450 kt/a冶煉煙氣制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化工序的改造設(shè)計

劉一鳴， 肖萬平

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

綜合利用與環(huán)保

450 kt/a冶煉煙氣制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化工序的改造設(shè)計

劉一鳴， 肖萬平

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

由于冶煉系統(tǒng)物料成分發(fā)生變化，造成450 kt/a制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化器各層溫度偏低，對此在轉(zhuǎn)化器一段出口管與二段進口管之間增設(shè)一根短路管道，部分高溫煙氣分流直接進入二段入口以提高溫度；為維持系統(tǒng)自熱平衡，將SO3冷卻器改造為換熱器使用。改造后轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)更加靈活，自熱平衡能夠基本維持，效果顯著。

冶煉煙氣；制酸；轉(zhuǎn)化工序；改造

某銅冶煉廠450 kt/a冶煉煙氣制酸系統(tǒng)2012年建成投產(chǎn)之后，一直運行穩(wěn)定。然而，由于銅廠礦石來源發(fā)生了變化，冶煉系統(tǒng)對原料配比進行調(diào)整，造成進入轉(zhuǎn)化工序煙氣的SO2濃度最低時僅為8%左右，較原設(shè)計值12%偏低，導致轉(zhuǎn)化器各段溫度過低，長期運行會帶來整體轉(zhuǎn)化率下降、轉(zhuǎn)化反應(yīng)后移、觸媒粉化，無法維持自熱平衡等一系列問題。而銅廠今后每年都會有4～5個月的時間采用此種原料配比進行生產(chǎn)，原設(shè)計無法適應(yīng)冶煉系統(tǒng)這種周期性波動。為此，對轉(zhuǎn)化工序進行改造：在轉(zhuǎn)化器一段出口管與二段進口管之間增設(shè)一根短路管道，使一部分高溫煙氣分流直接進入二段入口以提高二段轉(zhuǎn)化入口溫度；將SO3冷卻器改造為換熱器，增加換熱面積。改造完成后，轉(zhuǎn)化器各段進口溫度提高，系統(tǒng)基本維持自熱平衡，轉(zhuǎn)化率顯著提高，改造效果明顯。

1 轉(zhuǎn)化工序概況

1.1 流程

轉(zhuǎn)化采用3+1、“Ⅲ, Ⅰ-Ⅳ, Ⅱ”轉(zhuǎn)化換熱流程，SO2風機送來的煙氣依次通過Ⅲ換熱器、Ⅰ換熱器，與三段轉(zhuǎn)化、一段轉(zhuǎn)化的高溫煙氣進行換熱，氣體升溫至425 ℃進入一段轉(zhuǎn)化。煙氣經(jīng)一段轉(zhuǎn)化后大部分SO2轉(zhuǎn)化成SO3，反應(yīng)放出的熱使煙氣溫度升高，為提高SO2轉(zhuǎn)化率，煙氣經(jīng)Ⅰ換熱器降溫后進入二段轉(zhuǎn)化，其中的SO2繼續(xù)轉(zhuǎn)化為SO3。從二段轉(zhuǎn)化出來的高溫煙氣經(jīng)Ⅱ換熱器降溫后進入三段轉(zhuǎn)化，煙氣中的SO2進一步轉(zhuǎn)化為SO3。從三段轉(zhuǎn)化出來的高溫煙氣依次經(jīng)Ⅲ換熱器、SO3冷卻器(配套SO3冷卻風機并設(shè)置溫度連鎖自動調(diào)節(jié)冷卻器出口溫度)降溫冷卻后，進入中間吸收塔。在中間吸收塔，煙氣中的SO3與98%酸逆流接觸，SO3被充分吸收。經(jīng)過吸收后的煙氣溫度約為83 ℃，再經(jīng)過Ⅳ換熱器、Ⅱ換熱器，與四段轉(zhuǎn)化、二段轉(zhuǎn)化后的高溫煙氣換熱升溫至440 ℃，進入四段轉(zhuǎn)化，煙氣中剩余的SO2進一步轉(zhuǎn)化為SO3。出四段轉(zhuǎn)化后的高溫煙氣經(jīng)Ⅳ換熱器冷卻降溫后進入最終吸收塔。

