和鼎銅業800 kt/a冶煉煙氣制酸裝置的設計及運行

丁治元

（浙江江銅富冶和鼎銅業有限公司，浙江杭州310000）

浙江江銅富冶和鼎銅業有限公司（以下簡稱和鼎銅業）800 kt/a硫酸裝置凈化工序設計煙氣處理量為 217 052 m3/h，φ(SO2)為 11.71%。該裝置于2017年8月開始升溫試生產，投產以來裝置整體運行平穩，各項指標均達到或超過設計值。

1 設計基礎

進凈化工序最大煙氣流量工況下煙氣組成見表1。

表1 進凈化工序最大煙氣流量工況下煙氣組成

硫酸裝置凈化工序入口煙氣設計溫度為（300±20）℃，凈化工序入口煙氣平均塵含量(ρ)為 0.5 g/m3，最大塵含量 (ρ)為 1.0 g/m3。設計年工作時間為 330 d。

2 工藝選擇及特點

銅冶煉煙氣成分復雜，煙氣量波動較大。根據目前同類企業生產經驗，和鼎銅業制酸系統采用一級動力波洗滌器—氣體冷卻塔—二級動力波洗滌器—兩級電除霧器，絕熱蒸發、稀酸洗滌凈化、ⅢⅠ-ⅣⅡ二轉二吸制酸工藝流程。為了進一步降低制酸系統排放尾氣SO2濃度，在二吸塔出口設置了尾氣脫硫動力波洗滌器進行尾氣SO2的吸收[1]。廢酸工序采用硫化法處理回收污酸中銅、砷等，廢水工序采用石膏+兩級中和鐵鹽法進行處理。

2.1 凈化工序

由于銅冶煉煙氣雜質含量較高，煙氣波動大，為保證穩定的凈化效果，凈化工序選用一級動力波洗滌器—氣體冷卻塔—二級動力波洗滌器—兩級電除霧器，稀酸洗滌凈化工藝。主要特點如下：

1）一級動力波洗滌器溢流堰供液方式為：一級動力波洗滌器抽出泵—斜板沉降槽—上清液槽—事故高位水槽—溢流堰。該供液方式采用斜板沉降槽上清液進行溢流堰循環供液，保證了溢流堰循環液的低固含量，減少了溢流堰積泥堵塞的幾率。采用經高位槽后給溢流堰供液的方式可以使高位槽液體處于循環流動狀態，避免了應急情況下由于高位槽出口閥不能及時打開，或由于高位槽出口閥處管段冬天結冰無法給溢流堰提供保護液等情況的發生。

2）凈化串酸方式是從后向前溢流串液。該串液方式無需安裝儀表控制閥門，既節省了儀表控制系統的設備投資，同時避免了由于儀表控制閥故障造成的塔體打空及滿液事故的發生。

3）設置硅酸鈉溶解/添加槽，向槽體添加液體硅酸鈉，稀釋后泵送至硅酸鈉高位槽，然后自流至二級動力波洗滌器循環泵進口管道，由于硅酸鈉對煙氣中氟的吸收，增加了系統的除氟效果，確保凈化出口氟含量達標。

2.2 干吸工序

干吸工序采用一次干燥、兩次吸收，塔—槽—泵—冷卻器—塔的泵后冷卻工藝流程。主要特點如下：

1）為了確保硫酸霧不帶入SO2鼓風機，在干燥塔頂部設置了316L金屬絲網除沫器；一吸塔、二吸塔頂部分別設置了進口的ES型和CS型纖維除霧器。除霧器的設置提高了對硫酸霧的捕捉效率，有效地減少了三塔出口硫酸霧的量，減少了后續管道及設備的腐蝕，有利于系統的長期、穩定運行。

2）二吸塔出口設置了二吸塔—干燥塔進口回流管，該回流管的設置可以使干吸系統在回流管使用過程中極大地減少外界空氣的吸入，從而避免由于大量吸入外界空氣而造成的干吸酸濃度急劇下降，在二吸塔—干燥塔進口回流管全開、電除霧器出口壓力維持在-1 kPa以下的情況下，可使干吸酸質量分數每小時下降速率小于等于0.05%，該設置極大地減少了制酸系統升/降溫過程中的母酸消耗，避免了制酸系統升/降溫過程中的倒酸操作。

3）干吸塔分酸裝置采用具有高耐腐性能的特種高硅不銹鋼管槽式分酸器[2]，分酸密度在43點/m2以上，分酸均勻性好，能在相對較短的填料高度內完成噴淋酸的均勻分布，增加了氣液接觸面積及塔內填料的利用效率，有利于獲得較高的干燥及吸收效率。

4）三塔上酸管及回酸管采用316L帶陽極保護管道[3]，該管道的采用，在提高管道高溫下耐濃硫酸腐蝕性能的前提下，極大地減少了管道的法蘭連接面。與低鉻鑄鐵管道相比，降低了由于采用低鉻鑄鐵管道法蘭連接面過多而存在的漏酸隱患。與316L管道相比，不僅提高了管道在高溫下的耐腐性能，同時降低了管道的晶間腐蝕。

