大冶有色烟气制酸装置技改实践及效果

张冠华，俞 阳，林先彬，李小伟

（大冶有色金属集团控股有限公司/有色金属冶金与循环利用湖北省重点实验室，湖北黄石435005）

1 烟气制酸装置概述

大冶有色金属股份有限公司冶炼厂（简称大冶有色）目前拥有270 kt/a和700 kt/a 2套铜冶炼烟气制酸装置。270 kt/a制酸装置配套处理转炉吹炼烟气，设计净化入口处理烟气量14×104～16×104m3/h、φ(SO2)为6.38%～8.27%，2004年2月投入运行生产；700 kt/a制酸装置配套处理澳斯麦特炉熔炼烟气，设计净化入口处理烟气量2.5 × 105m3/h、φ(SO2)为10.82%，于2011年9月建成投产。2套烟气制酸装置均采用稀酸洗涤、绝热蒸发稀酸冷却移热、动力波气体净化工艺流程，“3+1”、Ⅳ Ⅰ-ⅢⅡ二转二吸工艺流程，尾气脱硫采用钠碱法脱硫工艺。

回顾近年生产实践，2套制酸装置运行基本稳定，生产能力达到或超过设计能力，但部分指标控制及设备运行仍存在问题，经济技术指标、单位产品变动成本与标杆企业先进水平相比还存在不小的差距。

2 存在的问题及改进措施与效果

2.1 改进优化实现烟气平衡生产

随着粗铜产能的扩大，转炉吹炼按4H3B不完全期（正常情况下转炉采取4H3B不完全期交换作业方式，5台转炉，4台运行，1台备用，采取3台高压风机分别对4台转炉送风，3台炉同时送风，另1台待出铜、进料等操作，4台转炉进行炉交换与期交换相结合的作业方式，在交换作业期间可进行除筛炉渣、修炉口、加第一批冷铜以及备料和出铜，实现4台转炉之间交换作业）交换组织生产，适应澳斯麦特炉210 t/h铜精矿处理量，产能增加、烟气量及烟气SO2浓度波动大，2套制酸系统不能很好与其匹配，经常出现1套“吃不饱”，造成热平衡难以维持；1套制酸装置“吃不了”，热量富余、尾气难控制。尽管烟道设置有混烟装置，但在实际生产中，由于冶化上下游工序协调不及时、混烟装置设置不合理等影响，烟气平衡生产欠佳，导致熔炼及吹炼2炉炉口负压不能保证，低空烟害相对较为严重。

针对以上问题主要采取4项措施：①实施转炉高温风机自动化控制系统改造，实现转炉炉台状态与高温风机转速、SO2风机导叶联锁调节，强化工序联系、减少人为影响；②改造烟气管路，优化混烟装置减少压损、增设调烟钟罩阀，烟气混合更均匀、通畅、机动；③构建冶化生产烟气平衡管理网络，动态辨识漏风点及堵塞点，定期对电收尘器、锅炉、钟罩阀、烟道人孔门及弯头等部位清堵与堵漏；④对制酸装置转化、干吸工序局部优化，提升装置处理负荷。

通过改进优化，冶化系统烟气平衡生产趋于合理、受控，2套制酸装置能够实现烟气平衡生产，2炉炉口低空烟害得到有效控制。

2.2 改造过滤设备提升固液分离能力

700 kt/a制酸装置净化工序原配置CN过滤器用于循环稀酸过滤，过滤效果欠佳，滤球易堵塞滤帽，运行稳定性差，无法满足压滤机物料供给，导致稀酸固含量长期高位运行，固含量(ρ)最高时超过15 g/L，影响核心设备溢流堰安全运行，历年停车检查动力波洗涤塔底部酸泥堆积厚度高达50～80 cm。因此CN过滤器已不能满足净化稀酸固液分离能力要求。

2017年年初，经比选，在CN过滤器场地旁边新建1台高效斜板沉降器，替代原CN过滤器，设计处理能力大于或等于180 m3/h，处理后清液固含量 (ρ)≤ 0.5 g/L，浓液固含量 (ρ)≥ 30 g/L。

2017年7 月投用并稳定运行3个月后，斜板沉降器运行稳定、达到设计要求，净化循环稀酸固含量(ρ)稳定降低且维持在1 g/L以内，停车检查管道结垢及溢流堰酸泥黏结情况均较好，2018年系统大修一级洗涤塔底部酸泥堆积厚度降至20 cm。

