東南銅業冶煉煙氣制酸裝置試生產回顧

朱智穎，王官華，周桂月，楊曉武

（1. 長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南長沙 410019；2. 中銅東南銅業有限公司，福建寧德352106）

中銅東南銅業陰極銅產能為400 kt/a，硫酸產能為1 460 kt/a，由長沙有色冶金設計研究院有限公司進行總承包建設。該項目從2016 年持續至2019 年完成施工安裝、試生產和驗收。試生產階段是系統運行過程暴露問題最多的時期。技術人員對期間出現的難點問題進行梳理和歸納，對今后項目的設計優化、總承包的改進都有積極意義。筆者對涉及到制酸和尾氣處理系統出現的問題進行梳理和總結。

1 硫酸凈化工序

1.1 一級高效洗滌器出口煙氣溫度過高

絕熱蒸發階段水蒸氣的不飽和狀態造成的氣液溫差不應達到10 ℃以上。一級高效洗滌器出口煙氣溫度一段時期內高達70～80 ℃，與循環液的溫差超過10 ℃，已接近SO2風機聯鎖跳車的溫度[1]。通過對凈化廢酸的濃度化驗分析，推測該現象主要是因為冶煉過程產生的煙氣中SO3濃度過高。根據煙氣的設計條件，煙氣中φ(SO3) 為0.48%～0.62%。如一級高效洗滌器逆噴管后的分離器中有部分SO3被水霧吸收成不同濃度的硫酸，由此計算出SO3[φ(SO3) 以0.48% 計] 吸收水后放熱使煙氣溫度升高的結果，見表1。

由表1 可見：設計煙氣中的SO3如有40% 在逆噴管之后形成酸霧，氣相溫度升高已接近10 ℃，如加上2～3 ℃的氣液不飽和溫差，煙氣溫度上升則超過10 ℃。另外，如果進凈化工序的煙氣φ(SO3)為0.62% 或更高時，即使該過程SO3的吸收率低于40%，煙氣溫度同樣能大幅提升。

為解決上述問題，技術人員采取以下措施：①由于人工測量間隔長，反應滯后，在一級高效洗滌器的廢酸排出管上設置流量和硫酸濃度在線檢測儀，及時了解煙氣中SO3大致含量；②在一級高效洗滌器煙氣出口管上除了設置遠傳電子溫度計還要設置現場溫度表，以備實時對比；③在一級洗滌器的分離器上部設計循環液噴淋層，加強對SO3吸收的同時進一步平衡氣液溫差。

表1 SO3吸收水放熱煙氣溫度升高結果 ℃

1.2 煙管石墨過渡段掉磚

當循環泵發生事故而停車時，新水或回流凈化廢酸未及時補入高位槽，造成一級高效洗滌器的溢流堰出現斷流，導致煙管石墨過渡段掉磚。

高位槽液位與新水閥的液位聯鎖要定期運行維護，防止事故狀態下無法補入新水。新水的補入量要滿足全部靠新水補入時的量，即不算廢酸回流量，高位槽內的液位依然能保持穩定不下降。

1.3 凈化壓濾機金屬管道與接頭腐蝕

凈化壓濾機的水隔膜壓濾系統因串入稀酸造成金屬管道與接頭腐蝕。凈化廢酸含塵濃度較低或壓濾機板框的密封性差是導致稀酸串入壓濾系統的直接原因。

廂式壓濾機設計選用壓縮空氣進行壓濾，會比水壓濾更好地保護壓濾水側的管道和設備。

2 硫酸干吸工序

2.1 碳鋼煙道出現腐蝕穿孔

施工期間，二吸塔去脫硫塔的碳鋼煙道管道在未完全焊接閉合前，有雨水進入管道，封閉前又未及時排出，投料后煙氣中殘余SO3與水結合形成稀酸將管道腐蝕，出現穿孔現象。

在煙氣管道，特別是碳鋼煙道的最低點一定要設置放凈口，及時排出水分。

2.2 干燥稀釋風閥腐蝕嚴重

儀表設計人員誤以為干燥稀釋進風是空氣，忽略了煙氣中存在的大量SO2會與飽和水反應生成同樣具有腐蝕性的亞硫酸，設計時選用碳鋼材質的干燥稀釋風閥，結果造成短期內閥芯閥瓣嚴重腐蝕。

