陜西鋅業(yè)硫酸生產(chǎn)30年回顧與展望

岳鳳洲，姚 強(qiáng)，張建康，劉 琳，劉 偉

（陜西鋅業(yè)有限公司，陜西商州726007）

陜西鋅業(yè)有限公司（以下簡稱陜西鋅業(yè)）前身為商洛冶煉廠，隸屬于陜西有色金屬控股集團(tuán)有限責(zé)任公司，該廠籌建于1986年，原8 kt/a電鋅配套13.5 kt/a冶煉煙氣制酸裝置由原長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，1989年12月建成試車。陜西鋅業(yè)是陜西省最早實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘽穹掍\及鋅冶煉煙氣制酸的企業(yè)。經(jīng)過30年的生產(chǎn)實(shí)踐和技術(shù)進(jìn)步，2019 年陜西鋅業(yè)生產(chǎn)電鋅 220 kt、硫酸 301 kt，并綜合回收鎘、鈷、銦、銅、金、銀、碳、鐵、硫等10多種有價(jià)金屬和元素，外排尾氣和污水全部達(dá)標(biāo)，初步實(shí)現(xiàn)了持續(xù)健康發(fā)展的目標(biāo)。

1 發(fā)展歷程回顧

陜西鋅業(yè)鋅冶煉煙氣制酸裝置過去30年經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段。

1.1 起步奠基階段

陜西鋅業(yè)第一套鋅精礦焙燒制酸裝置設(shè)計(jì)借鑒了原貴溪冶煉廠和韶關(guān)冶煉廠成熟先進(jìn)的技術(shù)，采用ⅢⅠ-ⅣⅡ、“3+1”二轉(zhuǎn)二吸制酸工藝。鋅精礦經(jīng)12 m2沸騰爐焙燒后，冶煉煙氣經(jīng)余熱鍋爐、兩級旋風(fēng)除塵器和一級電收塵器降溫收塵后送凈化工序，凈化工序采用空塔—填料塔—石墨間冷器（2臺并聯(lián)）—一級塑料電除霧器稀酸洗滌，凈化后的煙氣送干吸轉(zhuǎn)化工序制酸。該裝置運(yùn)行到2004年9月，12 m2沸騰爐煙氣出口耐火磚開始坍塌，直接威脅到安全生產(chǎn)，被迫停車改造。此次技術(shù)改造拆除了12 m2沸騰爐等部分舊設(shè)備，新建1臺14 m2沸騰爐，配套改進(jìn)了空氣鼓風(fēng)機(jī)、旋風(fēng)收塵器、電收塵器、SO2風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)化氣體換熱器、濃硫酸冷卻器和石墨間冷器等設(shè)備。此次改造的技術(shù)進(jìn)步主要表現(xiàn)在以下三方面：

1）廣泛應(yīng)用了一批先進(jìn)成熟的新材料和新設(shè)備。①用1臺42 m2的254SMO板式換熱器代替2臺石墨間冷器（400 m2），系統(tǒng)阻力下降 1.6 kPa；②用國產(chǎn)316L不銹鋼管殼式陽極保護(hù)換熱器代替鑄鐵冷卻排管換熱器，冷卻效率提高后，生產(chǎn)1 t硫酸消耗水量從14 t下降到7 t左右，下降了約50%；③Ⅲ、Ⅳ換熱器原為4臺傳統(tǒng)的光管換熱器，采用2臺空心環(huán)縮放管換熱器予以替代，傳熱效率和生產(chǎn)能力提高，轉(zhuǎn)化工序阻力下降2.8 kPa，硫酸產(chǎn)量由53.29 t/d提高到64.94 t/d，增產(chǎn)21.86%，同時(shí)給濕法煉鋅系統(tǒng)自供鋅焙砂達(dá)到14 892 t/a。

