銅冶煉煙氣制酸低溫位熱回收產(chǎn)汽量探討

李偉達(dá)，袁愛武

(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長沙410011)

用硫酸干燥原料氣及吸收三氧化硫的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，為了維持系統(tǒng)的熱平衡，一般采用循環(huán)冷卻水冷卻循環(huán)酸，然而這會(huì)浪費(fèi)大量的熱量和循環(huán)冷卻水，既不節(jié)能又增加了運(yùn)行成本。美國孟山都環(huán)境化學(xué)公司（孟莫克前身）于20世紀(jì)80年代開發(fā)了干吸工序低溫位熱能生產(chǎn)低壓蒸汽的技術(shù)（HRS），在硫磺制酸中廣泛應(yīng)用。經(jīng)過多年的發(fā)展，低溫位熱回收已擴(kuò)展到銅冶煉煙氣制酸。

銅冶煉煙氣具有氣量大、波動(dòng)大、SO2濃度高的特點(diǎn)，同時(shí)產(chǎn)品酸濃度要根據(jù)市場需求及氣象條件做到隨時(shí)可調(diào)。因此，在設(shè)計(jì)含低溫位熱回收的干吸工序時(shí)，既要考慮到串酸流程簡潔、調(diào)節(jié)方便，又要兼顧產(chǎn)汽量最大。筆者以某300 kt/a銅冶煉煙氣制酸項(xiàng)目為例，對(duì)含空氣干燥及低溫位熱回收的干吸工序串酸流程、低溫位熱回收熱量衡算及產(chǎn)汽量進(jìn)行了探討。

1 串酸流程及其物料平衡計(jì)算

1.1 串酸典型流程

為保證干吸工序穩(wěn)定生產(chǎn)，需控制各塔循環(huán)槽的循環(huán)酸濃度和液位穩(wěn)定。通常，空氣干燥塔、SO2干燥塔的循環(huán)酸系統(tǒng)w(H2SO4)控制在93%～95%，低溫位熱回收循環(huán)酸系統(tǒng)w(H2SO4)控制在99%，二吸循環(huán)酸系統(tǒng)w(H2SO4)控制在98.0%～98.3%，常用的發(fā)煙酸循環(huán)酸系統(tǒng)w(H2SO4)控制在104.5%。控制循環(huán)酸濃度和液位穩(wěn)定的前提是不同濃度的硫酸進(jìn)行串酸以及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水時(shí)，要保證各循環(huán)酸系統(tǒng)串入和串出的SO3、水平衡。

圖1為不生產(chǎn)發(fā)煙硫酸典型的串酸流程。

圖1 不生產(chǎn)發(fā)煙硫酸典型的串酸流程

空氣干燥塔、SO2干燥塔、低溫位熱回收系統(tǒng)和二吸塔均設(shè)有循環(huán)酸系統(tǒng)。為維持各循環(huán)槽的硫酸濃度和液位，SO2干燥塔向空氣干燥塔串酸；空氣干燥塔向低溫位熱回收系統(tǒng)、二吸塔串酸；二吸塔向SO2干燥塔、空氣干燥塔和低溫位熱回收系統(tǒng)串酸；低溫位熱回收系統(tǒng)向二吸塔串酸；在低溫位熱回收稀釋器或二吸塔循環(huán)槽中補(bǔ)水。根據(jù)需求，可單獨(dú)或同時(shí)從二吸塔循環(huán)酸槽引出w(H2SO4)98%的成品酸、從空氣干燥塔循環(huán)槽引出w(H2SO4)93%的成品酸。

圖2為生產(chǎn)發(fā)煙硫酸典型的串酸流程。

圖2 生產(chǎn)發(fā)煙硫酸典型的串酸流程

生產(chǎn)發(fā)煙硫酸的串酸典型流程是在圖1典型串酸流程的基礎(chǔ)上增加了二吸塔與發(fā)煙硫酸循環(huán)酸系統(tǒng)的互串，即發(fā)煙硫酸向二吸塔串酸，二吸塔向發(fā)煙硫酸循環(huán)酸系統(tǒng)串酸，從發(fā)煙硫酸循環(huán)酸槽中引出w(H2SO4)104.5%的成品酸。

