鉛、鋅冶煉煙氣制酸工藝技術應用

皮忠斌，張振國，王卡卡，柴偉

（云南馳宏鋅鍺股份有限公司 會澤冶煉分公司，云南會澤 654211）

某公司現有60 kt/a粗鉛、100 kt/a電鋅兩套冶煉系統。鉛冶煉采用艾薩爐富氧頂吹—還原爐煉鉛工藝，鋅冶煉采用沸騰爐焙燒工藝。艾薩爐、沸騰爐、熔化爐產生的含SO2冶煉煙氣被用于制酸。3套制酸系統規模分別為70 kt/a、180 kt/a、100 kt/a，其中鉛、鋅冶煉煙氣制酸系統于2013年11月投產運行，鋅浸渣側吹連續熔化爐冶煉煙氣制酸系統于2019年7月投產運行。根據冶煉煙氣量波動大，煙氣成分復雜的特點，3套煙氣制酸系統均采用較成熟的“3+1”兩轉兩吸工藝流程，選用當前較先進的設備，集中采用DCS系統操作控制，并分別配套了“堿法脫硫”“氧化鋅脫硫”環保裝置，確保尾氣達標排放。

1 工藝特點及煙氣條件

根據冶金爐冶煉周期、原料成分的不同，冶煉過程產生的煙氣也各具特點。冶煉煙氣制酸系統入口煙氣條件見表1。

表1 冶煉煙氣制酸系統凈化入口煙氣條件

1.1 沸騰焙燒爐工藝特點及煙氣特點分析

鋅精礦魯奇式沸騰焙燒爐工藝特點如下：1）爐床面積大,爐內熱容量大且均勻，溫差小，物料與空氣接觸的表面積大、反應速度快，傳熱、傳質效率高；2）爐頂上部增加了擴大段，使得煙氣流速和煙塵率降低，從而延長了煙氣在爐內的停留時間，使煙氣中的煙塵得到了充分焙燒。經充分焙燒，煙塵中的含硫量降低，提高了煙塵質量[1]。

沸騰爐煙氣特點：1)正常工況下，鼓風量穩定，SO2煙氣量均衡，煙氣濃度平穩且相對較高；2)異常狀況下，煙氣量無法快速降低，煙氣制酸系統需要花費較長時間進行接收處理。

1.2 艾薩爐工藝及煙氣特點分析

艾薩爐煉鉛屬于富氧頂吹煉鉛工藝，較傳統粗鉛冶煉工藝，具有以下特點[2]：1）對原料適應性強，不僅可以處理鉛精礦，還可處理二次含鉛物料和鋅浸出渣，進行鉛渣的煙化；2）采用氧氣頂吹熔煉，其爐體密閉、漏風較少，煙氣量大為減小，提高了煙氣SO2體積分數，為實現兩轉兩吸制酸工藝提供了條件；3）對入爐料的粒度、水分等要求不嚴格，備料過程簡單，混合料制粒入爐后可顯著減少被出爐煙氣帶走的粉塵量，從而降低煙塵率；4）頂吹煉鉛設備系熔池熔煉，富氧空氣從爐頂插入的噴槍送入熔池，熔煉強度及熱利用率均較高。

艾薩爐煉鉛的冶煉煙氣從上升煙道排除，經余熱鍋爐降溫，電收塵凈化后送制酸[3]，其煙氣特點如下[4]：1）煙氣量周期性變化大，同步煙氣濃度呈周期性高低變化；異常時應快速停爐，停止煙氣輸送。2）煙氣含氮氧化物，在制酸系統轉化換熱器、風機葉輪等處易形成硝基鹽類結晶，腐蝕硫酸系統設備。

1.3 熔化爐工藝及煙氣特點分析

鋅浸出渣熔化爐工藝特點：采用熔化爐作為危廢處置和資源化利用一體化工藝裝備處理鋅浸渣，冶煉溫度由通常的1 200℃提高在1 300～1 400℃范圍內。綜合后續的煙化爐貧化工序，噸渣實際標煤消耗比現有其他火法渣處理工藝的消耗量減少了30%～40%[4]。

熔化爐煙氣特點：1)煙氣周期性變化大，煙氣濃度、煙氣量波動均較大；2)煙氣中氮氧化物含量高，致硫酸尾氣呈淡黃色，氮氧化物在制酸系統轉化熱交換器中形成硝基鹽類結晶，造成設備腐蝕；3)天然氣燃燒過程中產生大量的水分，導致煙氣含水量較大，在煙氣輸送管道、風機等處易形成冷凝酸。

