高效氣體換熱器設計和生產運行維護實踐總結

劉 琳，張建康，姚 強，黃開胤，劉 偉，宋 剛，岳鳳洲

（陜西鋅業有限公司，陜西商洛726007）

陜西鋅業有限公司（以下簡稱陜西鋅業）于1986年籌建，12 kt/a鋅精礦焙燒制酸系統于1989年底建成試生產，配套生產鋅錠8 kt/a。經過近30余年的連續發展，在“十三五”期間，硫酸實際產能提高到350 kt/a，主產品鋅錠產能達到200 kt/a，并綜合回收銦、鎘、鉛、銅、鈷、金、銀、碳等多種元素和余熱資源，2022年初被工信部認定為“綠色工廠”。目前，陜西鋅業共有3套鋅精礦焙燒制酸生產線，包括1套180 kt/a和2套85 kt/a硫酸裝置，分別于2009年6月、2014年10月和2020年8月建成投運。上述3套硫酸裝置設計均采用Ⅲ Ⅰ-Ⅳ Ⅱ換熱流程和“3+1”兩次轉化制酸工藝，氣體換熱器均為旋流網板（空心環）急擴加速流縮放管管殼式換熱器（以下簡稱高效氣體換熱器），生產運行狀況較好。

1 高效氣體換熱器設計和運行回顧

1.1 設計和生產運行情況

陜西鋅業1989年底建成投產的首套鋅精礦焙燒制酸裝置，原設計硫酸產能為12 kt/a，轉化工序采用Ⅲ Ⅰ-Ⅳ Ⅱ換熱流程和“3+1”兩次轉化。氣體換熱器采用6臺傳統結構的光管換熱器（Ⅲ、Ⅳ換熱器各2臺），其中Ⅳa換熱器低溫腐蝕堵塞較快，使用壽命一直沒有超過3年。2004年12月至2005年3月，陜西鋅業將原來的6臺換熱器改造為4臺高效氣體換熱器，由于高效氣體換熱器采用強化傳熱和專利制造技術，其傳熱系數設計值為28 W/(m2·K)，比傳統結構的光管換熱器提高了1.6倍，具有換熱總面積小、傳熱效率高的特點。同時拆除原12 m2流態化焙燒爐，在原址新建了1臺14 m2流態化焙燒爐[1]，技術改造后硫酸實際產能提高到24 kt/a。該硫酸裝置于2009年5月停產，2010年拆除后發現，4臺高效氣體換熱器內部基本完好，沒有明顯腐蝕跡象。首套鋅精礦焙燒煙氣硫酸裝置的技改成功，為新建180 kt/a大型硫酸裝置的運行提供了寶貴的實踐經驗。

180 kt/a硫酸裝置于2009年6月建成投運，至2022年3月底已經累計生產工業濃硫酸2 362 774 t，累計運行94 786 h，開車率91.38%。按照實際產酸速率核算，陜西鋅業180 kt/a硫酸裝置高效氣體換熱器設計富裕系數為15%。該套裝置采用的4臺換熱器參數，是陜西鋅業在借鑒首套鋅精礦焙燒硫酸裝置技改實踐經驗的基礎上，與華南理工大學鄧先和教授的研究設計團隊經過充分溝通、反復計算優化后選定的設計方案[2]。近13年的生產實踐證明，這個設計方案是先進、科學、可靠的。

2套85 kt/a硫酸裝置均采用了5臺高效氣體換熱器。在建設設計初期，考慮到國內中小型硫酸裝置所用的Ⅳ換熱器普遍存在低溫腐蝕堵塞和壽命較短的問題，陜西鋅業最終確定將Ⅳ換熱器“一分為二”，按2臺設計制造。陜西鋅業2014年10月建成投運的85 kt/a硫酸裝置，至2022年3月底累計生產硫酸606 014 t，正常生產57 996 h，開車率85.43%。開車率低的主要原因是鋅精礦供應緊張，先后4次停機待料共計4 946 h（約206 d）。2020年8月建成投運的85 kt/a硫酸裝置，至2022年3月底累計生產硫酸141 884 t，正常生產13 985 h，開車率97.12%。按照實際產酸速率核算，這兩套85 kt/a硫酸裝置實際產能偏小，硫酸實際產量僅達到設計值的95.49%～98.35%，轉化器四段進口的煙氣溫度從2021年9月至2022年2月經常保持在(390±5)℃，需要間斷開啟1～3組2#加熱電爐，才能把四段進口的煙氣溫度穩定在400～403 ℃。

12，180，85 kt/a硫酸裝置轉化工序的換熱器設計面積見表1。

表1 轉化工序高效氣體換熱器設計面積

1.2 運行維護情況

硫酸生產實踐表明，在設計、建設科學合理的前提下，通過日常精細操作管理，嚴格控制進入轉化系統煙氣中的酸霧、水分、塵、氟等有害成分含量，盡可能提高SO2轉化率、SO3吸收率和系統開車率，是高效氣體換熱器運行維護的關鍵。陜西鋅業現有硫酸裝置的實際生產和控制指標見表2。