技術人員將閥體閥芯更換為玻璃鋼、不銹鋼或襯塑等非金屬材質，解決了閥門的腐蝕問題。

2.3 SO2風機防喘振溫度計故障

西門子透平機械設備有限公司（原德國KK&K公司）生產的SO2風機為實現自保護，在風機入口段安裝了插入煙氣中的防喘振溫度計。該溫度計是一種測量因喘振造成煙氣溫度升高的保護性停機裝置。如風機前氣體中有大量焊渣未清理干凈，一旦風速達到一定值，焊渣被吹入風機，就會把溫度計探頭打壞，造成風機系統保護性停機。在試運行期間，干燥塔及去SO2風機煙道的焊縫渣打壞了SO2風機防喘振溫度計。

針對上述問題，技術人員應重視風機前金屬管道（較短，其余均為凈化玻璃鋼材質）和干燥塔的焊接質量，每條焊縫最好都是雙面焊。如不能保證雙面焊需在開機前把焊渣、焊瘤全部敲下來并清掃掉。

3 SO2 風機

3.1 SO2風機開機困難或高溫停機

因SO2風機需要的冷卻循環水量小，一般為42 m3/h，設計時易與凈化或干吸循環水系統合并在一起；硫酸循環水泵功率大，未加變頻裝置；運行初期管道中有大量空氣未排出，系統很難調節到合適流量使風機循環水量達到設計流量，從而造成潤滑油站高溫報警，SO2風機開機困難。

技術人員將SO2風機循環水的進水管接一路新水，試車或投產前先以新水灌滿循環管路，再開硫酸循環水；或短期不開硫酸循環水系統，以新水單獨冷卻風機，如此可不受凈化干吸循環水系統的影響。

3.2 風機控制系統冗余滯后或因線路干擾釀成事故

大風機或電機系統啟動過程比小機泵或風機電氣系統復雜。雖然硫酸DCS 系統也能實現該功能，但風機與控制柜之間電纜過多、過長，加大了運行功耗和安裝接線維修的難度，出錯的幾率更大，加大了開車危險性。硫酸DCS 系統本身帶動的電氣設備就很多，再加上風機控制系統，容易冗余滯后或直接因線路干擾釀成事故。

風機控制系統一定要設置獨立的PLC 系統進行自動控制。每臺風機需就近設置單獨的PLC系統，再接入DCS 系統進行可調控制。為安全和運行過程更保險，可在綜合控制室等處設置硬接線急停按鈕，便于在控制室發現緊急情況后急停風機。

3.3 風機電機的防浪涌保護裝置

風機廠家出于對電機自身的保護，在大功率電機上一般會有意設置防浪涌（防雷擊）保護裝置。如果電機不以變頻而采用軟啟動方式開機，瞬時反向高壓電流會擊穿自身未帶保護的軟啟動設備的部分晶閘管，數次（3～4 次）開機后會造成電機缺相啟動，電壓不平衡帶不動電機，30 s 左右逐步燒毀電機線圈，嚴重時會產生爆炸，波及周圍人員生命。

對不同的風機，一定要向風機廠家了解清楚其電機是否設有防浪涌（防雷擊）保護裝置，并與電氣專業對接明確。進口風機更應重視該問題，高壓軟啟動柜的選取一定要采用自我防浪涌保護裝置，以抵消電流的反向沖擊。

