陜西鋅業109 m2焙燒爐制酸系統生產運行技術總結

岳鳳洲，姚 強，張建康，劉 琳，劉 偉

（陜西鋅業有限公司，陜西商州726007）

陜西鋅業有限公司（以下簡稱陜西鋅業）前身為商洛冶煉廠，1986年籌建，1989年12月投產，2004年7月加入陜西有色金屬控股集團有限責任公司。陜西鋅業依據國家發改委2007年4月發布的《鉛鋅行業準入條件》及時申報后，獲批建設100 kt/a電鋅焙燒及煙氣制酸項目，委托中國恩菲工程技術有限公司優化設計了109 m2鋅精礦流態化焙燒爐及配套的制酸裝置。該裝置于2008年3月1日開工建設，2009年5月建成，6月1日首次投料開車試產成功。該套裝置的建成投運，標志著陜西鋅業的生產規模和技術裝備水平實現了發展超越。該裝置連續穩定運行近12年來，設備運轉率較高，主要生產技術經濟指標均達到了國內較好水平[1]。

1 特點回顧

該套裝置在設計、建設和運行等方面的先進性主要表現在以下10個方面：

1）筑爐技術實現了新突破。新建109 m2流態化焙燒爐在國內首次使用了爐頂整澆施工技術[2]。生產實踐證明：大型流態化焙燒爐爐頂采用整體澆筑技術是成功的，不僅施工工期短，成本低，耗材少，而且有利于解決異型磚砌筑爐頂傳統施工中存在的諸多行業難題。

2）風帽使用壽命長。109 m2流態化焙燒爐原設計使用10 882個直吹式風帽，實際施工安裝10 901個風帽，采用特種材質精密鑄造，一次制造安裝，永久使用。

3）高效冷卻圓筒和拋料機設備使用效果好。陜西鋅業180 kt/a硫酸裝置設計采用1臺規格為φ1 920 mm×9 600 mm、生產能力為20 t/h的高效冷卻圓筒冷卻鋅焙砂，循環水進入有效換熱面積為109 m2的內置腔內，與外壁流動的熱焙砂間接換熱，傳動功率僅18.5 kW，水耗低，冷卻效率高，密封條件好，沒有水汽外溢現象。109 m2流態化焙燒爐進料口設置帶速18.5 m/s、生產能力為25 t/h的2臺拋料機同時進料，徹底解決了傳統流態化焙燒爐進料管易堵塞、磨損快和難密封等問題。

4）余熱利用效率高。陜西鋅業109 m2鋅精礦流態化焙燒爐配置了1臺設計蒸發量為28 t/h的飽和蒸汽余熱鍋爐，配套德國德蘭賽蘭公司生產的NADROWSKI B5S-3+B7S-3型飽和蒸汽抽凝式透平發電機組，同時采用2種設備回收工藝余熱：一是投產后技改采用了1臺高效熱管省煤器回收轉化工序高溫SO3煙氣的余熱[3]，二是原設計安裝了2臺流態化冷卻器，可以回收流態化焙燒爐排出的高溫鋅焙砂余熱，用于加熱鍋爐給水。采取上述余熱回收措施后，余熱鍋爐實際蒸發量從28 t/h提高到33~35 t/h，且余熱鍋爐所產飽和蒸汽實現了能源梯級高效利用，實際發電2.2×107kWh/a左右（不含企業冬季采暖）。該余熱鍋爐的投用取代了濕法煉鋅工藝加熱用的3臺燃煤蒸汽鍋爐，根據測算，節省煙煤約40 kt/a，減排SO2約1 200 t/a，環境效益和經濟效益顯著[4]。

5）電收塵器收塵效率較高。80 m2電收塵器設計有4個電場，收塵采用C形極板和溢流螺旋密封，電控部分采用穩定可靠的恒流源和95瓷絕緣瓷套等先進設備和材料。電收塵器出口煙氣中塵(ρ)可以控制在55 mg/m3以下，與傳統設計值小于等于200 mg/m3相比，每年可多回收含鋅煙塵92.8 t，降低了凈化工序外排稀酸中的塵含量，提高了資源利用率和企業效益。