2.3 改造除氟装置降低SO2风机出口氟含量

矿源氟含量波动、除氟装置自动化水平低、除氟效率低，导致SO2风机出口烟气氟含量指标偏高，ρ(F)达到5 mg/m3以上，给后续设备运行带来影响。其中，2016年270 kt/a制酸装置转化一段催化剂中毒粉化及结疤，床层压降快速上涨至10 kPa，700 kt/a制酸装置受此影响转化一段床层压降也有所上涨，270 kt/a制酸装置被迫于2017年1月停产检修。

针对净化工序除氟存在的问题，主要分四步优化改进：①改进添加方式和比例，由单点投加改为多点投加，建立合理的净化稀酸氟浓度梯度，提高一级动力波洗涤器除氟效率[1]；②改进添加位置，由塔壁处添加改为循环泵进口添加，利于玻璃水迅速与稀酸混合均匀与烟气接触，增强反应；③增加气体冷却塔除氟层，在填料表层均匀铺设碎瓷环，主动与气相中氟反应实现除氟；④除氟装置自动化改造，实现玻璃水自动精度配置、参数调整与均匀添加。

优化改造后，除氟装置运行正常、自动化程度高，2018年2套制酸装置SO2风机出口烟气ρ(F)能稳定保持至1 mg/m3以内，再未发生严重催化剂氟中毒现象，床层压降受控。

2.4 开工炉燃烧系统改造降低运行成本

270 kt/a和700 kt/a 2套制酸装置开工炉均采用柴油燃烧，相比天然气燃烧，柴油燃烧需要机械雾化、燃料价格高，燃烧不充分易产生黑烟污染，雾化不均匀易导致局部燃烧热量偏高、影响预热换热器安全运行。仅2016年，开工炉共用柴油335 t，折硫酸成本1.69元/t，偏高。

经论证，2018年进行开工炉燃烧系统的改造，用天然气燃烧器替代原燃油燃烧器、增设天然气管路及必要的安全装置，完善燃烧控制系统，原开工炉本体、助燃及稀释风机本体、预热换热器保持原样。

改造投用后，系统自动化程度高、各项指标达到设计要求，燃烧充分无黑烟，相比柴油燃烧消耗，硫酸单位成本降低40%以上。

2.5 创新设计解决高温烟管应力补偿失效问题

700 kt/a制酸装置转化一段出口φ2 400 mm烟管长期在高温环境下（600 ℃以上）运行，膨胀量非常大，配置的不锈钢波纹补偿器+弹性支架+拉杆的补偿方式失效，补偿器形变严重、管道热膨胀偏移、焊接焊缝拉裂[2]，漏烟频繁且难以治理。分析原因，主要是长期处于高温腐蚀环境、系统生产负荷波动频繁、膨胀节选材、伸缩余量设计不足及施工质量欠佳导致。

为解决以上问题，组织与相关工程单位讨论，首次在大型烟气制酸装置采用“四连杆补偿器+万向铰链型+弹簧吊架”复合应力补偿装置，在转化器一段出口水平管段设置1件四连杆波纹补偿器，竖直管段增加1件万向铰链型波纹补偿器，水平段同时设置1件恒力弹簧吊架、1件管道吊带组件，并将此管道材质由304不锈钢更换为等级更高、高温性能更好的321不锈钢材质。

改造实施后，有效解决了转化大口径烟气管道应力补偿稳定性差且易导致补偿器形变造成烟气泄漏的问题，彻底解决因烟管漏烟导致的非生产时间影响，系统作业率由95.52%提高到96.28%。

2.6 多举措协同解决酸雾夹带问题

700 kt/a制酸装置干吸分酸器初始使用某国产管槽式分酸器，投产后发现吸收塔出塔烟气酸雾夹带严重，中间吸收塔最为明显，后续冷热换热器腐蚀严重。经讨论分析，确认分酸器分酸不均是造成烟气酸雾夹带的主要原因之一。同时因2台吸收塔共用的卧式循环槽长达20.8 m，加水混酸器设置在循环槽中段，中间吸收塔回酸口和浓酸泵设置在循环槽西侧且与加水混酸器相距较远，导致槽内浓酸混合不均匀，上塔酸浓度不稳定，对酸雾夹带也有较大影响。

