幾套大型冶煉煙氣制酸裝置轉(zhuǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐

肖萬(wàn)平

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

環(huán)保與綜合利用

幾套大型冶煉煙氣制酸裝置轉(zhuǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐

肖萬(wàn)平

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

結(jié)合中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司近幾年來(lái)設(shè)計(jì)的幾套產(chǎn)能為70萬(wàn)t/a左右的冶煉煙氣制酸系統(tǒng)，簡(jiǎn)要介紹了轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的規(guī)模、工藝、主要設(shè)備等。轉(zhuǎn)化系統(tǒng)工藝選擇主要取決于冶煉工藝、冶煉煙氣的穩(wěn)定程度及SO2濃度的高低。從設(shè)計(jì)、制作安裝、生產(chǎn)等方面看出，我國(guó)已具備建設(shè)大型冶煉煙氣制酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的實(shí)力，個(gè)別關(guān)鍵設(shè)備的加工制造水平、材料的質(zhì)量等尚需提升。

冶煉制酸； 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)； 換熱流程； 高濃度； 中低溫位熱能； 回收技術(shù)

有色冶煉行業(yè)準(zhǔn)入門(mén)檻的提高、環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格和冶煉技術(shù)的發(fā)展，促使了有色冶煉向規(guī)?；较虬l(fā)展，配套的冶煉煙氣制酸系統(tǒng)產(chǎn)能也向大規(guī)模方向發(fā)展。隨著冶煉技術(shù)的發(fā)展，冶煉煙氣量將趨于連續(xù)穩(wěn)定、SO2濃度有了較大幅度的提高，這為制酸系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、中低溫位熱能回收利用創(chuàng)造了有利條件。近幾年來(lái)，為適應(yīng)單套制酸系統(tǒng)產(chǎn)能規(guī)模擴(kuò)大的需要，制酸技術(shù)有了新的發(fā)展，如高濃度轉(zhuǎn)化技術(shù)、中低溫位熱能的回收利用技術(shù)等得到了成功應(yīng)用，并取得很好的經(jīng)濟(jì)效益，提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的統(tǒng)一。本文簡(jiǎn)要介紹近幾年來(lái)由中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)的幾套產(chǎn)能為70萬(wàn)t/a左右的冶煉煙氣制酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 甘肅冶煉廠70萬(wàn)t/a冶煉煙氣制酸系統(tǒng)

該系統(tǒng)處理鎳熔煉過(guò)程產(chǎn)生的煙氣，冶煉采用富氧頂吹熔池熔煉技術(shù)，處理煙氣量為254 500 Nm3/h，SO2濃度為11%～12%，轉(zhuǎn)化采用3+1四段轉(zhuǎn)化， IV、I～I(xiàn)II、II換熱流程，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)設(shè)置了2臺(tái)SO3冷卻器，將熱空氣直接排空。

該系統(tǒng)2007年開(kāi)工建設(shè)，2008年8月建成試生產(chǎn)。到目前為止，該系統(tǒng)已投入使用了6年，運(yùn)行平穩(wěn)，操作簡(jiǎn)易、主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到甚至優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1.1 工藝流程簡(jiǎn)述

來(lái)自SO2鼓風(fēng)機(jī)的干煙氣依次進(jìn)入冷熱交換器、熱熱交換器，被轉(zhuǎn)化后的高溫?zé)煔饧訜岷筮M(jìn)入一段轉(zhuǎn)化。出一段轉(zhuǎn)化的高溫?zé)煔饨?jīng)熱熱交換器降溫后進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化。出二段轉(zhuǎn)化的高溫?zé)煔饨?jīng)層間熱熱交換器降溫后進(jìn)入三段轉(zhuǎn)化。出三段轉(zhuǎn)化的高溫?zé)煔庖来谓?jīng)冷熱交換器、SO3冷卻器降溫冷卻后進(jìn)入干吸系統(tǒng)。在此，煙氣中的SO3被吸收。出干吸系統(tǒng)的煙氣依次經(jīng)層間冷熱交換器、層間熱熱交換器，被轉(zhuǎn)化后的高溫?zé)煔饧訜岷筮M(jìn)入四段轉(zhuǎn)化，出四段轉(zhuǎn)化的高溫?zé)煔庖来谓?jīng)層間冷熱交換器、SO3冷卻器降溫冷卻后進(jìn)入干吸系統(tǒng)。轉(zhuǎn)化預(yù)熱升溫采用電爐加熱的方式，具體流程如圖1。

