制酸系統(tǒng)適應(yīng)高含雜鎳冶煉煙氣工藝裝備技術(shù)研究及應(yīng)用

程華花，薛 勇，姜子燕，賈 苗，李 忠

（金川集團(tuán)有限公司鎳冶煉廠，甘肅金昌737100）

1 制酸系統(tǒng)現(xiàn)狀

某制酸系統(tǒng)于2008年建成，配套處理鎳冶煉富氧頂吹爐、轉(zhuǎn)爐及其電爐的煙氣，設(shè)計(jì)煙氣量 281 342.14 m3/h，φ(SO2)為 8%～10%，φ(H2O)為10.69%。至2015年改造前，進(jìn)入制酸系統(tǒng)的煙氣量和濃度均未達(dá)到設(shè)計(jì)值。2015年，制酸系統(tǒng)進(jìn)行了煙氣管網(wǎng)改造，將自熱爐煙氣引入制酸系統(tǒng)，自此進(jìn)入制酸系統(tǒng)的煙氣量達(dá)280 000 m3/h、φ(SO2)約9%。2016—2017年，頂吹爐系統(tǒng)進(jìn)行了干燥窯改造，增加了渣料配比，進(jìn)入制酸系統(tǒng)的煙氣溫度、氟、氯、酸霧含量和帶水量激增，ρ(F)最高 36.95 mg/m3，ρ(Cl)最高 202.59 mg/m3，酸霧 (ρ)1.68 mg/m3，制酸系統(tǒng)入口煙氣雜質(zhì)成分見表1。

制酸系統(tǒng)凈化能力（設(shè)計(jì)凈化效率98%）難以適應(yīng)物料變化，凈化工序的玻璃鋼設(shè)備設(shè)施、稀酸泵，干吸工序的316L不銹鋼設(shè)備設(shè)施，SO2鼓風(fēng)機(jī)的葉輪、前導(dǎo)向及進(jìn)出口煙道，相繼出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕的現(xiàn)象，硫酸和火法冶煉系統(tǒng)多次被迫停產(chǎn)檢修。

與此同時(shí)，隨著煙氣帶水量的增加，絕熱蒸發(fā)效率下降，進(jìn)入制酸系統(tǒng)凈化和干吸工序的熱量激增，原來的冷卻換熱設(shè)備無法移走足夠的熱量，導(dǎo)致凈化二級電除霧器出口煙氣溫度和干吸酸溫度嚴(yán)重超標(biāo)。2018年二級電除霧器出口煙氣溫度最高46 ℃，干燥循環(huán)酸溫度最高達(dá)87 ℃、一吸循環(huán)酸溫度最高達(dá)110 ℃。在長期高溫環(huán)境下運(yùn)行，制酸系統(tǒng)干吸工序316L不銹鋼管道頻繁泄漏、陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器運(yùn)行異常，給制酸系統(tǒng)的安全穩(wěn)定生產(chǎn)造成了隱患。制酸系統(tǒng)凈化和干吸工序相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表1 制酸系統(tǒng)入口煙氣雜質(zhì)成分

2 改進(jìn)措施

表2 制酸系統(tǒng)凈化和干吸工序相關(guān)數(shù)據(jù)

對制酸系統(tǒng)生產(chǎn)工藝和裝備進(jìn)行改進(jìn)，針對鎳冶煉煙氣高溫、含塵、氟、氯和酸霧高、水分含量高的特點(diǎn)開展高含雜原料煙氣降溫除害、設(shè)備設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行、提高轉(zhuǎn)化率等方面研究。

2.1 降溫工藝及裝備技術(shù)

2.1.1 洗滌塔改造

因制酸系統(tǒng)SO2鼓風(fēng)機(jī)的壓頭已接近上限運(yùn)行，洗滌塔增加填料需滿足低阻力和高效傳質(zhì)降溫兩項(xiàng)功能，即通過強(qiáng)化塔內(nèi)氣液傳熱接觸效果、盡可能多地移出煙氣中的熱量。增加塑料填料會增大阻力，薄層的瓷質(zhì)規(guī)整填料既能增大氣液接觸面積、強(qiáng)化傳質(zhì)效果，又能減小阻力，同時(shí)具有固氟效果。為了提高噴淋效果，將原有螺旋噴頭全部改造成新型蝸牛噴嘴。螺旋噴頭和蝸牛噴頭霧化面示意見圖1。

