煙氣制酸吸收塔酸溫控制系統(tǒng)改造

周圣兵

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司鉛鋅金屬有限公司，江西 九江 332500)

1 引言

江銅鉛鋅金屬有限公司是江銅集團(tuán)根據(jù)江西省政府整合全省銅、鉛、鋅資源有關(guān)精神，建設(shè)鉛鋅冶煉項(xiàng)目成立的公司。一期200kt/a鉛鋅(鉛、鋅各100kt/a)工程配有一套冶煉煙氣制酸系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)規(guī)模為年產(chǎn)100%濃硫酸30萬(wàn)t。該制酸系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用“兩頭一尾”[1]的方式:單套煙氣制酸系統(tǒng)同時(shí)接收來(lái)自鉛冶煉基夫賽特爐煙氣和鋅冶煉沸騰焙燒爐煙氣。這種大型“兩頭一尾”的方式在國(guó)內(nèi)鉛鋅冶煉行業(yè)屬首次成功應(yīng)用。2011年12月該系統(tǒng)對(duì)接單沸騰焙燒爐煙氣制酸，2012年3月順利實(shí)現(xiàn)同時(shí)接受基夫賽特爐和沸騰焙燒爐煙氣，兩個(gè)爐窯爐內(nèi)壓也得到較好控制，“兩頭一尾”的煙氣制酸方式投產(chǎn)成功。

2 吸收塔入塔酸溫改造前的運(yùn)行情況

本套制酸系統(tǒng)采用“兩轉(zhuǎn)兩吸”的工藝流程，分設(shè)凈化、干吸、轉(zhuǎn)化、尾氣脫硫等工序。流程如下:

干吸工序一吸塔及二吸塔設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)如下:

表1 一吸塔二吸塔部分設(shè)計(jì)參數(shù)

日常生產(chǎn)過(guò)程中，基夫賽特爐和沸騰焙燒爐同時(shí)滿(mǎn)負(fù)荷作業(yè)，SO2濃度較高，煙氣量較大，一吸塔、二吸塔入塔酸溫在現(xiàn)有酸溫控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下能達(dá)到65～75℃，基本達(dá)到設(shè)計(jì)水平，總吸收率可以達(dá)到99.9%以上。當(dāng)鉛冶煉基夫賽特爐或鋅冶煉沸騰焙燒爐出現(xiàn)工藝、設(shè)備等方面的故障，需停爐檢修時(shí)，制酸系統(tǒng)之接收單臺(tái)爐窯送過(guò)來(lái)的煙氣，入塔煙氣溫度、煙氣量、SO2濃度同時(shí)下降，屬低SO2濃度煙氣制酸[2]。為調(diào)節(jié)吸收塔入塔酸溫，生產(chǎn)操作中不斷關(guān)小AT－AP入口水閥，最小關(guān)至3%，此時(shí)引起AT－AP內(nèi)部冷卻水偏流，局部高溫，維鈍電流迅速上升，長(zhǎng)時(shí)間在10A以上，最高可達(dá)60A，AT－AP腐蝕加劇，使用壽命縮短。

此時(shí)吸收塔入塔酸溫在現(xiàn)有酸溫控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下最高只能達(dá)到61℃，吸收率為99.3%，不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。改造前各爐窯作業(yè)對(duì)應(yīng)的煙氣狀況以及吸收酸溫實(shí)際值如下:

表2 改造前不同煙氣狀況下吸收酸溫及AT－AP電流

3 改造前干吸酸溫控制系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

改造前吸收酸溫控制系統(tǒng)流程圖如圖1。AT泵出口的高溫酸(溫度高于90℃)通過(guò)DN600的不銹鋼陽(yáng)極保護(hù)管道[3]進(jìn)入 AT－AP，AT－AP出口DN400管道連接一個(gè)DN400－250三通，三通左右兩邊各通過(guò)DN250管道將濃酸輸送至一吸塔和二吸塔塔內(nèi)分酸槽。一吸塔及二吸塔入塔酸溫通過(guò)泵出口DN150旁通管控制調(diào)節(jié)，管道上各安裝有DN150的自動(dòng)閥，通過(guò)自動(dòng)閥開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)一吸塔、二吸塔入塔酸溫。

圖1 改造前吸收酸溫控制簡(jiǎn)圖

4 吸收酸溫對(duì)吸收率影響

在煙氣制酸過(guò)程中，三氧化硫的吸收是一個(gè)物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生的過(guò)程，其方程式如下:

氣體中的三氧化硫從氣相主體中向界面擴(kuò)散，穿過(guò)界面的三氧化硫在液相中向反應(yīng)區(qū)擴(kuò)散。接著與三氧化硫起反應(yīng)的水份，在液相主體中向反應(yīng)區(qū)擴(kuò)散，三氧化硫和水在反應(yīng)區(qū)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，最后生成的硫酸向液相主體擴(kuò)散。事實(shí)上，氣體中的三氧化硫不可能百分之百被吸收，只有吸收氣體中超過(guò)硫酸相平衡的那一部分三氧化硫，超過(guò)的越多，吸收過(guò)程的推動(dòng)力就越大，吸收速度就越快，吸收率就越高。一般把被吸收的三氧化硫數(shù)量和原來(lái)氣體中三氧化硫的總數(shù)量之百分比稱(chēng)為吸收率。