4 硫酸轉化工序

4.1 熱風爐預熱管道的盲板安裝困難

熱風爐同時預熱兩次轉化催化劑床層。為簡化預熱管路，熱風爐預熱轉化工序時采用加熱一股一次轉化氣，再分成兩股氣分別預熱一次轉化和二次轉化催化劑床層。正常通煙氣運行后，為防止串氣，在兩股分氣煙管間采用雙閥加設置盲板的方式進行隔斷，以確保一次和二次轉化SO2煙氣完全隔絕。由于閥門難以做到100% 密封，安裝盲板變得十分必要。然而直徑1.2 m 的盲板需要在400 ℃以上的高溫條件下安裝，且安裝過程因閥門密封不嚴還存在SO2泄漏的問題，高溫與毒性氣體泄漏把盲板安裝難度一下提升了數個等級。多人全套防護，利用吊車整整花了1 天才將盲板裝好，而升溫3 天后又要拆下盲板。實際生產中反復作業，問題長期存在。

為解決盲板安裝困難的問題，將熱風爐預熱管道分成獨立的管路，分別加熱一次和二次轉化段。把熱風爐后的升溫預熱器做成2 個獨立的設備形式（也可以上、下放置，合二為一），對一次和二次轉化段的煙氣分別進行升溫預熱，由于系統總的熱需求量基本不變，所以總換熱面積并未增加多少。兩者徹底不相串，也就不存在裝盲板的需要。也可以把熱風爐改成分置的電爐加熱方案。

4.2 熱風爐天然氣消耗量大

開車升溫或硫酸系統保溫時，熱風爐燃燒燃料間接加熱煙氣后的熱空氣直接排空，剩余的高溫熱量未進行任何回收利用即被排放，升溫時間一長，燃料消耗量較大，操作費用高。

在滿足燃燒氧氣濃度的前提下，把熱風爐換熱器出口的部分熱空氣回流至稀釋風進口管，可有效提高熱利用率，減少燃料消耗。

4.3 冶煉和制酸產能提升受限

設計時轉化工序未留富余，在達到設計煙氣量和SO2濃度下，SO2風機已達最大工作壓力60 kPa，在SO2濃度不能提升的前提下，煙氣量也無法再提升，冶金系統礦中硫含量稍微有波動，凈化工序入口就有可能呈正壓，冶金系統投料量受限。

設備管道增大已不現實，轉化器入口煙氣φ(SO2) 幾乎已達最大值16%，將目前串聯的設備設法并聯，達到R總=R大R小/(R大+R小) ∈[R小/2，min(R小，R 大/2)] 的效果。如將換熱器的串聯側進行并聯，或將換熱器與余熱鍋爐由串聯改成并聯。但由此改變了換熱器或余熱鍋爐的熱負荷參數，需重新校核設備滿足工況后，采取增加閥門和副線管的方式以保證改變工況后設備正常運行。當系統阻力減小后，風量得以增加，同時，一段轉化器內氣流分布更均勻，進一步提升了進轉化器SO2氣體的濃度。這樣達到氣量和濃度齊增的效果，能有效提高硫酸產量和冶煉產能。

值得一提的是，設備串聯改為并聯后，應把原串聯管道以閥門或盲板形式進行徹底斷開，才能真正實現設備并聯，阻力減小的效果更明顯。

4.4 轉化器入口SO2濃度受限

轉化器直徑較大，煙氣出口位置未在轉化器中心，使接近出口處的煙氣流速快，遠離出口處的煙氣流速慢；一段轉化器的出口溫度分布不均，流速慢的位置反應更充分，溫度更高。SO2濃度高時，最高溫度容易超過設計溫度，而平均溫度遠未達到設計溫度。因此，要以最高溫度控制入口的SO2濃度。

為解決上述問題，可采取的措施有：①對轉化器出口流道進行改進，使氣體盡量從靠近中心處出去；②改進煙氣入口氣流分布板，增加擾流效果，使氣體分布更均勻；③減少一段催化劑的裝填量，使轉化率進一步降低，達到入口SO2濃度提升、出口溫度穩定不上升的效果。

