陜西鋅業硫酸生產30年回顧與展望

岳鳳洲，姚 強，張建康，劉 琳，劉 偉

（陜西鋅業有限公司，陜西商州726007）

陜西鋅業有限公司（以下簡稱陜西鋅業）前身為商洛冶煉廠，隸屬于陜西有色金屬控股集團有限責任公司，該廠籌建于1986年，原8 kt/a電鋅配套13.5 kt/a冶煉煙氣制酸裝置由原長沙有色冶金設計研究院設計，1989年12月建成試車。陜西鋅業是陜西省最早實現規?；瘽穹掍\及鋅冶煉煙氣制酸的企業。經過30年的生產實踐和技術進步，2019 年陜西鋅業生產電鋅 220 kt、硫酸 301 kt，并綜合回收鎘、鈷、銦、銅、金、銀、碳、鐵、硫等10多種有價金屬和元素，外排尾氣和污水全部達標，初步實現了持續健康發展的目標。

1 發展歷程回顧

陜西鋅業鋅冶煉煙氣制酸裝置過去30年經歷了3個發展階段。

1.1 起步奠基階段

陜西鋅業第一套鋅精礦焙燒制酸裝置設計借鑒了原貴溪冶煉廠和韶關冶煉廠成熟先進的技術，采用ⅢⅠ-ⅣⅡ、“3+1”二轉二吸制酸工藝。鋅精礦經12 m2沸騰爐焙燒后，冶煉煙氣經余熱鍋爐、兩級旋風除塵器和一級電收塵器降溫收塵后送凈化工序，凈化工序采用空塔—填料塔—石墨間冷器（2臺并聯）—一級塑料電除霧器稀酸洗滌，凈化后的煙氣送干吸轉化工序制酸。該裝置運行到2004年9月，12 m2沸騰爐煙氣出口耐火磚開始坍塌，直接威脅到安全生產，被迫停車改造。此次技術改造拆除了12 m2沸騰爐等部分舊設備，新建1臺14 m2沸騰爐，配套改進了空氣鼓風機、旋風收塵器、電收塵器、SO2風機、轉化氣體換熱器、濃硫酸冷卻器和石墨間冷器等設備。此次改造的技術進步主要表現在以下三方面：

1）廣泛應用了一批先進成熟的新材料和新設備。①用1臺42 m2的254SMO板式換熱器代替2臺石墨間冷器（400 m2），系統阻力下降 1.6 kPa；②用國產316L不銹鋼管殼式陽極保護換熱器代替鑄鐵冷卻排管換熱器，冷卻效率提高后，生產1 t硫酸消耗水量從14 t下降到7 t左右，下降了約50%；③Ⅲ、Ⅳ換熱器原為4臺傳統的光管換熱器，采用2臺空心環縮放管換熱器予以替代，傳熱效率和生產能力提高，轉化工序阻力下降2.8 kPa，硫酸產量由53.29 t/d提高到64.94 t/d，增產21.86%，同時給濕法煉鋅系統自供鋅焙砂達到14 892 t/a。

2）改造電收塵器提高收塵效率。原設計用ZRS-6.72-3型電收塵器（配套GGAJ型恒壓源），出口煙氣含塵質量濃度為430 mg/m3。利用原有空間，技改后采用CRS-8.24-3型電收塵器（配套HL型恒流源），電收塵器出口含塵質量濃度降低到230 mg/m3，每年可多回收含鋅煙塵 69.12 t；同時減少了凈化工序外排稀酸中的塵含量，有效控制了污染源，提高了資源利用率[1]。

3）風機采用變頻節能技術。轉化工序原有2臺FD50-120/0.35型SO2羅茨風機（1用1備，電機功率115 kW），改造后作為14 m2沸騰爐用空氣鼓風機使用；轉化工序新購2臺L84WD型離心風機（1用1備，電機功率160 kW）。4臺風機采用了2套“一拖二”國產變頻節能裝置，風量調節便捷精準，生產電耗比技改前下降37%，風機運行噪聲明顯減小。