6）脫氟和協同脫汞效果好。2010年7月首次停爐檢修時，陜西鋅業對凈化工序洗滌塔內海爾環主填料層上部的瓷質填料腐蝕情況做了對比分析，發現每年氟對瓷質填料的腐蝕率高達77.92%。此后，把凈化工序的水玻璃添加量提高到30~50 kg/d，凈化后煙氣中的氟質量濃度一般不超過1 mg/m3（近12年平均值為1.08 mg/m3），2011年以來均未發現干燥塔內的瓷質填料有明顯的氟腐蝕粉化現象。2012—2014年，陜西鋅業作為全國僅有的2家試點單位之一，參加了原環境保護部對外合作司牽頭組織的鋅冶煉行業汞排放普查調研。調研發現，陜西鋅業180 kt/a硫酸裝置脫硫前尾氣中的汞質量濃度平均為564 μg/m3，氧化鋅脫硫裝置投運正常后，外排尾氣中的汞質量平均濃度為19 μg/m3，氧化鋅濕法脫硫協同脫汞效率為96.63%[5]。

7）二氧化硫轉化率較高。陜西鋅業180 kt/a硫酸裝置是國內設計投運的第7套109 m2流態化焙燒爐煙氣制酸裝置。該裝置在施工設計和建設中，立足企業實際，盡可能借鑒了國內同類裝置的先進技術和成熟經驗。通過技術改造和優化操作參數，在全部采用國產催化劑的情況下，SO2轉化率可以連續穩定在99.8%以上，尾氣ρ(SO2)保持在500 mg/m3左右[2007年原設計尾氣ρ(SO2)≤944 mg/m3]，2009年6月至2020年12月制酸系統正常生產平均開車率為91.35%，累計生產工業濃硫酸2 149.11 kt，平均產酸速率23.163 1 t/h。

8）尾氣脫硫實現了新突破。陜西鋅業180 kt/a硫酸裝置2007年原設計采用“3+1”二轉二吸工藝，進轉化器φ(SO2)為7.35%，煙氣流量為69 122 m3/h，SO2轉化率為99.6%，總吸收率為99.95%，尾氣ρ(SO2)為944 mg/m3，符合 GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》的要求。投運3年后，實際生產受原料硫含量波動等因素影響，煙氣流量在50 000~80 000 m3/h波動，尾氣ρ(SO2)在300~1 300 mg/m3。為適應新的環保標準并保證外排尾氣連續穩定達標，在廣泛深入調研的基礎上，陜西鋅業于2013年設計建設了1套氧化鋅高效脫硫裝置。這套脫硫裝置采用氧化鋅全氧化工藝，并進行了8個方面的改進和優化[6]，2014年5月建成投運。脫硫劑來自鋅精礦焙燒工序電收塵器所產含鋅煙塵，無需外購，脫硫后所產硫酸鋅漿液泵入濕法煉鋅浸出工序回用，脫硫過程中不產生新的“三廢”。

9）重要管件采用國產優質產品。主要有兩類：一是高溫高壓受熱件成功采用了國產化優質鋼材。冷卻水套和余熱鍋爐第一煙道鍋爐管漏水曾是制約20世紀中國硫酸行業焙燒設備的兩大難題。陜西鋅業109 m2流態化焙燒爐冷卻水套和余熱鍋爐第一煙道鍋爐管設計均采用12Cr1MoV管材，委托蘇州海陸重工股份有限公司從上海寶鋼公司定點制造12Cr1MoV優質管材，并專業規范加工、制作、安裝，基本解決了流態化焙燒爐冷卻水套和余熱鍋爐第一煙道鍋爐管漏水兩大難題。二是濃硫酸管道成功采用了國產316L優質管材。陜西鋅業180 kt/a硫酸裝置干吸和成品工序濃硫酸輸送設計施工全部采用316L管材，并從太原鋼鐵公司不銹鋼廠定點采購316L管材和專用配套管件，濃酸管道未采用陽極保護技術，法蘭密封采用F4材質的國產板材，基本消除了過去11年生產過程中的濃硫酸鑄鐵管件腐蝕泄漏事故。

