大型鋅冶煉廠配套煙氣制酸裝置的設計與運行

霍佳梅，馬小樂，董四祿

（中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038）

某大型鋅冶煉廠為滿足環(huán)保要求異地搬遷，新廠建設鋅冶煉規(guī)模為300 kt/a，采用2臺152 m2流態(tài)化焙燒爐焙燒鋅精礦，配套建設綜合回收各種有價金屬的冶煉系統(tǒng)及2套290 kt/a硫酸裝置。鋅冶煉煙氣具有二氧化硫濃度較低、煙氣量及組分波動較小的特點，設計吸收了國內大型鋅冶煉廠硫酸生產實踐經驗。制酸凈化工序采用絕熱蒸發(fā)、稀酸洗滌流程，采用高分子DBA除汞技術去除煙氣中的汞[1]，轉化工序采用ⅢⅠ-ⅣⅡ、“3+1”兩次轉化換熱流程。干吸工序采用一級干燥、二級吸收、泵后冷卻、泵后串酸流程，尾氣脫硫采用雙氧水脫硫工藝。該項目冶煉渣采用回轉窯處理，回轉窯煙氣采用離子液脫硫工藝處理，再生的二氧化硫氣體送至制酸裝置制酸。

1 設計基礎數據

2套制酸裝置各自對應1臺焙燒爐，其設計基礎數據相同。單套裝置進凈化工序的煙氣量及組分見表1。

表1 凈化工序進口煙氣條件

單套裝置進轉化工序的煙氣量及組分見表2。

表2 轉化工序進口煙氣條件

2 制酸方案選擇

冶煉煙氣的氣量和濃度均存在周期性波動，且煙氣組分復雜，針對這一特點，凈化工序采用目前成熟可靠的稀酸洗滌、絕熱蒸發(fā)流程。鋅冶煉煙氣通常會含有一定量的汞，在項目實施前，根據工藝對比及工程試驗，確定采用高分子DBA除汞技術[1]。進轉化工序煙氣φ(SO2)設計值為7.669%，據此選擇常規(guī)的二轉二吸制酸工藝。經對比選擇，換熱流程采用ⅢⅠ-ⅣⅡ換熱流程，該流程技術可靠、生產穩(wěn)定，在Ⅲ換熱器出口設置余熱鍋爐，副產低壓蒸汽，充分回收系統(tǒng)余熱。干吸工序選擇塔—槽—泵—酸冷卻器—塔的泵后冷卻流程，該流程可提高傳熱效果，減少酸冷卻器換熱面積[2]。制酸尾氣二氧化硫濃度較低且煙氣雜質含量小，因此尾氣脫硫選擇雙氧水脫硫工藝，產生的稀酸送濕法冶煉系統(tǒng)使用[3]。

3 工藝概述

根據冶煉煙氣條件，設計吸收國內鋅冶煉廠硫酸生產實踐經驗，并結合項目具體情況，確定制酸裝置的具體工藝流程為：一級高效洗滌器—除汞塔—氣體冷卻塔—二級高效洗滌器—一級電除霧器—二級電除霧器—干燥塔—SO2風機—一次轉化—中間吸收—二次轉化—最終吸收—尾氣脫硫—煙囪。2套制酸裝置流程相同，以下以單套裝置為例對工藝流程進行簡述。

3.1 凈化工序

鋅焙燒煙氣經余熱鍋爐降溫、收塵系統(tǒng)收塵后進入制酸凈化工序的一級高效洗滌器逆噴管，與由大口徑噴嘴逆向噴入的循環(huán)液相撞，在氣液界面處建立起具有一定高度的泡沫區(qū)。煙氣與大面積且不斷更新的液體表面接觸，在泡沫區(qū)發(fā)生粒子的捕集及氣體的吸收，同時進行熱量的傳遞，實現凈化煙氣和降低煙氣溫度的目的。向一級高效洗滌器投加高分子DBA藥劑，去除煙氣中大部分汞。一級高效洗滌器出口煙氣進入除汞塔，再經含有DBA的循環(huán)液進一步除汞后，煙氣進入氣體冷卻塔。在氣體冷卻塔內煙氣由低溫循環(huán)酸洗滌降溫，通過控制出口煙氣溫度來控制煙氣中的水含量，從而達到系統(tǒng)水平衡的目的。循環(huán)酸系統(tǒng)設置稀酸板式換熱器，用冷卻水與循環(huán)酸間接換熱將熱量移出系統(tǒng)。出氣體冷卻塔煙氣進入二級高效洗滌器，煙氣得到進一步凈化，再通過兩級電除霧器將煙氣中的酸霧除去，然后煙氣進入干吸工序。出凈化工序煙氣控制硫酸霧質量濃度小于或等于5 mg/m3、塵質量濃度小于或等于2 mg/m3。

