鉛冶煉煙氣制酸裝置節(jié)能改造與應(yīng)用

張振國，王卡卡，皮忠斌，柴偉

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司 會澤冶煉分公司硫酸廠，云南會澤 654200)

1 煙氣制酸系統(tǒng)現(xiàn)狀

某公司60 kt/a粗鉛、100 kt/a電鋅及渣綜合利用工程粗鉛生產(chǎn)采用“艾薩爐富氧頂吹氧化+還原熔煉”工藝。鉛精礦在富氧頂吹沉沒熔煉爐中進(jìn)行一次熔煉，其冶煉煙氣經(jīng)降溫除塵后送鉛煙氣制酸系統(tǒng)生產(chǎn)工業(yè)硫酸。電鋅生產(chǎn)系統(tǒng)同時綜合處理鋅精礦、粗鉛系統(tǒng)氧化爐產(chǎn)生的氧化鋅煙塵等含鋅物料。鋅精礦采用109 m2流化床焙燒爐焙燒，冶煉煙氣經(jīng)降溫除塵后送鋅煙氣制酸系統(tǒng)生產(chǎn)工業(yè)硫酸。多膛爐、還原爐及煙化爐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的低濃度SO2煙氣，經(jīng)“氧化鋅+氨法”富集脫吸的脫硫工藝處理后，根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷情況，將獲得的高濃度SO2煙氣送鉛制酸系統(tǒng)生產(chǎn)硫酸。

為減少正常工況下排放尾氣中的酸霧和SO2質(zhì)量濃度,降低生產(chǎn)能耗，馳宏鋅鍺股份有限公司會澤冶煉分公司硫酸廠對鉛制酸系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究及技術(shù)應(yīng)用。鉛制酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)了自熱平衡，達(dá)到了正常狀態(tài)下尾氣中SO2的質(zhì)量濃度＜200 mg/m3（該數(shù)據(jù)為氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，下同），達(dá)到節(jié)能降耗減排的目的[1]。

2 鉛冶煉煙氣制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化工藝

鉛冶煉煙氣制酸的生產(chǎn)工藝如下：采用三級稀酸洗滌凈化、兩級電除霧器除酸霧、兩次轉(zhuǎn)化、兩次吸收的常壓接觸法制酸工藝。其中，轉(zhuǎn)化工段則采用四段“3+1”式雙接觸工藝，鉛制酸系統(tǒng)采用“ⅢⅠ—ⅣⅡ”換熱流程。鉛制酸工藝流程見圖1。

圖1 鉛制酸工藝流程

2.1 煙氣條件

艾薩爐“富氧頂吹氧化+還原熔煉”工藝產(chǎn)生的煙塵中含有氟、氯、砷、硒、汞、鉛、銀等。產(chǎn)生的煙塵經(jīng)凈化洗滌除雜后，進(jìn)入轉(zhuǎn)化工段時的SO2體積分?jǐn)?shù)為5%～9%，可見煙氣SO2含量波動較大。

2.2 轉(zhuǎn)化工藝原理

鉛冶煉煙氣制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化工藝原理是在430℃左右溫度下用含V2O5的觸媒作催化劑，將SO2在轉(zhuǎn)化器內(nèi)轉(zhuǎn)化為SO3，同時放出大量的熱。兩種氣體在換熱器中通過管壁逆向非接觸換熱，SO2氣體走殼程，SO3氣體走管程，溫度較高的SO3氣體得到冷卻，溫度較低的SO2氣體被加熱，維持系統(tǒng)自身的熱平衡，最終實現(xiàn)SO2氣體到SO3氣體的轉(zhuǎn)化。

2.3 換熱流程

鉛冶煉煙氣制酸系統(tǒng)采用“ⅢⅠ—ⅣⅡ”換熱流程。轉(zhuǎn)化系統(tǒng)預(yù)熱升溫利用電爐加熱，通過一段入口電爐、三段入口電爐、四段入口電爐使干燥空氣升溫，并將其送入轉(zhuǎn)化器加熱各層觸媒層，使其達(dá)到反應(yīng)溫度，并控制在最佳的工藝溫度，再通入冶煉煙氣凈化合格后的SO2煙氣，以保證較高的轉(zhuǎn)化率。

