冶煉煙氣制酸系統(tǒng)干燥酸溫度超標(biāo)的原因及措施

程華花，孫治忠，楊立坤，劉 歡，柴瑾瑜

（金川集團(tuán)有限公司鎳冶煉廠，甘肅金昌 737100）

某冶煉煙氣制酸系統(tǒng)配套處理鎳富氧頂吹爐及其轉(zhuǎn)爐、電爐的高溫、含塵、含雜的混合SO2煙氣。進(jìn)入凈化工序約220～260 ℃的高溫?zé)煔猓謩e流經(jīng)湍沖塔降溫除塵、洗滌塔增濕、冷卻塔降溫促進(jìn)酸霧進(jìn)一步長大、電除霧器除霧、干燥塔濃酸洗滌除水后，經(jīng)SO2鼓風(fēng)機(jī)輸送至轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化、換熱器和余熱鍋爐換熱、一吸塔和二吸塔吸收后，經(jīng)絕熱蒸發(fā)塔、尾吸塔吸收后達(dá)標(biāo)排放。制酸系統(tǒng)工藝流程見圖1。

在實際生產(chǎn)過程中，制酸系統(tǒng)整體熱量偏高，干燥循環(huán)槽酸溫度頻繁超標(biāo)。濃硫酸溫度越高腐蝕速率越快，干吸工序的316L管道、聚四氟乙烯閥門腐蝕嚴(yán)重，陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器、濃硫酸液下泵頻繁故障，給制酸和冶煉系統(tǒng)的安全穩(wěn)定生產(chǎn)帶來了不利影響。

圖1 制酸系統(tǒng)工藝流程

1 制酸系統(tǒng)干燥酸溫度超標(biāo)的現(xiàn)狀及影響因素分析

1.1 現(xiàn)狀

2018年1—12 月制酸系統(tǒng)的干燥酸溫度統(tǒng)計數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 2018年1—12月干燥酸溫度

由圖2可以看出：2018年制酸系統(tǒng)干燥酸溫度月平均值最高79.1 ℃、最低73.7 ℃，全年平均值75.7 ℃，已超出操作規(guī)程對干燥酸溫小于或等于75 ℃的控制要求。

1.2 影響因素分析

為了穩(wěn)定工藝指標(biāo)、解決設(shè)備設(shè)施頻繁腐蝕的問題，對2019年1—3月干燥酸溫度超標(biāo)的影響因素進(jìn)行分類統(tǒng)計，找出主要影響因素。2019年1—3月干燥酸溫度超標(biāo)影響因素頻次統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 2019年1—3月干燥酸溫度超標(biāo)影響因素頻數(shù)統(tǒng)計

由表1可以看出：“上塔循環(huán)酸溫度偏高”和“入口煙氣溫度偏高”2項占干燥酸溫超標(biāo)總頻次的91.892%，是制酸系統(tǒng)干燥酸溫度超標(biāo)的主要影響因素。

2 制酸系統(tǒng)干燥酸溫度超標(biāo)的原因分析

根據(jù)2018年1—12月的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，2018年1月、2月、3月、12月這4個月的干燥酸溫度均低于75 ℃，超標(biāo)時段主要是氣溫相對較高的季節(jié)。利用頭腦風(fēng)暴法，從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測等6個方面進(jìn)行原因分析，最終確定凈化工序降溫效果差、循環(huán)水能力不足、硬度高和設(shè)備換熱效率低等是造成干燥酸溫度超標(biāo)的主要原因。

2.1 凈化工序降溫效果差

制酸系統(tǒng)凈化工序包括湍沖塔、洗滌塔、冷卻塔和電除霧器，通過濕法凈化洗滌進(jìn)行煙氣的降溫除雜，將二級電除霧器出口煙氣溫度降低至37 ℃以下。實際生產(chǎn)過程中，由于凈化洗滌塔和冷卻塔溫降較低，導(dǎo)致二級電除霧器出口煙氣溫度超標(biāo)嚴(yán)重，隨煙氣帶入干燥塔的水分含量增加，導(dǎo)致干燥酸溫度高。凈化工序各塔降溫效果統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。