以上兩種串酸工藝中，SO2干燥塔循環(huán)酸先串至空氣干燥塔脫除其中溶解的SO2后再串到二吸塔。如果SO2干燥塔循環(huán)酸直接串至二吸塔，會(huì)造成二吸塔出口煙氣中SO2濃度升高影響尾氣達(dá)標(biāo)排放。

在以上串酸流程中，干吸補(bǔ)水優(yōu)先加入低溫位熱回收混酸器，充分利用水與硫酸的稀釋熱，盡可能多地產(chǎn)蒸汽。但需要注意，并不是所有的補(bǔ)水都可以從低溫位熱回收系統(tǒng)混酸器加入，特別是當(dāng)產(chǎn)w(H2SO4)93%硫酸時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)補(bǔ)水量大，可能會(huì)超出維持低溫位熱回收系統(tǒng)的水平衡。在能夠維持低溫位熱回收系統(tǒng)水平衡的前提下，若加大串酸量或補(bǔ)水量，循環(huán)酸濃度降低，就需要增大循環(huán)噴淋量，這在實(shí)際生產(chǎn)中是很難做到的。

1.2 物料平衡計(jì)算

計(jì)算各循環(huán)系統(tǒng)的串酸量及補(bǔ)水量需對(duì)各循環(huán)酸系統(tǒng)的水平衡和SO3平衡列方程求解。

1.2.1 空氣干燥循環(huán)酸系統(tǒng)水平衡和SO3平衡

1）水：空氣帶入水量+二吸酸串入水量+SO2干燥酸串入水量=串至低溫位熱回收系統(tǒng)水量+串至二吸酸水量+產(chǎn)品酸含有水量。

2）SO3：二吸酸串入SO3量+SO2干燥酸串入SO3量=串至低溫位熱回收系統(tǒng)SO3量+串至二吸酸SO3量+產(chǎn)品酸含有SO3量。

1.2.2 SO2干燥循環(huán)酸系統(tǒng)水平衡和SO3平衡

1）水：煙氣帶入水量+二吸酸串入水量=串至空氣干燥酸水量。

2）SO3：二吸酸串入SO3量=串至空氣干燥酸SO3量。

1.2.3 低溫位熱回收循環(huán)酸系統(tǒng)水平衡和SO3平衡

1）水：補(bǔ)水量+二吸酸串入水量+空氣干燥酸串入水量=串至二吸酸水量。

2）SO3：煙氣帶入SO3量+二吸酸串入SO3量+空氣干燥酸串入SO3量=串至二吸酸SO3量。

1.2.4 二吸酸系統(tǒng)水平衡和SO3平衡

1）水：補(bǔ)水量+低溫位酸串入水量+空氣干燥酸串入水量=串至低溫位酸水量+串至空氣干燥酸水量+串至SO2干燥酸水量+產(chǎn)品酸含有水量。

2）SO3：煙氣帶入SO3量+低溫位酸串入SO3量+空氣干燥酸串入SO3量=串至低溫位酸SO3量+串至空氣干燥酸SO3量+串至SO2干燥酸SO3量+產(chǎn)品酸含有SO3量。