3 優(yōu)化方案及實施效果

鉛制酸系統(tǒng)自接受艾薩爐煙氣試生產(chǎn)以來，轉(zhuǎn)化器一層入口煙氣溫度一直偏高（450～460℃）。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，在實際工藝控制上存在以下問題：1）一層轉(zhuǎn)化入口煙氣溫度比設(shè)計溫度（410～420℃）偏高。當(dāng)SO2煙氣體積分?jǐn)?shù)在7%，煙氣量在45 000 m3/h左右時，Ⅰ熱交換器殼程入口溫度為340℃。在全開Ⅰ熱交換器旁路閥的情況下，一層轉(zhuǎn)化入口溫度為470℃，觸媒層溫度高達(dá)595℃左右。如煙氣濃度再升高，觸媒層溫度就會超過600℃，不僅超出轉(zhuǎn)化器所能承受的溫度范圍，導(dǎo)致設(shè)備受損，還不利于新觸媒的長期安全穩(wěn)定運行。2)二層觸媒層溫度偏低，導(dǎo)致三、四層入口煙氣溫度低，需要開電爐才能維持三、四層的轉(zhuǎn)化溫度（三層410℃，四層385℃）。若需要降低一層入口的溫度，則需要開Ⅲ熱交換器旁路，而三層和四層則需要開更多組的電爐才能保證轉(zhuǎn)化溫度，導(dǎo)致生產(chǎn)能耗高。3）鉛制酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)自生產(chǎn)以來未能實現(xiàn)自熱平衡，一直需要開啟大量的電爐（700～1 000 kWh）才能維持正常生產(chǎn)，且存在噸酸成本居高不下、鉛系統(tǒng)尾氣超標(biāo)等問題。

針對上述問題，廠方采取了對鉛制酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)Ⅲ熱交換器、余熱鍋爐及Ⅳ熱交換器進(jìn)行清洗，對Ⅰ熱交換器換熱面積、旁路管進(jìn)行優(yōu)化改造，對Ⅳ熱交換器的漏管進(jìn)行堵漏修復(fù)等措施，有效改善了換熱器的換熱效率，達(dá)到了轉(zhuǎn)化系統(tǒng)自熱平衡，最終實現(xiàn)了對鉛轉(zhuǎn)化系統(tǒng)節(jié)能改造的目標(biāo)，降低了鉛制酸系統(tǒng)電耗，減少了成本。

3.1 優(yōu)化一層觸媒層入口溫度方案及效果

原Ⅰ熱交換器旁路副線管是從換熱器的上氣室接至一層入口的煙氣管路上，管徑為DN600，通過氣動調(diào)節(jié)閥（TV0707）對轉(zhuǎn)化器二層溫度（TI0704）進(jìn)行調(diào)節(jié)。對Ⅰ熱交換器進(jìn)行改造，增加了2根Ⅰ熱交換器的旁路管道。新增的旁路從Ⅰ熱交換器入口煙氣管道上接到Ⅰ熱交換器出口煙氣管道上，采用DN 500電動閥進(jìn)行控制，把Ⅰ熱交換器管程外圈管道封堵75 mm，減少了Ⅰ熱交換器管程的換熱面積(圖2)，使鉛轉(zhuǎn)化一層進(jìn)口煙氣溫度降低到合適的溫度（410～425℃），使轉(zhuǎn)化反應(yīng)熱量后移，降低一層觸媒層溫度＜600℃的工藝要求，延長觸媒的使用壽命；同時使二、三、四層溫度有所上升，減少了電爐的使用，降低了環(huán)保事故風(fēng)險。