2）改造電收塵器提高收塵效率。原設(shè)計(jì)用ZRS-6.72-3型電收塵器（配套GGAJ型恒壓源），出口煙氣含塵質(zhì)量濃度為430 mg/m3。利用原有空間，技改后采用CRS-8.24-3型電收塵器（配套HL型恒流源），電收塵器出口含塵質(zhì)量濃度降低到230 mg/m3，每年可多回收含鋅煙塵 69.12 t；同時(shí)減少了凈化工序外排稀酸中的塵含量，有效控制了污染源，提高了資源利用率[1]。

3）風(fēng)機(jī)采用變頻節(jié)能技術(shù)。轉(zhuǎn)化工序原有2臺FD50-120/0.35型SO2羅茨風(fēng)機(jī)（1用1備，電機(jī)功率115 kW），改造后作為14 m2沸騰爐用空氣鼓風(fēng)機(jī)使用；轉(zhuǎn)化工序新購2臺L84WD型離心風(fēng)機(jī)（1用1備，電機(jī)功率160 kW）。4臺風(fēng)機(jī)采用了2套“一拖二”國產(chǎn)變頻節(jié)能裝置，風(fēng)量調(diào)節(jié)便捷精準(zhǔn)，生產(chǎn)電耗比技改前下降37%，風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲明顯減小。

陜西鋅業(yè)第一套鋅冶煉制酸裝置從1989年12月建成試車生產(chǎn)，到2009年4月停產(chǎn)（2010年拆除），20年累計(jì)生產(chǎn)工業(yè)硫酸292.6 kt，正常生產(chǎn)時(shí)間累計(jì)5 762 d，年度最低開車率為1990年的34.52%，最高開車率為2008年的98.36%，20年平均開車率僅為81.67%。試產(chǎn)期間存在的主要問題表現(xiàn)在兩方面：①缺乏生產(chǎn)技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，上崗的絕大多數(shù)職工是剛參加工作的青年，僅有少數(shù)人員經(jīng)過短期實(shí)習(xí)培訓(xùn)，大部分人員缺乏生產(chǎn)設(shè)備操作實(shí)踐和維護(hù)管理經(jīng)驗(yàn)；②生產(chǎn)效率低，由于原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力和設(shè)備彈性小，導(dǎo)致日常生產(chǎn)事故率高，開車率低。

1.2 發(fā)展超越階段

陜西鋅業(yè)依據(jù)2007年4月頒發(fā)的《鉛鋅行業(yè)準(zhǔn)入條件》及時(shí)申報(bào)后，獲批建設(shè)100 kt/a電鋅焙燒及176 kt/a煙氣制酸項(xiàng)目，該項(xiàng)目由中國恩菲工程技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)，2008年3月1日開工建設(shè)，2009年5月建成，6月1日首次開車試產(chǎn)成功。該套裝置的建成投運(yùn)標(biāo)志著陜西鋅業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)裝備水平實(shí)現(xiàn)了發(fā)展超越。該裝置連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行10年時(shí)間，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率較高，主要生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)在投產(chǎn)當(dāng)年均達(dá)到了設(shè)計(jì)值[2]。

該套裝置在設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行等方面的先進(jìn)性主要表現(xiàn)在以下8個(gè)方面：

1）筑爐技術(shù)實(shí)現(xiàn)了新突破。新建109 m2沸騰爐在國內(nèi)首次選用了爐頂整澆施工技術(shù)[3]。生產(chǎn)實(shí)踐證明：大型沸騰爐爐頂采用整體澆筑技術(shù)是成功的，不僅施工工期短，成本低，耗材少，而且有利于解決異型磚砌筑爐頂傳統(tǒng)施工中存在的諸多行業(yè)難題。

2）風(fēng)帽使用壽命長。109 m2沸騰爐原設(shè)計(jì)使用10 882個(gè)直吹式風(fēng)帽，實(shí)際施工安裝10 901個(gè)風(fēng)帽，采用SCH2材質(zhì)精密鑄造，一次制造安裝，永久使用。