圖1 甘肅冶煉廠70萬(wàn)t/a煙氣制酸系統(tǒng)工藝流程

1.2 主要轉(zhuǎn)化設(shè)備

主要轉(zhuǎn)化設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 甘肅冶煉廠70萬(wàn)t/a煙氣制酸系統(tǒng)主要轉(zhuǎn)化設(shè)備

2 湖北有色金屬公司72萬(wàn)kt/a冶煉煙氣制酸系統(tǒng)

該制酸系統(tǒng)處理銅冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣，銅冶煉采用奧斯麥特爐熔煉、PS轉(zhuǎn)爐吹煉工藝。轉(zhuǎn)化系統(tǒng)處理煙氣量為235 000 Nm3/h，SO2濃度為10%～11.5%，轉(zhuǎn)化采用3+1四段轉(zhuǎn)化，IV、I—III、II換熱流程，設(shè)置有2臺(tái)余熱鍋爐，回收轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的中溫位熱能。

該制酸系統(tǒng)于2011年1月動(dòng)工建設(shè)，于同年9月建成并投入運(yùn)行。自投入運(yùn)行以來(lái)，由于精礦成分的變化，進(jìn)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的煙氣濃度偏離設(shè)計(jì)值較大，造成轉(zhuǎn)化系統(tǒng)自熱平衡困難，總轉(zhuǎn)化率略低于設(shè)計(jì)值。

2.1 工藝流程

工藝流程與上述甘肅70萬(wàn)t/a制酸系統(tǒng)類(lèi)似，在這里不再敘述，只是用2臺(tái)余熱鍋爐代替了2臺(tái)SO3冷卻器。轉(zhuǎn)化預(yù)熱升溫采用燃油燃燒間接加熱的方式。

2.2 主要轉(zhuǎn)化設(shè)備

主要轉(zhuǎn)化設(shè)備見(jiàn)表2。

表2 湖北有色公司72萬(wàn)t/a冶煉煙氣制酸系統(tǒng)主要轉(zhuǎn)化設(shè)備

3 廣西有色金屬有限公司80萬(wàn)t/a冶煉煙氣制酸系統(tǒng)

該制酸系統(tǒng)處理銅冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣，冶煉采用閃速熔煉、閃速吹煉(簡(jiǎn)稱(chēng)“雙閃”)工藝，冶煉煙氣穩(wěn)定，SO2濃度高，適合采用高濃度轉(zhuǎn)化、中低溫位熱能回收技術(shù)。轉(zhuǎn)化系統(tǒng)處理煙氣量為135 000 Nm3/h， SO2濃度為18%，轉(zhuǎn)化工藝采用預(yù)轉(zhuǎn)化、五段3+2兩次轉(zhuǎn)化，III、IV、I—V，II換熱流程，設(shè)置了2臺(tái)余熱鍋爐和2臺(tái)省煤器，對(duì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中的中溫位熱能進(jìn)行回收利用。

該項(xiàng)目于2012年開(kāi)工建設(shè)，于2013年12月建成并試生產(chǎn)。目前，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，總轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.95%，次高壓蒸汽產(chǎn)量約30 t/h。