圖2 增加Ⅰ熱交換器旁路管道及封堵交換器管程

此優(yōu)化措施能夠保證鉛制酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，SO2煙氣轉(zhuǎn)化率較好，能耗有所降低，環(huán)保收益大，主要表現(xiàn)在以下幾點：1）增加了DN500的Ⅰ熱交換器旁路副線管及閥門，常開新增管道閥門。在DCS控制室通過調(diào)節(jié)TV0707閥門開度，將TI0704溫度控制在工藝要求的410～420℃范圍內(nèi)，避免了新觸媒在高溫下運行，消除其不能長期穩(wěn)定運行的隱患，保證后續(xù)生產(chǎn)中SO2的轉(zhuǎn)化率。2）使一層入口溫度降低40℃，避免了因艾薩爐出來的SO2煙氣體積分?jǐn)?shù)過高，在一層轉(zhuǎn)化反應(yīng)中釋放大量的熱量，導(dǎo)致觸媒層溫度超過600℃，從而燒壞觸媒的現(xiàn)象發(fā)生。3）一層溫度降低后，多余的熱量得以后移，實現(xiàn)了利用SO2煙氣轉(zhuǎn)化所釋放的熱量維持自身的熱平衡的目標(biāo)，降低了電耗。4）把Ⅰ熱交換器管程外圈管道封堵75 mm，減少了Ⅰ熱交換器管程的換熱面積，使轉(zhuǎn)化熱量后移。

3.2 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)清洗方案及效果

對Ⅰ熱交換器的改造使轉(zhuǎn)化實現(xiàn)了熱量后移，二、三、四層溫度有所上升，但是還不能使鉛轉(zhuǎn)化完全達(dá)到自熱平衡，所以對鉛制酸Ⅲ、Ⅳ熱交換器管程、余熱鍋爐及其出口管道進(jìn)行清洗。清洗后效果良好，減少了電爐的使用頻率，鉛轉(zhuǎn)化基本實現(xiàn)了自熱平衡，電耗降低：改造前，開電爐7組，平均每組電耗約100 kWh，電爐總耗電量約16 800 kWh/d。改造后，只需開0～1組電爐，每組電耗約100 kWh，可直接降低電耗14 000 kWh/d左右。

通過對轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的清洗，減小了管道的阻力，減小了換熱器、轉(zhuǎn)化器、管道的壓力，減少了長期高壓對設(shè)備的損害及氮氧化物對管道的腐蝕，延長了設(shè)備的使用壽命。同時，轉(zhuǎn)化反應(yīng)熱量后移，降低一層觸媒層的溫度，工藝控制上減小了干燥塔前稀釋風(fēng)的補(bǔ)入量，從而減少轉(zhuǎn)化系統(tǒng)氣量，進(jìn)而減小風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉的開度，有利于降低電耗。對比改造前，鉛轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的煙氣處理量得到提高，也間接增加了粗鉛及優(yōu)質(zhì)酸產(chǎn)量。

3.3 進(jìn)行微創(chuàng)修復(fù)管道漏點及效果

由于鉛Ⅳ熱交換器管程底部多根管道酸泥堵塞（圖3），長期積累使管道發(fā)生腐蝕（圖4）。對轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進(jìn)行清洗后，漏點暴露。通過檢查，發(fā)現(xiàn)漏點全部集中在鉛制酸Ⅳ熱交換器管程與殼程底部（酸泥堵塞點）焊接處。正常生產(chǎn)時，沒有反應(yīng)的SO2氣體會通過這些漏點直接串到二吸塔，導(dǎo)致SO2沒有被充分吸收，使鉛系統(tǒng)尾氣超標(biāo)，進(jìn)而使硫酸煙囪總尾氣超標(biāo)，增加環(huán)保的壓力。所以，技術(shù)人員使用了國內(nèi)比較先進(jìn)的微創(chuàng)修復(fù)技術(shù)對鉛制酸Ⅳ熱交換器殼程漏點進(jìn)行修復(fù)。通過對鉛制酸Ⅳ熱交換器殼程底部漏點集中區(qū)域進(jìn)行注膠修補(bǔ)，切斷了串氣源，使鉛系統(tǒng)尾氣參數(shù)達(dá)到了控制范圍，降低了尾氣超標(biāo)的風(fēng)險。另外，硫酸煙氣在經(jīng)過轉(zhuǎn)化、吸收后，尾氣中仍然剩余少量的SO2，所以就要進(jìn)脫硫塔進(jìn)行堿洗，達(dá)標(biāo)后排放。如果Ⅳ熱交換器發(fā)生串氣，尾氣中SO2的含量就會難以控制，要實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，需要消耗大量的堿液（NaOH）。因此，對Ⅳ熱交換器采取的堵漏措施，同時也降低了NaOH的消耗。