3）余熱利用效率高。陜西鋅業(yè)109 m2沸騰爐配置了1臺設(shè)計(jì)蒸發(fā)量為28 t/h的飽和蒸汽余熱鍋爐，配套德國德蘭賽蘭公司生產(chǎn)的 B5S-3+B7S-3型飽和蒸汽抽凝式透平發(fā)電機(jī)組。用高效熱管省煤器回收轉(zhuǎn)化工序高溫SO3煙氣的余熱和流態(tài)化冷卻器鋅焙砂的余熱，用于加熱鍋爐給水，余熱鍋爐實(shí)際蒸發(fā)量提高到33～35 t/h。余熱鍋爐所產(chǎn)飽和蒸汽實(shí)現(xiàn)了能源梯級高效利用，實(shí)際發(fā)電2.2×107kWh/a（不含企業(yè)冬季采暖）。在冬季采暖時(shí)發(fā)電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷下降約1/3。該余熱鍋爐的投用取代了濕法煉鋅工藝加熱用的3臺燃煤蒸汽鍋爐，燃煤蒸汽鍋爐僅在109 m2沸騰爐停車檢修時(shí)臨時(shí)啟用。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況測算，每年節(jié)省煙煤約40 kt，減排SO2約1 200 t/a，環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益比較顯著。

4）電收塵器收塵效率高。80 m2電收塵器設(shè)計(jì)有4個(gè)電場，采用穩(wěn)定可靠的恒流源、溢流螺旋密封和95瓷絕緣瓷套等先進(jìn)設(shè)備和材料。電收塵器出口煙氣含塵質(zhì)量濃度可以控制在55 mg/m3以下，與傳統(tǒng)含塵質(zhì)量濃度設(shè)計(jì)值小于或等于200 mg/m3相比，每年可多回收含鋅煙塵92.8 t，減少了凈化工序外排稀酸中的塵含量，進(jìn)一步提高了資源利用率和企業(yè)效益。

5）SO2轉(zhuǎn)化率較高。陜西鋅業(yè)176 kt/a硫酸裝置是我國投運(yùn)的第七套109 m2沸騰爐鋅精礦焙燒煙氣制酸裝置。該裝置在施工設(shè)計(jì)和建設(shè)中，立足企業(yè)實(shí)際，盡可能吸收和利用國內(nèi)同類裝置的先進(jìn)技術(shù)和成熟經(jīng)驗(yàn)。通過技術(shù)改造和優(yōu)化操作參數(shù)，在全部采用國產(chǎn)催化劑的情況下，SO2轉(zhuǎn)化率連續(xù)穩(wěn)定在99.8%以上。10年累計(jì)平均開車率為91.73%，累計(jì)生產(chǎn)工業(yè)濃硫酸產(chǎn)品1 962 kt，硫酸平均年產(chǎn)量高出設(shè)計(jì)值11.70%。

6） 尾氣脫硫?qū)崿F(xiàn)了新突破。陜西鋅業(yè)176 kt/a硫酸裝置原設(shè)計(jì)采用“3+1”二轉(zhuǎn)二吸工藝，進(jìn)轉(zhuǎn)化器φ(SO2)為 7.35%，煙氣流量為 69 122 m3/h，SO2轉(zhuǎn)化率為99.6%，總吸收率為99.95%，尾氣ρ(SO2)為 944 mg/m3，符合 GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求。投運(yùn)3年后，實(shí)際生產(chǎn)受原料硫含量波動的影響，煙氣流量在50 000～78 000 m3/h 波動，尾氣ρ(SO2)在 300～1 300 mg/m3。為適應(yīng)新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)并保證尾氣連續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，在廣泛深入調(diào)研的基礎(chǔ)上，陜西鋅業(yè)于2013年設(shè)計(jì)建設(shè)了1套氧化鋅高效脫硫裝置。這套脫硫裝置采用氧化鋅全氧化工藝，并進(jìn)行了8個(gè)方面的改進(jìn)和優(yōu)化[5]，2014年5月建成投運(yùn)。5年來的生產(chǎn)實(shí)踐表明：在臨時(shí)停車、開停車和正常生產(chǎn)過程中，即使原料硫含量變化較大，整個(gè)系統(tǒng)仍無需頻繁調(diào)整生產(chǎn)負(fù)荷，脫硫裝置能較好地適應(yīng)各種工況，確保尾氣達(dá)標(biāo)排放[目前尾氣ρ(SO2)保持在500 mg/m3以下]；同時(shí)制酸生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高。脫硫劑無需外購，脫硫過程中不產(chǎn)生新的“三廢”，脫硫運(yùn)行成本相對較低，企業(yè)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益均較好。