3.1 工藝流程簡(jiǎn)述

來(lái)自SO2干燥塔的干煙氣經(jīng)風(fēng)機(jī)增壓后進(jìn)入冷熱交換器，干煙氣被轉(zhuǎn)化后的高溫?zé)煔饧訜?。出冷熱交換器的熱煙氣分兩支路，一支路與來(lái)自空氣鼓風(fēng)機(jī)的空氣混合稀釋后，依次經(jīng)中間交換器、熱熱交換器，被轉(zhuǎn)化后的高溫?zé)煔饧訜嶂劣|媒的起燃溫度后，進(jìn)入預(yù)轉(zhuǎn)化器。在預(yù)轉(zhuǎn)化器，煙氣中的大部分SO2轉(zhuǎn)化成SO3，由于該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，使煙氣溫度升高。出預(yù)轉(zhuǎn)化器的高溫?zé)煔饨?jīng)1#余熱鍋爐降溫后，與另一支路煙氣混合后，進(jìn)入一段轉(zhuǎn)化，煙氣中的大部分SO2被轉(zhuǎn)化成SO3。出一段轉(zhuǎn)化的高溫?zé)煔夥謨芍?，一支路高溫?zé)煔饨?jīng)熱熱交換器降溫后進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化；另一支路經(jīng)2#余熱鍋爐降溫后進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化，煙氣中的部分SO2進(jìn)一步被轉(zhuǎn)化成SO3。從二段轉(zhuǎn)化出來(lái)的高溫?zé)煔饨?jīng)層間熱熱交換器降溫后進(jìn)入三段轉(zhuǎn)化，煙氣中的SO2進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為SO3，從三段轉(zhuǎn)化出來(lái)的高溫?zé)煔庖来谓?jīng)冷熱交換器和1#省煤器降溫冷卻后，進(jìn)入低溫位熱能回收系統(tǒng)(HRS)。在HRS中，煙氣中的SO3被吸收。出HRS的煙氣依次經(jīng)層間冷熱交換器和層間熱熱交換器，被轉(zhuǎn)化后的高溫?zé)煔饧訜?。出層間熱熱交換器的SO2煙氣進(jìn)入四段轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的高溫?zé)煔饧訜嵘郎刂?10℃，煙氣中的SO2被轉(zhuǎn)化成SO3，出四段轉(zhuǎn)化后的高溫?zé)煔饨?jīng)中間交換器冷卻降溫后進(jìn)入五段轉(zhuǎn)化。至此，煙氣中的SO2幾乎完全轉(zhuǎn)化為SO3。從五段轉(zhuǎn)化出來(lái)的高溫?zé)煔饨?jīng)層間冷熱交換器和升煤器冷卻降溫后進(jìn)入干吸系統(tǒng)。轉(zhuǎn)化預(yù)熱升溫采用天然氣燃燒間接加熱的方式，具體流程如圖2。

圖2 廣西有色公司80萬(wàn)t/a冶煉煙氣制酸系統(tǒng)工藝流程

3.2 主要設(shè)備

主要轉(zhuǎn)化設(shè)備見(jiàn)表3。

4 山東有色冶煉廠120萬(wàn)t/a冶煉煙氣制酸系統(tǒng)

該制酸系統(tǒng)處理銅冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣，銅冶煉采用底吹熔煉、PS轉(zhuǎn)爐吹煉工藝。轉(zhuǎn)化系統(tǒng)處理煙氣量為310 000 Nm3/h， SO2濃度為9%～13%，為目前國(guó)內(nèi)單系列處理煙氣量最大的制酸裝置。轉(zhuǎn)化采用3+2五段轉(zhuǎn)化，III、I—V、IV、II換熱流程，設(shè)置了1臺(tái)SO3冷卻器，通過(guò)副產(chǎn)250 ℃的熱空氣回收中溫位熱能。

表3 廣西有色公司80萬(wàn)t/a冶煉煙氣制酸系統(tǒng)主要轉(zhuǎn)化設(shè)備

目前，該系統(tǒng)已完成詳細(xì)設(shè)計(jì)，進(jìn)入施工安裝階段，預(yù)計(jì)2015年初建成。

4.1 工藝流程簡(jiǎn)述

從SO2鼓風(fēng)機(jī)出來(lái)的煙氣，依次通過(guò)冷熱交換器、熱熱交換器，被轉(zhuǎn)化后的高溫?zé)煔饧訜岷筮M(jìn)入一段轉(zhuǎn)化，出一段轉(zhuǎn)化經(jīng)熱熱交換器降溫后進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化，出二段轉(zhuǎn)化的高溫?zé)煔饨?jīng)層間熱熱交換器降溫后進(jìn)入三段轉(zhuǎn)化。從三段轉(zhuǎn)化出來(lái)的高溫?zé)煔庖来谓?jīng)冷熱交換器、SO3冷卻器降溫冷卻后進(jìn)入干吸系統(tǒng)，在此，煙氣中的SO3被吸收。出干吸系統(tǒng)的煙氣，依次經(jīng)過(guò)層間冷熱交換器、中間熱交換器、層間熱熱交換器，被轉(zhuǎn)化后的高溫?zé)煔饧訜岷筮M(jìn)入四段轉(zhuǎn)化，出四段轉(zhuǎn)化后的高溫?zé)煔饨?jīng)中間熱交換器降溫后進(jìn)入五段轉(zhuǎn)化，出五段轉(zhuǎn)化的高溫?zé)煔鈱娱g冷熱交換器冷卻降溫后進(jìn)入干吸系統(tǒng)。轉(zhuǎn)化預(yù)熱升溫采用燃油燃燒間接加熱的方式，具體流程如圖3。

