銅冶煉煙氣非衡態(tài)高濃度SO2轉(zhuǎn)化制酸生產(chǎn)實(shí)踐

王官華

（中銅東南銅業(yè)有限公司，福建寧德 352000）

某銅冶煉企業(yè)400 kt/a陰極銅項(xiàng)目配套的煙氣制酸生產(chǎn)裝置硫酸設(shè)計(jì)產(chǎn)能為1 462 kt/a，采用1套凈化、2套干吸、2套轉(zhuǎn)化的非衡態(tài)高濃度SO2二轉(zhuǎn)二吸制酸工藝。凈化采用一級(jí)動(dòng)力波洗滌塔—?dú)怏w冷卻塔—二級(jí)動(dòng)力波洗滌塔—兩級(jí)電除霧器稀酸洗滌凈化流程；干吸采用一級(jí)干燥+兩級(jí)吸收流程；轉(zhuǎn)化采用“1+4”兩次轉(zhuǎn)化工藝；尾氣脫硫采用雙氧水法脫硫工藝。

1 高濃度SO2轉(zhuǎn)化工藝

國(guó)內(nèi)冶煉制酸高濃度SO2轉(zhuǎn)化工藝主要采用美國(guó)孟莫克公司MECS預(yù)轉(zhuǎn)化技術(shù)、LUREC?高濃度SO2轉(zhuǎn)化技術(shù)及非衡態(tài)高濃度SO2轉(zhuǎn)化技術(shù)，轉(zhuǎn)化氣φ(SO2)均可達(dá)16%～18%。

1.1 MECS預(yù)轉(zhuǎn)化技術(shù)

MECS預(yù)轉(zhuǎn)化技術(shù)的基本原理是用干燥空氣將氣體φ(SO2)由28%稀釋到18%，只需要補(bǔ)充原氣量50%左右的空氣。將該稀釋空氣加到串酸脫吸塔中單獨(dú)進(jìn)行干燥，然后與小部分φ(SO2)28%氣體混合后送入一個(gè)小型預(yù)轉(zhuǎn)化器進(jìn)行預(yù)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后氣體再與φ(SO2)28%的主氣流混合后進(jìn)入主轉(zhuǎn)化器一段反應(yīng)[1]。

1.2 LUREC?高濃度SO2轉(zhuǎn)化技術(shù)

根據(jù)煙氣中的氧硫比，在干燥塔煙氣入口補(bǔ)充空氣將煙氣φ(SO2)稀釋至約17%，與轉(zhuǎn)化三段返回的占煙氣總量30%的混合煙氣（含SO2和SO3）共同進(jìn)入轉(zhuǎn)化器一段。為了避免轉(zhuǎn)化器一段的溫度過(guò)高，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)SO3的循環(huán)量來(lái)抑制轉(zhuǎn)化一段的轉(zhuǎn)化率，使一段催化劑床層的溫度控制在630 ℃以下，因此需要增加熱SO3循環(huán)風(fēng)機(jī)。LUREC?高濃度SO2轉(zhuǎn)化工藝的關(guān)鍵技術(shù)是在轉(zhuǎn)化器三段轉(zhuǎn)化后分流約30%煙氣返回轉(zhuǎn)化器一段進(jìn)行再循環(huán)，允許將進(jìn)入轉(zhuǎn)化器的煙氣φ(SO2)保持在7%～17%[2]。

1.3 非衡態(tài)高濃度SO2轉(zhuǎn)化技術(shù)

