楊四秦， 張興旺， 自振華

(中國(guó)有色礦業(yè)集團(tuán) 謙比希銅冶煉有限公司，贊比亞銅帶省 卡盧盧希市 23558)

0 概述

干吸塔分酸器是硫酸生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)于保證吸收效率 、尾氣達(dá)標(biāo)排放極其重要。直接影響著整個(gè)塔的操作性能。由于在填料塔內(nèi)氣體的分布是否均勻主要取決于液體分布的均勻程度，所以分酸器的均勻分酸是保證干吸塔達(dá)到預(yù)期干燥、吸收效率的重要條件。理想的分酸器不但應(yīng)分酸均勻，而且還要自由通氣截面積大，操作彈性大，不易堵塞，煙氣中酸沫夾帶量少，使用壽命長(zhǎng)，易于安裝和拆卸[1]。隨著硫酸裝置的進(jìn)步和生產(chǎn)能力的規(guī)模化，傳統(tǒng)的管式分酸器逐漸被較為先進(jìn)的槽管式分酸器取代。槽管式分酸器通常采用SandvikSX合金、孟莫克ZeCor合金或高硅不銹鋼材質(zhì)制作，這些材料都較為昂貴，加工制作成本較高；另一方面，基于減輕塔體負(fù)重和降低制作成本以及塔體固有布酸面積的考慮，槽管式分酸器降液管一般采用管壁≤2 mm的標(biāo)準(zhǔn)焊接管制作，受到銅冶煉煙氣成分復(fù)雜、含有強(qiáng)腐蝕的氯離子、落酸管空管及重力加速磨蝕的影響，落酸管較易腐蝕，致使分酸效果下降甚至分酸器提早失效報(bào)廢，造成工藝和環(huán)保事故發(fā)生頻次較高，成為阻礙槽管式分酸器在冶煉煙氣制酸系統(tǒng)使用的一個(gè)重要瓶頸和短板。

1 某銅冶煉廠的基本工藝流程及產(chǎn)能配置

某粗銅冶煉廠火法冶煉流程為：富氧氣頂吹艾薩爐→沉降電爐→PS轉(zhuǎn)爐，設(shè)計(jì)規(guī)模為年產(chǎn)25萬t粗銅和67萬噸98%濃硫酸，冶煉煙氣制酸系統(tǒng)分為兩個(gè)系列，其中一期產(chǎn)能設(shè)計(jì)為30萬t/a，二期為40萬t/a，工藝均采用兩轉(zhuǎn)兩吸工藝，其流程為：富氧氣頂吹艾薩熔煉和PS轉(zhuǎn)爐吹煉過程中產(chǎn)生的SO2煙氣經(jīng)余熱鍋爐降溫后，進(jìn)入收塵器除去大部分煙塵，再送至凈化工序進(jìn)一步除塵、降溫，經(jīng)過干燥塔后的SO2煙氣在轉(zhuǎn)化和干吸工序完成兩轉(zhuǎn)兩吸，達(dá)標(biāo)后的尾氣從煙囪排空。凈化工序產(chǎn)出污酸泵至污酸水處理系統(tǒng)進(jìn)行兩段石灰鐵鹽法中和處理，干吸工序產(chǎn)出合格98%濃硫酸泵至產(chǎn)品酸庫。

圖1 某銅冶煉廠工藝流程簡(jiǎn)圖

2 改造前管槽式分酸器使用情況

2.1 管槽式分酸器結(jié)構(gòu)及性能

某銅冶煉廠硫酸一期320 kt/a制酸系統(tǒng)于2009年2月建成投產(chǎn)，最終吸收塔使用進(jìn)口不銹鋼合金材質(zhì)的管槽式分酸器，其主要由進(jìn)酸管、分酸管、分酸槽、降液管(分為直管、斜管)、吊桿組成，濃硫酸在分酸器中的走向?yàn)椋哼M(jìn)酸主管→各分酸管→對(duì)應(yīng)分酸槽→溢流口→落酸管(如圖2所示)。

圖2 管槽式分酸器結(jié)構(gòu)

槽管式分酸器的優(yōu)勢(shì)如下：

(1)分酸槽布點(diǎn)科學(xué)、合理且密度大，各分酸槽流量可調(diào)，在塔內(nèi)徑為5 500 mm的濃酸塔內(nèi)，分酸點(diǎn)間距均為150 mm,布點(diǎn)密度43點(diǎn)/m2,各分酸槽進(jìn)酸量可由槽內(nèi)截留板調(diào)節(jié)。

