1 200 kt/a銅冶煉煙氣制酸系統(tǒng)設(shè)計和生產(chǎn)實踐

千文建，胥 永

（1.廣西南國銅業(yè)有限責(zé)任公司，廣西扶綏 532100；2.中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330031）

廣西南國銅業(yè)有限責(zé)任公司（以下簡稱南國銅業(yè)）一期銅冶煉項目采用側(cè)吹熔煉+多槍頂吹吹煉+回轉(zhuǎn)式陽極爐精煉+雙向平行流電解+非衡態(tài)高濃度SO2制酸工藝，除側(cè)吹熔煉爐體和多槍頂吹吹煉爐體外，其他設(shè)備均由中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司設(shè)計，大部分關(guān)鍵裝備首次實現(xiàn)國產(chǎn)化并取得了預(yù)期效果。其中，銅冶煉系統(tǒng)配套的單系列1 200 kt/a冶煉煙氣制酸系統(tǒng)于2019年4月投用，經(jīng)過兩年多的生產(chǎn)運行，各項技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均達(dá)到或超過設(shè)計要求。

1 工藝設(shè)計參數(shù)

來自側(cè)吹熔煉爐和頂吹吹煉爐的煙氣進(jìn)入制酸系統(tǒng)凈化工序，煙氣條件見表1。

表1 凈化工序入口的煙氣條件

凈化工序入口煙氣溫度為（290±20）℃，壓力為0 kPa，煙氣中塵 （ρ）≤500 mg/m3，年工作時間 340 d。

2 工藝流程

南國銅業(yè)硫酸系統(tǒng)為單系列裝置，包括煙氣凈化、“4+1”二轉(zhuǎn)二吸、有機(jī)胺尾氣脫硫、廢酸處理等工序，其工藝流程見圖1。

圖1 冶煉煙氣制酸系統(tǒng)工藝流程

2.1 凈化工序

煙氣凈化采用一級動力波洗滌器—氣體冷卻塔—二級動力波洗滌器—一級導(dǎo)電玻璃鋼電除霧器—二級導(dǎo)電玻璃鋼電除霧器流程。

煙氣先在一級動力波洗滌器中被絕熱蒸發(fā)冷卻和稀酸洗滌除雜，再進(jìn)入氣體冷卻塔進(jìn)一步冷卻和除雜，然后進(jìn)入二級動力波洗滌器和兩級電除霧器再次凈化。凈化系統(tǒng)出口煙氣溫度降至38 ℃左右，硫酸霧（ρ）≤5 mg/m3。凈化后的煙氣送往干吸工序的干燥塔。

2.2 干吸工序

干吸工序采用一級干燥+兩級吸收流程，循環(huán)泵后冷卻工藝與雙接觸轉(zhuǎn)化工藝相對應(yīng)，同時設(shè)置國產(chǎn)低溫位熱回收系統(tǒng)回收低溫位熱量用于產(chǎn)低壓蒸汽。

來自凈化工序的煙氣進(jìn)入干燥塔后，將煙氣干燥到w（H2O）＜0.1 g/m3，并經(jīng)絲網(wǎng)捕沫器除去酸沫，送入SO2鼓風(fēng)機(jī)。

由轉(zhuǎn)化工序來的一次轉(zhuǎn)化煙氣中約95%的SO2已被轉(zhuǎn)化成SO3，在熱回收塔內(nèi)經(jīng)過兩級吸收。吸收SO3后的煙氣經(jīng)熱回收塔頂部設(shè)置的高效纖維捕沫器除去酸霧后送去二次轉(zhuǎn)化。