如同時(shí)生產(chǎn)w(H2SO4)104.5%硫酸，對(duì)發(fā)煙硫酸系統(tǒng)H2O平衡和SO3平衡列方程求解，即可求出串酸量。

2 低溫位熱回收系統(tǒng)熱量分析

低溫位熱回收系統(tǒng)帶入的熱量包括煙氣帶入的熱焓、SO3與水的生成熱、補(bǔ)水的微分溶解熱（含蒸汽噴射）、串入硫酸的熱焓以及稀釋熱、濃縮熱；帶出的熱量包括SO3煙氣帶出的熱焓、串出硫酸的熱焓及熱損失。其中煙氣帶入的熱焓、SO3與水的生成熱、補(bǔ)水的微分溶解熱是最主要的帶入熱量，三者的熱量比約為12∶78∶10，隨著進(jìn)出口煙氣溫度的不同及補(bǔ)水量的變化會(huì)略有變化。帶出熱量主要為串至二吸塔高溫硫酸的熱焓以及系統(tǒng)的散熱損失。

3 低溫位熱回收系統(tǒng)產(chǎn)汽量分析

對(duì)低溫位熱回收系統(tǒng)帶入及帶出熱量進(jìn)行衡算，可求出蒸發(fā)器的產(chǎn)汽量。在各循環(huán)酸系統(tǒng)水平衡及SO3平衡的基礎(chǔ)上，干燥塔入口煙氣溫度、不同濃度硫酸產(chǎn)量比例、串至二吸塔的硫酸溫度等因素對(duì)產(chǎn)汽量有較大的影響。

3.1 干燥塔入口煙氣溫度對(duì)產(chǎn)汽量的影響

全產(chǎn)w(H2SO4)93%或98%硫酸時(shí)，SO2干燥塔不同入口煙氣溫度與產(chǎn)汽量的關(guān)系見圖3。

圖3 產(chǎn)汽量與SO2干燥塔入口煙氣溫度的關(guān)系

由圖3可以看出：當(dāng)全產(chǎn)w(H2SO4)98%硫酸時(shí)，產(chǎn)汽量隨著干燥塔入口煙氣溫度的升高而降低；當(dāng)全產(chǎn)w(H2SO4)93%硫酸時(shí)，產(chǎn)汽量隨著SO2干燥塔入口煙氣溫度的升高而不變。這是由于全產(chǎn)w(H2SO4)93%硫酸時(shí)，補(bǔ)水量已超過維持低溫位熱回收系統(tǒng)循環(huán)量和循環(huán)酸濃度所需的最大水量，多余的補(bǔ)水從二吸塔加入，加入到稀釋器的水量為恒定值，產(chǎn)汽量維持不變；全產(chǎn)w(H2SO4)98%硫酸時(shí)，所有補(bǔ)水量都從稀釋器加入，還需加入一部分干燥塔串來的w(H2SO4)93%硫酸到稀釋器，隨著SO2干燥塔入口煙氣溫度的升高，進(jìn)入干燥系統(tǒng)的水量增加，稀釋器補(bǔ)水量減少，反應(yīng)熱減少，從而產(chǎn)汽量降低。因此，全產(chǎn)w(H2SO4)98%硫酸時(shí)為了提高產(chǎn)汽量可降低SO2干燥塔入口煙氣的溫度，但是SO2干燥塔入口煙氣溫度的控制也要考慮經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)闊煔鉁囟仍降蛢艋ば蜓h(huán)冷卻水的消耗量就越大。

空氣干燥塔進(jìn)口空氣溫度對(duì)產(chǎn)汽量具有同樣的影響，冬季空氣含濕量低，低溫位熱回收系統(tǒng)補(bǔ)水量多，產(chǎn)汽量高；夏季空氣含濕量高，低溫位熱回收系統(tǒng)補(bǔ)水量少，產(chǎn)汽量低。

3.2 不同濃度硫酸產(chǎn)量比例對(duì)產(chǎn)汽量的影響

當(dāng)進(jìn)干燥塔煙氣的溫度為40℃時(shí)（即煙氣含水量一定時(shí)），低溫位熱回收系統(tǒng)的產(chǎn)汽量和w(H2SO4)93%硫酸產(chǎn)量比例的關(guān)系見圖4。

