工爐燃燒系統改造降低運行成本

270 kt/a和700 kt/a 2套制酸裝置開工爐均采用柴油燃燒，相比天然氣燃燒，柴油燃燒需要機械霧化、燃料價格高，燃燒不充分易產生黑煙污染，霧化不均勻易導致局部燃燒熱量偏高、影響預熱換熱器安全運行。僅2016年，開工爐共用柴油335 t，折硫酸成本1.69元/t，偏高。

經論證，2018年進行開工爐燃燒系統的改造，用天然氣燃燒器替代原燃油燃燒器、增設天然氣管路及必要的安全裝置，完善燃燒控制系統，原開工爐本體、助燃及稀釋風機本體、預熱換熱器保持原樣。

改造投用后，系統自動化程度高、各項指標達到設計要求，燃燒充分無黑煙，相比柴油燃燒消耗，硫酸單位成本降低40%以上。

2.5 創新設計解決高溫煙管應力補償失效問題

700 kt/a制酸裝置轉化一段出口φ2 400 mm煙管長期在高溫環境下（600 ℃以上）運行，膨脹量非常大，配置的不銹鋼波紋補償器+彈性支架+拉桿的補償方式失效，補償器形變嚴重、管道熱膨脹偏移、焊接焊縫拉裂[2]，漏煙頻繁且難以治理。分析原因，主要是長期處于高溫腐蝕環境、系統生產負荷波動頻繁、膨脹節選材、伸縮余量設計不足及施工質量欠佳導致。

為解決以上問題，組織與相關工程單位討論，首次在大型煙氣制酸裝置采用“四連桿補償器+萬向鉸鏈型+彈簧吊架”復合應力補償裝置，在轉化器一段出口水平管段設置1件四連桿波紋補償器，豎直管段增加1件萬向鉸鏈型波紋補償器，水平段同時設置1件恒力彈簧吊架、1件管道吊帶組件，并將此管道材質由304不銹鋼更換為等級更高、高溫性能更好的321不銹鋼材質。

改造實施后，有效解決了轉化大口徑煙氣管道應力補償穩定性差且易導致補償器形變造成煙氣泄漏的問題，徹底解決因煙管漏煙導致的非生產時間影響，系統作業率由95.52%提高到96.28%。

2.6 多舉措協同解決酸霧夾帶問題

700 kt/a制酸裝置干吸分酸器初始使用某國產管槽式分酸器，投產后發現吸收塔出塔煙氣酸霧夾帶嚴重，中間吸收塔最為明顯，后續冷熱換熱器腐蝕嚴重。經討論分析，確認分酸器分酸不均是造成煙氣酸霧夾帶的主要原因之一。同時因2臺吸收塔共用的臥式循環槽長達20.8 m，加水混酸器設置在循環槽中段，中間吸收塔回酸口和濃酸泵設置在循環槽西側且與加水混酸器相距較遠，導致槽內濃酸混合不均勻，上塔酸濃度不穩定，對酸霧夾帶也有較大影響。

為解決分酸不均的問題，主要采取3項措施：①將1 700 m3/h循環酸量的中間吸收塔分酸器更換為某進口品牌分酸器，分酸更均勻；②在中間吸收塔纖維除霧器上部新增絲網除霧器，酸霧捕集效率更高；③自主開發了一種帶緩沖管式新型分酸器，并獲得實用新型專利[3]，于2017年、2018年2次大修期間對干燥塔及最終吸收塔分酸器進行局部改造。

為解決吸收循環槽酸濃度不穩定的問題，主要采取2項措施：①在吸收循環槽西側增設加水混酸器，增強混酸效果；②新增中間吸收塔上塔酸濃度分析儀，監控顯示酸濃度。

應用結果表明：中間吸收塔分酸均勻、酸濃度穩定，出塔煙氣酸霧(ρ)降至30 mg/m3以內，循環酸流量相對較小的干燥塔和最終吸收塔應用緩沖罐專利技術也很好地解決了分酸不均的問題。

