陕西锌业硫酸生产30年回顾与展望

2020-03-26岳凤洲张建康

硫酸工业 2020年1期

岳凤洲，姚强，张建康，刘琳，刘伟

（陕西锌业有限公司，陕西商州726007）

陕西锌业有限公司（以下简称陕西锌业）前身为商洛冶炼厂，隶属于陕西有色金属控股集团有限责任公司，该厂筹建于1986年，原8 kt/a电锌配套13.5 kt/a冶炼烟气制酸装置由原长沙有色冶金设计研究院设计，1989年12月建成试车。陕西锌业是陕西省最早实现规模化湿法炼锌及锌冶炼烟气制酸的企业。经过30年的生产实践和技术进步，2019 年陕西锌业生产电锌 220 kt、硫酸 301 kt，并综合回收镉、钴、铟、铜、金、银、碳、铁、硫等10多种有价金属和元素，外排尾气和污水全部达标，初步实现了持续健康发展的目标。

1 发展历程回顾

陕西锌业锌冶炼烟气制酸装置过去30年经历了3个发展阶段。

1.1 起步奠基阶段

陕西锌业第一套锌精矿焙烧制酸装置设计借鉴了原贵溪冶炼厂和韶关冶炼厂成熟先进的技术，采用ⅢⅠ-ⅣⅡ、“3+1”二转二吸制酸工艺。锌精矿经12 m2沸腾炉焙烧后，冶炼烟气经余热锅炉、两级旋风除尘器和一级电收尘器降温收尘后送净化工序，净化工序采用空塔—填料塔—石墨间冷器（2台并联）—一级塑料电除雾器稀酸洗涤，净化后的烟气送干吸转化工序制酸。该装置运行到2004年9月，12 m2沸腾炉烟气出口耐火砖开始坍塌，直接威胁到安全生产，被迫停车改造。此次技术改造拆除了12 m2沸腾炉等部分旧设备，新建1台14 m2沸腾炉，配套改进了空气鼓风机、旋风收尘器、电收尘器、SO2风机、转化气体换热器、浓硫酸冷却器和石墨间冷器等设备。此次改造的技术进步主要表现在以下三方面：

1）广泛应用了一批先进成熟的新材料和新设备。①用1台42 m2的254SMO板式换热器代替2台石墨间冷器（400 m2），系统阻力下降 1.6 kPa；②用国产316L不锈钢管壳式阳极保护换热器代替铸铁冷却排管换热器，冷却效率提高后，生产1 t硫酸消耗水量从14 t下降到7 t左右，下降了约50%；③Ⅲ、Ⅳ换热器原为4台传统的光管换热器，采用2台空心环缩放管换热器予以替代，传热效率和生产能力提高，转化工序阻力下降2.8 kPa，硫酸产量由53.29 t/d提高到64.94 t/d，增产21.86%，同时给湿法炼锌系统自供锌焙砂达到14 892 t/a。

2）改造电收尘器提高收尘效率。原设计用ZRS-6.72-3型电收尘器（配套GGAJ型恒压源），出口烟气含尘质量浓度为430 mg/m3。利用原有空间，技改后采用CRS-8.24-3型电收尘器（配套HL型恒流源），电收尘器出口含尘质量浓度降低到230 mg/m3，每年可多回收含锌烟尘 69.12 t；同时减少了净化工序外排稀酸中的尘含量，有效控制了污染源，提高了资源利用率[1]。

3）风机采用变频节能技术。转化工序原有2台FD50-120/0.35型SO2罗茨风机（1用1备，电机功率115 kW），改造后作为14 m2沸腾炉用空气鼓风机使用；转化工序新购2台L84WD型离心风机（1用1备，电机功率160 kW）。4台风机采用了2套“一拖二”国产变频节能装置，风量调节便捷精准，生产电耗比技改前下降37%，风机运行噪声明显减小。