10）關鍵設備和儀表從德國和日本進口。主要有三類：一是SFP9型二氧化硫風機從德國西門子公司原裝進口，電機功率比國產同類產品S2250-16型風機低240 kW，而且聯鎖約束條件少，操作簡單，運行安全高效；二是余熱鍋爐所用熱水循環泵和給水泵從日本進口（酉島制作所原裝），價格低于德國KSB產品和美國ITT兩種同類產品，連續運行10年比較平穩；三是溫度、壓力、濃硫酸濃度計、流量、液位等主要儀表及傳感器從德國西門子公司采購，性能和質量安全可靠，適應DCS控制要求。

2 運行回顧

從2009年6月1日至2020年12月31日，陜西鋅業109 m2流態化焙燒爐實際運行93 107.41 h，正常生產開車率91.67%，累計生產硫酸2 149 113.5 t，達到國內同類裝置較好水平。109 m2流態化焙燒爐及制酸系統運行情況見表1。

表1 109 m2流態化焙燒爐及制酸系統運行情況

從陜西鋅業109 m2流態化焙燒爐及制酸系統近12年的運行過程可以發現，該系統停產有4種情況：停爐檢修、臨時燜爐小修、突然停電和大修后烤爐。

停產總時間8 460.59 h，其中首次開爐升溫30 h，占比0.35%。

2.1 停爐檢修

運行期間停爐檢修累計18次共5 893.30 h，占停產總時間8 460.59 h的69.66%。各類原因導致停爐檢修的次數和占比見表2。

表2 各類原因導致停爐檢修次數、時間及占比情況

2.2 燜爐小修

燜爐小修實際發生262次共2 408.49 h，占停產總時間的28.47%。余熱鍋爐結塊、管壁滲漏、二氧化硫風機跳閘、陽極保護濃硫酸冷卻器和冷卻圓筒局部滲漏等5種故障是導致燜爐小修的常見多發故障，占燜爐時間的55.35%。按工序統計各類故障導致的燜爐停車具體情況見表3和表4，此外，DCS故障導致燜爐次數為2次，占比0.76%，時間為8.217 h，占比0.34%。

表3 2009—2020年焙燒工序故障燜爐停產統計表

表4 2009—2020年制酸及脫硫工序故障燜爐停產統計

2.3 大修后烤爐

大修后烤爐只在2013年年度檢修后發生1次104 h，占停產總時間的1.23%。

2.4 突然停電

突然停電累計24次共24.8 h，占停產總時間的0.29%。

3 過程控制主要指標

主要分析運行過程中與收塵和煙氣制酸有關的指標的實際情況。

3.1 煙氣收塵和凈化指標

煙氣收塵和凈化指標包括電收塵器出口煙氣塵含量，以及二氧化硫風機出口煙氣酸霧、水分、塵、氟共5項指標，詳見表5。

表5 煙氣收塵和制酸凈化指標 ρ: mg/m3

由表5分析可見：受進口鋅精礦原料粒度較細等因素影響，凈化后煙氣塵含量波動較大，今后提產增效仍需高度重視。

3.2 轉化率、吸收率和煙氣脫硫指標

2009年6月至2020年12月的轉化率、吸收率和煙氣脫硫指標平均值見表6。

表6 109 m2流態化焙燒爐及制酸運行指標

4 存在的主要問題

回顧陜西鋅業109 m2流態化焙燒爐及制酸系統2009年6月至2020年12月實際運行情況發現，提高系統開車率仍然是今后挖潛增效和實現高質量高效益生存發展的最有效途徑。要提高系統開車率，應重點研究解決以下4個方面的問題：

1）水質問題。冷卻圓筒和國產陽極保護濃硫酸冷卻器設備是焙燒和干吸工序的兩種主要換熱設備，近12年來因上述設備漏液導致燜爐小修73次，停產651.869 h，占小修停產總時間的27.07%。為了查清漏液原因，陜西鋅業分別在2009年11月和2013年12月做了水質檢測分析，將兩次檢測結果取平均值，用水硬度檢測結果見表7，設備結垢成分檢測結果見表8。