表2 陜西鋅業現有硫酸裝置生產控制指標

由表2可知，陜西鋅業180 kt/a硫酸裝置生產控制指標和生產效率相對較好，存在的問題是煙氣氟濃度稍有超標，主要表現在轉化器一段進口上部的柱狀S108型釩催化劑表面的瓷質保護劑有粉化現象；2#85 kt/a硫酸裝置存在的問題是煙氣氟濃度超標頻繁且比較嚴重，主要表現在轉化器一段進口上部的柱狀S108型釩催化劑及其瓷質保護劑均有明顯粉化，且釩催化劑結塊速度較快。

由于陜西鋅業在硫酸生產中對煙氣中的酸霧、水分、塵、氟等關鍵指標管控比較嚴格，高效氣體換熱器使用壽命普遍延長。Ⅰ換熱器和Ⅱ換熱器共6臺，多年來均使用正常，僅于2015年和2018年分別對180 kt/a硫酸裝置的Ⅳ換熱器和Ⅲ換熱器進行了更換，2021年對1#85 kt/a硫酸裝置的Ⅳa換熱器進行了更換。目前3套硫酸裝置的14臺高效氣體換熱器均能適應硫酸裝置較高負荷的生產要求。

2 換熱器出現的問題及解決措施

陜西鋅業為了進一步提高資源回收利用水平，于2021年新建了渣處理項目，專門處理濕法煉鋅過程中產出的各類廢渣。來自該項目富氧側吹爐的低濃度SO2煙氣進入現有3套硫酸裝置凈化工序的高效洗滌器，富氧側吹爐的煙氣參數原設計值和實際生產期間的煙氣情況見表3～4。

表3 富氧側吹爐的煙氣參數原設計值

表4 實際生產期間富氧側吹爐出口的煙氣情況

在2021年9月24日至2022年1月15日試車期間，側吹爐煙氣主要進入180 kt/a硫酸裝置，由于這股煙氣的流量和塵濃度波動較大，成分復雜多變，且沸騰爐頻繁降負荷運行，導致180 kt/a硫酸裝置的Ⅲ、Ⅳ換熱器發生了明顯的堵塞和低溫露點腐蝕，其中Ⅲ換熱器的殼程阻力平均每月升高2 kPa。2022年3月，陜西鋅業利用109 m2流態化焙燒爐臨時停車機會對180 kt/a硫酸裝置轉化工序進行檢修，特邀甘肅中順石化工程裝備有限公司采用特殊配方的緩蝕劑和堵漏劑，對Ⅲ、Ⅳ換熱器的殼程進行清洗后堵漏。硫酸裝置轉化工序檢修耗時4天，檢修情況如下：

1）檢查、清洗Ⅲ換熱器，對腐蝕穿孔的28根管道進行焊封，并澆灌350 mm堵漏劑。

2）檢查、清洗Ⅳ換熱器，發現下花板有明顯腐蝕穿孔現象。對發現的1根漏管進行焊封，并在下花板處澆灌300 mm堵漏劑。

3）發現轉化器一段釩催化劑粉化、板結、發白比較明顯。將催化劑全部篩分后，補充新釩催化劑S101型15 t和S108型3 t。

180 kt/a硫酸裝置轉化工序檢修前后換熱器運行參數對比見表5。

表5 檢修前后Ⅲ、Ⅳ換熱器運行參數對比

由表5可以看出，180 kt/a硫酸裝置轉化工序檢修后，Ⅲ、Ⅳ換熱器的運行參數明顯好轉，Ⅲ換熱器的殼程和管程實際總壓降低于設計值3.72 kPa，傳熱溫差之和低于設計值589 ℃；Ⅳ換熱器的殼程和管程實際總壓降低于設計值3.53 kPa，傳熱溫差之和低于設計值596 ℃，達到了檢修的預期目標。

180 kt/a硫酸裝置轉化工序經檢修后，二氧化硫風機導葉開度由70%～80%下降到47%～50%，風機電流由121～133 A降低到100～107 A，產酸速率由21.98 t/h提高到24.71 t/h，SO2總轉化率由98.94%提高到99.77%。

在試車期間，為了避免焙燒系統收塵工序冒正壓污染環境，109 m2流態化焙燒爐被迫減負荷生產，鼓風量從51 000～53 000 m3/h降低至44 000～48 000 m3/h，二氧化硫風機導葉開度從47%～50%增大到70%～80%，運行電流從100～106 A升高到127～133 A，鋅焙砂實際產量下降近15%，硫酸產量下降近10%。為了徹底解決新建渣處理項目對現有硫酸和鋅冶煉系統的干擾，經過充分調研論證后，陜西鋅業2022年4月已經啟動爐窯煙氣集中深度治理項目設計建設，計劃于2022年10月建成投運。

3 結語

雖然目前3套硫酸裝置的14臺高效氣體換熱器均能適應較高負荷的生產要求，但受限于鋅精礦

供應質量復雜多變等不可控因素的影響，陜西鋅業仍需在生產過程關鍵中控指標的操作管理上繼續加強管控，尤其要加強氟、砷、塵等頻繁波動指標的管控，并結合“十四五”規劃挖潛增效既定目標的要求，充分調研借鑒同行業先進經驗和最新科研成果，結合企業實際，全面妥善地做好高效氣體換熱器的更新改造工作，為實現“十四五”規劃既定目標和長期穩定健康發展夯實基礎。