馬小樂(lè)， 周翠芳， 董四祿

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

某銅冶煉廠現(xiàn)有1臺(tái)側(cè)吹熔煉爐、2臺(tái)側(cè)吹吹煉爐和1臺(tái)沉降電爐，由于制酸裝置規(guī)模的限制，實(shí)際粗銅產(chǎn)能約6×104t/a，為滿足國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策要求，提高經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)施水平，該廠新建熔煉、吹煉系統(tǒng)使產(chǎn)能提升至陰極銅1×105t/a，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有制酸裝置進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)改造，以滿足冶煉產(chǎn)能提高的需要。

根據(jù)現(xiàn)有制酸裝置情況，改造后制酸采用絕熱蒸發(fā)、稀酸洗滌凈化、“3+1”兩轉(zhuǎn)兩吸工藝，其中凈化利舊，新建一套干吸、轉(zhuǎn)化，與現(xiàn)有干吸、轉(zhuǎn)化并列運(yùn)行，制酸尾氣采用鈉法脫硫。制酸裝置于2016年9月啟動(dòng)改造工作，2017年7月投入運(yùn)行。

1 改造方案選擇

該廠現(xiàn)有制酸裝置建于1993年，處理煙氣量約6×104Nm3/h，硫酸產(chǎn)量約為2×105t/a(100%H2SO4)，凈化工藝為空塔—填料塔—間冷器—電除霧器流程；干吸為一次干燥、兩次吸收；轉(zhuǎn)化為3+1兩次轉(zhuǎn)化、Ⅳ、Ⅰ—Ⅲ、Ⅱ換熱流程。

銅冶煉系統(tǒng)改造后，其煙氣量約為6.1×104Nm3/h，SO2濃度達(dá)17.87%。硫酸產(chǎn)量約為3.7×105t/a(100%H2SO4)，煙氣量略有增加，SO2濃度大幅提高，現(xiàn)有制酸裝置的凈化工序基本可滿足改造后的煙氣處理要求，而干吸、轉(zhuǎn)化需進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)改造，根據(jù)項(xiàng)目具體情況提出兩個(gè)方案：一是對(duì)現(xiàn)有干吸、轉(zhuǎn)化進(jìn)行改造，采用預(yù)轉(zhuǎn)化工藝以適應(yīng)高濃度SO2煙氣；二是新建一套干吸、轉(zhuǎn)化，與現(xiàn)有裝置的干吸、轉(zhuǎn)化并列運(yùn)行。

采用預(yù)轉(zhuǎn)化工藝，可充分利用現(xiàn)有設(shè)備，對(duì)裝置進(jìn)行局部改造，包括增設(shè)空氣干燥塔、空氣風(fēng)機(jī)、預(yù)轉(zhuǎn)化器，以及對(duì)現(xiàn)有轉(zhuǎn)化器、氣氣換熱器、干吸塔內(nèi)件以及煙氣管道等進(jìn)行改造。預(yù)轉(zhuǎn)化工藝煙氣量較小，其投資和運(yùn)行成本相對(duì)較低；但從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況看，現(xiàn)有干吸、轉(zhuǎn)化設(shè)備、管道老化嚴(yán)重，改造后設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性難以保障，同時(shí)此區(qū)域場(chǎng)地非常局促，設(shè)備配置以及現(xiàn)場(chǎng)施工均很困難。

新建一套干吸、轉(zhuǎn)化的方案，在煙氣凈化后補(bǔ)入空氣降低SO2濃度、提高氧硫比，同時(shí)將煙氣分配至現(xiàn)有和新建的干吸、轉(zhuǎn)化，現(xiàn)有裝置不需改造，可維持目前的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)新建干吸、轉(zhuǎn)化適應(yīng)冶煉系統(tǒng)的波動(dòng)，該方案雖然投資和運(yùn)行成本較高，但可避免改造過(guò)程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，綜合各方面因素，制酸裝置的改造最終選擇新建一套干吸、轉(zhuǎn)化的方案。