熱回收塔裝有上、下兩層填料，上層填料的噴淋酸w（H2SO4）為98.5%，下層填料的上塔酸w（H2SO4）為99%。上層噴淋酸的溫度控制在60 ℃以下，以確保SO3的吸收率，降低酸霧的產(chǎn)生量。吸收SO3后的酸從塔底流入與塔相連的泵槽，由循環(huán)酸泵送入熱回收系統(tǒng)蒸發(fā)器，生產(chǎn)0.8 MPa飽和蒸汽[2]。由于循環(huán)酸吸收SO3后濃度增加，需通過稀釋器補(bǔ)充除氧水以維持酸濃度，加水后的循環(huán)酸返回?zé)峄厥账M(jìn)行循環(huán)。從稀釋器入口管道引出一部分循環(huán)酸串至干燥塔循環(huán)泵槽和二吸塔循環(huán)泵槽，由于此股酸溫度高達(dá)180 ℃左右，設(shè)置低溫給水加熱器和冷凝水加熱器將其冷卻至約100 ℃，冷卻介質(zhì)為發(fā)電機(jī)組冷凝水和除氧水。經(jīng)過加熱的除氧水進(jìn)入熱回收系統(tǒng)蒸發(fā)器產(chǎn)出低壓蒸汽。

二次轉(zhuǎn)化的煙氣采用w（H2SO4）98.5%硫酸進(jìn)行吸收，吸收SO3后的煙氣經(jīng)二吸塔頂部設(shè)置的高效纖維捕沫器除去酸霧后，通過煙氣管道送至尾氣脫硫工序。

成品酸由二吸塔塔底分流進(jìn)入成品酸中間槽，加水調(diào)整濃度后再由成品酸輸送泵送入成品酸冷卻器冷卻，然后送往成品酸庫。

2.3 轉(zhuǎn)化工序

轉(zhuǎn)化工序采用“非衡態(tài)”高濃度SO2轉(zhuǎn)化工藝、ⅣⅡ-ⅤⅢⅠ換熱流程。轉(zhuǎn)化工序入口煙氣φ（SO2）設(shè)計值為15.00%～16.75%。

通過在干燥塔前加入稀釋空氣將轉(zhuǎn)化工序入口煙氣的φ（SO2）調(diào)整至16%左右。從SO2鼓風(fēng)機(jī)來的冷SO2混合煙氣進(jìn)入Ⅳ換熱器，與轉(zhuǎn)化器四段出口的熱煙氣進(jìn)行換熱；換熱后的煙氣再進(jìn)入Ⅱ換熱器，與轉(zhuǎn)化器二段出口的熱煙氣進(jìn)行換熱，經(jīng)兩次換熱后的煙氣進(jìn)入轉(zhuǎn)化器一段進(jìn)行反應(yīng)，一段出口的煙氣經(jīng)Ⅰ換熱器冷卻，并由1#熱管鍋爐回收熱量后，進(jìn)入轉(zhuǎn)化器二段。經(jīng)轉(zhuǎn)化器二段反應(yīng)后的煙氣進(jìn)入Ⅱ換熱器，冷卻后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器三段進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)。經(jīng)轉(zhuǎn)化器三段反應(yīng)后的煙氣進(jìn)入Ⅲ換熱器，冷卻后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器四段。經(jīng)轉(zhuǎn)化器四段反應(yīng)后的煙氣進(jìn)入Ⅳ換熱器，冷卻后進(jìn)入2#熱管鍋爐，回收余熱降溫后進(jìn)入熱回收塔。經(jīng)熱回收塔吸收SO3后的冷SO2煙氣經(jīng)Ⅴ換熱器、Ⅲ換熱器、Ⅰ換熱器升溫后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器五段。轉(zhuǎn)換器五段出口的煙氣經(jīng)Ⅴ換熱器換熱冷卻后，進(jìn)入二吸塔進(jìn)行二次吸收。

SO2鼓風(fēng)機(jī)采用“汽輪機(jī)+離合器+電機(jī)+SO2鼓風(fēng)機(jī)”汽電雙拖驅(qū)動方式。利用低溫位熱回收和轉(zhuǎn)化工序熱管鍋爐產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動SO2鼓風(fēng)機(jī)，多余的蒸汽去余熱發(fā)電進(jìn)行能量回收。