5 環集煙氣脫硫系統

環集煙氣脫硫系統主要處理熔爐吹煉環集煙氣、冰銅風淬煙氣、吹煉渣風淬煙氣和精煉爐煙氣。所有煙氣進入1 套環集煙氣脫硫系統。脫硫系統沒有備用，更沒有旁路。冶煉正常生產時脫硫系統不能停車；冶煉熱修要接保溫煙氣，脫硫系統也不能停。這導致環集脫硫裝置成了全廠連續運行時間最長的系統，過載承受力較弱，出現一點波動都將造成環保排放超標。

5.1 煙氣中塵含量升高，尾氣SO2含量超標

源頭煙氣中含塵量較大的主要有吹煉渣風淬和冰銅風淬煙氣。這兩股煙氣基本未經收塵就送入環集脫硫系統。煙氣凈化效果不好，導致煙塵進入離子液脫硫系統形成熱穩定性鹽，從而降低離子液脫硫效果。

技術人員可設置1 套凈化系統對源頭煙氣中含塵量較大的煙氣進行單獨洗滌后，再進入脫硫系統；或對其設計獨立的凈化脫硫系統，處理達標后直接排放；還可以對冰銅風淬和吹煉渣風淬煙氣合并洗滌凈化后，再經雙氧水脫硫達標后直接排放。

5.2 脫硫塔布液裝置影響脫硫效果

離子液脫硫塔液體噴淋量較小，只有煙氣量的0.4‰左右，脫硫塔布液裝置液體下流分布不均，直接影響SO2脫除效果。流量小時出現布液點斷流，最大量時出現持液層液泛現象，由此引起氣相短路，SO2脫除不充分等問題。

布液器的選型和安裝要充分考慮理論最小流量和最大流量，避免發生斷流或液泛現象。另外，上、中、下每層規整填料層的選型要合適，整個填料段都應滿足氣流與液流面的充分接觸。

5.3 負壓再生影響解吸效果

設計未明晰離子液解吸過程的主要推動力是溫度，類比制鹽負壓蒸發罐，以負壓再生離子液，結果解吸溫度低于100 ℃，嚴重影響離子液解吸效果。事實上，解吸需在102 ℃以上進行，溫度對SO2與陽離子間的成鍵作用遠大于水氣的攜帶作用。理論上講，當溫度更低，例如解吸溫度接近吸收溫度時，采用大負壓應該也能分離出溶液中SO2，這樣幾乎可以不耗蒸汽，而事實卻剛好相反。所以，保證SO2與陽離子溶液的斷鍵溫度是解吸的必要條件。

另外，由于設計沒有充分考慮必要的蒸汽量，102 ℃離子液解吸時需18 t/h，設計以94 ℃解吸卻只要10 t/h，導致蒸汽和冷凝水管徑偏小。實際加大蒸汽量后，冷凝水側管路阻力明顯增長（因回鍋爐房管道很長），靠蒸汽自身壓力已無法將冷凝水送回鍋爐房。

通過采取以下措施可解決上述問題：①取消負壓再生，改為溫度高于102 ℃的微正壓解吸；②提高蒸汽源的壓力等級，滿足將冷凝水壓回鍋爐房的條件；如蒸汽壓力無法提高，則增設1 臺增壓泵提高冷凝水輸送壓力，確?；厮槙?。

5.4 不能確保處理高濃度SO2煙氣時尾氣達標排放

脫硫塔僅設1 層噴淋層，處理SO2濃度不高[ρ(SO2) ＜2.5 g/m3] 的煙氣時，能滿足尾氣達標排放。一旦冶煉系統打開多個放銅口、放渣口，陽極爐也處于氧化期操作，煙氣中SO2濃度大幅超過設計值。脫硫系統沒有應急裝置確保尾氣達標，僅靠補加新鮮離子液來維持較強的脫硫效果。這樣大大增加了每年離子液的補加量。經統計，離子液補加量為26 t/a（設計為12.4 t/a），占裝填量（64 t）的40%。