圖3 管道酸泥堵塞情況

圖4 管道泄漏嚴(yán)重

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

鉛冶煉煙氣制酸系統(tǒng)于2013年12月7日投產(chǎn)。尾氣排放中的SO2濃度和酸霧含量完全達(dá)到《鉛、鋅工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 25466—2010）的規(guī)定[2]，制酸尾氣排放中SO2質(zhì)量濃度≤400 mg/m3,酸霧質(zhì)量濃度≤20 mg/m3。在鉛冶煉煙氣制酸經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析中，系統(tǒng)年生產(chǎn)330 d，總排口煙氣量平均為130 000 m3/h，尾氣中SO2排放平均質(zhì)量濃度為150 mg/m3。

4.1 環(huán)保效益和社會效益

“鉛冶煉煙氣制酸裝置節(jié)能改造與應(yīng)用”項目的實施，實現(xiàn)了硫資源的充分利用，大大減少了尾氣排放對環(huán)境造成的污染，實現(xiàn)了鉛冶煉煙氣制酸的環(huán)保、節(jié)能和清潔生產(chǎn)。該項目采用了在轉(zhuǎn)化器內(nèi)裝填雛菊形釩觸媒催化劑技術(shù)、制酸系統(tǒng)尾氣堿洗脫硫技術(shù)和煙氣平衡控制技術(shù)，并采用國內(nèi)先進(jìn)的注膠技術(shù)實現(xiàn)換熱器泄漏微創(chuàng)修復(fù)。這些優(yōu)化技術(shù)成功應(yīng)用后，鉛冶煉煙氣制酸系統(tǒng)尾氣排放中的SO2質(zhì)量濃度為150 mg/m3，遠(yuǎn)低于國家的排放標(biāo)準(zhǔn)。每年比國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求少排放SO2257.4 t。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

1）提高總硫利用效率，增加硫酸產(chǎn)量。冶煉煙氣制酸系統(tǒng)尾氣排放中的SO2濃度降低，也意味著硫酸生產(chǎn)能力的提高。如前所述，每年比國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求少排放SO2257.4 t，即每年能增產(chǎn)的硫酸量為394.14 t。年增產(chǎn)硫酸的銷售收入（硫酸價格按目前市場均價250元計算）為9.853 5萬元。

2）節(jié)省排污費用。自2003年7月1日起施行的《排污費征收標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》規(guī)定，排放的含SO2尾氣需要征收排污費。SO2排污費收費標(biāo)準(zhǔn)為1.2元/kg，據(jù)此計算，該廠每年少排放257.4 t SO2，可節(jié)約排污費32.5萬元左右。

3）降低電耗。對鉛轉(zhuǎn)化Ⅰ熱交換器改造，清洗Ⅲ、Ⅳ熱交換器及余熱鍋爐后，平均每天能少使用6組電爐，每年降低電耗（按0.45元／kWh計算）194.4萬元。

綜合上述3組數(shù)據(jù)，改造后，每年可創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益236.8萬元。

5 結(jié)論

某公司對60 kt/a粗鉛、100 kt/a電鋅及渣綜合利用工程實施“鉛冶煉煙氣制酸裝置系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的研究改造與應(yīng)用”項目后，取得了很好的效果，不僅提高了鉛系統(tǒng)煙氣的處理量，使鉛轉(zhuǎn)化系統(tǒng)基本實現(xiàn)了自熱平衡，降低了鉛系統(tǒng)用電單耗，還使各層溫度在可以控制的范圍內(nèi)。在不使用尾氣堿洗脫硫塔的情況下，鉛冶煉煙氣制酸排放尾氣中的SO2質(zhì)量濃度降至150 mg/m3，每年減少SO2排放量為257.4 t，實現(xiàn)了鉛冶煉煙氣制酸系統(tǒng)的環(huán)保、節(jié)能，清潔生產(chǎn)。