陜西鋅業第一套鋅冶煉制酸裝置從1989年12月建成試車生產，到2009年4月停產（2010年拆除），20年累計生產工業硫酸292.6 kt，正常生產時間累計5 762 d，年度最低開車率為1990年的34.52%，最高開車率為2008年的98.36%，20年平均開車率僅為81.67%。試產期間存在的主要問題表現在兩方面：①缺乏生產技術和實踐經驗，上崗的絕大多數職工是剛參加工作的青年，僅有少數人員經過短期實習培訓，大部分人員缺乏生產設備操作實踐和維護管理經驗；②生產效率低，由于原設計生產能力和設備彈性小，導致日常生產事故率高，開車率低。

1.2 發展超越階段

陜西鋅業依據2007年4月頒發的《鉛鋅行業準入條件》及時申報后，獲批建設100 kt/a電鋅焙燒及176 kt/a煙氣制酸項目，該項目由中國恩菲工程技術有限公司設計，2008年3月1日開工建設，2009年5月建成，6月1日首次開車試產成功。該套裝置的建成投運標志著陜西鋅業的生產規模和技術裝備水平實現了發展超越。該裝置連續穩定運行10年時間，設備運轉率較高，主要生產技術經濟指標在投產當年均達到了設計值[2]。

該套裝置在設計、建設和運行等方面的先進性主要表現在以下8個方面：

1）筑爐技術實現了新突破。新建109 m2沸騰爐在國內首次選用了爐頂整澆施工技術[3]。生產實踐證明：大型沸騰爐爐頂采用整體澆筑技術是成功的，不僅施工工期短，成本低，耗材少，而且有利于解決異型磚砌筑爐頂傳統施工中存在的諸多行業難題。

2）風帽使用壽命長。109 m2沸騰爐原設計使用10 882個直吹式風帽，實際施工安裝10 901個風帽，采用SCH2材質精密鑄造，一次制造安裝，永久使用。

3）余熱利用效率高。陜西鋅業109 m2沸騰爐配置了1臺設計蒸發量為28 t/h的飽和蒸汽余熱鍋爐，配套德國德蘭賽蘭公司生產的 B5S-3+B7S-3型飽和蒸汽抽凝式透平發電機組。用高效熱管省煤器回收轉化工序高溫SO3煙氣的余熱和流態化冷卻器鋅焙砂的余熱，用于加熱鍋爐給水，余熱鍋爐實際蒸發量提高到33～35 t/h。余熱鍋爐所產飽和蒸汽實現了能源梯級高效利用，實際發電2.2×107kWh/a（不含企業冬季采暖）。在冬季采暖時發電機運行負荷下降約1/3。該余熱鍋爐的投用取代了濕法煉鋅工藝加熱用的3臺燃煤蒸汽鍋爐，燃煤蒸汽鍋爐僅在109 m2沸騰爐停車檢修時臨時啟用。根據實際生產情況測算，每年節省煙煤約40 kt，減排SO2約1 200 t/a，環境效益和經濟效益比較顯著。

4）電收塵器收塵效率高。80 m2電收塵器設計有4個電場，采用穩定可靠的恒流源、溢流螺旋密封和95瓷絕緣瓷套等先進設備和材料。電收塵器出口煙氣含塵質量濃度可以控制在55 mg/m3以下，與傳統含塵質量濃度設計值小于或等于200 mg/m3相比，每年可多回收含鋅煙塵92.8 t，減少了凈化工序外排稀酸中的塵含量，進一步提高了資源利用率和企業效益。

5）SO2轉化率較高。陜西鋅業176 kt/a硫酸裝置是我國投運的第七套109 m2沸騰爐鋅精礦焙燒煙氣制酸裝置。該裝置在施工設計和建設中，立足企業實際，盡可能吸收和利用國內同類裝置的先進技術和成熟經驗。通過技術改造和優化操作參數，在全部采用國產催化劑的情況下，SO2轉化率連續穩定在99.8%以上。10年累計平均開車率為91.73%，累計生產工業濃硫酸產品1 962 kt，硫酸平均年產量高出設計值11.70%。