圖3 山東有色冶煉廠120萬(wàn)t/a冶煉煙氣制酸系統(tǒng)工藝流程

4.2 主要轉(zhuǎn)化設(shè)備

主要轉(zhuǎn)化設(shè)備見(jiàn)表4。

表4 山東有色冶煉廠120萬(wàn)t/a冶煉煙氣制酸系統(tǒng)主要轉(zhuǎn)化設(shè)備

5 河南冶煉廠有限公司130萬(wàn)t/a冶煉煙氣制酸系統(tǒng)

該系統(tǒng)處理金精礦預(yù)處理過(guò)程產(chǎn)生的煙氣，金精礦預(yù)處理采用底吹熔煉、懸浮吹煉工藝。該煙氣相對(duì)穩(wěn)定、SO2濃度高。轉(zhuǎn)化系統(tǒng)處理煙氣量約為200 000 Nm3/h， SO2濃度約為22%。轉(zhuǎn)化采用預(yù)轉(zhuǎn)化、3+2五段轉(zhuǎn)化，III、IV、I—V、II換熱流程，設(shè)置了2臺(tái)余熱鍋爐、1臺(tái)省煤器和1臺(tái)蒸汽過(guò)熱器，產(chǎn)生過(guò)熱次高壓蒸汽，回收中溫位熱能。

目前，該項(xiàng)目已完成建設(shè)項(xiàng)目的審批程序和基本設(shè)計(jì)，計(jì)劃2014年下半年開(kāi)工建設(shè)，2015年12月建成。

5.1 工藝流程簡(jiǎn)述

從SO2鼓風(fēng)機(jī)出來(lái)的煙氣，經(jīng)冷熱交換器，被轉(zhuǎn)化后的高溫?zé)煔饧訜岷蠓?支路，一支路與來(lái)自空氣干燥塔的空氣混合，稀釋后的煙氣經(jīng)熱熱交換器，被轉(zhuǎn)化后的部分高溫?zé)煔饧訜岷螅址?支路，一支路進(jìn)入預(yù)轉(zhuǎn)化器。在預(yù)轉(zhuǎn)化器，煙氣中的大部分SO2轉(zhuǎn)化成SO3，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，使煙氣溫度升高。出預(yù)轉(zhuǎn)化器的高溫?zé)煔饨?jīng)1#余熱鍋爐降溫后，與出熱熱交換器的另一支路煙氣、出冷熱交換器的另一支路煙氣混合后，進(jìn)入一段轉(zhuǎn)化。在此，煙氣中的大部分SO2被轉(zhuǎn)化成SO3。從一段轉(zhuǎn)化出來(lái)的高溫?zé)煔夥?支路，一支路高溫?zé)煔饨?jīng)2#余熱鍋爐降溫后進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化，另一支路高溫?zé)煔饨?jīng)熱熱交換器降溫后進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化。在此，煙氣中的部分SO2被轉(zhuǎn)化成SO3。從二段轉(zhuǎn)化出來(lái)的高溫?zé)煔饨?jīng)層間熱熱交換器降溫后進(jìn)入三段轉(zhuǎn)化，煙氣中的SO2進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為SO3，從三段轉(zhuǎn)化出來(lái)的高溫?zé)煔庖来谓?jīng)冷熱交換器和省煤器降溫冷卻后，進(jìn)入低溫位熱回收系統(tǒng)。在低溫位熱回收系統(tǒng)，煙氣中的SO3被充分吸收。出低溫位熱回收系統(tǒng)的煙氣依次經(jīng)層間冷熱交換器和層間熱熱交換器，被轉(zhuǎn)化后的高溫?zé)煔饧訜岷筮M(jìn)入四段轉(zhuǎn)化，煙氣中的SO2進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為SO3，出四段轉(zhuǎn)化后的高溫?zé)煔饨?jīng)蒸汽過(guò)熱器冷卻降溫后進(jìn)入五段轉(zhuǎn)化。在此，煙氣中的SO2幾乎完全轉(zhuǎn)化為SO3。從五段轉(zhuǎn)化出來(lái)的高溫?zé)煔饨?jīng)層層間冷熱交換器冷卻降溫后進(jìn)入干吸系統(tǒng)，具體流程如圖4。

