魏瑞霞,田三坤,趙新社,田果果,李 明,楊 濤,喬秀英
(洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)冶煉有限責(zé)任公司,河南欒川 471521)
鉬精礦焙燒過程中產(chǎn)生大量的SO2煙氣,將SO2煙氣進(jìn)行回收處理制酸,不僅可解決焙燒煙氣脫硫達(dá)標(biāo)排放的環(huán)保問題,更可變廢為寶,增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。由于鉬精礦回轉(zhuǎn)窯焙燒煙氣中φ(SO2)僅為2.0%~3.3%,無法達(dá)到常規(guī)制酸對SO2濃度的要求,而非穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化制酸工藝能夠解決有色冶煉企業(yè)低濃度SO2煙氣[φ(SO2)0.9%~4.0%]的污染問題[1],洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)冶煉有限責(zé)任公司(以下簡稱洛鉬公司)于2007年引進(jìn)非穩(wěn)態(tài)制酸工藝對回轉(zhuǎn)窯焙燒煙氣進(jìn)行脫硫制酸[2],SO2轉(zhuǎn)化率設(shè)計值為89%。截至2018年11月,該套裝置已連續(xù)運(yùn)行10余年,因設(shè)備老化,非穩(wěn)態(tài)制酸工藝轉(zhuǎn)化率下降至82%,制酸尾氣噸酸耗堿量達(dá)130 kg。為提高SO2轉(zhuǎn)化率,增加硫酸產(chǎn)量,同時減少尾氣處理的耗堿量,洛鉬公司開展了低濃度SO2制酸工藝及裝置改造技術(shù)攻關(guān)。
非穩(wěn)態(tài)制酸工藝依靠外置換向閥系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)化器的熱量平衡,以維持轉(zhuǎn)化工序的自熱反應(yīng)。該換向閥系統(tǒng)存在換向期間SO2短路逃逸的問題,致使系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率僅達(dá)到82%左右,剩余約18%的SO2無法有效轉(zhuǎn)化為工業(yè)硫酸,造成SO2利用率低。含有未轉(zhuǎn)化SO2的尾氣需經(jīng)過尾氣吸收塔用純堿溶液中和吸收后才能達(dá)標(biāo)排放,噸酸耗堿量由80 kg增加到130 kg,運(yùn)行成本大幅增加。
原有換向傳熱轉(zhuǎn)化技術(shù)使轉(zhuǎn)化器內(nèi)的氣流方向頻繁切換、催化劑溫度大幅波動,造成催化劑粉化失活,嚴(yán)重影響催化劑的使用壽命。
針對上述非穩(wěn)態(tài)制酸工藝中存在的問題,洛鉬公司開發(fā)了新型雙聯(lián)換熱低濃度SO2制酸工藝,即用兩段式轉(zhuǎn)化器及轉(zhuǎn)化器內(nèi)外雙聯(lián)換熱裝置,替代原有非穩(wěn)態(tài)制酸工藝中的外置換向閥系統(tǒng),實現(xiàn)轉(zhuǎn)化器內(nèi)熱量平衡的制酸工藝。該工藝分為凈化、轉(zhuǎn)化、干吸、尾氣處理4個工序,工藝流程見圖1。
圖1 新型雙聯(lián)換熱低濃度SO2制酸工藝流程
焙燒煙氣在凈化工序進(jìn)行除塵降溫,然后送入干燥塔用w(H2SO4)93%的濃硫酸進(jìn)行噴淋干燥,得到的潔凈SO2煙氣送入轉(zhuǎn)化工序,在催化劑的作用下SO2轉(zhuǎn)化成SO3,再用w(H2SO4)98%的濃硫酸進(jìn)行噴淋吸收生產(chǎn)工業(yè)硫酸。含有少量SO2的尾氣送入尾氣吸收塔用純堿溶液進(jìn)行噴淋中和后送高空煙囪達(dá)標(biāo)排放。
洛鉬公司對鉬精礦焙燒煙氣進(jìn)行分析,φ(SO2)為2.0%~3.3%,煙氣流量約30 000 m3/h,文氏管入口煙氣溫度約60 ℃,w(H2O)約8.0%。根據(jù)鉬精礦焙燒產(chǎn)能,結(jié)合現(xiàn)場工況檢測數(shù)據(jù)及通過對物料平衡、水平衡、熱平衡等過程計算,確定裝置規(guī)格和最優(yōu)工藝參數(shù)如下:
1)兩段式轉(zhuǎn)化器規(guī)格為?6 000 mm×9 500 mm,內(nèi)置換熱器和外置換熱器各1套,S101型V2O5催化劑裝填量為30 m3。
2)設(shè)定煙氣流量為33 000 m3/h,φ(SO2)為3.13%,w(H2SO4)98%的工業(yè)硫酸產(chǎn)能30 kt/a,雙聯(lián)換熱裝置一段催化劑進(jìn)口的煙氣溫度在430 ℃左右,雙聯(lián)換熱裝置二段催化劑進(jìn)口的煙氣溫度在420~440 ℃,使兩段式轉(zhuǎn)化器溫度穩(wěn)定,溫差小,轉(zhuǎn)化率高。