为解决分酸不均的问题，主要采取3项措施：①将1 700 m3/h循环酸量的中间吸收塔分酸器更换为某进口品牌分酸器，分酸更均匀；②在中间吸收塔纤维除雾器上部新增丝网除雾器，酸雾捕集效率更高；③自主开发了一种带缓冲管式新型分酸器，并获得实用新型专利[3]，于2017年、2018年2次大修期间对干燥塔及最终吸收塔分酸器进行局部改造。

为解决吸收循环槽酸浓度不稳定的问题，主要采取2项措施：①在吸收循环槽西侧增设加水混酸器，增强混酸效果；②新增中间吸收塔上塔酸浓度分析仪，监控显示酸浓度。

应用结果表明：中间吸收塔分酸均匀、酸浓度稳定，出塔烟气酸雾(ρ)降至30 mg/m3以内，循环酸流量相对较小的干燥塔和最终吸收塔应用缓冲罐专利技术也很好地解决了分酸不均的问题。

2.7 优化改进提升装置转化率

700 kt/a制酸装置投产以来，SO2转化率一直未达到设计值99.80%。根据历次转化检修情况及催化剂厂家专业检测结果分析，结合对转化工序进行衡算，研判700 kt/a制酸装置转化率低主要受4个方面影响：①大直径转化器气流分布不均；②催化剂装填系数偏低、装填量偏少；③转化器层间存在短路；④Ⅲ热交换器腐蚀后转化自热平衡失衡。

针对制酸装置转化率偏低的问题，在2017—2018年主要采取5项措施：①在转化一段及三段进口喇叭管内增加全长度导流板、格栅层增加导流通道，改善气流分布；②二次转化适量增加低温催化剂，并结合实际产能提高催化剂装填系数至210 L /( t·d)；③加固催化剂篦子板、治理膨胀环及隔板内漏，防止层间短路；④将腐蚀严重的Ⅲ热交更新改造为牺牲式L型（牺牲段为卧式，主体为立式）换热器，减少热量后移损失、恢复系统自热平衡；⑤优化操作，均衡稳定生产。

优化改进实施后，转化床层同界面3个温度点差距由原来25 ℃缩小至5 ℃，气流分布均匀，系统停车补温时间明显缩短，转化自热平衡显著改善，装置转化率提升至98.75%，接近设计值。

2.8 更新余热锅炉解决泄漏问题

700 kt/a制酸装置投用至今，转化工序2台0.8 MPa热管锅炉频繁发生蒸发器联箱补偿器四周焊缝、进气管与蒸发器上部焊缝和上下蒸发器锥面焊缝等部位拉裂、漏烟的问题[4]，造成系统经常性停车维修。经过多次维修，问题仍未彻底解决，2018年7月，锅炉北通道热管与壳体密封面漏烟严重，系统被迫低负荷运行。

鉴于1#余热锅炉严重制约制酸装置生产负荷，难以从根本上解决漏烟问题，公司2019年6月在西侧新建1台热管锅炉并投用。新余热热管锅炉在设计之初就进行诸多优化与改进：①取消锅炉上下箱体设计，采用整体化箱体，取消中间膨胀节，减少泄漏点，在锅炉箱体底部设置一圈支撑，在运行受热后会自由向上膨胀，由锅炉进口管道膨胀节吸收相应热膨胀量；②增加壳体厚度至10 mm，并在表面增加槽钢筋板，增强壳体受力；③进口上圆下方喇叭口制作形式由拼接夹角成型改为整板折弯成型，将4条角焊缝改为平焊缝，增强折角处受力，彻底杜绝角焊缝拉裂；④管板管束由整板改进为模块式，同时锅炉本体承重改为底部牛腿支撑，箱体各密封面不与钢结构接触，便于维修。

新锅炉投用至今，进出口烟管及锅炉本体无任何泄漏，蒸汽流量、压力及温度等指标达到设计要求。

2.9 管理与技术并重降低水耗

据统计，2016年2套制酸装置硫酸新水水耗为2.13 t/t，偏高。主要原因为循环冷却系统补水、各循环泵电机冷却水、净化及干吸工艺补水、泵的轴封冷却水及地面冲洗水用水量大且全部使用新水，循环水工序排污水约2 000 t/d且基本无回用。