7）脫氟和協(xié)同脫汞效果好。2010年7月停車檢修時(shí)，陜西鋅業(yè)對凈化工序洗滌塔內(nèi)海爾環(huán)主填料層上部的瓷質(zhì)填料腐蝕情況做了對比分析，發(fā)現(xiàn)每年氟對瓷質(zhì)填料的腐蝕率高達(dá)77.92%。此后，把凈化工序的水玻璃添加量提高到60 kg/d后，進(jìn)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)煙氣中的氟質(zhì)量濃度一般不超過1 mg/m3（10年平均值為1.08 mg/m3），近9年來再未發(fā)現(xiàn)干燥塔內(nèi)的瓷質(zhì)填料和轉(zhuǎn)化器第一段催化劑表層的瓷質(zhì)保護(hù)劑有明顯的腐蝕現(xiàn)象。2012—2014年，陜西鋅業(yè)作為全國僅有的2家試點(diǎn)單位之一，參加了原環(huán)境保護(hù)部對外合作司牽頭組織的鋅冶煉行業(yè)汞排放普查調(diào)研。此次調(diào)研發(fā)現(xiàn)：陜西鋅業(yè)176 kt/a硫酸裝置脫硫前尾氣中的汞質(zhì)量濃度為564 μg/m3，氧化鋅脫硫裝置投運(yùn)正常后，外排尾氣中的汞質(zhì)量濃度降到19 μg/m3，氧化鋅濕法脫硫協(xié)同脫汞效率為96.63%[6]。

8）高效冷卻圓筒和拋料機(jī)設(shè)備使用效果好。陜西鋅業(yè)109 m2沸騰爐設(shè)計(jì)采用1臺規(guī)格為φ1 920 mm×9 600 mm、生產(chǎn)能力為20 t/h的高效冷卻圓筒冷卻鋅焙砂，循環(huán)水進(jìn)入有效換熱面積為109 m2的內(nèi)置腔內(nèi)，與外壁流動的熱焙砂間接換熱，高效冷卻圓筒電機(jī)銘牌傳動功率僅18.5 kW，水耗低，冷卻效率高，密封條件好，沒有水汽外溢現(xiàn)象。109 m2沸騰爐進(jìn)料口設(shè)置帶速18.5 m/s、生產(chǎn)能力為25 t/h的2臺拋料機(jī)同時(shí)進(jìn)料，徹底解決了傳統(tǒng)沸騰爐進(jìn)料管易堵塞、斷料和難密封等問題。

1.3 補(bǔ)短板階段

為了充分發(fā)揮潛能、利用現(xiàn)有設(shè)備設(shè)施和人力資源等有利因素，實(shí)現(xiàn)“十二五”末鋅產(chǎn)品產(chǎn)能突破200 kt/a的發(fā)展目標(biāo)，陜西鋅業(yè)于2014年積極主動補(bǔ)齊內(nèi)部短板，實(shí)施了資源綜合利用技術(shù)改造。該改造項(xiàng)目的一個(gè)重要子項(xiàng)是設(shè)計(jì)建設(shè)了1套硫酸生產(chǎn)能力為85 kt/a的鋅冶煉煙氣制酸裝置。該裝置于2014年4月1日開工建設(shè)，2014年10月1日建成投產(chǎn)，到2019年底已累計(jì)生產(chǎn)工業(yè)硫酸410.06 kt。受原料供應(yīng)情況的影響，最低開車率為2018年的84.24%，最高開車率為2017年的97.54%，年平均開車率為92.2%。