在原有凈化、干吸和尾氣處理工藝裝置的基礎(chǔ)上,對非穩(wěn)態(tài)制酸轉(zhuǎn)化工序進(jìn)行技術(shù)改造,新建兩段式轉(zhuǎn)化器和轉(zhuǎn)化器內(nèi)外雙聯(lián)換熱裝置等設(shè)備[3]實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。新型雙聯(lián)換熱轉(zhuǎn)化工序的工藝流程見圖2。
圖2 新型雙聯(lián)換熱轉(zhuǎn)化工序工藝流程
上述主要設(shè)備及其附屬設(shè)備根據(jù)工藝設(shè)計的要求進(jìn)行安裝、調(diào)試,能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。該工藝的電氣操作采用DCS集散控制,具有自動化程度高、數(shù)據(jù)采集范圍寬、控制過程精確等特點,確保轉(zhuǎn)化工序操作安全可靠。
洛鉬公司采用新型雙聯(lián)換熱低濃度SO2制酸技術(shù)大幅提高了系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率,增加了硫酸產(chǎn)量,降低了純堿消耗,減少了SO2排放,達(dá)到了提高經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益的目的。其關(guān)鍵技術(shù)在于:
1)兩段式轉(zhuǎn)化器。采用兩段式轉(zhuǎn)化器,以定向恒溫轉(zhuǎn)化技術(shù)替代原有換向傳熱轉(zhuǎn)化技術(shù),能夠避免原有工藝存在的氣流方向頻繁切換、催化劑溫度大幅波動的弊端,可有效減少催化劑粉化失活,延長催化劑使用壽命。
2)轉(zhuǎn)化器內(nèi)外雙聯(lián)換熱裝置。采用轉(zhuǎn)化器內(nèi)外雙聯(lián)換熱裝置代替原有的外置換向閥系統(tǒng)實現(xiàn)了轉(zhuǎn)化工序熱量平衡,避免原有工藝存在的換向期間SO2短路逃逸問題,使總轉(zhuǎn)化率由原來的82%提高到95%以上。
制酸裝置改造投用近2年來,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,特別是在低濃度SO2條件下,轉(zhuǎn)化率較非穩(wěn)態(tài)制酸 實現(xiàn)了新的突破。其主要運(yùn)行參數(shù)見表1。
表1 改造后制酸裝置主要運(yùn)行參數(shù)
當(dāng)煙氣中φ(SO2)在2.8%~3.3%時,轉(zhuǎn)化率可穩(wěn)定控制在96%以上;當(dāng)煙氣中φ(SO2)在2.0%~2.5%時,轉(zhuǎn)化率可穩(wěn)定控制在95%以上。在煙氣中SO2濃度較低的情況下,需適當(dāng)用電爐補(bǔ)熱,以維持催化劑床層的溫度,生產(chǎn)1 t硫酸用電量增加約30 kWh。
改造后的轉(zhuǎn)化裝置提高了SO2的利用率,排放的尾氣ρ(SO2)低于50 mg/m3,滿足并優(yōu)于河南省地方標(biāo)準(zhǔn)DB41/1066—2020《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求,每年可增加硫酸產(chǎn)量約5 kt,增加產(chǎn)值50余萬元,同時大大減少了尾氣處理的純堿消耗量,噸酸耗堿量由原來的130 kg降至40 kg,每年可節(jié)約生產(chǎn)成本300余萬元。
洛鉬公司采用新型雙聯(lián)換熱低濃度SO2制酸工藝及裝置后,制酸系統(tǒng)在φ(SO2)在2.0%~3.3%低濃度條件下運(yùn)行,轉(zhuǎn)化率穩(wěn)定在95%以上,排放的尾氣ρ(SO2)低于50 mg/m3,工業(yè)硫酸產(chǎn)量增加5 kt/a,尾氣處理噸酸耗堿量由130 kg降至40 kg,每年可增加產(chǎn)值50余萬元,節(jié)約生產(chǎn)成本300余萬元,環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。洛鉬公司通過創(chuàng)新研發(fā)的新型雙聯(lián)換熱低濃度SO2制酸工藝和裝備,以低氣濃、高轉(zhuǎn)化率的特點有效解決了目前行業(yè)內(nèi)低濃度SO2煙氣回收制酸的難題,在鉬焙燒領(lǐng)域首次應(yīng)用取得了理想的效果,且投資費用少、運(yùn)行成本低,在環(huán)保形勢日趨嚴(yán)峻的情況下實現(xiàn)了超低排放,較行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的濕法制酸工藝、離子液吸收制酸工藝有更好的推廣利用空間。