表7 用水硬度檢測結果

表8 設備結垢成分檢測結果

通過表7~8數據、原設計建設實際和生產運行情況綜合分析可知，導致設備結垢的主要原因有2個：一是設計依據偏離生產實際，二是循環水總硬度太大。由于陜西鋅業裝置原設計依據中水質硬度較低，導致循環水系統設計的軟水設備處理能力不足，效率偏低。陜西鋅業地處缺水地區，不允許循環水大量置換，導致循環水實際總硬度超過2#深水井供水6倍，設備極易結垢。建議調研導潔（北京）環境科技有限公司等成熟先進的防垢技術，結合陜西鋅業實際工況要求，優選后設計建設專用循環水軟水補水站，徹底解決設備結垢問題，進一步提高設備運轉率。

2）鍋爐鋼質量問題。自從二十世紀九十年代國產12Cr1MoV優質管材用來制造焙燒爐冷卻水套和余熱鍋爐高溫區換熱鰭片以來，這一材質的進步帶動我國硫酸工業實現了長足進步和高效安全生產。但是，隨著焙燒爐和余熱鍋爐設備大型化進程的加速，國內大中型企業急需鋼鐵行業開發比12Cr1MoV更耐沖刷更耐高溫的材料。以陜西鋅業為例，近12年來由于焙燒爐水套和余熱鍋爐滲漏水導致停產共計25次1 133.82 h（其中燜爐小修19次240.59 h，停爐檢修5次893.23 h），占停產總時間8 460.59 h的13.40%。由此可見，加速研發更耐沖刷更耐高溫的鍋爐管新材料和制造技術，對我國冶金化工行業技術進步有重大現實意義。

3）關鍵運轉設備國產化問題。在國內鋅冶煉行業，強制循環余熱鍋爐用熱水循環泵、高中壓飽和蒸汽余熱發電機組、二氧化硫風機、硫酸板式換熱器等關鍵設備的制造技術目前仍需要依賴德國、日本和美國等發達國家。我國已經連續十多年穩居全球硫酸和電鋅生產和消費首位，行業綜合實力正在逐年持續提高。高性能高質量的大型關鍵設備國產化技術仍是行業難題和發展短板。以陜西鋅業為例，為了節省建設投資和加速建設進度，陜西鋅業2008年訂購了1臺熱水循環泵（國內中外合資廠制造，28 t/h強制循環余熱鍋爐用）和1臺2 240 kW的國內某廠制造的二氧化硫風機，近12年的生產運行實踐表明，中外合資熱水泵和國產二氧化硫風機質量和性能均較落后，故障較多，能耗較高，因熱水循環泵和二氧化硫風機故障導致的停產檢修事故比較常見，目前落后的熱水循環泵和二氧化硫風機已經淘汰或停運。隨著152 m2和186 m2流態化焙燒爐的研發和成功推廣[7]，建議全面深度加快國產化研發制造關鍵設備和材料的步伐。

4）中、低溫余熱利用技術在設計建設施工階段滯后。進入二十一世紀以來，中、低溫余熱利用國產化技術日益成熟，并在新建大、中型硫酸裝置中加速了推廣應用步伐。在陜西鋅業109 m2流態化焙燒爐及制酸系統中，分別成功采用了流態化冷卻器和熱管省煤器回收鋅焙砂和轉化工序三氧化硫的余熱資源，效果較好。但是，由于在項目施工設計階段沒有考慮后續發展余地，所以電收塵器出口的煙氣余熱和干吸工序的低溫工藝余熱的資源利用目前仍比較困難。據初步測算，如果有場地采用成熟的低溫余熱回收技術，在陜西鋅業109 m2流態化焙燒爐配套的180 kt/a硫酸裝置干吸工序，預計可以增加9~13 t/h、0.6~0.8 MPa的飽和蒸汽。建議新建大型硫酸裝置在項目論證和設計建設階段充分、全面、系統地考慮中低溫余熱資源利用技術。

5 結語

通過回顧陜西鋅業109 m2流態化焙燒爐及配套的180 kt/a硫酸裝置近12年的實際生產和檢修歷程，為現有企業今后進一步挖潛增效提供了科學、詳實的思路和建議，同時為新建同類大中型項目設計、建設和運行管理提出了改進建議和方向，促進行業技術進步。