圖1 螺旋噴頭和蝸牛噴頭霧化面示意

新型防堵蝸牛噴嘴技術(shù)，優(yōu)化了霧化平均直徑，增大了自由暢通直徑，降低了噴嘴壓力降，使氣液兩相接觸更加充分，提高了除塵效率，降低了洗滌塔循環(huán)泵電耗，降低了因凈化除氟裝置易堵塞造成的管道堵塞頻率，減少了酸水排放量，并解決了噴頭易堵塞難題。

經(jīng)過受力、傳質(zhì)、熱平衡和空間布局計(jì)算，確定洗滌塔塔內(nèi)改造方案如下：拆除洗滌塔內(nèi)2層螺旋噴頭，對上、下2層噴淋管道及噴頭進(jìn)行整體更換、下層上移，增加支撐和格柵，格柵上整齊擺放3層、高約0.45 m、110型號的十字隔板瓷質(zhì)填料。

2.1.2 新建循環(huán)水冷卻塔

根據(jù)制酸系統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)際，核算整體熱量平衡，發(fā)現(xiàn)凈化和干吸工序換熱設(shè)備換熱面積足夠，循環(huán)水量不足，循環(huán)水基礎(chǔ)水溫低。制酸系統(tǒng)熱量衡算 對比見表3。

表3 制酸系統(tǒng)熱量衡算對比

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，新建了3臺共4 500 m3/h的循環(huán)水逆流式玻璃鋼冷卻塔。投用后，循環(huán)水基礎(chǔ)水溫由31 ℃下降至27 ℃。

2.1.3 絕熱蒸發(fā)酸水降溫

2017 年制酸系統(tǒng)率先應(yīng)用了絕熱蒸發(fā)酸水濃縮煙氣降溫技術(shù)，即在二吸塔與尾吸塔之間增加絕熱蒸發(fā)塔，利用干燥煙氣與酸水的逆流傳質(zhì)、絕熱蒸發(fā)、氣液相變過程，將酸水中的水蒸發(fā)成水蒸氣隨制酸尾氣脫硫后進(jìn)入大氣，實(shí)現(xiàn)了酸水濃縮減排，同時(shí)降低了循環(huán)稀酸的溫度。絕熱塔串酸熱量衡算見圖2。

圖2 絕熱塔串酸熱量衡算示意

絕熱蒸發(fā)塔濃縮后的酸水溫度為29.08 ℃，而湍沖塔循環(huán)酸溫度為59～61 ℃，將板框壓濾機(jī)的清液與絕熱塔進(jìn)行稀酸互串，串酸量為200 m3/h時(shí)，湍沖塔循環(huán)酸溫度為57～58 ℃，湍沖塔循環(huán)酸溫度平均降低了2～3 ℃。

2.1.4 降溫效果

以上措施實(shí)施后，制酸系統(tǒng)溫度下降明顯，制酸系統(tǒng)降溫效果見表4。

表4 制酸系統(tǒng)降溫效果 ℃

隨著溫度的下降，制酸系統(tǒng)水、熱平衡問題得到了徹底解決，成功生產(chǎn)出w(H2SO4)為98%的硫酸。且隨著干吸酸溫度的下降，干吸設(shè)備設(shè)施的腐蝕速率明顯降低。

2.2 除塵工藝及裝備技術(shù)

