鋅氧壓浸出熔硫池換熱器改造設計

顏會龍

（深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司丹霞冶煉廠 廣東韶關512000）

1 前言

丹霞冶煉廠鋅氧壓浸出技術熔硫工業生產于2011年4月投料生產，鋅氧壓浸出工藝采用高溫高酸浸出，浸出渣酸度在80g／l～90g／l［1］，浸出渣通過硫浮選工藝將其分離成硫精礦和鉛銀渣［2］。得到的硫精礦硫品位在80%以上，硫精礦漿中酸度在30g／l～40g／l，硫精礦漿再通過帶式過濾機過濾后形成含水16%～20%的硫精礦濾餅。硫精礦濾餅投入熔硫池加溫熔融成液態硫，熔硫池內溫度控制130℃～145℃，通過泵送到熱過濾機進行過濾得到合格的硫磺濾液。含酸含水的硫精礦濾餅投入到熔硫池后與換熱器接觸進行換熱單質硫熔化成液態，水分迅速蒸發形成酸性氣體，在高溫環境下與換熱器接觸加速了換熱器的腐蝕。本文通過對國內某廠家生產制造的換熱器進行優化設計，滿足熔硫生產工藝換熱要求的同時提高穩定性。

2 前期問題調研

丹霞冶煉廠熔硫工業生產過程中，換熱器的換熱效率跟不上生產處理量，熔硫池溫度無法控制在工藝參數范圍內，由于現有換熱設備采用的是單管（管徑DN50）的蛇管換熱器，換熱效果差，換熱溫度不能滿足生產需要，硫精礦不能在熔硫池內充分熔解，造成熱濾渣含硫偏高，液體硫磺粘度較高、過濾性能差，影響生產產量。改造要求在換熱器整體框架尺寸不變的情況下，保證熔硫池蓋板與換熱器尺寸完全匹配。在換熱器使用運行過程中出現的問題歸納如下：1）換熱器換熱面積不夠，導致熔硫池溫度達不到生產工藝要求；2）現有換熱器材質為316L，在酸性環境下容易腐蝕斷裂，換熱器蛇管斷裂垮塌后與邊上的攪拌器撞擊纏繞引發二次設備故障；3）對換熱器出口冷凝水沒有監測，無法判斷換熱器的完整性及工作情況。

3 典型問題分析及改進

結合丹霞冶煉廠熔硫工藝十年的生產實踐經驗，對以上列舉的典型故障問題進行分析，同時針對每一項分析結果進行了相應的設計改進，運用到生產實踐中，達到了良好的使用效果。

3.1 換熱器結構優化設計

丹霞冶煉廠熔硫工業生產使用的是單管（管徑DN50）的蛇管換熱器，如圖1所示，換熱面積僅為2.68m2。通過將換熱器管的直徑由Φ50改成Φ25，同時將單管改成多管并列形式，管與管之間采用不銹鋼圓鋼進行固定，并將固定圓鋼與換熱器蓋板相接，增加牢固程度，防止在池內因攪拌引起換熱器管變形，將蒸汽進口管做成DN50，出口管做成DN20，如圖2。換熱器結構優化設計改進后的優點有：1）通過改變換熱器的管徑，在同樣的尺寸框架內換熱面積增加到11.93m2，單臺換熱器的換熱面積擴大4.45倍，有效解決熔硫池供熱問題；2）延長了蒸汽在換熱過程中的停留時間，增加換熱效果，同時減少高壓蒸汽熱能的浪費，降低生產成本；3）不銹鋼圓鋼固定換熱蛇管，即使管道出現腐蝕斷裂在圓鋼框架的保護作用下仍然可以保證換熱器整體結構的完整性，有效避免因蛇管腐蝕斷裂對周邊攪拌造成二次設備故障。