陕西锌业第一套锌冶炼制酸装置从1989年12月建成试车生产，到2009年4月停产（2010年拆除），20年累计生产工业硫酸292.6 kt，正常生产时间累计5 762 d，年度最低开车率为1990年的34.52%，最高开车率为2008年的98.36%，20年平均开车率仅为81.67%。试产期间存在的主要问题表现在两方面：①缺乏生产技术和实践经验，上岗的绝大多数职工是刚参加工作的青年，仅有少数人员经过短期实习培训，大部分人员缺乏生产设备操作实践和维护管理经验；②生产效率低，由于原设计生产能力和设备弹性小，导致日常生产事故率高，开车率低。

1.2 发展超越阶段

陕西锌业依据2007年4月颁发的《铅锌行业准入条件》及时申报后，获批建设100 kt/a电锌焙烧及176 kt/a烟气制酸项目，该项目由中国恩菲工程技术有限公司设计，2008年3月1日开工建设，2009年5月建成，6月1日首次开车试产成功。该套装置的建成投运标志着陕西锌业的生产规模和技术装备水平实现了发展超越。该装置连续稳定运行10年时间，设备运转率较高，主要生产技术经济指标在投产当年均达到了设计值[2]。

该套装置在设计、建设和运行等方面的先进性主要表现在以下8个方面：

1）筑炉技术实现了新突破。新建109 m2沸腾炉在国内首次选用了炉顶整浇施工技术[3]。生产实践证明：大型沸腾炉炉顶采用整体浇筑技术是成功的，不仅施工工期短，成本低，耗材少，而且有利于解决异型砖砌筑炉顶传统施工中存在的诸多行业难题。

2）风帽使用寿命长。109 m2沸腾炉原设计使用10 882个直吹式风帽，实际施工安装10 901个风帽，采用SCH2材质精密铸造，一次制造安装，永久使用。

3）余热利用效率高。陕西锌业109 m2沸腾炉配置了1台设计蒸发量为28 t/h的饱和蒸汽余热锅炉，配套德国德兰赛兰公司生产的 B5S-3+B7S-3型饱和蒸汽抽凝式透平发电机组。用高效热管省煤器回收转化工序高温SO3烟气的余热和流态化冷却器锌焙砂的余热，用于加热锅炉给水，余热锅炉实际蒸发量提高到33～35 t/h。余热锅炉所产饱和蒸汽实现了能源梯级高效利用，实际发电2.2×107kWh/a（不含企业冬季采暖）。在冬季采暖时发电机运行负荷下降约1/3。该余热锅炉的投用取代了湿法炼锌工艺加热用的3台燃煤蒸汽锅炉，燃煤蒸汽锅炉仅在109 m2沸腾炉停车检修时临时启用。根据实际生产情况测算，每年节省烟煤约40 kt，减排SO2约1 200 t/a，环境效益和经济效益比较显著。

4）电收尘器收尘效率高。80 m2电收尘器设计有4个电场，采用稳定可靠的恒流源、溢流螺旋密封和95瓷绝缘瓷套等先进设备和材料。电收尘器出口烟气含尘质量浓度可以控制在55 mg/m3以下，与传统含尘质量浓度设计值小于或等于200 mg/m3相比，每年可多回收含锌烟尘92.8 t，减少了净化工序外排稀酸中的尘含量，进一步提高了资源利用率和企业效益。

5）SO2转化率较高。陕西锌业176 kt/a硫酸装置是我国投运的第七套109 m2沸腾炉锌精矿焙烧烟气制酸装置。该装置在施工设计和建设中，立足企业实际，尽可能吸收和利用国内同类装置的先进技术和成熟经验。通过技术改造和优化操作参数，在全部采用国产催化剂的情况下，SO2转化率连续稳定在99.8%以上。10年累计平均开车率为91.73%，累计生产工业浓硫酸产品1 962 kt，硫酸平均年产量高出设计值11.70%。