2 工藝流程

根據(jù)冶煉煙氣條件，吸收國(guó)內(nèi)銅冶煉廠硫酸生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合項(xiàng)目的具體情況，確定制酸裝置擴(kuò)產(chǎn)改造的工藝流程為：現(xiàn)有制酸裝置煙氣凈化工序電除霧器出口煙氣分為兩部分，一部分送往現(xiàn)有制酸裝置，另一股送往新建制酸裝置。新建轉(zhuǎn)化采用3+1兩次轉(zhuǎn)化，Ⅲ、Ⅰ—Ⅳ、Ⅱ換熱流程；新建干吸采用一級(jí)干燥、二級(jí)吸收、泵后冷卻、泵后串酸流程；新建硫酸尾氣脫硫采用鈉法脫硫工藝，脫硫后尾氣通過(guò)現(xiàn)有裝置煙囪排放。

現(xiàn)有制酸維持原工藝，即干吸、轉(zhuǎn)化為一次干燥、兩次吸收， 3+1兩次轉(zhuǎn)化、Ⅳ、Ⅰ—Ⅲ、Ⅱ換熱流程。

2.1 煙氣凈化工序

進(jìn)制酸凈化的煙氣量為6.1×104Nm3/h，SO2濃度為17.87%。煙氣凈化利用現(xiàn)有的凈化裝置，工藝流程為空塔—填料塔—一級(jí)間冷器—一級(jí)電除霧器—二級(jí)間冷器—二級(jí)電除霧器。煙氣在空塔中與噴淋酸接觸，發(fā)生雜質(zhì)的捕集及吸收，同時(shí)進(jìn)行熱量的傳遞，隨后煙氣進(jìn)入填料塔進(jìn)一步洗滌，再經(jīng)間冷器降溫、電除霧器除霧后，達(dá)到凈化和降溫的目的。空塔洗滌液大部分循環(huán)使用，少量經(jīng)脫氣、沉降、過(guò)濾后外排至廢酸處理站。煙氣在凈化工序二級(jí)電除霧器出口分為兩部分，一部分送往現(xiàn)有干吸、轉(zhuǎn)化工序；另一部分送往新建干吸、轉(zhuǎn)化工序處理，兩部分煙氣分別通過(guò)漏風(fēng)調(diào)整至適宜的SO2濃度和氧硫比。

2.2 新建干吸

經(jīng)漏風(fēng)后進(jìn)新建干吸的煙氣量為4.3×104Nm3/h，SO2濃度為11.3%。干吸采用一級(jí)干燥、二級(jí)吸收、循環(huán)酸泵后冷卻工藝。

來(lái)自凈化工序電除霧器的潔凈煙氣進(jìn)入干燥塔下部，與自上而下噴淋的93%循環(huán)酸逆流接觸，煙氣中的水分被循環(huán)酸吸收，干燥后的煙氣通過(guò)捕沫器除去酸沫后送入SO2風(fēng)機(jī)，經(jīng)風(fēng)機(jī)增壓后送入轉(zhuǎn)化工序。干燥循環(huán)酸由干燥塔的底部通過(guò)重力流入干燥酸循環(huán)槽，然后由泵打入干燥酸冷卻器，經(jīng)冷卻水間接冷卻后送入干燥塔分酸裝置循環(huán)使用。

來(lái)自轉(zhuǎn)化工序余熱鍋爐的一次轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入一吸塔下部，與自上而下噴淋的98%循環(huán)酸逆流接觸，煙氣中的SO3被溶解、吸收，轉(zhuǎn)化為硫酸。吸收SO3后的煙氣經(jīng)纖維除霧器除霧后送去轉(zhuǎn)化工序。吸收SO3后的循環(huán)酸由塔底通過(guò)重力流入一吸酸循環(huán)槽，然后由泵打入一吸酸冷卻器降溫，再進(jìn)入一吸塔分酸裝置循環(huán)使用。