非衡態(tài)高濃度SO2兩次轉(zhuǎn)化工藝，設(shè)計(jì)進(jìn)轉(zhuǎn)化器煙氣φ(SO2)最高為18%，其核心是在轉(zhuǎn)化器一段設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)拇呋瘎┭b填量，通過(guò)可靠的控制措施抑制SO2在一段的轉(zhuǎn)化率，確保轉(zhuǎn)化器一段、二段出口溫度控制在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。煙氣經(jīng)熱交換器兩次換熱后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器一段進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，減少轉(zhuǎn)化器一段的催化劑裝填量使得煙氣在達(dá)到SO2平衡轉(zhuǎn)化率前離開一段催化劑床層。在煙氣進(jìn)入轉(zhuǎn)化器二段前設(shè)置余熱鍋爐，以維持進(jìn)入轉(zhuǎn)化器二段的溫度穩(wěn)定，煙氣經(jīng)余熱鍋爐及熱交換器冷卻后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器二段催化劑床層，此時(shí)煙氣φ(SO2)低于12%，后續(xù)工藝相當(dāng)于常規(guī)的“3+1”兩次轉(zhuǎn)化工藝。在此過(guò)程中轉(zhuǎn)化器一段和二段的溫度低于635 ℃。該技術(shù)可處理φ(SO2)達(dá)到18%的煙氣，可降低工程總投資和運(yùn)行成本，同時(shí)提高硫酸余熱鍋爐的蒸汽產(chǎn)量，是一種節(jié)能降耗型轉(zhuǎn)化技術(shù)[3]。

2 某銅冶煉企業(yè)非衡態(tài)高濃度SO2轉(zhuǎn)化制酸生產(chǎn)實(shí)踐

2.1 工藝流程

某銅冶煉企業(yè)非衡態(tài)高濃度SO2轉(zhuǎn)化制酸工藝流程見圖1。

圖1 非衡態(tài)高濃度SO2轉(zhuǎn)化制酸工藝流程

轉(zhuǎn)化制酸工藝為“1+4”流程，分5段轉(zhuǎn)化，配置5個(gè)外置換熱器，其中一段單獨(dú)作為1#轉(zhuǎn)化器，二至五段為2#轉(zhuǎn)化器。從 SO2主風(fēng)機(jī)來(lái)的φ(SO2)為 16%～18%的冷 SO2煙氣首先進(jìn)入 IV換熱器，與轉(zhuǎn)化器四段出口的熱煙氣進(jìn)行換熱后進(jìn)入 II換熱器，與轉(zhuǎn)化器二段出口的熱煙氣再次進(jìn)行換熱，經(jīng)兩次換熱的煙氣溫度達(dá)到催化劑的起燃溫度后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器一段進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率約為40%（平衡轉(zhuǎn)化率約為 65%），轉(zhuǎn)化器一段出口煙氣的溫度低于催化劑的極限使用溫度，其中φ(SO2)約為 10%。轉(zhuǎn)化器一段出口的煙氣經(jīng) 1#余熱鍋爐回收熱量后依次進(jìn)入轉(zhuǎn)化器二段、II 換熱器、轉(zhuǎn)化器三段、III 換熱器、轉(zhuǎn)化器四段和IV換熱器進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)和換熱，然后進(jìn)入 2#余熱鍋爐回收熱量后進(jìn)入一吸塔吸收 SO3。 經(jīng)一次吸收后的冷煙氣依次進(jìn)入 V和III 換熱器換熱，將煙氣溫度加熱到催化劑的起燃溫度后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器五段進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，五段出口熱煙氣通過(guò) V換熱器與一次吸收后的冷煙氣換熱降溫后，進(jìn)入二吸塔吸收 SO3，實(shí)現(xiàn)兩轉(zhuǎn)兩吸。

2.2 非衡態(tài)高濃度SO2轉(zhuǎn)化制酸工藝特點(diǎn)

該制酸工藝能夠適應(yīng)煙氣量相對(duì)較小、高濃度SO2的冶煉煙氣，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）轉(zhuǎn)化操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)適應(yīng)性較強(qiáng)，即使冶煉爐降低負(fù)荷，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)仍不需進(jìn)行大幅度和頻繁操作調(diào)整。當(dāng)熔煉爐降料至70%負(fù)荷作業(yè)或只有單吹煉爐作業(yè)時(shí)，可僅運(yùn)行1套干吸和1套轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)化系統(tǒng)不受煙氣處理量波動(dòng)幅度的影響，同時(shí)能夠維持轉(zhuǎn)化熱平衡濃度不變，提高操作適應(yīng)性，降低運(yùn)行成本。如果其中1套干吸或轉(zhuǎn)化設(shè)備故障時(shí)，冶煉系統(tǒng)不需停產(chǎn)，另一套干吸、轉(zhuǎn)化可進(jìn)行正常生產(chǎn)。