圖4 產(chǎn)汽量與w(H2SO4)93%硫酸產(chǎn)量占比的關(guān)系

由圖4可以看出：低溫位熱回收系統(tǒng)的補(bǔ)水量和產(chǎn)汽量都隨著w(H2SO4)93%硫酸產(chǎn)量占硫酸總產(chǎn)量比例的提高而增加，但當(dāng)w(H2SO4)93%硫酸的產(chǎn)量超過硫酸總產(chǎn)量的81%時(shí)，產(chǎn)汽量保持不變，不再隨補(bǔ)水量的增加而增加。分析其原因?yàn)椋寒?dāng)w(H2SO4)93%硫酸產(chǎn)量比例達(dá)到81%時(shí)，低溫位熱回收系統(tǒng)補(bǔ)水量已達(dá)到其維持噴淋密度及硫酸濃度平衡的極限，隨著w(H2SO4)93%硫酸產(chǎn)量比例的提高，過多的補(bǔ)水量會(huì)使低溫位熱回收系統(tǒng)不能維持循環(huán)酸濃度的平衡，多余的補(bǔ)水需要從二吸系統(tǒng)加入。當(dāng)生產(chǎn)發(fā)煙硫酸時(shí)，補(bǔ)水量最少，產(chǎn)汽量最低。

3.3 串至二吸塔的硫酸溫度對(duì)產(chǎn)汽量的影響

蒸發(fā)器出口酸溫度通常控制在180 ℃左右，如果這部分硫酸直接串至二吸塔，將浪費(fèi)大量的熱量，同時(shí)使二吸系統(tǒng)的循環(huán)冷卻水消耗量增加。經(jīng)核算，這部分熱量占總產(chǎn)蒸汽熱量的15%～30%，因此要對(duì)這部分高溫硫酸的熱量進(jìn)行梯級(jí)回收。這部分串出的高溫酸通常會(huì)用于加熱鍋爐給水、干燥串來的w(H2SO4)93%硫酸和除鹽水，以提高產(chǎn)汽率。

3.4 其他因素對(duì)產(chǎn)汽量的影響

低溫位熱回收塔上塔酸和下塔酸的噴淋密度、串酸量、循環(huán)酸溫度以及保溫效果等都對(duì)產(chǎn)汽量有一定的影響，但影響不明顯，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可不予考慮。

4 結(jié)語

含低溫位熱回收系統(tǒng)的銅冶煉煙氣制酸干吸系統(tǒng)穩(wěn)定生產(chǎn)的前提是控制各循環(huán)酸系統(tǒng)的水平衡和SO3平衡，通過設(shè)置合理的串酸流程及熱量利用方案，使產(chǎn)汽量最大化。在煙氣條件一定的情況下，產(chǎn)汽量主要跟補(bǔ)水量及串至二吸塔的硫酸溫度有關(guān)。補(bǔ)水量除了與進(jìn)干燥塔的煙氣和空氣中含水量有關(guān)，還與產(chǎn)品酸生產(chǎn)方案有關(guān)，產(chǎn)w(H2SO4)93%硫酸越多，產(chǎn)汽量越多，但當(dāng)超過低溫位熱回收系統(tǒng)保持噴淋密度及硫酸濃度恒定的最大補(bǔ)水量時(shí)，產(chǎn)汽量保持不變。同時(shí)，應(yīng)充分回收利用串至二吸塔的硫酸熱量，如加熱鍋爐給水、干燥串來的w(H2SO4)93%硫酸和除鹽水。另外，當(dāng)?shù)蜏匚粺峄厥障到y(tǒng)較高溫度的硫酸串至二吸系統(tǒng)時(shí)，二吸循環(huán)酸的溫度提高，在二吸系統(tǒng)設(shè)置換熱器將循環(huán)酸的熱量產(chǎn)熱水以代替用循環(huán)冷卻水直接冷卻，可提高整個(gè)干吸工序的熱回收率。