銅冶煉煙氣非衡態高濃度SO2轉化制酸生產實踐

王官華

（中銅東南銅業有限公司，福建寧德 352000）

某銅冶煉企業400 kt/a陰極銅項目配套的煙氣制酸生產裝置硫酸設計產能為1 462 kt/a，采用1套凈化、2套干吸、2套轉化的非衡態高濃度SO2二轉二吸制酸工藝。凈化采用一級動力波洗滌塔—氣體冷卻塔—二級動力波洗滌塔—兩級電除霧器稀酸洗滌凈化流程；干吸采用一級干燥+兩級吸收流程；轉化采用“1+4”兩次轉化工藝；尾氣脫硫采用雙氧水法脫硫工藝。

1 高濃度SO2轉化工藝

國內冶煉制酸高濃度SO2轉化工藝主要采用美國孟莫克公司MECS預轉化技術、LUREC?高濃度SO2轉化技術及非衡態高濃度SO2轉化技術，轉化氣φ(SO2)均可達16%～18%。

1.1 MECS預轉化技術

MECS預轉化技術的基本原理是用干燥空氣將氣體φ(SO2)由28%稀釋到18%，只需要補充原氣量50%左右的空氣。將該稀釋空氣加到串酸脫吸塔中單獨進行干燥，然后與小部分φ(SO2)28%氣體混合后送入一個小型預轉化器進行預轉化，轉化后氣體再與φ(SO2)28%的主氣流混合后進入主轉化器一段反應[1]。

1.2 LUREC?高濃度SO2轉化技術

根據煙氣中的氧硫比，在干燥塔煙氣入口補充空氣將煙氣φ(SO2)稀釋至約17%，與轉化三段返回的占煙氣總量30%的混合煙氣（含SO2和SO3）共同進入轉化器一段。為了避免轉化器一段的溫度過高，通過自動調節SO3的循環量來抑制轉化一段的轉化率，使一段催化劑床層的溫度控制在630 ℃以下，因此需要增加熱SO3循環風機。LUREC?高濃度SO2轉化工藝的關鍵技術是在轉化器三段轉化后分流約30%煙氣返回轉化器一段進行再循環，允許將進入轉化器的煙氣φ(SO2)保持在7%～17%[2]。

1.3 非衡態高濃度SO2轉化技術

非衡態高濃度SO2兩次轉化工藝，設計進轉化器煙氣φ(SO2)最高為18%，其核心是在轉化器一段設計適當的催化劑裝填量，通過可靠的控制措施抑制SO2在一段的轉化率，確保轉化器一段、二段出口溫度控制在預設范圍內。煙氣經熱交換器兩次換熱后進入轉化器一段進行轉化反應，減少轉化器一段的催化劑裝填量使得煙氣在達到SO2平衡轉化率前離開一段催化劑床層。在煙氣進入轉化器二段前設置余熱鍋爐，以維持進入轉化器二段的溫度穩定，煙氣經余熱鍋爐及熱交換器冷卻后進入轉化器二段催化劑床層，此時煙氣φ(SO2)低于12%，后續工藝相當于常規的“3+1”兩次轉化工藝。在此過程中轉化器一段和二段的溫度低于635 ℃。該技術可處理φ(SO2)達到18%的煙氣，可降低工程總投資和運行成本，同時提高硫酸余熱鍋爐的蒸汽產量，是一種節能降耗型轉化技術[3]。

2 某銅冶煉企業非衡態高濃度SO2轉化制酸生產實踐

2.1 工藝流程

某銅冶煉企業非衡態高濃度SO2轉化制酸工藝流程見圖1。

圖1 非衡態高濃度SO2轉化制酸工藝流程

轉化制酸工藝為“1+4”流程，分5段轉化，配置5個外置換熱器，其中一段單獨作為1#轉化器，二至五段為2#轉化器。從 SO2主風機來的φ(SO2)為 16%～18%的冷 SO2煙氣首先進入 IV換熱器，與轉化器四段出口的熱煙氣進行換熱后進入 II換熱器，與轉化器二段出口的熱煙氣再次進行換熱，經兩次換熱的煙氣溫度達到催化劑的起燃溫度后進入轉化器一段進行轉化反應，轉化率約為40%（平衡轉化率約為 65%），轉化器一段出口煙氣的溫度低于催化劑的極限使用溫度，其中φ(SO2)約為 10%。轉化器一段出口的煙氣經 1#余熱鍋爐回收熱量后依次進入轉化器二段、II 換熱器、轉化器三段、III 換熱器、轉化器四段和IV換熱器進行轉化反應和換熱，然后進入 2#余熱鍋爐回收熱量后進入一吸塔吸收 SO3。 經一次吸收后的冷煙氣依次進入 V和III 換熱器換熱，將煙氣溫度加熱到催化劑的起燃溫度后進入轉化器五段進行轉化反應，五段出口熱煙氣通過 V換熱器與一次吸收后的冷煙氣換熱降溫后，進入二吸塔吸收 SO3，實現兩轉兩吸。