2）進(jìn)入制酸系統(tǒng)的煙氣SO2濃度高，如采用常規(guī)SO2轉(zhuǎn)化工藝，則需在干吸前配置大量稀釋風(fēng)量以降低進(jìn)入轉(zhuǎn)化器煙氣φ(SO2)至約13%，設(shè)備體積和占地面積較大，裝置投資和生產(chǎn)運(yùn)行成本較高。非衡態(tài)高濃度SO2轉(zhuǎn)化工藝，一套轉(zhuǎn)化系統(tǒng)只需一臺(tái)SO2主風(fēng)機(jī)，設(shè)備換熱面積相對(duì)減少，而且不需增加熱SO3循環(huán)風(fēng)機(jī)，減少了設(shè)備投資。另外，因避免了常規(guī)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)用空氣稀釋煙氣時(shí)大量N2造成熱量損失，提高了余熱鍋爐的蒸汽產(chǎn)量。

3）冶煉負(fù)荷低時(shí)可進(jìn)行2套轉(zhuǎn)化系統(tǒng)切換操作，一套轉(zhuǎn)化系統(tǒng)切斷進(jìn)氣，另一套轉(zhuǎn)化系統(tǒng)保持煙氣運(yùn)行。輪流切換接入煙氣，確保轉(zhuǎn)化系統(tǒng)SO2的熱平衡濃度，穩(wěn)定轉(zhuǎn)化溫度。在熔煉爐、吹煉爐均停料的情況下，轉(zhuǎn)化溫度可保持在每小時(shí)下降6～12 ℃內(nèi)，如在6 h內(nèi)復(fù)產(chǎn)，不需運(yùn)行開工爐升溫直接進(jìn)行煙氣接入操作即可。

4）常規(guī)轉(zhuǎn)化工藝催化劑裝填系數(shù)約為260 L/(t·d)，該制酸工藝的催化劑裝填系數(shù)為220 L/(t·d)，相較于常規(guī)轉(zhuǎn)化裝填系數(shù)較低，節(jié)省了催化劑裝填量。

2.3 進(jìn)入凈化工序的煙氣條件

進(jìn)入制酸系統(tǒng)凈化工序的煙氣條件見表1。

表1 進(jìn)入制酸系統(tǒng)凈化工序的SO2煙氣條件 m3/h

由表1可以看出：熔煉煙氣中φ(SO2)略高于吹煉煙氣2.83個(gè)百分點(diǎn)，其他煙氣含量?jī)烧呓咏?；熔煉總風(fēng)量為105 177 m3/h，吹煉總風(fēng)量為42 335 m3/h，熔煉風(fēng)量較吹煉風(fēng)量高約61 842 m3/h；熔煉+吹煉混合后煙氣φ(SO2)達(dá)29.03%，進(jìn)入制酸系統(tǒng)凈化工序總風(fēng)量可達(dá)147 512 m3/h。

2.4 制酸系統(tǒng)主要設(shè)備情況

制酸系統(tǒng)干吸、轉(zhuǎn)化工序主要設(shè)備及規(guī)格參數(shù)見表2。

2.5 非衡態(tài)高濃度SO2轉(zhuǎn)化制酸系統(tǒng)運(yùn)行效果

該冶煉企業(yè)的制酸生產(chǎn)裝置自2018年投產(chǎn)以來(lái)，各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)除中、低溫余熱鍋爐產(chǎn)汽量不足外都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，總轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.92%以上，二吸塔出口排放尾氣ρ(SO2)＜250 mg/m3。該制酸系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)見表3～5。