一級高效洗滌器洗滌液大部分循環(huán)使用，少部分循環(huán)液進入稀酸脫氣塔，脫吸后的二氧化硫氣體返回制酸系統(tǒng)。脫吸后的液體進入斜板沉降槽，沉降后的底流經泵送入壓濾機進行固液分離回收濾餅。濾餅中含有鉛及DBA除汞渣，外送有資質的公司處置。壓濾后的濾液與沉降槽上清液進入稀酸槽，大部分由稀酸輸送泵送回一級高效洗滌器，少部分送至廢酸處理站進行處理。

凈化工序的補充水在二級高效洗滌器加入，并通過循環(huán)酸液位與串酸閥聯鎖的方式將高出控制液位的稀酸串到一級高效洗滌器，在一級高效洗滌器將高出控制液位的稀酸外排。

3.2 干吸工序

干吸工序采用一級干燥、二級吸收、循環(huán)酸泵后冷卻工藝。

來自凈化工序的煙氣進入干燥塔，與自上而下噴淋的w(H2SO4)93%硫酸通過填料層充分接觸，煙氣中的水分被循環(huán)酸吸收。干燥后的煙氣中夾帶一定數量的酸沫，在干燥塔的頂部設置不銹鋼材質金屬絲網捕沫器，煙氣通過捕沫器除去酸沫后送入SO2風機。干燥循環(huán)酸由干燥塔底部利用重力流入干燥酸循環(huán)槽，然后由泵打入干燥酸冷卻器，經冷卻水間接冷卻后的硫酸送入干燥塔分酸裝置循環(huán)使用。

來自轉化工序的一次轉化氣進入一吸塔，采用w(H2SO4)98%硫酸吸收，三氧化硫氣體被溶解、吸收轉化為硫酸，煙氣經一吸塔頂部設置的纖維除霧器除去霧粒，隨后送往二次轉化。吸收三氧化硫后的循環(huán)酸由一吸塔頂塔底利用重力流入吸收酸循環(huán)槽，然后由泵打入一吸酸冷卻器降溫，再進入一吸塔分酸裝置循環(huán)使用。

來自轉化工序的二次轉化氣進入二吸塔，采用w(H2SO4)98%硫酸吸收，三氧化硫氣體被溶解、吸收轉化為硫酸，煙氣經二吸塔頂部設置的纖維除霧器除去霧粒，隨后送往尾氣脫硫系統(tǒng)。吸收三氧化硫后的循環(huán)酸由二吸塔頂塔底利用重力流入吸收酸循環(huán)槽，然后由泵打入二吸酸冷卻器降溫，再進入二吸塔分酸裝置循環(huán)使用。

由于吸收了凈化后煙氣中的水分，干燥塔循環(huán)酸濃不斷降低。而由于吸收了轉化后煙氣中的三氧化硫，一吸塔、二吸塔循環(huán)酸濃不斷升高，各循環(huán)槽之間需要互相串酸以保證干燥酸、吸收酸濃度。通過干燥酸循環(huán)槽液位的控制，w(H2SO4)93%硫酸由干燥酸循環(huán)泵出酸管串至吸收酸循環(huán)槽。干燥酸循環(huán)槽酸濃度由一吸酸循環(huán)泵出酸管串出w(H2SO4)98%硫酸至干燥酸循環(huán)槽來控制，產酸通過吸收酸循環(huán)槽液位控制，自一吸酸冷卻器酸出口引出，再經成品酸冷卻器冷卻后送往成品酸庫儲存。