2.2 循環(huán)水能力不足

制酸系統(tǒng)循環(huán)水冷卻塔設(shè)計冷卻水量為9 561 m3/h，上塔水溫度38 ℃，下塔水溫度28 ℃。實際循環(huán)水量10 500 m3/h，上塔水溫度38 ℃，下塔水溫度31 ℃，循環(huán)水降溫移熱能力差。且在實際生產(chǎn)過程中，由于煙氣條件發(fā)生變化，系統(tǒng)的需水量發(fā)生了較大變化。根據(jù)制酸系統(tǒng)現(xiàn)有工藝指標(biāo)進(jìn)行整體熱量衡算發(fā)現(xiàn)：①實際煙氣狀況下，需要循環(huán)水量為14 678 m3/h，而實際循環(huán)水量為10 500 m3/h，需增加循環(huán)水量4 178 m3/h，取整4 500 m3/h。②涼水塔冷卻能力不足，上、下塔溫差設(shè)計值為10℃，實際溫差只有7 ℃。

制酸系統(tǒng)熱量衡算對比數(shù)據(jù)見表3。

表2 凈化工序各塔降溫效果統(tǒng)計

表3 制酸系統(tǒng)熱量衡算對比

由表3可見：循環(huán)水基礎(chǔ)水溫度高、換熱量不足，導(dǎo)致凈化和干吸工序的移熱能力不足。

2.3 設(shè)備換熱效率低

制酸系統(tǒng)的換熱設(shè)備主要包括凈化稀酸板式換熱器和干吸陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器。稀酸板式換熱器主要用于冷卻凈化冷卻塔內(nèi)的循環(huán)稀酸，換熱效果越好循環(huán)稀酸溫度越低，二級電除霧器出口煙氣溫度越低。實際生產(chǎn)過程中，冷卻塔循環(huán)稀酸溫度達(dá)40.4 ℃（設(shè)計溫度35 ℃），二級電除霧器出口煙氣溫度達(dá)43.6 ℃。

2019年4 月制酸系統(tǒng)冷卻塔循環(huán)稀酸溫度統(tǒng)計見表4。

表4 2019年4月制酸系統(tǒng)冷卻塔循環(huán)稀酸溫度統(tǒng)計

陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器主要用于冷卻干吸三塔的循環(huán)酸，換熱效果越好循環(huán)酸溫度越低，干燥循環(huán)槽酸溫度越低。

實際生產(chǎn)過程中，干燥循環(huán)槽酸溫度達(dá)76.7℃（設(shè)計溫度69.18 ℃）。2019年4月制酸系統(tǒng)干燥循環(huán)槽酸溫統(tǒng)計見表5。

表5 2019年4月制酸系統(tǒng)干燥循環(huán)槽酸溫度統(tǒng)計

3 降低制酸系統(tǒng)干燥酸溫度的措施及應(yīng)用效果

3.1 洗滌塔改造，增強(qiáng)凈化降溫效果

經(jīng)過受力、傳質(zhì)、熱平衡和空間布局計算，確定洗滌塔改造方案：拆除洗滌塔內(nèi)兩層螺旋噴頭，對上、下兩層噴淋管道及噴頭進(jìn)行整體更換、下層上移，增加了支撐和格柵，格柵上整齊擺放了三層、約0.45 m高、110型號的十字隔板瓷質(zhì)填料。