6）尾气脱硫实现了新突破。陕西锌业176 kt/a硫酸装置原设计采用“3+1”二转二吸工艺，进转化器φ(SO2)为 7.35%，烟气流量为 69 122 m3/h，SO2转化率为99.6%，总吸收率为99.95%，尾气ρ(SO2)为 944 mg/m3，符合 GB 16297—1996《大气污染物综合排放标准》的要求。投运3年后，实际生产受原料硫含量波动的影响，烟气流量在50 000～78 000 m3/h 波动，尾气ρ(SO2)在 300～1 300 mg/m3。为适应新的环保标准并保证尾气连续稳定达标排放，在广泛深入调研的基础上，陕西锌业于2013年设计建设了1套氧化锌高效脱硫装置。这套脱硫装置采用氧化锌全氧化工艺，并进行了8个方面的改进和优化[5]，2014年5月建成投运。5年来的生产实践表明：在临时停车、开停车和正常生产过程中，即使原料硫含量变化较大，整个系统仍无需频繁调整生产负荷，脱硫装置能较好地适应各种工况，确保尾气达标排放[目前尾气ρ(SO2)保持在500 mg/m3以下]；同时制酸生产效率进一步提高。脱硫剂无需外购，脱硫过程中不产生新的“三废”，脱硫运行成本相对较低，企业环境效益和经济效益均较好。

7）脱氟和协同脱汞效果好。2010年7月停车检修时，陕西锌业对净化工序洗涤塔内海尔环主填料层上部的瓷质填料腐蚀情况做了对比分析，发现每年氟对瓷质填料的腐蚀率高达77.92%。此后，把净化工序的水玻璃添加量提高到60 kg/d后，进转化系统烟气中的氟质量浓度一般不超过1 mg/m3（10年平均值为1.08 mg/m3），近9年来再未发现干燥塔内的瓷质填料和转化器第一段催化剂表层的瓷质保护剂有明显的腐蚀现象。2012—2014年，陕西锌业作为全国仅有的2家试点单位之一，参加了原环境保护部对外合作司牵头组织的锌冶炼行业汞排放普查调研。此次调研发现：陕西锌业176 kt/a硫酸装置脱硫前尾气中的汞质量浓度为564 μg/m3，氧化锌脱硫装置投运正常后，外排尾气中的汞质量浓度降到19 μg/m3，氧化锌湿法脱硫协同脱汞效率为96.63%[6]。

8）高效冷却圆筒和抛料机设备使用效果好。陕西锌业109 m2沸腾炉设计采用1台规格为φ1 920 mm×9 600 mm、生产能力为20 t/h的高效冷却圆筒冷却锌焙砂，循环水进入有效换热面积为109 m2的内置腔内，与外壁流动的热焙砂间接换热，高效冷却圆筒电机铭牌传动功率仅18.5 kW，水耗低，冷却效率高，密封条件好，没有水汽外溢现象。109 m2沸腾炉进料口设置带速18.5 m/s、生产能力为25 t/h的2台抛料机同时进料，彻底解决了传统沸腾炉进料管易堵塞、断料和难密封等问题。

1.3 补短板阶段

为了充分发挥潜能、利用现有设备设施和人力资源等有利因素，实现“十二五”末锌产品产能突破200 kt/a的发展目标，陕西锌业于2014年积极主动补齐内部短板，实施了资源综合利用技术改造。该改造项目的一个重要子项是设计建设了1套硫酸生产能力为85 kt/a的锌冶炼烟气制酸装置。该装置于2014年4月1日开工建设，2014年10月1日建成投产，到2019年底已累计生产工业硫酸410.06 kt。受原料供应情况的影响，最低开车率为2018年的84.24%，最高开车率为2017年的97.54%，年平均开车率为92.2%。

陕西锌业85 kt/a的锌冶炼烟气制酸装置建成投产后，不仅解决了176 kt/a锌冶炼烟气制酸装置临时停车检修期间湿法炼锌系统被迫停产或减产等难题，而且降低了外购锌焙砂的质量和运输风险，使得陕西锌业内部生产运营和管控更加便捷自如，企业应变和抗险能力进一步提高。