來(lái)自轉(zhuǎn)化工序Ⅳ換熱器的二次轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入二吸塔下部，與自上而下噴淋的98%循環(huán)酸逆流接觸，煙氣中的SO3被溶解、吸收，轉(zhuǎn)化為硫酸，煙氣再經(jīng)纖維除霧器除霧后送去尾氣脫硫。循環(huán)酸由塔底通過(guò)重力流入二吸酸循環(huán)槽，然后由泵打入二吸酸冷卻器降溫，再進(jìn)入二吸塔分酸裝置循環(huán)使用。

干燥塔循環(huán)酸濃不斷降低，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。通過(guò)干燥酸循環(huán)槽液位的控制，將93%酸由干燥酸循環(huán)泵出酸管串至一吸酸循環(huán)槽；干燥酸循環(huán)槽的93%酸濃是由一吸酸循環(huán)泵出酸管串出98%酸至干燥酸循環(huán)槽來(lái)控制；產(chǎn)酸通過(guò)一吸酸循環(huán)槽液位的控制，自一吸酸冷卻器酸出口引出，再經(jīng)成品酸冷卻器冷卻后，送往成品酸庫(kù)儲(chǔ)存。

2.3 新建轉(zhuǎn)化

經(jīng)干燥后進(jìn)轉(zhuǎn)化工序的煙氣量為4.1×104Nm3/h，SO2濃度為11.94%。轉(zhuǎn)化工序采用四段“3+1”兩次轉(zhuǎn)化，Ⅲ、Ⅰ- Ⅳ、Ⅱ換熱流程。從SO2風(fēng)機(jī)來(lái)的SO2煙氣，依次通過(guò)Ⅲ換熱器和Ⅰ換熱器，與從第三段和第一段觸媒層出來(lái)的熱SO3煙氣進(jìn)行氣氣換熱，冷煙氣被加熱到400 ℃后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器一段觸媒層，轉(zhuǎn)化后煙氣經(jīng)Ⅰ換熱器冷卻后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器二段，二段轉(zhuǎn)化后煙氣經(jīng)Ⅱ換熱器冷卻后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器三段，三段SO2轉(zhuǎn)化率累計(jì)為96%，三段轉(zhuǎn)化后煙氣經(jīng)Ⅲ換熱器冷卻，再經(jīng)余熱鍋爐回收余熱后進(jìn)入一吸塔，吸收SO3后煙氣經(jīng)Ⅳ換熱器、Ⅱ換熱器分別與轉(zhuǎn)化器四段出口和二段出口高溫?zé)煔鈸Q熱，隨后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器四段進(jìn)行二次轉(zhuǎn)化，四段累計(jì)SO2總轉(zhuǎn)化率為99.93%。二次轉(zhuǎn)化后的煙氣經(jīng)Ⅳ換熱器冷卻后進(jìn)入二吸塔。轉(zhuǎn)化器各段入口溫度可通過(guò)副線調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)化工序開(kāi)工采用電加熱爐升溫，轉(zhuǎn)化器一、四層煙氣入口分別配置了電加熱爐，加熱后的空氣通入轉(zhuǎn)化器對(duì)各觸媒層升溫。

2.4 新建制酸尾氣脫硫

制酸尾氣中SO2濃度低于400 mg/Nm3，滿足國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)要求。但從減少SO2排放量、降低環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)的角度出發(fā)，設(shè)置制酸尾氣脫硫，采用鈉法脫硫工藝，以碳酸鈉作為脫硫劑，脫硫塔為空塔噴淋形式，煙氣脫硫后送往廠區(qū)現(xiàn)有尾氣煙囪排放。脫硫過(guò)程中產(chǎn)生的廢水排往廠區(qū)現(xiàn)有廢水處理站。

3 擴(kuò)產(chǎn)改造新增的主要設(shè)備

本項(xiàng)目新建部分的主要設(shè)備見(jiàn)表1。

4 制酸裝置設(shè)計(jì)特點(diǎn)