陜西鋅業(yè)85 kt/a的鋅冶煉煙氣制酸裝置建成投產(chǎn)后，不僅解決了176 kt/a鋅冶煉煙氣制酸裝置臨時(shí)停車檢修期間濕法煉鋅系統(tǒng)被迫停產(chǎn)或減產(chǎn)等難題，而且降低了外購鋅焙砂的質(zhì)量和運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)，使得陜西鋅業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)運(yùn)營和管控更加便捷自如，企業(yè)應(yīng)變和抗險(xiǎn)能力進(jìn)一步提高。

從技術(shù)進(jìn)步方面分析，陜西鋅業(yè)2014年設(shè)計(jì)建設(shè)的85 kt/a的鋅冶煉制酸裝置做了下述4個(gè)方面的改進(jìn)：

1）新建52 m2鋅精礦沸騰爐首次使用了永久性直吹風(fēng)帽，減輕了職工勞動強(qiáng)度，提高了焙砂質(zhì)量和設(shè)備效率。

2）取消了凈化工序的第二級旋風(fēng)收塵器和高溫接力風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)配置更加簡潔高效。

3）沸騰爐的主要設(shè)備空氣風(fēng)機(jī)和SO2風(fēng)機(jī)采用了定制化制造服務(wù)的專利節(jié)能技術(shù)。2017年陜西鋅業(yè)與浙江科維節(jié)能技術(shù)股份有限公司合作，根據(jù)陜西鋅業(yè)實(shí)際生產(chǎn)工況條件，量身定做了2臺節(jié)能風(fēng)機(jī)，其中52 m2沸騰爐用空氣離心鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流由 24～30 A 降低到 16～18 A，SO2風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流由 55～60 A 降低到 30～32 A，節(jié)能效率為25%～30%。

4）余熱鍋爐所產(chǎn)飽和蒸汽采用國產(chǎn)螺桿式膨脹發(fā)電機(jī)組。為了進(jìn)一步提高蒸發(fā)量為13.5 t/h余熱鍋爐的飽和蒸汽資源利用水平，2019年6月陜西鋅業(yè)采用EPC合作合同模式，設(shè)計(jì)安裝了1臺裝機(jī)功率為900 kW的螺桿式膨脹發(fā)電機(jī)組，10月投運(yùn)。發(fā)電后壓力低于0.6 MPa的蒸汽抽出并入公司熱力蒸汽管網(wǎng)，供濕法冶煉工藝過程加熱和冬季采暖使用。該機(jī)組投運(yùn)近3個(gè)月以來，實(shí)際發(fā)電1 168 728 kWh。

1.4 3套裝置技術(shù)指標(biāo)對比

陜西鋅業(yè)3套硫酸裝置設(shè)計(jì)和運(yùn)行主要技術(shù)指標(biāo)對比情況見表1。

表1 硫酸裝置設(shè)計(jì)和運(yùn)行主要技術(shù)指標(biāo)對比

2 展望與設(shè)想

2.1 未來面臨的挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)

1）原料瓶頸導(dǎo)致生存危機(jī)。鋅精礦的礦產(chǎn)資源儲量有限且不可再生，煉鋅企業(yè)將面臨“等米下鍋”和“無米斷炊”的生存危機(jī)。受市場多變等不可控因素影響，大、中型傳統(tǒng)煉鋅企業(yè)經(jīng)常被迫“饑不擇食”，用各種含鋅“雜料”組織生產(chǎn)，導(dǎo)致煉鋅企業(yè)產(chǎn)生的不可控因素增多，運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)不斷加大。