洗滌塔改造后，其降溫效果明顯增強(qiáng)，洗滌塔煙氣溫降由改造前的1.8 ℃提高至改造后的5.8 ℃，提高了4.0 ℃。

3.2 新建冷卻塔，增強(qiáng)循環(huán)水降溫能力

根據(jù)制酸系統(tǒng)熱量計算，新建了3臺1 500 m3/h的逆流式玻璃鋼冷卻塔，設(shè)計進(jìn)水溫度為36℃，出水溫度為28 ℃。循環(huán)水泵出口總管分成 2支，1支DN 1 200 mm的上水管道給干吸工序陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器供水，通過DN 1 200 mm的回水管道流至循環(huán)水池；1支DN 800 mm的管道給凈化工序稀酸板式換熱器供水，通過2根DN 800 mm的回水管道分別流至循環(huán)水冷卻池或新建冷卻塔，具體流向通過凈化工序循環(huán)水回水閥閥 2（至原制酸系統(tǒng)冷卻塔）和凈化工序循環(huán)水回水閥閥 3（至新建冷卻塔）的開關(guān)來調(diào)節(jié)。

表6 洗滌塔改造前后煙氣降溫情況對比 ℃

循環(huán)水系統(tǒng)改造流程示意見圖3。

改造后，循環(huán)水基礎(chǔ)水溫由31 ℃下降至27 ℃，下降了4 ℃。

圖3 循環(huán)水系統(tǒng)改造流程示意

3.3 優(yōu)化循環(huán)水管道配置，高效清洗，提高設(shè)備換熱效率

1）優(yōu)化循環(huán)水管道配置。對制酸系統(tǒng)凈化9臺板式換熱器循環(huán)水入口管道進(jìn)行重新布局，4#、5#、6#、7#板式換熱器分支管由DN 300 mm變徑成DN 200 mm直管，用于主管分流；4#、5#板式換熱器分別等距接自1#、2#板式換熱器；因3#板式換熱器最靠近循環(huán)水總管、其分水量最大，故兼顧6#、7#2臺板式換熱器供水。

2）高效清洗。稀酸板式換熱器板片的酸道和水道互換，利用稀酸溶解污垢；年檢時用70 MPa的高壓水逐臺清洗板片的正、反面；年檢時，化學(xué)清洗+高壓水逐臺疏通陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器的列管。經(jīng)稀酸浸泡、高壓水清洗后，板片上的附著物得到了徹底清除。

措施實施后，凈化循環(huán)稀酸溫降由10.9 ℃提高至14.6 ℃，干燥循環(huán)濃硫酸溫降由14.5 ℃提高至17.4 ℃，換熱設(shè)備移熱能力明顯增強(qiáng)。

改造前后凈化循環(huán)稀酸溫降和干燥循環(huán)濃硫酸溫降效果對比分別見圖4和圖5。

圖4 改造前后凈化循環(huán)稀酸溫降對比

3.4 整體應(yīng)用效果

各項措施實施完畢后，制酸系統(tǒng)干燥酸平均溫度由75 ℃左右降低至69 ℃左右，效果較好。2019年1月至2020年4月干燥酸溫統(tǒng)計見圖6。

圖5 改造前后干燥陽極保護(hù)冷卻器降溫效果對比

圖6 實施過程中干燥酸溫變化趨勢

改造措施實施后，制酸系統(tǒng)干吸工序的設(shè)備設(shè)施腐蝕情況明顯好轉(zhuǎn)，減少設(shè)備設(shè)施腐蝕的材料備件和檢維修費用約12萬元，制酸系統(tǒng)首次生產(chǎn)出w(H2SO4)98%硫酸增加銷售收入約44.5萬元。

4 結(jié)語

隨著干燥酸溫的下降，制酸系統(tǒng)干吸工序的熱負(fù)荷隨之降低，工藝指標(biāo)恢復(fù)正常，高溫硫酸發(fā)紅的問題得到了解決，設(shè)備設(shè)施腐蝕情況得到明顯改善，首次生產(chǎn)出w(H2SO4)98%硫酸，增加了制酸系統(tǒng)硫酸產(chǎn)品種類，避免了外部返酸操作帶來的安全隱患，保證了硫酸和火法冶煉系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。