該制酸裝置擴(kuò)產(chǎn)改造工程的設(shè)計(jì)特點(diǎn)有：

(1)該工程屬于現(xiàn)有硫酸裝置的擴(kuò)產(chǎn)改造，現(xiàn)有裝置運(yùn)行多年，設(shè)備和管道老化情況嚴(yán)重，方案選擇從穩(wěn)妥角度出發(fā)，盡量減少對(duì)現(xiàn)有設(shè)備和管道的改造，維持現(xiàn)有裝置正常運(yùn)行，同時(shí)新建干吸、轉(zhuǎn)化，滿足冶煉系統(tǒng)擴(kuò)產(chǎn)的要求。

(2)新建干吸采用碟形底干吸塔、臥式泵槽結(jié)構(gòu)，低位配置降低了循環(huán)泵的揚(yáng)程，降低投資和節(jié)約能耗。

表1 銅冶煉廠配套煙氣制酸裝置擴(kuò)產(chǎn)改造工程新增主要設(shè)備表

(3)干吸塔采用新型管式分酸器，分酸點(diǎn)密度大，噴淋酸分布更為均勻，干吸塔氣速隨之提高，填料高度降低，從而減小塔體直徑和高度，降低投資和運(yùn)行成本。

(4)干燥和吸收酸冷卻器采用帶陽(yáng)極保護(hù)的管殼式濃酸冷卻器，該設(shè)備操作方便，維修簡(jiǎn)單。濃酸冷卻器設(shè)置于泵后，提高了傳熱效果，使冷卻器換熱面積相應(yīng)減少。

(5)SO2風(fēng)機(jī)配套變頻電機(jī)，可根據(jù)生產(chǎn)情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高控制精度，降低電能消耗，降低設(shè)備運(yùn)行噪音；采用變頻電機(jī)還可以避免啟動(dòng)過(guò)程對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

(6)采用Ⅲ、Ⅰ- Ⅳ、Ⅱ換熱流程，該流程技術(shù)可靠、生產(chǎn)穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便；將轉(zhuǎn)化富余熱量集中在Ⅲ換熱器出口，設(shè)置余熱鍋爐副產(chǎn)低壓蒸汽，充分回收系統(tǒng)余熱。

(7)新建制酸選擇電爐作為開(kāi)工升溫方式，操作簡(jiǎn)便、靈活，投資低、占地小。

(8)新建轉(zhuǎn)化選擇進(jìn)口優(yōu)質(zhì)觸媒，保證SO2轉(zhuǎn)化率，同時(shí)設(shè)置制酸尾氣脫硫，保證尾氣達(dá)標(biāo)排放，減少SO2、硫酸霧的排放總量。

5 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

改造擴(kuò)產(chǎn)后制酸裝置的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表2。

6 裝置運(yùn)行情況

該裝置于2017年7月投產(chǎn)至今，現(xiàn)有制酸以及新建干吸、轉(zhuǎn)化均運(yùn)行良好，產(chǎn)酸量達(dá)到了裝置設(shè)計(jì)能力，SO2轉(zhuǎn)化率和硫酸品質(zhì)也達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)；制酸尾氣中SO2濃度低于100 mg/Nm3，符合環(huán)保要求。改造后的硫酸裝置滿足了銅冶煉系統(tǒng)擴(kuò)產(chǎn)后的煙氣處理要求，并可適應(yīng)冶煉系統(tǒng)的煙氣波動(dòng)。

表2 改造擴(kuò)產(chǎn)后制酸裝置的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

7 結(jié)語(yǔ)

隨著有色冶煉技術(shù)的進(jìn)步、冶煉系統(tǒng)規(guī)模的不斷提升以及環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，很多企業(yè)出現(xiàn)了現(xiàn)有煙氣制酸裝置的擴(kuò)產(chǎn)改造的需要。制酸裝置改造方案應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目情況具體分析，在滿足工藝要求的前提下，選擇先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、可靠的改造方案。期待本項(xiàng)目的改造方案可為類似項(xiàng)目提供借鑒。