(2)靜壓分酸，保障噴淋量充足的前提下，有效降低落酸管末端酸液流速和酸霧的產(chǎn)生。

(3)不易堵塞,酸液進(jìn)入分酸槽后，從落酸管高位的溢流口流出，酸液中的大顆粒固體在分酸槽內(nèi)產(chǎn)生重力沉降，避免堵塞落酸管。

(4)采用不銹鋼合金材質(zhì)制作對(duì)不含有害物的高溫濃硫酸有良好的耐腐蝕性能，在110 ℃以下，純凈的93%～98%濃硫酸中，年腐蝕速率約0.025 mm/a。

2.2 管槽式分酸器故障描述

(1)該分酸器于2018年2月發(fā)現(xiàn)硫酸尾氣SO3含量超過5 mg/Nm3排放標(biāo)準(zhǔn)，工藝波動(dòng)時(shí)甚至出現(xiàn)尾氣冒白煙的情況。

(2)吸收率下降至99.0%以下，最終吸收塔出口煙氣溫度高于進(jìn)塔酸溫(高于8 ℃左右)，吸收塔的操作彈性下降。

(3)停產(chǎn)進(jìn)塔檢查，塔頂除霧器完好，但分酸器部分降液管腐蝕斷裂、坍塌，導(dǎo)致分酸偏流，持液量下降和分酸均勻較差，多處分酸點(diǎn)出現(xiàn)少液或無液的情況。

2.3 管槽式分酸器出現(xiàn)腐蝕的原因判斷

(1)經(jīng)過檢查分酸器使用期間的小時(shí)濃度統(tǒng)計(jì)，酸濃度基本控制在98.3%～99.0%之間，符合分酸器的濃度控制要求；

(2)分酸器進(jìn)塔酸溫是由自動(dòng)溫控閥控制，溫度基本控制在61～72 ℃之間，符合分酸器酸溫低于78 ℃的標(biāo)準(zhǔn)；

(3)使用管槽式分酸器塔內(nèi)流通截面積小，落酸管外側(cè)氣速較高，對(duì)落酸管氣、液腐蝕增強(qiáng)，降低分酸器使用壽命；

(4)根據(jù)濃酸的取樣分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，濃酸中的氯離子濃度高于分酸器耐腐蝕上限(18.3 mg/L)，濃酸中的氯離子超標(biāo)是導(dǎo)致和加速分酸器落酸管腐蝕的原因之一；

(5)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)腐蝕情況發(fā)現(xiàn)，由于落酸管內(nèi)在分酸過程會(huì)出現(xiàn)空管及重力加持的湍流、激流現(xiàn)象，落酸管出現(xiàn)沖刷磨蝕是直接導(dǎo)致和加速分酸器落酸管腐蝕的主要原因。

2.4 總結(jié)合金管槽式分酸器的不足

(1)管槽式分酸器的制作材料一般為進(jìn)口高合金耐腐蝕不銹鋼或者高硅不銹鋼制作，導(dǎo)致分酸器造價(jià)高昂；

(2)液面上分酸(溢流)，導(dǎo)致安裝調(diào)校精度較高，容易出現(xiàn)液面波動(dòng)產(chǎn)生的分流不均；

(3)溢流口靜壓，會(huì)被漂浮的碎瓷環(huán)及雜物堵塞，造成分流不均；

(4)降液管是成品焊管制作，在降液管的接縫處材質(zhì)耐腐蝕性較差，是最早出現(xiàn)腐蝕穿管的位置；

(5)降液管管壁厚度1.5 mm，因分酸管分酸進(jìn)入分酸槽是帶壓沖刷，特別是在分酸槽的進(jìn)酸區(qū)域，對(duì)降液管的機(jī)械沖刷較為嚴(yán)重，降液管最先出現(xiàn)腐蝕斷裂也是在此區(qū)域；

(6)冶煉煙氣制酸因入爐原料成分復(fù)雜，煙氣中含有對(duì)不銹鋼腐蝕較為嚴(yán)重的氯離子，由于分酸支管壁厚較薄，且與槽體處采用脹管方式連接，氯離子的腐蝕和液體和氣流的沖涮將導(dǎo)致分酸效果不佳，同時(shí)極大的降低了分酸器的使用壽命；

(7)固有的落酸管內(nèi)徑，不利于均勻分酸設(shè)計(jì)，分酸過程還會(huì)出現(xiàn)不滿流(空管)現(xiàn)象，易產(chǎn)生空泡腐蝕；

(8)從溢流口到落酸管終出口的距離較長(zhǎng)，產(chǎn)生酸重力加持的湍流和激流，造成較快的沖刷磨蝕。

3 FD合金負(fù)壓穩(wěn)流分酸器

3.1 FD合金材質(zhì)的耐腐蝕性介紹

FD合金材質(zhì)進(jìn)行了長(zhǎng)期的不同溫度、酸濃、多種工況酸的耐腐蝕性能掛片自動(dòng)旋轉(zhuǎn)、對(duì)比測(cè)試，根據(jù)測(cè)出的單位失重(g)計(jì)算出FD材料的年度腐蝕速率，如表1所示。