3.3 轉化工序

轉化工序采用了4段“3+1”兩次轉化、ⅢⅠ-ⅣⅡ換熱流程。從SO2風機來的二氧化硫煙氣依次通過Ⅲ換熱器和Ⅰ換熱器，與從三段和一段催化劑層出來的熱三氧化硫煙氣進行氣-氣換熱，二氧化硫煙氣被加熱后進入轉化器一段催化劑層，在催化劑作用下二氧化硫氧化生成三氧化硫。一段轉化后三氧化硫煙氣經Ⅰ換熱器冷卻，溫度降低后進入轉化器二段。二段轉化后煙氣經Ⅱ換熱器冷卻，自身溫度降低后進入轉化器三段。三段轉化后煙氣依次經Ⅲ換熱器、余熱鍋爐冷卻降溫后進入一吸塔。一吸塔吸收三氧化硫后的煙氣經Ⅳ換熱器、Ⅱ換熱器分別與轉化器四段出口和二段出口高溫煙氣換熱后升溫，隨后進入轉化器四段進行二次轉化。二次轉化后的煙氣經Ⅳ換熱器換熱降溫后進入二吸塔。轉化器各段入口溫度可通過副線調節(jié)，轉化工序開工采用電加熱爐升溫，轉化器一、四段煙氣入口分別配置了電加熱爐。

3.4 制酸尾氣脫硫

制酸尾氣采用雙氧水脫硫工藝，2套制酸裝置尾氣分別設置脫硫系統(tǒng)。制酸尾氣從脫硫塔下部進入脫硫塔，在填料段與循環(huán)液逆流接觸，溶入循環(huán)液的二氧化硫迅速與循環(huán)液中的雙氧水反應生成稀硫酸。尾氣經脫硫塔塔頂除霧器除去酸霧后，合并通過70 m高的尾氣煙囪排放。脫硫反應產生的w(H2SO4)約25%的稀硫酸輸送至濕法冶煉系統(tǒng)使用。

外購的雙氧水通過卸車泵送入儲槽中，系統(tǒng)運行過程中監(jiān)控脫硫塔內循環(huán)液中雙氧水的濃度，當濃度低于一定數值時，通過雙氧水添加泵向脫硫塔內定量添加雙氧水，以補充其消耗損失。

4 制酸裝置主要設備

制酸裝置的主要設備見表3。2套制酸裝置的設備規(guī)格相同。

表3 單套制酸裝置主要設備

5 制酸裝置工藝特點

該制酸裝置工藝特點有：

1）選用高效洗滌器作為煙氣洗滌設備。高效洗滌器有較高的除塵效率，同時有較高的除砷和除氟效率。高效洗滌器對煙氣波動的適應性較強，氣量波動幅度50%的情況下煙氣仍可保持較高的凈化率。高效洗滌器設備內部沒有任何活動部件，煙氣暢通無阻、操作維修簡單、使用周期長、設備小巧、制作簡單、配置靈活[4]。

2）凈化工序選擇高分子DBA除汞技術，DBA是一種對汞具有較強吸附性的有機交聯高分子材料，利用其吸附性可以去除煙氣中的汞元素，保證成品酸質量和尾氣達標排放。制酸裝置將一級高效洗滌器兼做一級除汞塔，同時設置專門的除汞塔，通過兩級除汞凈化煙氣滿足工藝要求，除汞產物送往高分子DBA藥劑供應廠家處理，綜合回收利用。

3）電除霧器采用新型導電玻璃鋼電除霧器，其優(yōu)點是導電性能好、質量小、易制作、不變形、耐腐蝕、阻燃性好、效率高。電除霧器的寬極距可保證供電穩(wěn)定，使風機進口硫酸霧達到技術指標。電除霧器正常維修量小、使用壽命長。

4）采用碟形底干吸塔、臥式泵槽結構，低位配置降低了循環(huán)泵揚程，有利于降低投資和節(jié)約能耗。干吸塔底結構采用碟形底，填料用條梁支撐，避免塔底集酸，提高了開孔率，改善了煙氣分布。臥式泵槽下部進酸可減少對內襯的局部沖擊力，并使內襯受力更為均勻。