1.2 設(shè)備

為了保證轉(zhuǎn)化工序的穩(wěn)定性，與之配套的SO2風機從國外進口。轉(zhuǎn)化器內(nèi)部支撐柱采用正方形排列，由于其溫度較高，采用局部襯磚的方式加強設(shè)備保護。另外，氣體入口設(shè)置導向板，使氣體分布更加均勻。各換熱器及SO3冷卻器采用新型急擴加速流縮放管殼式換熱器，該種類型的換熱器采用雙面強化傳熱的縮放型傳熱管，對管內(nèi)外兩側(cè)氣體均有促進界面湍流，強化對流傳熱的作用，總傳熱系數(shù)可達36 W/(m2·K)，節(jié)省了傳熱面積。該換熱器采用空心環(huán)管間支承結(jié)構(gòu)，可降低流體阻力，且殼程環(huán)狀進出口不易積垢，有利于降低能耗。另外，為了確?？傓D(zhuǎn)化率≥99.8%，轉(zhuǎn)化觸媒采用進口高效觸媒，部分采用低溫觸媒。

1.3 配置

按照工藝路線合理，原料、產(chǎn)品運送方便，盡可能減少占地等原則進行配置?？紤]到項目特點，二期工程需要與一期銜接，轉(zhuǎn)化工序的布置靠近一期轉(zhuǎn)化工序，銜接管道從二期轉(zhuǎn)化副線管接至一期轉(zhuǎn)化與SO2風機出口之間的管道。在干吸工段最終吸收塔與干燥塔之間設(shè)置氣體管道，開工時從最終吸收塔出口排放的熱氣直接返回干燥塔，經(jīng)開工爐加熱后循環(huán)利用，縮短了轉(zhuǎn)化觸媒的升溫時間。另外，當冶煉工段出現(xiàn)故障，冶煉煙氣不能正常供給時，為保持轉(zhuǎn)化觸媒層的溫度，也可通過此管線將最終吸收塔出口煙氣返回到干燥塔，使干吸、轉(zhuǎn)化形成封閉體系，達到蓄熱的目的。

1.4 運行情況

本項目2012年建成，投產(chǎn)后轉(zhuǎn)化工序一直運行穩(wěn)定。然而，由于冶煉系統(tǒng)原料組成發(fā)生變化，造成各段觸媒溫度偏低，無法達到設(shè)計要求。現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與設(shè)計值對比如表1所示。

表1 冶煉物料變化前后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)

從表1可以看出，冶煉系統(tǒng)原料組成變化后，煙氣SO2濃度比設(shè)計值大幅下降，導致轉(zhuǎn)化器各段溫度偏低，整體轉(zhuǎn)化率下降明顯。而且采用調(diào)節(jié)旁路等措施根本也無法改善運行狀況。

圖1 轉(zhuǎn)化工序設(shè)備流程圖

2 改造設(shè)計

由于該廠今后每年會有4～5個月的時間采用此種礦物組成進行生產(chǎn)，而原設(shè)計無法滿足這種周期性的波動，因此對轉(zhuǎn)化工序進行設(shè)計改造。

2.1 流程

在轉(zhuǎn)化器一段出口管與二段進口管之間增設(shè)短路管道，提高后段溫度；對SO3冷卻器空氣進、出管道進行改造，將SO2風機出口管接至SO3冷卻器原空氣進口管，原空氣出口管再接至Ⅲ換熱器SO2進口，見圖1。圖中云線部分即為管道改造的內(nèi)容。另外，圖中所示T1- T10為管道測溫點，t1- t4為轉(zhuǎn)化器各段觸媒層溫度測點，均為主要考察對象。