从技术进步方面分析，陕西锌业2014年设计建设的85 kt/a的锌冶炼制酸装置做了下述4个方面的改进：

1）新建52 m2锌精矿沸腾炉首次使用了永久性直吹风帽，减轻了职工劳动强度，提高了焙砂质量和设备效率。

2）取消了净化工序的第二级旋风收尘器和高温接力风机，系统配置更加简洁高效。

3）沸腾炉的主要设备空气风机和SO2风机采用了定制化制造服务的专利节能技术。2017年陕西锌业与浙江科维节能技术股份有限公司合作，根据陕西锌业实际生产工况条件，量身定做了2台节能风机，其中52 m2沸腾炉用空气离心鼓风机运行电流由 24～30 A 降低到 16～18 A，SO2风机运行电流由 55～60 A 降低到 30～32 A，节能效率为25%～30%。

4）余热锅炉所产饱和蒸汽采用国产螺杆式膨胀发电机组。为了进一步提高蒸发量为13.5 t/h余热锅炉的饱和蒸汽资源利用水平，2019年6月陕西锌业采用EPC合作合同模式，设计安装了1台装机功率为900 kW的螺杆式膨胀发电机组，10月投运。发电后压力低于0.6 MPa的蒸汽抽出并入公司热力蒸汽管网，供湿法冶炼工艺过程加热和冬季采暖使用。该机组投运近3个月以来，实际发电1 168 728 kWh。

1.4 3套装置技术指标对比

陕西锌业3套硫酸装置设计和运行主要技术指标对比情况见表1。

表1 硫酸装置设计和运行主要技术指标对比

2 展望与设想

2.1 未来面临的挑战和风险

1）原料瓶颈导致生存危机。锌精矿的矿产资源储量有限且不可再生，炼锌企业将面临“等米下锅”和“无米断炊”的生存危机。受市场多变等不可控因素影响，大、中型传统炼锌企业经常被迫“饥不择食”，用各种含锌“杂料”组织生产，导致炼锌企业产生的不可控因素增多，运营风险不断加大。

2）企业效益和生存空间不断收缩。随着环境质量标准和人民生活水平的不断提高，尽管企业用工成本逐年提高，但仍面临“苦、脏、累”岗位的“用工荒”，加之“三废”治理环保设施投运后，正常生产运行成本不断提高，政府管理和执法不断从严，传统炼锌和硫酸企业生存发展“如履薄冰”，如果生产、环保、安全、经营、决策等某一方面出现一次“闪失”，就有可能导致企业的“灭顶之灾”。

3）基础研究和自我创新受限。传统炼锌及与之相关的化工、环保行业的基础应用研究和创新技术产业化进程严重滞后，企业现有工艺设备和技术路线面临着诸多创新困境。

2.2 潜在的机遇

1）大型化和集成化创新取得新进展。目前中国大型化和集成化创新的有利条件日渐成熟，尤其是智能化、自动化、信息化与大型化的高度融合发展，为大、中型炼锌企业和硫酸企业提供了前所未有的创新发展机遇，传统产业的生产模式、管控和经营模式的变革势不可挡。只有顺应变化、洞悉并掌握信息化发展趋势，大力深化“互联网+”和“两化融合”，才能支撑并引领传统产业的发展从而把握未来、立于不败之地。目前，白银有色集团西北铅锌冶炼厂和中国五矿株冶新厂均相继设计并成功投用了152 m2锌精矿沸腾焙烧炉及制酸装置[7]，为同行业树立了新的创新标杆。

2）中国在国际市场上有望取得“话语权”。中国硫酸和锌的生产与消费已经连续10多年稳居世界第一，随着我国综合国力和国际地位的迅速提高，传统企业面临的选择将日益多样化。传统企业抱团取暖、走出国门另谋新路发展的条件日益成熟。陕西有色集团已迈出了成功的第一步，坚信企业今后的发展道路将会越走越宽。

制酸干吸工序需要移出热量 1 758 MJ[8]，这是一项非常可观的余热能源。据测算，200 kt/a的锌精矿焙烧烟气制酸装置仅干吸工序的低温余热就可生产 0.5 MPa 蒸汽 10.387 5 t/h，相当于节约标煤约1 997 t/a。近10年来，低温余热利用技术的设计、材料和设备制造等已经逐步实现国产化，在有色冶炼烟气制酸上得到推广应用，为硫酸生产企业开辟了增效和创新发展的新途径。