2套制酸装置节水降耗主要在3个方面采取措施：①采用超滤+反渗透双膜法技术，平均处理循环水1 150 t/d，产除盐水850 t/d重新用作循环水补水；②进行全流程水平衡分析“以质定用”，分析用水水质要求，确定将净化、干吸及脱硫区域的所有用水需求改为循环水，仅保留SO2风机冷却水、循环水2个新水补水点；③新水多点多级利用，新水用作循环冷却系统补水，按水质控制原则，循环水替代新水用作路面洒冲洗水、循环泵电机冷却水、各处功能泵的轴封冷却水、双氧水稀释水、电除雾器冲洗、净化、干吸、脱硫工序补水等，反渗透处理后浓盐水用作渣包冷却水等。

通过节水降耗措施的实施，至2019年2套制酸装置硫酸水耗降至1.13 t/t，相比2016年降低47%，循环水工序排污水基本都得到回用。

2.10 自主实施脱硫改造实现经济稳定运行

大冶有色2014年建成1套纯碱脱硫装置，以满足GB 25467—2010《铜、镍、钴工业污染物排放标准》中ρ(SO2)≤ 400 mg/m3的排放要求，但在实际生产中面临3个主要问题：①药剂成本高，特别是转化率不能达到设计值的前提下，2016年脱硫剂纯碱消耗巨大、折硫酸产品成本达到6.68元/t；②副产物Na2SO3/NaHSO3脱硫后液回收利用价值不高，送至废酸处理工序易解析出SO2污染现场环境，同时影响浓密沉降效果；③低温季节，Na2SO3/NaHSO3脱硫后液极易堵设备及管道，维修工作任务重、强度大。

为解决以上问题，同时考虑应对2020年颁布实施的ρ(SO2)≤ 100 mg/m3的排放标准，经比选论证，决定自主实施脱硫工艺改造，改为双氧水脱硫工艺，原空塔喷淋层利旧，增加散堆填料层，双氧水的配置、添加、控制、循环泵的调节、脱硫循环液的外排及控制均可在DCS上完成，双氧水投加流量阀与尾气SO2指标联锁控制，项目于2018年10月大修期间完成。

改造实施后，制酸尾气脱硫装置稳定经济运行水平、自动化控制程度明显提升，尾气排放指标达到设计要求，副产稀硫酸用作干吸工序补水，测算硫酸产品单位成本下降30%以上。

2.11 设置烟道换热器利用烟气热量

冶炼烟气进制酸烟气温度250～280 ℃，蕴含大量余热资源，经洗涤降温，热量最终被循环水工序带走，造成了烟气显热的浪费。考虑到亚硫酸钠系统有热风需求，有必要对这部分热量进行回收利用。

经论证，设计在冶炼烟气主烟道上增加管道换热器，通过风机抽取空气与烟气在管道换热器内进行换热，制取热风供给亚硫酸钠系统用于干燥。设计换热后烟气温度约下降30 ℃至230 ℃，仍远高于烟气露点温度，可避免腐蚀管道。实施主要内容：在φ2 620 mm×10 mm烟道外部加装φ4 220 mm×10 mm翅片挂壁换热器，长度30 m，设置风机抽取常温空气进入换热器与高温烟气进行充分换热产生热风。

投入运行后，能稳定连续产热风供给亚硫酸钠精制系统，实际进净化工序烟气温度受控，回收烟气热量的同时降低了净化工序循环冷却水系统负荷。

3 2套制酸装置技改效果及未来面临的主要问题

3.1 技改后运行效果

近几年，270 kt/a和700 kt/a 2套制酸装置在工艺、设备及环保等方面相继采取了多项技术改造及优化措施。经过工程技术人员连续多年坚持不懈的努力，制酸装置在稳定运行、经济技术指标、环保指标等方面取得显著效果，制约硫酸生产的诸多瓶颈逐步得到解决，硫酸单位成本降低21%，装置开工率达到96.78%，长周期稳定生产能力持续增强，系统大修周期由一年一修延长为三年两修。

3.2 未来面临的主要问题

2套制酸装置未来也面临一些问题，需要持续改进优化，进而提升制酸装置稳定、经济运行水平：①受原始设计与配置限制，硫酸产品单位变动成本仍偏高，特别是110 kWh/t的电耗偏高，成本控制压力大，需考虑实施SO2风机变频节能改造；②环保监管及排放要求日趋严格，需持续进行环保改造和投入，目前制酸尾气处理工艺增设臭氧脱硝及湿式电除雾器的改造项目正在实施；③转化率等重点经济技术指标仍有提升空间，需进一步开展技术改进与优化。