5）吸收循環槽加水套管上增設了負壓管，能及時排除酸、水混合產生的大量硫酸霧和熱量，增加了對加水裝置的保護能力，同時硫酸霧的及時排出也有利于吸收循環槽內壓力的穩定，避免了加水量大時產生的槽體震動。

6）干吸工序為低位配置，采用臥式泵槽，下塔酸從槽體封頭底部進入，減輕了對槽體的沖刷，同時加快了回流酸與槽內酸的混合速度，增加了槽內濃硫酸濃度的均勻程度。

2.3 轉化工序

轉化工序采用四段“3+1”式雙接觸工藝、ⅢⅠ-ⅣⅡ換熱流程，SO2鼓風機選用進口西門子離心風機。主要特點如下：

1）采用帶旋流網板的縮放管高效換熱器。該換熱器的縮放管結構能促進管內外兩側氣流的界面湍流、強化對流傳熱作用，內部的旋流片能迫使內部流體做強烈的三維螺旋運行，進一步增強流體湍流度，該換熱器具有較高的總傳熱系數。

2）采用電爐作為轉化系統升溫熱源，相對燃油始動爐而言，電爐可隨起隨用，爐體本身無需按升溫曲線燃油升溫，既可以作為轉化系統升/降溫熱源，同時也可作為因爐窯系統短暫停車無SO2供應時轉化系統的維持溫度熱源，在一定程度上減少了由于爐窯系統短暫維護而引起的制酸系統頻繁停車。

3）SO2風機出口設置風機出口—干燥塔進口回流閥。該回流閥的設置能較大范圍地調節進入轉化系統的風量，能在風機正常運行本身要求的最小風量的基礎上，通過將部分風量向干燥塔進口回流，從而進一步減少進入轉化系統的風量，這可以在一定程度上降低轉化系統升溫電爐功率配置，從而節省升溫熱源投資費用及運行成本。

4）Ⅲ換熱器與一吸塔之間設置熱管余熱鍋爐進行轉化系統余熱回收，既節省了SO3冷卻器及冷卻風機的投資及運行費用，同時回收余熱蒸汽，產生了可觀的經濟效益。

2.4 尾氣脫硫工序

尾氣脫硫工序采用石灰石-石膏法動力波脫硫工藝。主要特點如下：

1）采用石灰石粉作為脫硫劑，原料便宜易得，脫硫成本低，并能在脫硫的同時得到副產品石膏外售，解決了脫硫固體廢棄物的堆放問題。

2）動力波脫硫塔底部設置了3個側攪拌器，攪拌器的攪動，有效地降低了動力波脫硫塔底部的固體沉積。

3）設置有氧化風機及密度計，能夠對脫硫反應生成的亞硫酸鈣進行充分氧化，并通過循環液密度的升/降進行產石膏操作，充分保證了固體產物中硫酸鈣的含量。

2.5 廢酸廢水工序

廢酸工序采用兩級硫化法處理，回收污酸中銅、砷等，廢水工序采用石膏+兩級中和鐵鹽法進行硫化后液的處理。主要特點如下：

1）采用兩級硫化除砷，相對于國內常規采用的一級硫化除砷工藝可獲得更高的砷去除率，杜絕了由于單級硫化設施性能不穩定而造成的出水砷含量波動情況的發生，運行中硫化工序砷去除率大于等于98%，硫化后液砷質量濃度小于等于15 mg/L。

2）兩級硫化除砷，通過現場滴定試驗及ORP值的自控調節，實現了硫化劑的精準添加，硫化劑過量系數較單級硫化法大為降低，在減少硫化劑消耗的同時，避免了過量H2S的產生。

3）石膏工序采用石灰石粉作為硫酸中和劑，中和工序采用Ca(OH)2粉作為硫酸中和劑，根據不同環節硫酸含量的差異，而選用不同的硫酸中和劑，既節約了藥劑成本，又避免了接近中性環境下的石灰石粉的過量添加。

4）廢酸、廢水工序藥劑添加方式均采用高位槽自流添加，有利于輸送泵的節能。

5）廢水工序采用真空帶式過濾機進行石膏脫水，裝置自動化程度高，全過程無需人員參與，與傳統板框壓濾機相比，石膏渣水含量穩定且極大地降低了崗位人員的勞動強度。

3 運行情況

系統自升溫試生產以來，設備運轉率為99.5%，各項主要技術指標達到或超過設計值，具體情況如下。

3.1 煙氣洗滌及干燥

自試生產以來，該裝置凈化工序運行平穩，在對冶煉煙氣徹底洗滌凈化的同時，通過電除霧器對酸霧、粉塵等進行捕集，以及干燥塔對煙氣中水分的干燥作用，確保了進轉化工序煙氣的干凈、干燥，為轉化工序的穩定運行創造了有利條件。二氧化硫風機出口煙氣成分檢測結果見表2。