2.4 尾氣脫硫工序

為確保制酸尾氣達(dá)標(biāo)排放，二吸塔出口的尾氣進(jìn)入脫硫系統(tǒng)處理。脫硫系統(tǒng)采用再生有機(jī)胺吸收法進(jìn)行脫硫，產(chǎn)出的高純SO2送往制酸系統(tǒng)用于制酸。

2.5 廢酸處理工序

采用新型污酸處理工藝處理制酸凈化工序產(chǎn)出的含砷污酸，即用硫化氫氣體代替硫化鈉或硫氫化鈉溶液，與污酸中的砷及其他重金屬離子發(fā)生反應(yīng)，生成難溶的硫化物除去。不僅可以回收污酸中的砷和銅等有價金屬元素，還可避免傳統(tǒng)硫化法將鈉鹽帶入下游污水處理系統(tǒng)，很大程度上解決了鹽分在廢水處理系統(tǒng)中的積累問題[1]。

3 生產(chǎn)運行情況

3.1 存在的問題及改進(jìn)措施

3.1.1 轉(zhuǎn)化工序熱管鍋爐部分熱管失效

轉(zhuǎn)化工序分別在一段煙氣出口、四段煙氣出口設(shè)置了1#熱管鍋爐和2#熱管鍋爐，回收利用余熱。

1#熱管鍋爐共有16組φ42 mm×3.5 mm熱管，投產(chǎn)2個月后，煙氣進(jìn)口側(cè)的熱管組先后爆管。爆管2組后，鍋爐出口的煙氣溫度超過設(shè)計值30 ℃；爆管4組后，鍋爐出口的煙氣溫度達(dá)500 ℃以上，此后爆管更加頻繁，生產(chǎn)期間系統(tǒng)被迫降負(fù)荷運行。經(jīng)分析，熱管爆管的主要原因是：

1）鍋爐采用徑向熱管，煙氣水平進(jìn)出。熱管在煙氣取熱后再到鍋爐汽包移熱，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，出現(xiàn)局部熱管超壓導(dǎo)致爆管，進(jìn)而引起整組熱管失效。

2）熱管和鍋爐殼體連接處在設(shè)計和施工時未解決好熱膨脹問題。

3）煙氣經(jīng)過熱管的阻力降大于等于2.5 kPa，煙氣進(jìn)口的前面幾組熱管換熱負(fù)荷大。

經(jīng)多次論證后，南國銅業(yè)最終決定采用導(dǎo)熱油鍋爐方案，導(dǎo)熱油的進(jìn)口溫度設(shè)計為230 ℃，出口溫度設(shè)計為270 ℃，以避免低溫腐蝕。導(dǎo)熱油鍋爐投入運行一年多以來，鍋爐出口的煙氣溫度長期穩(wěn)定在435 ℃左右，保障了轉(zhuǎn)化工序的正常運行。

2#熱管鍋爐共有32組φ38 mm×3 mm熱管，投產(chǎn)6個月后，先后有3組熱管失效，鍋爐出口的煙氣溫度達(dá)210 ℃，超過進(jìn)入低溫位熱回收系統(tǒng)的設(shè)計值30 ℃，因低溫位熱回收系統(tǒng)設(shè)計有一定裕量，尚能滿足生產(chǎn)需求。經(jīng)分析，熱管失效主要是由于熱管的加工質(zhì)量存在問題。綜合考慮熱管鍋爐的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場布置情況，在系統(tǒng)大修時增設(shè)了省煤器，為避免低溫腐蝕，省煤器采用0.5～0.8 MPa的熱水通過DN25管束與煙氣進(jìn)行換熱，省煤器進(jìn)、出口的熱水溫度分別為135，160 ℃。改造后，鍋爐出口的煙氣溫度穩(wěn)定在180～190 ℃。