在脫硫噴淋層后設置溶液回收段或設置堿洗保安段（或保安塔），提高SO2總脫除率。溶液回收段利用捕沫器捕收煙氣夾帶的離子液，以循環洗滌的方式再次脫除煙氣中SO2，確保尾氣SO2排放達標。堿液保安塔是增設脫硫塔對尾氣再次以堿液脫硫，保證SO2達標排放。堿液可利用脫鹽系統的陰離子再生廢堿為原料。堿洗脫硫后，再將Na2SO4中性溶液排至廢水處理站。

6 煙氣脫硝工序

6.1 環集煙氣脫硫系統NOx超標

GB 25467—2010《銅、鎳、鈷工業污染物排放標準》規定大氣污染物中ρ(NOx) 的特別排放限值為100 mg/m3。該項目總體設計時忽略了煙氣中NOx的排放問題，認為任何工況下尾氣中的ρ(NOx)都不會超過80 mg/m3。實際上，為防止陽極爐在進冷料（殘極）或取樣時正壓冒氣，采取了開大引風機保證爐體微負壓操作，致使空氣進入爐膛產生熱力型NOx；熔煉爐、吹煉爐在每周停爐保溫幾小時內，燃燒天然氣使用的空氣也同樣會產生熱力型NOx，致使環集煙氣脫硫系統NOx超標。

針對爐子短期、間斷地產生NOx，且總量不大的特點，設計采取在脫硫之后以臭氧脫硝工藝進行NOx的脫除。設計處理煙氣量為450 000 m3/h，ρ(NOx) 為250 mg/m3，脫硝后尾氣達標排放。實際選用2 臺60 kg/h 臭氧發生裝置，每臺發生器負荷可調范圍為30%～100%。以脫硫保安塔為脫硝塔，利用NaOH 溶液脫除NOx，含硝酸鈉的脫硝污水去廢水處理工序。

選用臭氧脫硝應注意以下幾點：

1）臭氧噴入的反應煙道要有1 s 左右的停留時間，以保證氧化效率。

2）可設置靜態混合器加強臭氧與煙氣的混合。

3）脫硝塔的堿液循環量應有富余，保證NOx的脫除率。

4）臭氧發生器運行后，會在電極玻璃管的內外側出現黑色附著物。這是不銹鋼電極在高濃臭氧環境生成的氧化物在高壓電場作用下持續定向遷移的特征現象，而非氧氣源本身可能夾帶的少量金屬微塵顆粒，黑色氧化物積累到一定程度后需要對玻璃管更換或清理。

5）臭氧發生器的電極單元數要與臭氧產量相匹配，且適量的富余能減少電極表面金屬粒子的氧化遷移效應及玻璃管發黑的程度。

6.2 成品酸出現變色現象

冶煉過程的二次復燃風或鹽化風會產生NOx，使硫酸尾氣中ρ(NOx) 為20～50 mg/m3。NOx可在干吸工序與部分硫酸反應生成亞硝酰硫酸。該物質破壞部分氧化膜后形成Fe3+，再發生反應生產Fe2+。Fe2+再與H2SO4形成FeSO4白色沉淀，由此成品酸會出現變紅或變白的現象。

因尾氣中ρ(NOx) 一直未超標，故暫不做脫硝處理，今后可考慮在硫酸系統采用脫硝工藝。

7 結 語

通過對中銅東南銅業冶煉煙氣制酸裝置試生產過程出現的問題進行分析，并提出和落實針對性的解決方案，試生產中出現的問題基本都得到解決或改善。這些問題大多是因設計考慮不周或被設計忽視而出現的，生產卻因此不得不減產或停修，造成了經濟和時間雙重損失。因此，把好設計關，重視生產的意見，及時調整、增加當前和今后的設計關注點，才能不斷完善工藝和減少棘手問題的出現。