2.2.1 湍沖塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造

原湍沖塔包括塔體、逆噴管、氣液分離段、沉降槽、循環(huán)槽、溢流堰、水封等結(jié)構(gòu)，為了解決沉降層積泥嚴(yán)重、湍沖塔內(nèi)運(yùn)行效果不好的問題，對湍沖塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，拆除沉降層、加高中心筒、原沉降層上錐體開孔連接沉降斜管（管道自流通液量大于或等于上塔酸量）、沉降斜管末端作切向旋流引流管。上塔循環(huán)稀酸經(jīng)上錐體，泥水混合物經(jīng)沉降斜管形成旋流，促進(jìn)泥水充分混合，后續(xù)經(jīng)泥漿泵送入體外進(jìn)行固液分離后的清液回用；經(jīng)重力沉降后的上層清液從中心筒溢流，作為洗滌循環(huán)液，杜絕了噴頭堵塞現(xiàn)象。

2.2.2 壓濾除泥工藝技術(shù)

凈化酸性廢水首先進(jìn)入納米級除泥系統(tǒng)，該部分酸水首先進(jìn)入負(fù)壓真空脫氣塔，脫除酸水中溶解的 SO2氣體，脫氣塔出口氣體管道接入一級電除霧器入口。脫除 SO2氣體后的酸水進(jìn)入酸水儲罐完成第一步固液分離。酸水儲罐清液溢流至壓濾緩沖罐，泥漿定時(shí)排入污泥罐，然后泵入濾壓裝置，通過強(qiáng)制過濾，完成納米級固液分離。濾壓裝置的清液經(jīng)過板式換熱器降溫后，泵入湍沖塔。工藝創(chuàng)新在于酸水儲罐清液進(jìn)入濾壓裝置常規(guī)壓濾之前，對污泥灌進(jìn)行排渣操作，使污泥罐內(nèi)直徑大于2.5 mm的塵泥進(jìn)入濾壓裝置，在過濾單元內(nèi)被截留，短時(shí)間內(nèi)形成一層濾餅，對后續(xù)清液進(jìn)行高效過濾。污泥罐大顆粒塵泥在濾壓裝置內(nèi)形成濾餅時(shí)間相較于清液在濾壓裝置內(nèi)形成常規(guī)濾餅時(shí)間大大縮短，提高濾餅形成速率。雙重過濾后完成凈化酸性廢水兩級過濾。濾壓裝置是一種加壓過濾間歇操作的過濾設(shè)備，酸水儲罐清液進(jìn)入濾壓裝置各過濾單元內(nèi)，經(jīng)過濾布時(shí)小顆粒塵泥被截留在過濾單元中，逐步形成濾餅，隨后利用濾餅壓差及其小直徑空隙進(jìn)行過濾。

2.2.3 除泥效果

上述措施實(shí)施后，酸水固液分離效果達(dá)到98%以上，濾泥回用至鎳富氧頂吹爐，濾液回用，解決了凈化噴頭堵塞的問題。除泥前后凈化循環(huán)稀酸對比見圖3。

圖3 除泥前后凈化循環(huán)稀酸對比

2.3 除氟除氯工藝及裝備技術(shù)

2.3.1 洗滌塔改造

前述2.1章節(jié)中洗滌塔改造，添加的瓷質(zhì)規(guī)整填料能對煙氣中的HF氣體起到一定的固化去除作用。

2.3.2 低溫除氟除氯

洗滌塔改造的措施實(shí)施后，凈化工序熱負(fù)荷明顯降低，湍沖塔、洗滌塔、冷卻塔循環(huán)稀酸溫度分別下降了2.5 ℃、6 ℃、8 ℃。隨著凈化循環(huán)稀酸溫度的降低，其對煙氣中的HF、HCl等氣體的吸收率增強(qiáng)，起到了一定的除害作用。

2.3.3 高溫玻璃水除氟

在玻璃水除氟過程中，因其黏度高，極易堵塞輸送設(shè)備設(shè)施。為方便輸送，會兌水稀釋，加水量過大時(shí)帶入凈化工序的酸水含量高，加大了酸水減排難度；加水量過小時(shí)輸送管道頻繁出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。為了降低操作人員勞動強(qiáng)度，現(xiàn)場配置了1臺玻璃水地下槽，便于添加；采用液下潛水泵輸送，大回流攪拌，配置蒸汽分液加溫裝置，提高玻璃水的流動性，避免底部結(jié)晶；為了保證玻璃水的連續(xù)加入，配置2臺玻璃水儲罐，每班1臺配制玻璃水、1臺儲罐加入玻璃水，儲罐底部蒸汽分酸加熱，避免結(jié)晶。輸送管道全部采用DN50 mm的碳鋼管道，拐彎處全部采用直角連通，并預(yù)留盲板位置，每5 m設(shè)置配對法蘭短接，全程配置蒸汽伴熱，降低輸送玻璃水的黏度，便于故障處理。