圖1 改造前換熱器結構示意圖

圖2 改造后換熱器結構示意圖

3.2 換熱器智能監控設計

在換熱器使用過程中無法對換熱效果及運行情況進行監控，為了滿足生產現場的精細控制及對工作狀態的實時監控，在換熱器進口中間位置增加一臺氣動調節閥，根據池子溫度由DCS進行調節開度，從而控制熔硫池溫度穩定，在出口處安裝一個PH計探頭，對出口的冷凝水進行實時檢測，并接入DCS進行酸度報警，方便第一時間發現換熱器故障。減少因換熱器穿孔浪費高壓蒸汽而導致的高壓蒸汽直接通入熔硫池內，增加后續環保設施的工作壓力及運行成本。

3.3 材質更換

實際熔硫生產過程中，換熱器全天不間斷的運行，其工作原理主要是在管內通入0.8MPa～1.0MPa的高壓蒸汽與管外液態的硫進行換熱，起到保持熔硫池溫度穩定的作用。而換熱器運行環境比較復雜，由于投入熔硫池的硫精礦常含有少量的硫酸（硫酸的濃度為5g／L～10g／L），在135℃～145℃的熔硫池內，很容易與硫酸反應，從而被腐蝕。在換熱器的運行過程始終面臨著工作壓力高、易腐蝕、運行時間長等問題，對其材質具有一定的要求。

而現有硫回收熔硫池內使用換熱器材質為316L，在實際生產使用過程中腐蝕比較嚴重，使用周期大概只有6個月，故障率比較高，維護維修費用高。通過對比表1不同材質的不銹鋼性能可以發現，無論是抗腐蝕性能，力學性能，還是物理性能，2205雙相不銹鋼材料都比316L要好。考慮到換熱器長期使用，容易出現焊接補漏現象，需要具有良好焊接性能，而2205的焊接性能要優于316L。

表1 不銹鋼材質特性對比表

雙相2205不銹鋼與316L奧氏體不銹鋼之間的區別及優勢有以下幾點：1）屈服強度比普通奧氏體不銹鋼高一倍多，且具有成型需要的足夠的塑韌性。采用雙相不銹鋼制造儲罐或壓力容器的壁厚要比常用的奧氏體減少30%～50%，有利于降低成本；2）具有優異的耐應力腐蝕破裂的能力，即使是含合金量最低的雙相不銹鋼也有比奧氏體不銹鋼更高的耐應力腐蝕破裂的能力，尤其在含氯離子的環境中。應力腐蝕是普通奧氏體不銹鋼難以解決的突出問題；3）在許多介質中應用最普遍的2205雙相不銹鋼的耐腐蝕性優于普通的316L奧氏體不銹鋼，而超級雙相不銹鋼具有極高的耐腐蝕性，在一些介質中，如醋酸，甲酸等甚至可以取代高合金奧氏體不銹鋼，乃至耐蝕合金；4）具有良好的耐局部腐蝕性能，與合金含量相當的奧氏體不銹鋼相比，它的耐磨損腐蝕和疲勞腐蝕性能都優于奧氏體不銹鋼；5）比奧氏體不銹鋼的線膨脹系數低，和碳鋼接近，適合與碳鋼連接，具有重要的工程意義，如生產復合板或襯里等；6）不論在動載或靜載條件下，比奧氏體不銹鋼具有更高的能量吸收能力，這對結構件應付突發事故如沖撞、爆炸等，雙相不銹鋼優勢明顯。通過對目前市場上的不銹鋼材料的抗腐蝕性及導熱系數的綜合考慮，最終選定在抗腐蝕性、力學性能、物理性能及焊接性能相對更好的2205雙相不銹鋼材料作為換熱器的材質［3］。

4 結論

通過對氧壓浸出熔硫池換熱器改造設計，其耐高壓、耐腐蝕的性能得到提升，換熱效率得到很大改善。通過現場的生產實踐，改進后的換熱器解決了熔硫池溫度的溫度控制、硫回收生產平穩運行、現場作業環境、高壓蒸汽消耗等方面的問題。