表1 FD合金在不同工況下的腐蝕速率

注：采用硫鐵礦生產(chǎn)的93%濃硫酸，時(shí)間：72 h/組。

將其和眾多不銹鋼材料、多種自研發(fā)的合金配比精煉材料在同一條件下進(jìn)行耐腐蝕性能試驗(yàn)比較，部分如表2所示。

表2 FD合金與不同種類合金的耐腐蝕性比對(duì)

實(shí)驗(yàn)條件：采用93%濃硫酸、100 ℃、72小時(shí)/次；有“*”為相關(guān)資料報(bào)導(dǎo)數(shù)據(jù)。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較FD合金的耐腐蝕性能較為優(yōu)異，滿足于分酸器制作和使用要求。

3.2 槽管式分酸器和FD合金負(fù)壓穩(wěn)流分酸器的結(jié)構(gòu)及性能對(duì)比

3.2.1 傳統(tǒng)管槽式分酸器

(1)槽管式分酸器，它是由進(jìn)酸管、分酸管、降液管(分為直管、斜管)組成。酸是通過進(jìn)酸管流各分酸管，再由各分酸管分配到各分酸槽。降液管的進(jìn)液位于分酸槽持液度的中上部，酸通過降液管流入填料層內(nèi)。另外在分酸管上裝有節(jié)流孔板、調(diào)節(jié)閘門等平衡調(diào)節(jié)各分酸槽內(nèi)的酸量。這種分酸器分酸點(diǎn)數(shù)可以增加到44個(gè)/m2。由于落酸點(diǎn)數(shù)較多，易于實(shí)現(xiàn)布置均勻。分酸點(diǎn)密度的增加與布酸點(diǎn)位置的優(yōu)化，其覆蓋面積大，減少塔邊緣的溝流產(chǎn)生。降液管的口徑比管式分酸器分酸管上的排酸孔大 ，避免因增加酸分布點(diǎn)導(dǎo)致出酸口面積過小，增加堵塞的危險(xiǎn)[3]。

(2)管槽式分酸器有單位面積內(nèi)分酸點(diǎn)多(44個(gè)/m2)、分酸相對(duì)算均勻、不易堵塞、煙氣夾帶酸沫少等優(yōu)點(diǎn)，但降液管管壁薄(≤2 mm)，一旦管壁腐蝕至0.5 mm左右，耐機(jī)械沖刷性較差，直接出現(xiàn)腐蝕斷裂，降低了槽管式分酸器的整體壽命，槽管式分酸器基本采用進(jìn)口合金材料價(jià)格都比較昂貴，使用成本較高，設(shè)備使用的經(jīng)濟(jì)性較差。

3.2.2 FD合金負(fù)壓穩(wěn)流分酸器

(1)FD合金負(fù)壓穩(wěn)流分酸器是由一根或多根分酸主管和眾多分酸支管組成，使用時(shí)濃硫酸由酸泵送入進(jìn)酸主管，由進(jìn)酸主管進(jìn)入聯(lián)通管或預(yù)分布系統(tǒng)，由預(yù)分布系統(tǒng)分流進(jìn)入分酸主管再分配至各分酸支管，再由各分酸支管上開設(shè)的分酸孔噴淋至填料表面。為了保證各分酸孔等流量分酸，分酸器內(nèi)必須保持某一“穩(wěn)定的壓力值”。該值以硫酸流過各分酸支管端部最后一分酸孔之后的流速≤2 m/S為約束條件，應(yīng)用流體力學(xué)的理論[2]而確定。