任何濃度的硫酸，隨著酸溫的升高，液面上的三氧化硫、水蒸汽、硫酸蒸汽的平衡分壓都跟著相應(yīng)增加。對(duì)吸收過(guò)程來(lái)說(shuō)，在入塔氣體條件不變的情況下，意味著隨著酸溫的不斷升高，推動(dòng)力將越來(lái)越小，收率越來(lái)越低。酸溫?zé)o限制地升高會(huì)出現(xiàn)液面上三氧化硫的平衡分壓(Pso3)和入塔氣體中三氧化硫分壓(Pso3)成為相當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，這時(shí)三氧化硫的吸收過(guò)程停止、吸收率等于零。因此，要有較高的吸收率，酸溫不能過(guò)高。

生產(chǎn)條件下，入塔煙氣不易絕對(duì)干燥的，一般都含有一定量的水份(規(guī)定＜0.1克/標(biāo)準(zhǔn)立方米)。在吸收塔內(nèi)，入塔煙氣溫度合適時(shí)，如果入塔酸溫很低，在傳熱傳質(zhì)過(guò)程中，不可避免地會(huì)發(fā)生局部溫度低于露點(diǎn)。那么，氣體中的三氧化硫就會(huì)有相當(dāng)數(shù)量變成酸霧，繼而被出塔煙氣帶走，這直接降低了吸收率。

生產(chǎn)中，三氧化硫在塔內(nèi)被吸收的過(guò)程是絕熱進(jìn)行的，酸溫隨著吸收過(guò)程的進(jìn)行逐步升高。酸溫升高主要是由以下熱量增加引起的:

(1)氣體帶入塔內(nèi)的熱量。氣體帶入塔內(nèi)的熱量直接與氣體溫度、氣體量和氣體成份有關(guān)。當(dāng)溫度高，氣量大和三氧化硫含量高時(shí)，其熱量就多。在一般的操作條件下，隨著兩相傳質(zhì)傳熱的進(jìn)行，約有70%氣體帶入塔內(nèi)的熱量傳給液相硫酸，使酸溫升高。

(2)吸收反應(yīng)熱。吸收三氧化硫過(guò)程中，反應(yīng)熱的情況是比較復(fù)雜的。目前一般認(rèn)為，該反應(yīng)熱包括了三氧化硫生成100%硫酸(液)的反應(yīng)熱、當(dāng)100%硫酸稀釋到出塔酸濃度時(shí)的稀熱，入塔酸濃度提高到出塔酸濃度時(shí)的濃縮熱。其中，濃縮熱是負(fù)值，其它都是正值，它們的代數(shù)和即為吸收過(guò)程的反應(yīng)熱。反應(yīng)熱的多少，最終還是決定于吸收三氧化硫的總量。在一般的操作條件下，引起出塔酸溫上升的因素中，反應(yīng)熱約占60%左右。

因此，出塔酸溫一定會(huì)高于入塔酸溫，如果不對(duì)吸收酸進(jìn)行冷卻，隨著吸收三氧化硫過(guò)程的進(jìn)行，酸溫將越來(lái)越高，必將引起吸收率下降，甚至使吸收完全停止。所以必須使入塔酸通過(guò)濃酸冷卻器降溫。

影響吸收溫度的另一個(gè)因素是入塔氣溫。從氣體吸收的一般情況來(lái)看，入塔氣溫控制得低一些對(duì)吸收率有利，但對(duì)三氧化硫來(lái)講，它是有限度的。入塔氣溫不能太低，原因有三:

①需要增大氣體冷卻設(shè)備和動(dòng)力消耗;

②低于露點(diǎn)溫度時(shí)會(huì)產(chǎn)生酸霧，引起吸收率下降并造成煙害和腐蝕設(shè)備;

③不利于熱能的合理利用。

既然氣體入塔溫度不能太低，那么提高氣體入塔溫度行不行呢?過(guò)高地提高溫度肯定是不行的。實(shí)踐證明，適當(dāng)提高入塔氣體溫度，非但不會(huì)降低吸收率，反而對(duì)吸收有利。

我們對(duì)吸收系統(tǒng)采用的是高溫吸收工藝，所謂高溫吸收不是單純指入口氣體溫度高或吸收酸溫度高，而是入口氣體溫度與吸收酸溫同時(shí)高。高溫吸收工藝具有下列特點(diǎn):