2.7 優化改進提升裝置轉化率

700 kt/a制酸裝置投產以來，SO2轉化率一直未達到設計值99.80%。根據歷次轉化檢修情況及催化劑廠家專業檢測結果分析，結合對轉化工序進行衡算，研判700 kt/a制酸裝置轉化率低主要受4個方面影響：①大直徑轉化器氣流分布不均；②催化劑裝填系數偏低、裝填量偏少；③轉化器層間存在短路；④Ⅲ熱交換器腐蝕后轉化自熱平衡失衡。

針對制酸裝置轉化率偏低的問題，在2017—2018年主要采取5項措施：①在轉化一段及三段進口喇叭管內增加全長度導流板、格柵層增加導流通道，改善氣流分布；②二次轉化適量增加低溫催化劑，并結合實際產能提高催化劑裝填系數至210 L /( t·d)；③加固催化劑篦子板、治理膨脹環及隔板內漏，防止層間短路；④將腐蝕嚴重的Ⅲ熱交更新改造為犧牲式L型（犧牲段為臥式，主體為立式）換熱器，減少熱量后移損失、恢復系統自熱平衡；⑤優化操作，均衡穩定生產。

優化改進實施后，轉化床層同界面3個溫度點差距由原來25 ℃縮小至5 ℃，氣流分布均勻，系統停車補溫時間明顯縮短，轉化自熱平衡顯著改善，裝置轉化率提升至98.75%，接近設計值。

2.8 更新余熱鍋爐解決泄漏問題

700 kt/a制酸裝置投用至今，轉化工序2臺0.8 MPa熱管鍋爐頻繁發生蒸發器聯箱補償器四周焊縫、進氣管與蒸發器上部焊縫和上下蒸發器錐面焊縫等部位拉裂、漏煙的問題[4]，造成系統經常性停車維修。經過多次維修，問題仍未徹底解決，2018年7月，鍋爐北通道熱管與殼體密封面漏煙嚴重，系統被迫低負荷運行。

鑒于1#余熱鍋爐嚴重制約制酸裝置生產負荷，難以從根本上解決漏煙問題，公司2019年6月在西側新建1臺熱管鍋爐并投用。新余熱熱管鍋爐在設計之初就進行諸多優化與改進：①取消鍋爐上下箱體設計，采用整體化箱體，取消中間膨脹節，減少泄漏點，在鍋爐箱體底部設置一圈支撐，在運行受熱后會自由向上膨脹，由鍋爐進口管道膨脹節吸收相應熱膨脹量；②增加殼體厚度至10 mm，并在表面增加槽鋼筋板，增強殼體受力；③進口上圓下方喇叭口制作形式由拼接夾角成型改為整板折彎成型，將4條角焊縫改為平焊縫，增強折角處受力，徹底杜絕角焊縫拉裂；④管板管束由整板改進為模塊式，同時鍋爐本體承重改為底部牛腿支撐，箱體各密封面不與鋼結構接觸，便于維修。

新鍋爐投用至今，進出口煙管及鍋爐本體無任何泄漏，蒸汽流量、壓力及溫度等指標達到設計要求。

2.9 管理與技術并重降低水耗

據統計，2016年2套制酸裝置硫酸新水水耗為2.13 t/t，偏高。主要原因為循環冷卻系統補水、各循環泵電機冷卻水、凈化及干吸工藝補水、泵的軸封冷卻水及地面沖洗水用水量大且全部使用新水，循環水工序排污水約2 000 t/d且基本無回用。

2套制酸裝置節水降耗主要在3個方面采取措施：①采用超濾+反滲透雙膜法技術，平均處理循環水1 150 t/d，產除鹽水850 t/d重新用作循環水補水；②進行全流程水平衡分析“以質定用”，分析用水水質要求，確定將凈化、干吸及脫硫區域的所有用水需求改為循環水，僅保留SO2風機冷卻水、循環水2個新水補水點；③新水多點多級利用，新水用作循環冷卻系統補水，按水質控制原則，循環水替代新水用作路面灑沖洗水、循環泵電機冷卻水、各處功能泵的軸封冷卻水、雙氧水稀釋水、電除霧器沖洗、凈化、干吸、脫硫工序補水等，反滲透處理后濃鹽水用作渣包冷卻水等。