(2)FD合金負(fù)壓穩(wěn)流分酸器由進(jìn)酸管、聯(lián)通管、預(yù)分布管、過流管、均衡管、盲區(qū)解決管及分酸支管等組成，分酸點(diǎn)一般為42～56個(gè)/m2，布點(diǎn)向下呈35～55°模板式布點(diǎn)無盲區(qū)，消除了分酸死角和氣液接觸不良現(xiàn)象，有效降低了塔體高度及填料高度。分酸布點(diǎn)呈規(guī)則的三角形均勻分布，通過預(yù)分布系統(tǒng)和分流管，限制了分酸支管的長(zhǎng)度，同時(shí)利用“滿進(jìn)滿出、真空負(fù)壓虹吸”原理，在主管、主部件及預(yù)分布系統(tǒng)內(nèi)形成穩(wěn)流后的液下流量均分，使其湍流變穩(wěn)流，均衡了分酸點(diǎn)的壓力、流速、流量，分酸均勻，消除了分酸死角和氣液接觸不良現(xiàn)象[4]。(3)FD合金負(fù)壓穩(wěn)流分酸器充分延續(xù)了傳統(tǒng)管式分酸器的優(yōu)點(diǎn)：截面積小(只占塔截面積的40%)，安裝維修方便。均壓穩(wěn)流型分酸器設(shè)置預(yù)分布系統(tǒng)、緩流籠、增加分酸點(diǎn)(46個(gè)/m2)等措施，利用“真空負(fù)壓虹吸”原理，使各分酸點(diǎn)壓力、流速、流量均等，徹底解決了傳統(tǒng)管式分酸器分酸點(diǎn)少、分酸不均、帶沫嚴(yán)重等問題，為防止分酸出酸口堵塞情況的發(fā)生，在濃酸泵出口處安裝了過濾裝置，解決了分酸孔易堵塞的問題，同時(shí)在出酸口出巧妙的用上了精襯四氟工藝，使出酸口最容易腐蝕變大的部位得到了很好的保護(hù)，為分酸器的壽命及性能提供了有力的保障。

4 FD合金負(fù)壓穩(wěn)流分酸器的改造效果

某銅冶煉公司硫酸分廠于2018年大修對(duì)二吸塔分酸器進(jìn)行了更換，安裝后試酸效果良好，各分酸點(diǎn)壓力、流量均衡，無酸沫飛濺，滿足生產(chǎn)要求。分酸器經(jīng)過整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)，二吸塔分酸器的各項(xiàng)指標(biāo)良好，改造前后二吸塔工藝參數(shù)對(duì)比如表3所示。

表3 改型前后二吸塔工藝參數(shù)對(duì)比

通過改造前后工藝參數(shù)的對(duì)比，可以看出，在同等工況條件下，改造后二吸塔的吸收率得到提升，塔壓降下降了0.4 kPa，循環(huán)酸泵電流下降了約10 A，為系統(tǒng)的節(jié)能提供有利條件。

改型后運(yùn)行至今，經(jīng)過系統(tǒng)工藝數(shù)據(jù)的分析觀察，二吸塔吸收率與進(jìn)口槽管式分酸器同樣處于甚至是高于的優(yōu)秀狀態(tài)，且均壓穩(wěn)流型分酸器因占塔截面積較小，減少了二吸塔0.4 kPa的阻力，循環(huán)酸泵電流下降了約10 A，降低系統(tǒng)能耗的同時(shí)有利的減少了酸霧的形成，充分表明FD合金負(fù)壓管式分酸器性能的優(yōu)良。

5 結(jié)束語

要保證銅冶煉制酸裝置長(zhǎng)期高效的穩(wěn)定運(yùn)行，杜絕外排尾氣酸霧或SO3的環(huán)境污染，干吸塔分酸器分酸效果的好壞是關(guān)鍵因素之一。進(jìn)口的管槽式分酸器雖然在分酸效果和耐純高溫濃硫酸腐蝕上具有較為突出的優(yōu)勢(shì)，但針對(duì)銅冶煉煙氣制酸煙氣成分復(fù)雜和含氯有害物存在的特性，其不銹鋼合金和結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)卻受到了弱化，尤其是其薄壁降液管更是此類分酸器的一大短板，在酸濃度波動(dòng)、酸氣沖刷腐蝕的協(xié)同作用下，制約此類分酸器在銅冶煉煙氣制酸系統(tǒng)中的使用壽命。

FD合金負(fù)壓穩(wěn)流分酸器通過對(duì)傳統(tǒng)管式分酸器的傳承和技術(shù)改造創(chuàng)新，其FD合金特有的耐氯離子腐蝕和厚壁分酸管結(jié)構(gòu)，使之成為在銅冶煉制酸行業(yè)中能與合金槽管式分酸器相媲美的一大優(yōu)勢(shì)；較高的使用效果和優(yōu)越的性價(jià)比也成為銅冶煉制酸廠日益關(guān)注和青睞的優(yōu)勢(shì)之一，此外，負(fù)壓分酸和煙氣低阻力還兼?zhèn)淞斯?jié)能的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)多家制酸廠相繼選擇使用此類分酸器，最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到8年以上，具有良好的口碑，F(xiàn)D合金負(fù)壓穩(wěn)流分酸器在320 kt/a銅冶煉制酸系統(tǒng)中的成功運(yùn)用和實(shí)踐，再一次證明了此分酸器的技術(shù)領(lǐng)先性和推廣應(yīng)用價(jià)值。