2.3.4 電除霧器增濕

兩級電除霧器前端均增加增濕裝置，即利用高效霧化噴頭形成霧化噴淋液，與煙氣中微粒在泡沫區(qū)迅速結(jié)合，使酸霧顆粒不斷增大，便于在電除霧器被除去；同時(shí)HF和HCl氣體分子也會在泡沫區(qū)被捕集并溶解在噴淋液中，隨著酸霧顆粒的增大，在電除霧器將其從煙氣中分離。另外，噴淋液與煙氣在泡沫區(qū)內(nèi)傳質(zhì)和傳熱，低溫的噴淋液會進(jìn)一步冷卻煙氣，溫度降低有利于煙氣中部分水蒸氣在酸霧表面冷凝而使酸霧顆粒增大，同時(shí)會降低電除霧器出口煙氣所帶的飽和水蒸氣，從而使煙氣帶入干燥塔的水量減少，降低煙氣中HF、HCl和硫酸霧的含量。電霧增濕凈化工藝流程見圖4。

渠道襯砌外側(cè)的地下水水位一般不應(yīng)高于渠道運(yùn)行水位5 cm，應(yīng)通過安全監(jiān)測設(shè)施以及設(shè)在渠道兩側(cè)的排水設(shè)施進(jìn)行地下水水位監(jiān)測，當(dāng)?shù)叵滤桓哂谇浪? cm時(shí)，應(yīng)檢查排水系統(tǒng)逆止式排水器的工作狀態(tài)，組織人員分析查找原因。

2.3.5 除害效果

各項(xiàng)措施實(shí)施后，制酸系統(tǒng)二級電除霧器出口煙氣ρ(F)＜ 1 mg/m3、ρ(Cl)＜ 5 mg/m3，風(fēng)機(jī)出口酸霧(ρ)＜5 mg/m3，符合控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 電霧增濕凈化工藝流程

2.4 大型設(shè)備設(shè)施性能優(yōu)化

為了保證制酸系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對SO2鼓風(fēng)機(jī)、干燥塔等大型設(shè)備設(shè)施進(jìn)行了性能優(yōu)化。

2.4.1 SO2鼓風(fēng)機(jī)的性能優(yōu)化

受煙氣條件影響，制酸系統(tǒng)SO2鼓風(fēng)機(jī)的振幅由 36～40 μm/s逐漸上漲至 61.4 μm/s，風(fēng)機(jī)葉輪、葉片尖端均有大面積腐蝕，通過探傷發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片焊縫焊肉發(fā)生明顯咬蝕現(xiàn)象。

根據(jù)風(fēng)機(jī)葉輪的腐蝕程度可以判斷，風(fēng)機(jī)振幅上漲的主要原因是轉(zhuǎn)子受到腐蝕、造成動平衡失衡?？紤]到維修周期和制酸系統(tǒng)的正常生產(chǎn)，將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子拆下，進(jìn)行線下和線上動平衡調(diào)整。線上動平衡測試數(shù)據(jù)見表5。

經(jīng)過三次試重，振動明顯降低，軸振數(shù)據(jù)在40 μm左右，為進(jìn)一步消減軸振，在140°繼續(xù)去質(zhì)200 g，在140°側(cè)加重同時(shí)在其反方向去質(zhì)，經(jīng)過3次調(diào)整風(fēng)機(jī)順利通過1 400 rpm的共振區(qū)達(dá)到高速運(yùn)行，進(jìn)一步在320°附近進(jìn)行去重調(diào)整。

表5 線上動平衡測試數(shù)據(jù)

調(diào)整后，風(fēng)機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)恢復(fù)正常，振幅由61.4 μm/s下降至 15～20 μm/s。