圖4 河南冶煉廠130萬(wàn)t/a冶煉煙氣制酸系統(tǒng)工藝流程

5.2 主要轉(zhuǎn)化設(shè)備

主要轉(zhuǎn)化設(shè)備見(jiàn)表5。

表5 河南某冶煉廠130萬(wàn)t/a冶煉煙氣制酸系統(tǒng)主要轉(zhuǎn)化設(shè)備

6 結(jié)論

從上面幾套冶煉煙氣制酸裝置轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)踐可以看出：

(1)制酸裝置轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的工藝選擇主要取決于冶煉工藝，冶煉工藝決定著冶煉煙氣穩(wěn)定程度(包括氣量及成分的相對(duì)穩(wěn)定)和SO2濃度的高低，而煙氣的穩(wěn)定程度決定著轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。轉(zhuǎn)化系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行，將直接影響SO2的轉(zhuǎn)化率。下面就各種煙氣條件下，總結(jié)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選擇的工藝，僅供參考。

①當(dāng)冶煉煙氣穩(wěn)定，SO2濃度在16%以上，優(yōu)先選擇轉(zhuǎn)化率高的高濃度轉(zhuǎn)化工藝，并對(duì)轉(zhuǎn)化余熱進(jìn)行回收利用；

②當(dāng)冶煉煙氣穩(wěn)定，SO2濃度為8%～16%，可選擇轉(zhuǎn)化率高的高濃度轉(zhuǎn)化工藝，也可選擇常規(guī)轉(zhuǎn)化，建議對(duì)轉(zhuǎn)化余熱進(jìn)行回收利用；

③當(dāng)冶煉煙氣穩(wěn)定，SO2濃度在8%以下，優(yōu)先選擇常規(guī)轉(zhuǎn)化，可對(duì)轉(zhuǎn)化余熱進(jìn)行回收利用。

④當(dāng)冶煉煙氣不穩(wěn)定，SO2濃度波動(dòng)較大，應(yīng)視具體情況而定。通常，優(yōu)先選擇常規(guī)轉(zhuǎn)化，必要時(shí)，須強(qiáng)化系統(tǒng)的補(bǔ)熱措施，或者通過(guò)其他方式(如將出凈化的部分煙氣進(jìn)行SO2濃縮處理，然后將濃縮的SO2氣體與岀凈化的另一部分煙氣混合，使進(jìn)轉(zhuǎn)化的煙氣量及SO2濃度趨于穩(wěn)定)，將進(jìn)轉(zhuǎn)化的煙氣由不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

(2)冶煉企業(yè)余熱回收利用程度、水平在不斷提高，同時(shí)，環(huán)保、低碳意識(shí)有了明顯的提高。

結(jié)合近幾年的發(fā)展，我國(guó)在大型冶煉煙氣制酸裝置轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的工藝選擇、設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、安裝、生產(chǎn)等方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著國(guó)內(nèi)一些新技術(shù)、新材料的成功應(yīng)用，設(shè)備國(guó)產(chǎn)化程度日益提高。但一些關(guān)鍵設(shè)備及材料(如SO2鼓風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)化用觸媒等)在加工工藝、制造、質(zhì)量性能等方面仍與國(guó)外存在一定的差距。

Design Practice of Several Sets of Large Smelter Acid Plant Converter System

XIAO Wan-ping

This paper briefly introduces the converter system capacity, process, main equipment and etc., which based on the 700 kt/a smelter acid system sets designed by China Enfi Engineering in recent years. The process selecting of converter system mainly depends on the metallurgical process, stability of the smelting flue gas and SO2concentration. From the aspects of the design, fabrication, installation and operation, it shows that China already has the ability to design a large smelter acid plant converter system except some critical equipments’ manufacturing level and the material quality still need to be improved in further.

smelter sulfuric acid; converter system; heat transfer process; high concentration; low level heat energy; recovery techniques

2014-03-05

肖萬(wàn)平(1976—)，男，陜西芮城人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，從事冶煉煙氣制酸和環(huán)保脫硫等方面的設(shè)計(jì)、咨詢(xún)工作。

X505

A

1008-5122(2014)03-0032-05