2.2 管道

轉(zhuǎn)化器一段出口管管徑為DN2000 mm，材質(zhì)為304SS，二段進口管管徑為DN1800 mm，材質(zhì)為Q235B，增加的短路管管徑為DN1200 mm，材質(zhì)為304SS；同時管道上設(shè)置高溫電動閥門，考慮到管道熱膨脹，在該管道上設(shè)置了波紋補償器。將SO2風機出口管接至SO3冷卻器原空氣進口管，管徑為DN2000 mm，材質(zhì)為Q235B，在風機入口管道設(shè)置閥門避免SO2氣體進入SO3冷卻風機，原空氣出口管再接至Ⅲ換熱器SO2進口，管徑為DN2000 mm，材質(zhì)為Q235B，并且在改造段之間增設(shè)閥門避免串氣。

3 改造后的運行情況

3.1 測點溫度

2013年3月初施工改造，完成后系統(tǒng)重新啟動運行正常。表2，表3為改造前后進入轉(zhuǎn)化工序氣量和二氧化硫濃度接近時的管道溫度和床層溫度測點兩組運行數(shù)據(jù)對比。

表2 管道溫度測點數(shù)據(jù)

表3 床層溫度測點數(shù)據(jù) ℃

Ⅰ換熱器SO2出口溫度T1改造后為425 ℃，低于改造前的434 ℃。短路管道分流一段出口高溫(高于600 ℃)煙氣后，減少了換熱器熱側(cè)提供的換熱量，因此Ⅰ換熱器SO2出口溫度降低。

Ⅰ換熱器SO2出口至轉(zhuǎn)化器一段進口管溫降明顯，現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)主要原因為電加熱爐外保溫質(zhì)量出現(xiàn)問題導致熱量損失。

二段進口溫度T4改造后為432 ℃，明顯高于改造前的409 ℃；3段進口溫度T6改造后為420 ℃，明顯高于改造前的407 ℃；4段進口溫度T8改造后為423 ℃，明顯高于改造前的415 ℃。

可以看出，改造后轉(zhuǎn)化工序的溫度狀況明顯改善。

通過表2和表3溫度對比發(fā)現(xiàn)，床層測點溫度略高于管道測點溫度，經(jīng)檢測，主要原因為測溫儀表的誤差。

3.2 轉(zhuǎn)化率

改造前后轉(zhuǎn)化器各層的累積轉(zhuǎn)化率見表4。

表4 改造前后的累積轉(zhuǎn)化率 %

系統(tǒng)經(jīng)過改造后，轉(zhuǎn)化率有明顯的提高。

4 結(jié)語

該項目設(shè)備設(shè)計和選型充分考慮了有色冶煉煙氣的特點，本著高效、節(jié)能、經(jīng)濟的原則選擇設(shè)備，充分利用現(xiàn)有場地，合理布置設(shè)備，并在轉(zhuǎn)化器高溫易損壞部分采取了加強保護措施。系統(tǒng)投產(chǎn)后由于冶煉投料發(fā)生變化，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)化器各層溫度偏低，轉(zhuǎn)化率下降的現(xiàn)象，為此，轉(zhuǎn)化工序在原設(shè)計的基礎(chǔ)上進行了改造：在轉(zhuǎn)化器一、二層之間增加短路管道，并將SO3冷卻器改作換熱器使用，增加轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的換熱面積。3個多月的運行實踐表明：轉(zhuǎn)化器各段進口溫度升高明顯，系統(tǒng)基本維持自熱平衡，轉(zhuǎn)化率顯著提高，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)對SO2濃度波動的適應(yīng)性更強，達到了預期效果。

Transformationdesignofconversionsectionof450kt/aacidmakingwithsmeltingfluegas

LIU Yi-ming, XIAO Wan-ping

Because of the changes of material composition of smelting system, the temperature at each beds of converter was lower than design value in 450 kt/a acid making system, therefore, the conversion process was transformed. An interconnecting duct was added between outlet duct from the 1st converted bed and inlet duct to the 2nd converted bed, then part of high temperature gas go directly into the inlet of 2nd converted bed to raise the temperature, otherwise, for keeping balance of self-heating, the SO3cooler was reformed as a heat exchanger. After transformation, the temperature of conversion system becomes more adjustable, and it can maintain self-heating balance, and the effect was obvious.

smelting flue gas; acid making; conversion section; transformation

劉一鳴(1981—)，男，碩士，工程師，從事冶煉煙氣制酸及煙氣凈化的設(shè)計管理工作。

TQ111.1

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