5）干燥塔、吸收塔分酸裝置采用新型管式分酸器，具有分酸點密度大、噴淋酸分布更為均勻、操作彈性大的優(yōu)點，從而提高了干吸效果。

6）SO2風機配套變頻電機，可根據生產情況實時調節(jié)風機電機轉速，提高控制精度，降低電能消耗，降低設備運行噪聲。同時，采用變頻電機還可以避免啟動過程對電網的沖擊。

7）冶煉煙氣中的二氧化硫濃度可能波動，為維持轉化工序熱平衡，在一次轉化氣和二次轉化氣入口處均設置了電加熱爐，必要時啟動電加熱爐以保證轉化工序的熱平衡，使生產正常運行。

6 主要技術經濟指標

制酸裝置的主要技術經濟指標見表4。

表4 單套制酸裝置的主要技術經濟指標

7 裝置運行情況

2套制酸裝置于2018年初啟動建設，分別于2019年2月和4月投產。投產初期，裝置轉化率不能長期穩(wěn)定達到設計值，導致進脫硫系統(tǒng)煙氣二氧化硫濃度過高，雙氧水消耗量大。裝置中催化劑為原廠利舊催化劑與新購催化劑混裝，經設計方、供貨方及業(yè)主多次分析，認為轉化率偏低的主要原因是部分利舊催化劑的活性較低，導致總轉化率難以達到設計值。因此，對催化劑裝填方案進行了調整優(yōu)化，并在冶煉系統(tǒng)檢修間隙實施了優(yōu)化方案，用新催化劑替換了部分利舊催化劑，優(yōu)化處理后裝置的轉化率已達到并超過設計值。

裝置運行初期，凈化工序出口煙氣未達到凈化指標的設計值，分析判斷是電除霧器未達到正常的除霧效果。分析其原因，主要是一級電除霧器陰極線為該冶煉廠原廠利舊，且老廠停產到新廠安裝之間有數月的間隔，極線的存放條件不佳，部分極線有一定程度的老化，影響了電除霧器整體性能。在冶煉系統(tǒng)檢修間隙對電除霧器進行了檢修，更換了部分極線，最終解決了問題。

裝置運行之初，鋅精礦通常含汞較低，煙氣中汞含量不高，DBA除汞模塊并未長期連續(xù)運行，僅在煙氣汞含量較高時投加DBA。根據投加DBA時的化驗數據，以及該廠在搬遷前工廠內的工業(yè)試驗驗證，煙氣中含汞質量濃度在20 mg/m3左右時，DBA除汞效率可達到80%以上。

SO2風機采用變頻控制，根據現場工程師反饋，風機的變頻調節(jié)使用情況良好，對煙氣波動的適應性強，調節(jié)簡便、節(jié)能效果明顯。

投產至今，2套制酸裝置運行狀態(tài)正常，產酸量均達到設計能力，二氧化硫轉化率達到設計指標，成品酸品質達到GB/T 534—2014《工業(yè)硫酸》一等品指標。外排制酸尾氣ρ(SO2)≤100 mg/m3，符合環(huán)保要求。該制酸裝置滿足了鋅冶煉系統(tǒng)的煙氣處理要求，并可適應冶煉系統(tǒng)的煙氣波動。

8 結語

該項目的鋅產能為300 kt/a，屬國內規(guī)模最大的鋅冶煉廠之一，采用的2臺152 m2焙燒爐也屬國內運行的規(guī)格最大的鋅焙燒爐。隨著有色冶煉技術的進步及冶煉系統(tǒng)規(guī)模的不斷提升，以及環(huán)保要求的日益嚴格，冶煉配套制酸裝置的裝備水平和運行指標也隨之提高。冶煉配套制酸方案應結合項目情況具體分析，在滿足冶煉系統(tǒng)煙氣處理要求及項目建設地環(huán)保要求的前提下，選擇先進、經濟、可靠的方案。期待該項目制酸裝置的設計理念為類似項目提供借鑒。