表2 干吸、轉(zhuǎn)化工序（單套系統(tǒng)）主要設(shè)備及規(guī)格參數(shù)

表3 非衡態(tài)高濃度SO2轉(zhuǎn)化制酸干吸工序運(yùn)行參數(shù)

表4 非衡態(tài)高濃度SO2轉(zhuǎn)化制酸轉(zhuǎn)化工序運(yùn)行參數(shù)

表5 非衡態(tài)高濃度SO2轉(zhuǎn)化制酸余熱鍋爐運(yùn)行參數(shù)

經(jīng)分析，中溫余熱鍋爐產(chǎn)汽量不足主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)化器一段出口煙氣溫度未達(dá)設(shè)計(jì)值，造成中溫余熱鍋爐入口煙氣溫度低；低溫余熱鍋爐產(chǎn)汽量不足的原因?yàn)殄仩t設(shè)計(jì)換熱面積偏小。

3 非衡態(tài)高濃度SO2轉(zhuǎn)化工藝生產(chǎn)注意事項(xiàng)

3.1 控制轉(zhuǎn)化器一段催化劑床層溫度

轉(zhuǎn)化器一段床層催化劑表層溫度嚴(yán)禁超過(guò)415℃。如果催化劑表層溫度控制過(guò)高，SO2轉(zhuǎn)化率將會(huì)大幅度提高，則催化劑有達(dá)到635 ℃超溫的風(fēng)險(xiǎn)。在轉(zhuǎn)化器一段床層進(jìn)氣口設(shè)立應(yīng)急閥，一段床層催化劑溫度過(guò)高時(shí)將應(yīng)急閥打開，抑制SO2在一段床層的轉(zhuǎn)化，以此控制催化劑超溫風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 關(guān)注SO2主風(fēng)機(jī)出口煙氣SO2濃度變化

轉(zhuǎn)化系統(tǒng)接入煙氣后，需注意SO2主風(fēng)機(jī)出口煙氣SO2濃度變化、轉(zhuǎn)化器一段入口溫度、催化劑表層溫度及溫度上漲情況，防止因SO2氣濃高未及時(shí)開大或調(diào)整稀釋風(fēng)閥開度造成一段催化劑床層溫度急劇上漲。

3.3 轉(zhuǎn)化器一段存在氣流偏流現(xiàn)象

轉(zhuǎn)化器一段從頂部中心進(jìn)氣，側(cè)面出氣，轉(zhuǎn)化器一段催化劑床層氣流分布不均勻，存在催化劑床層各溫度點(diǎn)溫差較大的情況。在遠(yuǎn)離出氣點(diǎn)位置，風(fēng)量大，SO2濃度高，負(fù)荷高，所以一段催化劑床層溫度差最大，這將影響提高SO2主風(fēng)機(jī)出口煙氣的濃度和轉(zhuǎn)化器一段催化劑床層的溫度控制。為進(jìn)一步提高進(jìn)轉(zhuǎn)化器煙氣的SO2濃度，下一步將進(jìn)行工藝優(yōu)化解決氣流偏流的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)不斷的摸索和實(shí)踐，非衡態(tài)高濃度SO2轉(zhuǎn)化工藝制酸技術(shù)日趨完善和成熟，該技術(shù)能夠滿足冶煉企業(yè)轉(zhuǎn)化器進(jìn)口煙氣φ(SO2)最高為18%的生產(chǎn)要求，且具有投資少、SO2轉(zhuǎn)化率高、操作簡(jiǎn)便、系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)內(nèi)冶煉煙氣制酸技術(shù)新的發(fā)展方向。在實(shí)際生產(chǎn)中仍存在轉(zhuǎn)化器一段床層氣流分布不均勻會(huì)影響催化劑床層溫度等問(wèn)題，后續(xù)還需進(jìn)一步技術(shù)優(yōu)化，以取得更好的應(yīng)用效果。