2.2 非衡態高濃度SO2轉化制酸工藝特點

該制酸工藝能夠適應煙氣量相對較小、高濃度SO2的冶煉煙氣，具有以下幾個特點：

1）轉化操作簡單，系統適應性較強，即使冶煉爐降低負荷，轉化系統仍不需進行大幅度和頻繁操作調整。當熔煉爐降料至70%負荷作業或只有單吹煉爐作業時，可僅運行1套干吸和1套轉化系統，該轉化系統不受煙氣處理量波動幅度的影響，同時能夠維持轉化熱平衡濃度不變，提高操作適應性，降低運行成本。如果其中1套干吸或轉化設備故障時，冶煉系統不需停產，另一套干吸、轉化可進行正常生產。

2）進入制酸系統的煙氣SO2濃度高，如采用常規SO2轉化工藝，則需在干吸前配置大量稀釋風量以降低進入轉化器煙氣φ(SO2)至約13%，設備體積和占地面積較大，裝置投資和生產運行成本較高。非衡態高濃度SO2轉化工藝，一套轉化系統只需一臺SO2主風機，設備換熱面積相對減少，而且不需增加熱SO3循環風機，減少了設備投資。另外，因避免了常規轉化系統用空氣稀釋煙氣時大量N2造成熱量損失，提高了余熱鍋爐的蒸汽產量。

3）冶煉負荷低時可進行2套轉化系統切換操作，一套轉化系統切斷進氣，另一套轉化系統保持煙氣運行。輪流切換接入煙氣，確保轉化系統SO2的熱平衡濃度，穩定轉化溫度。在熔煉爐、吹煉爐均停料的情況下，轉化溫度可保持在每小時下降6～12 ℃內，如在6 h內復產，不需運行開工爐升溫直接進行煙氣接入操作即可。

4）常規轉化工藝催化劑裝填系數約為260 L/(t·d)，該制酸工藝的催化劑裝填系數為220 L/(t·d)，相較于常規轉化裝填系數較低，節省了催化劑裝填量。

2.3 進入凈化工序的煙氣條件

進入制酸系統凈化工序的煙氣條件見表1。

表1 進入制酸系統凈化工序的SO2煙氣條件 m3/h

由表1可以看出：熔煉煙氣中φ(SO2)略高于吹煉煙氣2.83個百分點，其他煙氣含量兩者接近；熔煉總風量為105 177 m3/h，吹煉總風量為42 335 m3/h，熔煉風量較吹煉風量高約61 842 m3/h；熔煉+吹煉混合后煙氣φ(SO2)達29.03%，進入制酸系統凈化工序總風量可達147 512 m3/h。

2.4 制酸系統主要設備情況

制酸系統干吸、轉化工序主要設備及規格參數見表2。

2.5 非衡態高濃度SO2轉化制酸系統運行效果

該冶煉企業的制酸生產裝置自2018年投產以來，各項生產指標除中、低溫余熱鍋爐產汽量不足外都達到了設計要求，總轉化率達到99.92%以上，二吸塔出口排放尾氣ρ(SO2)＜250 mg/m3。該制酸系統主要運行參數見表3～5。

表2 干吸、轉化工序（單套系統）主要設備及規格參數

表3 非衡態高濃度SO2轉化制酸干吸工序運行參數

表4 非衡態高濃度SO2轉化制酸轉化工序運行參數

表5 非衡態高濃度SO2轉化制酸余熱鍋爐運行參數

經分析，中溫余熱鍋爐產汽量不足主要是因為轉化器一段出口煙氣溫度未達設計值，造成中溫余熱鍋爐入口煙氣溫度低；低溫余熱鍋爐產汽量不足的原因為鍋爐設計換熱面積偏小。

3 非衡態高濃度SO2轉化工藝生產注意事項

3.1 控制轉化器一段催化劑床層溫度

轉化器一段床層催化劑表層溫度嚴禁超過415℃。如果催化劑表層溫度控制過高，SO2轉化率將會大幅度提高，則催化劑有達到635 ℃超溫的風險。在轉化器一段床層進氣口設立應急閥，一段床層催化劑溫度過高時將應急閥打開，抑制SO2在一段床層的轉化，以此控制催化劑超溫風險。

3.2 關注SO2主風機出口煙氣SO2濃度變化

轉化系統接入煙氣后，需注意SO2主風機出口煙氣SO2濃度變化、轉化器一段入口溫度、催化劑表層溫度及溫度上漲情況，防止因SO2氣濃高未及時開大或調整稀釋風閥開度造成一段催化劑床層溫度急劇上漲。

3.3 轉化器一段存在氣流偏流現象

轉化器一段從頂部中心進氣，側面出氣，轉化器一段催化劑床層氣流分布不均勻，存在催化劑床層各溫度點溫差較大的情況。在遠離出氣點位置，風量大，SO2濃度高，負荷高，所以一段催化劑床層溫度差最大，這將影響提高SO2主風機出口煙氣的濃度和轉化器一段催化劑床層的溫度控制。為進一步提高進轉化器煙氣的SO2濃度，下一步將進行工藝優化解決氣流偏流的問題。

4 結語

通過不斷的摸索和實踐，非衡態高濃度SO2轉化工藝制酸技術日趨完善和成熟，該技術能夠滿足冶煉企業轉化器進口煙氣φ(SO2)最高為18%的生產要求，且具有投資少、SO2轉化率高、操作簡便、系統適應性強等優點，已成為國內冶煉煙氣制酸技術新的發展方向。在實際生產中仍存在轉化器一段床層氣流分布不均勻會影響催化劑床層溫度等問題，后續還需進一步技術優化，以取得更好的應用效果。