(1)綜合考慮了影響吸收溫度的條件因素，提高了吸收溫度，從而避免了生成酸霧，有利于提高吸收率。

研究酸霧的成因[4]，冷凝量和酸霧的生成量，主要取決于三氧化硫和水蒸汽含量的多少，冷卻速度和其它工藝設(shè)備等各種條件。這樣，避免生成酸霧，要求注意如下幾點(diǎn):

a.盡量降低干燥后的氣體含水量，從而達(dá)到有效地降低氣體的露點(diǎn)溫度;

b.提高吸收塔氣體的入塔溫度，使入塔前的氣體不發(fā)生局部冷凝成酸霧，并使塔內(nèi)的吸收溫度保持在露點(diǎn)以上;

c.提高入塔酸溫。從吸收溫度上看，即使提高了入塔氣體溫度，若吸收酸溫較低，吸收溫度仍可能在露點(diǎn)以下，這樣就會(huì)在塔內(nèi)的局部范圍產(chǎn)生酸霧。所以，在提高入塔氣體溫度的同時(shí)還要提高入塔酸溫，如果能保證出塔酸溫也在露點(diǎn)以上，那是完全可以避免生成酸霧的。

高溫吸收工藝，就是巧妙的利用了98.3%的硫酸在100℃左右時(shí)，液面上的三氧化硫分壓和水蒸汽分壓仍然接近于零，以及酸霧生成條件的可控性，改變了兩相溫度的控制范圍，提高了吸收溫度，避免了酸霧產(chǎn)生，從而能獲得比普通吸收過(guò)程還要高的吸收效率。轉(zhuǎn)化后煙氣以較高溫度進(jìn)入吸收塔，可以省掉三氧化硫冷卻器，從而簡(jiǎn)化了工藝流程并相應(yīng)地降低了能耗。

(2)出塔酸溫度高，約為90～110℃，由此增加了傳熱溫差，故也可適當(dāng)減少濃硫酸冷卻器的換熱面積。提高了入塔氣溫和吸收酸溫，同時(shí)有利于解決兩轉(zhuǎn)兩吸的熱平衡問(wèn)題[5]。

綜合高溫吸收的出塔酸溫控制以及一吸塔、二吸塔的工藝條件，為將塔內(nèi)三氧化硫與水發(fā)生吸收反應(yīng)時(shí)溫度為100℃，一般將一吸塔入塔酸溫控制在70℃左右，二吸塔入塔酸溫控制在75℃左右，此時(shí)兩塔的吸收率最高，總吸收率可達(dá)99.99%。

5 改造方案

為提高入塔酸溫，本次改造在泵出口DN600不銹鋼陽(yáng)極保護(hù)式管道與AT－AP出口管道之間裝一截旁通管。管道大小為DN400，管道材質(zhì)為不銹鋼陽(yáng)極保護(hù)式管道，中間加裝一個(gè)DN400的不銹鋼蝶閥，通過(guò)蝶閥開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)一吸塔和二吸塔入塔酸溫。具體流程圖如圖2。

圖2 改造后吸收酸溫控制簡(jiǎn)圖

6 改造后運(yùn)行情況

通過(guò)吸收塔入塔酸溫管道改造，在新安裝DN400不銹鋼蝶閥開(kāi)度大于50%，原DN150酸溫調(diào)節(jié)自動(dòng)閥開(kāi)度100%的條件下，一吸塔、二吸塔入塔酸溫在各種爐況作業(yè)時(shí)的溫度最高可以達(dá)到表1－3值，此時(shí)AT－AP水側(cè)入口閥門(mén)開(kāi)度大大增加，AT－AP受熱均勻，維鈍電流可以控制在3A以下，比較穩(wěn)定。

表3 改造后不同煙氣狀況下吸收酸溫及AT－AP電流

同時(shí)，在表3所示溫度條件下，一吸塔吸收率可達(dá)99.5%以上，二吸塔吸收率可達(dá)99.9%以上，總吸收率可達(dá)99.99%，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，減少酸沫產(chǎn)生[6]，提高了硫的利用率。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)吸收酸溫控制系統(tǒng)改造后，單鉛或單鋅作業(yè)時(shí)一吸塔、二吸塔入塔酸溫均可以達(dá)到設(shè)計(jì)值，降低了AT－AP維鈍電流，延長(zhǎng)了設(shè)備壽命;減少了酸霧產(chǎn)生，保證了高吸收率;提高了硫利用率，減輕了尾氣脫硫系統(tǒng)負(fù)荷，為公司的清潔生產(chǎn)及尾氣排放達(dá)標(biāo)提供了保證。

[1]段林喬.單套制酸系統(tǒng)對(duì)應(yīng)鉛鋅冶煉生產(chǎn)的成功應(yīng)用[J].銅業(yè)工程，2013(2):18－22.

[2]崔恩虎.低濃度SO2煙氣制酸轉(zhuǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)踐[J].硫酸工業(yè)，2006(6):30－34.

[3]胡永紅，熊昭霞.陽(yáng)極保護(hù)系統(tǒng)在硫酸裝置中的運(yùn)用[J].川化，2008(3):38－39.46.

[4]朱化芬，王云昆.硫酸尾氣酸霧超標(biāo)原因分析及技術(shù)改造[J].硫酸工業(yè).2009(5):31－32.

[5]陳姍.煙氣制酸工藝的熱系統(tǒng)分析及優(yōu)化[D].中南大學(xué)，2011.

[6]鄭孝英，自振華，張潤(rùn)虎.煙氣法制硫酸一吸塔的帶酸沫量的減少[J].化工生產(chǎn)與技術(shù)，2010(4):53－55.