2）企業(yè)效益和生存空間不斷收縮。隨著環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和人民生活水平的不斷提高，盡管企業(yè)用工成本逐年提高，但仍面臨“苦、臟、累”崗位的“用工荒”，加之“三廢”治理環(huán)保設(shè)施投運(yùn)后，正常生產(chǎn)運(yùn)行成本不斷提高，政府管理和執(zhí)法不斷從嚴(yán)，傳統(tǒng)煉鋅和硫酸企業(yè)生存發(fā)展“如履薄冰”，如果生產(chǎn)、環(huán)保、安全、經(jīng)營、決策等某一方面出現(xiàn)一次“閃失”，就有可能導(dǎo)致企業(yè)的“滅頂之災(zāi)”。

3）基礎(chǔ)研究和自我創(chuàng)新受限。傳統(tǒng)煉鋅及與之相關(guān)的化工、環(huán)保行業(yè)的基礎(chǔ)應(yīng)用研究和創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程嚴(yán)重滯后，企業(yè)現(xiàn)有工藝設(shè)備和技術(shù)路線面臨著諸多創(chuàng)新困境。

2.2 潛在的機(jī)遇

1）大型化和集成化創(chuàng)新取得新進(jìn)展。目前中國大型化和集成化創(chuàng)新的有利條件日漸成熟，尤其是智能化、自動化、信息化與大型化的高度融合發(fā)展，為大、中型煉鋅企業(yè)和硫酸企業(yè)提供了前所未有的創(chuàng)新發(fā)展機(jī)遇，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)模式、管控和經(jīng)營模式的變革勢不可擋。只有順應(yīng)變化、洞悉并掌握信息化發(fā)展趨勢，大力深化“互聯(lián)網(wǎng)+”和“兩化融合”，才能支撐并引領(lǐng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展從而把握未來、立于不敗之地。目前，白銀有色集團(tuán)西北鉛鋅冶煉廠和中國五礦株冶新廠均相繼設(shè)計(jì)并成功投用了152 m2鋅精礦沸騰焙燒爐及制酸裝置[7]，為同行業(yè)樹立了新的創(chuàng)新標(biāo)桿。

2）中國在國際市場上有望取得“話語權(quán)”。中國硫酸和鋅的生產(chǎn)與消費(fèi)已經(jīng)連續(xù)10多年穩(wěn)居世界第一，隨著我國綜合國力和國際地位的迅速提高，傳統(tǒng)企業(yè)面臨的選擇將日益多樣化。傳統(tǒng)企業(yè)抱團(tuán)取暖、走出國門另謀新路發(fā)展的條件日益成熟。陜西有色集團(tuán)已邁出了成功的第一步，堅(jiān)信企業(yè)今后的發(fā)展道路將會越走越寬。

制酸干吸工序需要移出熱量 1 758 MJ[8]，這是一項(xiàng)非?？捎^的余熱能源。據(jù)測算，200 kt/a的鋅精礦焙燒煙氣制酸裝置僅干吸工序的低溫余熱就可生產(chǎn) 0.5 MPa 蒸汽 10.387 5 t/h，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)煤約1 997 t/a。近10年來，低溫余熱利用技術(shù)的設(shè)計(jì)、材料和設(shè)備制造等已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，在有色冶煉煙氣制酸上得到推廣應(yīng)用，為硫酸生產(chǎn)企業(yè)開辟了增效和創(chuàng)新發(fā)展的新途徑。

3 結(jié)語

過去30年來，陜西鋅業(yè)硫酸生產(chǎn)的規(guī)模由小變大，在不斷摸索和實(shí)踐中不斷利用成熟、可靠的新設(shè)備、新材料和新技術(shù)，對工藝設(shè)備持續(xù)進(jìn)行改造和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保、安全高效和“讓資源更有價(jià)值”的發(fā)展目標(biāo)，為陜西鋅業(yè)長期生存和持續(xù)健康發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。