表2 二氧化硫風機出口煙氣成分檢測結果 ρ：mg/m3

3.2 冶煉煙氣SO2的轉化和制酸尾氣SO2的脫除

該裝置轉化一段進氣方式采用側部進氣，有效避免了轉化一段的氣體偏流現象的發生。由于采用了高效催化劑，一段催化劑床層實際操作起燃溫度約為400 ℃，四段催化劑床層實際操作起燃溫度約380 ℃，一段、四段床層實際操作溫度的降低，既有利于緩解一段催化劑床層底部催化劑的超溫壓力，又有利于四段催化劑床層出口最終轉化率的提高。試生產以來，系統總轉化率一直維持在99.9%以上，二吸塔出口煙氣φ(SO2)≤0.016%。經尾氣動力波石灰石—石膏法脫硫后，尾排ρ(SO2)＜60 mg/m3，遠優于GB 25467—2010《銅、鎳、鈷工業污染物排放標準》大氣污染物特別排放限值中規定的100 mg/m3。不同時期轉化與尾氣脫硫運行參數見表3，24 h制酸系統尾排SO2濃度見圖1。

表3 不同時期轉化與尾氣脫硫運行參數

圖1 24 h制酸系統尾排SO2濃度

3.3 廢酸除砷率及硫化劑的消耗

該裝置對來自制酸系統的廢酸采用兩級硫化除砷，廢酸處理過程中產生的逃逸H2S氣體集中抽入除害塔中，與自上而下噴淋的NaOH溶液反應進行除害處理。具體工藝流程見圖2。

圖2 廢酸除砷工藝流程

裝置運行以來，脫砷率在98%以上，硫化后液ρ(As)≤15 mg/L，實現了硫化劑的精準添加，硫化劑過量系數較單級硫化法大為降低，在減少硫化劑消耗的同時，避免了過量H2S的產生。2021年6月硫化后液砷含量變化趨勢見圖3，2021年11月硫化鈉計算消耗量與實際使用量的比較見表4。

圖3 2021年6月硫化后液砷含量變化趨勢

表4 硫化鈉計算消耗量與實際使用量比較

3.4 主要技術及經濟指標

制酸系統主要技術用及經濟指標見表5。

表5 制酸系統主要技術及經濟指標

4 優化與改造

4.1 調整SO2風機導葉零刻度位置

試生產初期，在SO2風機導葉關閉置零刻度時，風機最小風量約為160 000 m3/h，遠大于開車前預估的100 000 m3/h，風機最小風量相對于預估值的增大，一方面使得系統升降溫過程中，需要消耗更多的電爐功耗對氣體進行升溫，造成了升降溫過程中的電能浪費；同時，又使得升降溫過程中干燥塔入口真空度增加，更多的空氣被吸入系統，不利于干燥酸濃度的維持。

通過現場工藝人員的分析，判斷其原因為：設備安裝過程中，安裝人員將“零刻度”預留空隙過大，導致風機最小運行風量大于合同約定的100 000 m3/h。經與廠家溝通確認后，由廠家人員對“零刻度”導葉位置進行重新調整。調整后風機最小風量下降至約100 000 m3/h，系統升降溫過程中的電爐功耗實現了大幅降低，干燥循環酸濃度穩定性增加。

4.2 風機出口小回流管更換為316L不銹鋼材質

試生產初期，風機出口至干燥塔進口小回流管多次出現腐蝕漏氣現象。分析原因為：風機出口至干燥塔進口小回流管設置在干燥塔進口煙道位置，凈化出口部分濕煙氣進入小回流管，造成小回流管出現稀酸腐蝕環境。確定原因后，公司對小回流管材質進行了更換，將原來的碳鋼管道更換為耐稀酸腐蝕性能較好的316L不銹鋼管道，更換后未出現小回流管道腐蝕情況。

4.3 改造尾氣脫硫循環泵出口管道

試生產初期，頻繁出現備用脫硫循環泵出口閥堵塞卡死現象。分析原因為：兩泵出口閥與匯總管間管段較長，當1臺泵運行1臺泵備用時，運行泵出口的壓力，對備用泵出口閥與匯總管間管段內的石膏漿液產生了高壓擠壓，造成備用泵出口閥門處石膏堆積卡死。為解決這一問題，公司對脫硫循環泵出口管進行了改造，在縮短了脫硫循環泵出口支管長度的同時，將兩循環泵出口閥安裝位置移至支管與匯總管連接處附近，通過改造，未再次出現備用脫硫循環泵出口閥堵塞卡死現象。

5 結語

和鼎銅業800 kt/a銅冶煉煙氣制酸裝置的運行情況表明，該裝置系統設計合理、技術先進、設備可靠。裝置運行以來， 99.91%以上的SO2轉化率和90%以上的尾氣脫硫率確保了尾排煙囪的超低排放。兩級硫化法除砷，在提高脫砷效率的同時，實現了硫化劑的精準添加，既減少了硫化劑的消耗，也避免了過量H2S的產生。