通過節水降耗措施的實施，至2019年2套制酸裝置硫酸水耗降至1.13 t/t，相比2016年降低47%，循環水工序排污水基本都得到回用。

2.10 自主實施脫硫改造實現經濟穩定運行

大冶有色2014年建成1套純堿脫硫裝置，以滿足GB 25467—2010《銅、鎳、鈷工業污染物排放標準》中ρ(SO2)≤ 400 mg/m3的排放要求，但在實際生產中面臨3個主要問題：①藥劑成本高，特別是轉化率不能達到設計值的前提下，2016年脫硫劑純堿消耗巨大、折硫酸產品成本達到6.68元/t；②副產物Na2SO3/NaHSO3脫硫后液回收利用價值不高，送至廢酸處理工序易解析出SO2污染現場環境，同時影響濃密沉降效果；③低溫季節，Na2SO3/NaHSO3脫硫后液極易堵設備及管道，維修工作任務重、強度大。

為解決以上問題，同時考慮應對2020年頒布實施的ρ(SO2)≤ 100 mg/m3的排放標準，經比選論證，決定自主實施脫硫工藝改造，改為雙氧水脫硫工藝，原空塔噴淋層利舊，增加散堆填料層，雙氧水的配置、添加、控制、循環泵的調節、脫硫循環液的外排及控制均可在DCS上完成，雙氧水投加流量閥與尾氣SO2指標聯鎖控制，項目于2018年10月大修期間完成。

改造實施后，制酸尾氣脫硫裝置穩定經濟運行水平、自動化控制程度明顯提升，尾氣排放指標達到設計要求，副產稀硫酸用作干吸工序補水，測算硫酸產品單位成本下降30%以上。

2.11 設置煙道換熱器利用煙氣熱量

冶煉煙氣進制酸煙氣溫度250～280 ℃，蘊含大量余熱資源，經洗滌降溫，熱量最終被循環水工序帶走，造成了煙氣顯熱的浪費。考慮到亞硫酸鈉系統有熱風需求，有必要對這部分熱量進行回收利用。

經論證，設計在冶煉煙氣主煙道上增加管道換熱器，通過風機抽取空氣與煙氣在管道換熱器內進行換熱，制取熱風供給亞硫酸鈉系統用于干燥。設計換熱后煙氣溫度約下降30 ℃至230 ℃，仍遠高于煙氣露點溫度，可避免腐蝕管道。實施主要內容：在φ2 620 mm×10 mm煙道外部加裝φ4 220 mm×10 mm翅片掛壁換熱器，長度30 m，設置風機抽取常溫空氣進入換熱器與高溫煙氣進行充分換熱產生熱風。

投入運行后，能穩定連續產熱風供給亞硫酸鈉精制系統，實際進凈化工序煙氣溫度受控，回收煙氣熱量的同時降低了凈化工序循環冷卻水系統負荷。

3 2套制酸裝置技改效果及未來面臨的主要問題

3.1 技改后運行效果

近幾年，270 kt/a和700 kt/a 2套制酸裝置在工藝、設備及環保等方面相繼采取了多項技術改造及優化措施。經過工程技術人員連續多年堅持不懈的努力，制酸裝置在穩定運行、經濟技術指標、環保指標等方面取得顯著效果，制約硫酸生產的諸多瓶頸逐步得到解決，硫酸單位成本降低21%，裝置開工率達到96.78%，長周期穩定生產能力持續增強，系統大修周期由一年一修延長為三年兩修。

3.2 未來面臨的主要問題

2套制酸裝置未來也面臨一些問題，需要持續改進優化，進而提升制酸裝置穩定、經濟運行水平：①受原始設計與配置限制，硫酸產品單位變動成本仍偏高，特別是110 kWh/t的電耗偏高，成本控制壓力大，需考慮實施SO2風機變頻節能改造；②環保監管及排放要求日趨嚴格，需持續進行環保改造和投入，目前制酸尾氣處理工藝增設臭氧脫硝及濕式電除霧器的改造項目正在實施；③轉化率等重點經濟技術指標仍有提升空間，需進一步開展技術改進與優化。