6） 尾氣脫硫實現了新突破。陜西鋅業176 kt/a硫酸裝置原設計采用“3+1”二轉二吸工藝，進轉化器φ(SO2)為 7.35%，煙氣流量為 69 122 m3/h，SO2轉化率為99.6%，總吸收率為99.95%，尾氣ρ(SO2)為 944 mg/m3，符合 GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》的要求。投運3年后，實際生產受原料硫含量波動的影響，煙氣流量在50 000～78 000 m3/h 波動，尾氣ρ(SO2)在 300～1 300 mg/m3。為適應新的環保標準并保證尾氣連續穩定達標排放，在廣泛深入調研的基礎上，陜西鋅業于2013年設計建設了1套氧化鋅高效脫硫裝置。這套脫硫裝置采用氧化鋅全氧化工藝，并進行了8個方面的改進和優化[5]，2014年5月建成投運。5年來的生產實踐表明：在臨時停車、開停車和正常生產過程中，即使原料硫含量變化較大，整個系統仍無需頻繁調整生產負荷，脫硫裝置能較好地適應各種工況，確保尾氣達標排放[目前尾氣ρ(SO2)保持在500 mg/m3以下]；同時制酸生產效率進一步提高。脫硫劑無需外購，脫硫過程中不產生新的“三廢”，脫硫運行成本相對較低，企業環境效益和經濟效益均較好。

7）脫氟和協同脫汞效果好。2010年7月停車檢修時，陜西鋅業對凈化工序洗滌塔內海爾環主填料層上部的瓷質填料腐蝕情況做了對比分析，發現每年氟對瓷質填料的腐蝕率高達77.92%。此后，把凈化工序的水玻璃添加量提高到60 kg/d后，進轉化系統煙氣中的氟質量濃度一般不超過1 mg/m3（10年平均值為1.08 mg/m3），近9年來再未發現干燥塔內的瓷質填料和轉化器第一段催化劑表層的瓷質保護劑有明顯的腐蝕現象。2012—2014年，陜西鋅業作為全國僅有的2家試點單位之一，參加了原環境保護部對外合作司牽頭組織的鋅冶煉行業汞排放普查調研。此次調研發現：陜西鋅業176 kt/a硫酸裝置脫硫前尾氣中的汞質量濃度為564 μg/m3，氧化鋅脫硫裝置投運正常后，外排尾氣中的汞質量濃度降到19 μg/m3，氧化鋅濕法脫硫協同脫汞效率為96.63%[6]。

8）高效冷卻圓筒和拋料機設備使用效果好。陜西鋅業109 m2沸騰爐設計采用1臺規格為φ1 920 mm×9 600 mm、生產能力為20 t/h的高效冷卻圓筒冷卻鋅焙砂，循環水進入有效換熱面積為109 m2的內置腔內，與外壁流動的熱焙砂間接換熱，高效冷卻圓筒電機銘牌傳動功率僅18.5 kW，水耗低，冷卻效率高，密封條件好，沒有水汽外溢現象。109 m2沸騰爐進料口設置帶速18.5 m/s、生產能力為25 t/h的2臺拋料機同時進料，徹底解決了傳統沸騰爐進料管易堵塞、斷料和難密封等問題。

1.3 補短板階段

為了充分發揮潛能、利用現有設備設施和人力資源等有利因素，實現“十二五”末鋅產品產能突破200 kt/a的發展目標，陜西鋅業于2014年積極主動補齊內部短板，實施了資源綜合利用技術改造。該改造項目的一個重要子項是設計建設了1套硫酸生產能力為85 kt/a的鋅冶煉煙氣制酸裝置。該裝置于2014年4月1日開工建設，2014年10月1日建成投產，到2019年底已累計生產工業硫酸410.06 kt。受原料供應情況的影響，最低開車率為2018年的84.24%，最高開車率為2017年的97.54%，年平均開車率為92.2%。

陜西鋅業85 kt/a的鋅冶煉煙氣制酸裝置建成投產后，不僅解決了176 kt/a鋅冶煉煙氣制酸裝置臨時停車檢修期間濕法煉鋅系統被迫停產或減產等難題，而且降低了外購鋅焙砂的質量和運輸風險，使得陜西鋅業內部生產運營和管控更加便捷自如，企業應變和抗險能力進一步提高。

從技術進步方面分析，陜西鋅業2014年設計建設的85 kt/a的鋅冶煉制酸裝置做了下述4個方面的改進：

1）新建52 m2鋅精礦沸騰爐首次使用了永久性直吹風帽，減輕了職工勞動強度，提高了焙砂質量和設備效率。

2）取消了凈化工序的第二級旋風收塵器和高溫接力風機，系統配置更加簡潔高效。

3）沸騰爐的主要設備空氣風機和SO2風機采用了定制化制造服務的專利節能技術。2017年陜西鋅業與浙江科維節能技術股份有限公司合作，根據陜西鋅業實際生產工況條件，量身定做了2臺節能風機，其中52 m2沸騰爐用空氣離心鼓風機運行電流由 24～30 A 降低到 16～18 A，SO2風機運行電流由 55～60 A 降低到 30～32 A，節能效率為25%～30%。