3臺冶金爐工藝及煙氣特點對比見表2。

表2 3臺冶金爐工藝及煙氣特點對比

2 3套煙氣制酸系統控制模式

為有效解決艾薩爐煉鉛煙氣的SO2濃度和煙氣量波動大對鉛系統制酸的制約問題，結合實際生產情況及設計特點，對3套制酸系統進行整體優化，具體措施如下：1）在硫酸鉛、鋅系統凈化工段入口處設計1套串氣系統。通過串氣系統，一方面，可將沸騰爐焙燒硫化鋅精礦連續產生的一部分SO2煙氣送到鉛系統進行生產，以實現鉛系統的穩定生產；另一方面，在鉛制酸系統因設備故障而無法接受煙氣時，可以將艾薩爐的煙氣送至鋅制酸系統，使異常狀況下的冶煉煙氣能有組織地達標排放。采用計算機進行DCS系統調整控制，實現鉛、鋅冶煉煙氣制酸兩個系統間相互串氣制酸的生產工藝，確保了整個制酸系統的連續穩定生產。2）熔化爐高溫排煙機至凈化的煙氣管道上增設1根DN500管道至鉛冶煉煙氣凈化入口，用于動態平衡熔化爐煙氣量負荷。當熔化爐煙氣量、煙氣中煙塵的質量濃度增加時，可送一部分煙氣至鉛硫酸系統。3）鋅冶煉煙氣制酸氣體冷卻塔增加出口，將高濃度煙氣送至熔化爐煙氣制酸電除霧入口的管道。這樣既能降低富氧焙燒后鋅硫酸的負荷，又可作為熔化爐低濃度煙氣的補充。4）煙化爐、還原爐低濃度SO2煙氣經“氨酸法”吸收解析后，通過輸送管道接至鉛、鋅硫酸凈化氣體冷卻塔入口，可根據系統負荷情況動態調整。5）3個制酸系統尾氣集中至同一根煙囪，煙囪前端設置有高效電除霧器，有效降低排口顆粒物及酸霧含量，同時最大程度地改善煙囪的可視效果。6）沸騰爐開爐煙氣經二級洗滌，實現了開、停爐及正常生產時尾氣的達標排放。7）在串氣系統裝置中裝有電動調節閥，操作控制信號引入主控制室的DCS操作控制系統。通過對DCS系統的操作控制，可以實現艾薩爐冶煉、沸騰爐及熔化爐3個煙氣制酸系統的相互串氣生產。8）正常生產時煙氣的組織模式：（1）鋅制酸裝置處理70%～90%的109 m2鋅精礦沸騰焙燒爐煙氣，另外10%～30%的沸騰焙燒爐煙氣同步至熔化爐制酸裝置生產；（2）鉛制酸裝置處理100%的艾薩爐冶煉煙氣；（3）鋅浸渣熔化爐制酸裝置處理100%的熔化爐煙氣，并配置10%～30%的高濃度沸騰焙燒爐煙氣。

3爐煙氣協同制酸工藝流程如圖1所示。

圖1 3爐煙氣協同制酸工藝流程

正常工況下，通過以上控制模式，能穩定平衡好負荷分配，確保自身轉化工藝的自熱平衡，確保安全、環保的前提下高效運行，通過3個系統的制酸負荷合理分配，煙氣壓力系統平衡，完全滿足3臺冶金爐的所有正常生產的負荷要求，動態調整系統壓力，確保制酸系統風機入口至冶金爐段為負壓狀態。

3 異常狀態的互補控制模式

冶煉煙氣制酸裝置須具備持續接受3臺冶金爐冶煉煙氣，且處理后能達標排放的功能。制酸系統轉化風機是系統的核心設備，為煙氣流轉提供動力。為避免風機異常跳閘時煙氣無組織排放導致的環境污染，3套制酸裝置中任一系統轉化風機出現故障跳機時，3套系統可采取互補控制模式。1）當鋅制酸轉化風機異常跳機時，處置程序為：艾薩爐緊急停止加料；鋅沸騰焙燒爐降負荷；鋅浸渣熔化爐降負荷；打開鋅、鉛制酸系統串氣閥門，調整鋅系統凈化氣體冷卻塔至熔化爐制酸系統閥門。2）當鉛制酸轉化風機異常跳停時，處置程序為：艾薩爐緊急停止加料；鋅沸騰焙燒爐降負荷；鋅浸渣熔化爐降負荷；打開鋅、鉛制酸系統串氣閥門，開大鋅系統凈化氣體冷卻塔至熔化爐制酸系統閥門，開啟鉛系統凈化入口至熔化爐煙氣制酸系統閥門。3）當熔化爐制酸轉化風機異常跳機時，處置程序為：艾薩爐緊急停爐；鋅沸騰焙燒爐降負荷；鋅浸渣熔化爐緊急停爐；打開熔化爐煙氣至鉛制酸系統凈化入口閥門；同步開啟鋅、鉛制酸系統的串氣閥門以及鋅系統凈化氣體冷卻塔至熔化爐制酸系統閥門。鉛系統處理一部分熔化爐煙氣并串入鋅高濃度煙氣進行配氣，剩下一部分煙氣通過熔化爐硫酸凈化后反串入鋅系統穩定生產。

4 結語

以上3套制酸系統控制模式，是原鉛、鋅冶煉煙氣制酸工藝及增加鋅浸出渣熔化爐煙氣制酸工藝優化升級的成功案例。鉛鋅冶煉煙氣制酸生產技術的優化，有效解決了艾薩爐和熔化爐煙氣制酸工藝波動大、生產不穩定的問題，維持了硫酸鉛系統、熔化爐干吸工段的循環酸的濃度和溫度，使尾氣達標排放；同時，保持了轉化系統的溫度不變，降低生產能耗，節約生產成本。應用效果主要表現為：1）3個系統的作業率均得到提高，減少了單個系統因煙氣不連續供給而造成的設備腐蝕及空轉能耗；2）減少了對轉化器內觸媒中毒、結疤或粉化的不利影響，延長了觸媒的使用壽命；3）減少轉化工段升降溫頻率和外加熱源的使用時間，降低了電耗，提高了電爐的使用壽命；4）實現了3套系統的連續生產；5）當其中1套制酸系統給轉化器內增補催化劑時，可通過協同操作來實現新增催化劑的硫化飽和；6）當3個制酸系統之中任意一個系統關鍵設備發生異常故障時，煙氣能串至另外的系統處理，避免了異常情況下因高濃度煙氣無法達標排放而造成的環境污染。