3.1.2 轉(zhuǎn)化工序升溫較慢

在轉(zhuǎn)化工序開車升溫過程中，轉(zhuǎn)化器一段進(jìn)口的煙氣溫度需要較長時間才能升溫至380 ℃，從380 ℃升至400 ℃至少需要20 h。分析其主要原因為：

1）天然氣升溫系統(tǒng)助燃風(fēng)機(jī)運行時達(dá)不到額定風(fēng)量，運行到約80%額定風(fēng)量時產(chǎn)生振動。

2）轉(zhuǎn)化溫度調(diào)節(jié)副線閥在使用一段時間后關(guān)閉不嚴(yán)。

將升溫系統(tǒng)助燃風(fēng)機(jī)由垂直90°進(jìn)風(fēng)方式改為水平0°進(jìn)風(fēng)方式，同時增設(shè)升溫系統(tǒng)直接到轉(zhuǎn)化器一段進(jìn)口的升溫管道，徹底解決了上述問題，轉(zhuǎn)化器一段進(jìn)口的煙氣溫度由380 ℃升至400 ℃只需要4 h。

3.1.3 循環(huán)酸輸送管道堵塞

低溫位熱回收系統(tǒng)串酸至干燥循環(huán)槽的管道設(shè)計為鋼襯聚四氟乙烯材質(zhì)，在停車時該管道內(nèi)部會產(chǎn)生一定的負(fù)壓，因循環(huán)酸溫度較高（135～185 ℃），部分管道內(nèi)襯的聚四氟乙烯管被抽吸變形，以致堵塞管道造成串酸量減小。將該管道改為合金管道后，上述故障未再發(fā)生。

3.1.4 尾氣脫硫系統(tǒng)管道堵塞

尾氣脫硫系統(tǒng)配套有樹脂交換除鹽設(shè)備，但在生產(chǎn)運行過程中，除鹽設(shè)備的脫鹽能力不能滿足生產(chǎn)需要，出現(xiàn)硫酸鈉在管道內(nèi)結(jié)晶的現(xiàn)象。經(jīng)技術(shù)論證后，增設(shè)硫酸鈉冷凍結(jié)晶裝置與樹脂交換除鹽設(shè)備一起使用，解決了硫酸鈉結(jié)晶問題，保障了尾氣的有機(jī)胺脫硫處理效果，外排尾氣中ρ（SO2）長期穩(wěn)定控制在50 mg/m3以下。

3.2 主要技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

南國銅業(yè)單系列1 200 kt/a冶煉煙氣制酸系統(tǒng)自投運以來，經(jīng)過調(diào)整與改進(jìn)，各項指標(biāo)均已達(dá)到或超過設(shè)計要求，其中轉(zhuǎn)化工序煙氣φ（SO2）最高達(dá)到17%，在氧硫比為0.7的工況下，轉(zhuǎn)化率為99.85%，脫硫系統(tǒng)尾氣排放口ρ（SO2）仍能保持在50 mg/m3以下。該冶煉煙氣制酸系統(tǒng)主要技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表2。

表2 冶煉煙氣制酸系統(tǒng)主要技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

4 結(jié)語

南國銅業(yè)單系列1 200 kt/a制酸系統(tǒng)，其中“非衡態(tài)”高濃度SO2轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、低溫位熱回收系統(tǒng)、有機(jī)胺脫硫系統(tǒng)、汽電雙拖SO2鼓風(fēng)機(jī)組、新型H2S法廢酸處理系統(tǒng)等關(guān)鍵裝備首次全部采用國產(chǎn)化設(shè)備，兩年多的生產(chǎn)實踐表明，該裝置運行率高，主要技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到或超過設(shè)計要求，成品酸質(zhì)量達(dá)到GB/T 534—2014《工業(yè)硫酸》一等品的要求。該制酸系統(tǒng)采用國產(chǎn)化裝備和技術(shù)，對降低工程投資、節(jié)能降耗、降本增效發(fā)揮了重要作用，對新建或改造項目具有一定的借鑒價值。