4）余熱鍋爐所產飽和蒸汽采用國產螺桿式膨脹發電機組。為了進一步提高蒸發量為13.5 t/h余熱鍋爐的飽和蒸汽資源利用水平，2019年6月陜西鋅業采用EPC合作合同模式，設計安裝了1臺裝機功率為900 kW的螺桿式膨脹發電機組，10月投運。發電后壓力低于0.6 MPa的蒸汽抽出并入公司熱力蒸汽管網，供濕法冶煉工藝過程加熱和冬季采暖使用。該機組投運近3個月以來，實際發電1 168 728 kWh。

1.4 3套裝置技術指標對比

陜西鋅業3套硫酸裝置設計和運行主要技術指標對比情況見表1。

表1 硫酸裝置設計和運行主要技術指標對比

2 展望與設想

2.1 未來面臨的挑戰和風險

1）原料瓶頸導致生存危機。鋅精礦的礦產資源儲量有限且不可再生，煉鋅企業將面臨“等米下鍋”和“無米斷炊”的生存危機。受市場多變等不可控因素影響，大、中型傳統煉鋅企業經常被迫“饑不擇食”，用各種含鋅“雜料”組織生產，導致煉鋅企業產生的不可控因素增多，運營風險不斷加大。

2）企業效益和生存空間不斷收縮。隨著環境質量標準和人民生活水平的不斷提高，盡管企業用工成本逐年提高，但仍面臨“苦、臟、累”崗位的“用工荒”，加之“三廢”治理環保設施投運后，正常生產運行成本不斷提高，政府管理和執法不斷從嚴，傳統煉鋅和硫酸企業生存發展“如履薄冰”，如果生產、環保、安全、經營、決策等某一方面出現一次“閃失”，就有可能導致企業的“滅頂之災”。

3）基礎研究和自我創新受限。傳統煉鋅及與之相關的化工、環保行業的基礎應用研究和創新技術產業化進程嚴重滯后，企業現有工藝設備和技術路線面臨著諸多創新困境。

2.2 潛在的機遇

1）大型化和集成化創新取得新進展。目前中國大型化和集成化創新的有利條件日漸成熟，尤其是智能化、自動化、信息化與大型化的高度融合發展，為大、中型煉鋅企業和硫酸企業提供了前所未有的創新發展機遇，傳統產業的生產模式、管控和經營模式的變革勢不可擋。只有順應變化、洞悉并掌握信息化發展趨勢，大力深化“互聯網+”和“兩化融合”，才能支撐并引領傳統產業的發展從而把握未來、立于不敗之地。目前，白銀有色集團西北鉛鋅冶煉廠和中國五礦株冶新廠均相繼設計并成功投用了152 m2鋅精礦沸騰焙燒爐及制酸裝置[7]，為同行業樹立了新的創新標桿。

2）中國在國際市場上有望取得“話語權”。中國硫酸和鋅的生產與消費已經連續10多年穩居世界第一，隨著我國綜合國力和國際地位的迅速提高，傳統企業面臨的選擇將日益多樣化。傳統企業抱團取暖、走出國門另謀新路發展的條件日益成熟。陜西有色集團已邁出了成功的第一步，堅信企業今后的發展道路將會越走越寬。

制酸干吸工序需要移出熱量 1 758 MJ[8]，這是一項非?？捎^的余熱能源。據測算，200 kt/a的鋅精礦焙燒煙氣制酸裝置僅干吸工序的低溫余熱就可生產 0.5 MPa 蒸汽 10.387 5 t/h，相當于節約標煤約1 997 t/a。近10年來，低溫余熱利用技術的設計、材料和設備制造等已經逐步實現國產化，在有色冶煉煙氣制酸上得到推廣應用，為硫酸生產企業開辟了增效和創新發展的新途徑。

3 結語

過去30年來，陜西鋅業硫酸生產的規模由小變大，在不斷摸索和實踐中不斷利用成熟、可靠的新設備、新材料和新技術，對工藝設備持續進行改造和優化，實現了節能環保、安全高效和“讓資源更有價值”的發展目標，為陜西鋅業長期生存和持續健康發展奠定了堅實的基礎。