2.4.2 干燥塔大梁的快速修復(fù)

針對干燥塔大梁腐蝕，可能造成篦子板及瓷環(huán)塌陷的問題，對干燥塔大梁進(jìn)行了臨時(shí)加固處理。

先快速拆除、清理干燥塔內(nèi)部構(gòu)件，自上而下清理部分瓷環(huán)填料至篦子板，拆除部分篦子板，打通瓷環(huán)清理通道，將瓷環(huán)由大梁上方快速清理至干燥塔底部，最后統(tǒng)一由底部人孔掏出，節(jié)省瓷環(huán)掏出時(shí)間。

干燥塔大梁吊運(yùn)及準(zhǔn)確定位安裝，采用推磨式更換全部大梁，拆除一根安裝一根，逐步將全部大梁更換，塔內(nèi)使用倒鏈進(jìn)行安裝位置和角度的配合調(diào)整，確保大梁的精準(zhǔn)安裝。

結(jié)合干燥塔大梁的結(jié)構(gòu)，將小號的工字鋼采用內(nèi)嵌式嵌入干燥塔大梁內(nèi)作為大梁的加強(qiáng)件，并制作相應(yīng)尺寸的不銹鋼固定卡扣，對大梁及其加強(qiáng)件進(jìn)行固定，進(jìn)一步對腐蝕的干燥塔大梁進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)償，以保證干燥塔大梁在更換前的正常使用。

干燥塔大梁臨時(shí)修復(fù)后，保證了制酸系統(tǒng)長周期的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.5 提高轉(zhuǎn)化率適應(yīng)高溫?zé)煔?/h3>

為了滿足高負(fù)荷的煙氣條件，制酸系統(tǒng)從以下幾個方面進(jìn)行了技術(shù)改造。

2.5.1 轉(zhuǎn)化催化劑優(yōu)化填充

檢測分層轉(zhuǎn)化率、各層壓力損失，對比制酸系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)參數(shù)，分析轉(zhuǎn)化器各層催化劑的運(yùn)行狀況，并分別比較催化劑活性、適宜轉(zhuǎn)化溫度控制范圍，優(yōu)化轉(zhuǎn)化各層催化劑的填充方案。制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化催化劑優(yōu)化填充方案見表6。

2.5.2 3#外熱交換器修復(fù)

針對3#外熱交換器列管腐蝕、喇叭口開裂導(dǎo)致的外熱交換器內(nèi)積酸嚴(yán)重、串氣、漏煙等現(xiàn)象，對3#外熱交換器的腐蝕列管采用圓臺型堵頭進(jìn)行兩頭盲堵，對喇叭口進(jìn)行整體更換、內(nèi)嵌式焊接。檢修質(zhì)量好、工期短，換熱效率顯著提高，間接提高了轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化率。

表6 制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化催化劑優(yōu)化填充方案

2.5.3 提高轉(zhuǎn)化率效果

上述措施實(shí)施后，轉(zhuǎn)化率由99.5%提高到99.7%。

3 應(yīng)用情況

優(yōu)化措施實(shí)施后，解決了制酸系統(tǒng)熱負(fù)荷高、含塵、氟、氯等雜質(zhì)高帶來的設(shè)備設(shè)施腐蝕問題，避免了有害物質(zhì)后移，使制酸系統(tǒng)更適應(yīng)高含雜、多源頭復(fù)雜冶煉煙氣，確保硫酸和火法冶煉系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

該改造項(xiàng)目2018年11月應(yīng)用于制酸系統(tǒng)，二級電除霧器出口煙氣溫度由最高46 ℃降至37 ℃，干燥循環(huán)槽酸溫度由最高87 ℃下降至73 ℃，一吸循環(huán)槽酸溫度由最高110 ℃下降至100 ℃，凈化出口ρ(F) ＜1 mg/m3，風(fēng)機(jī)出口ρ(Cl)＜5mg/m3，酸霧 (ρ)＜5 mg/m3，風(fēng)機(jī)振幅值由最高 61.4 μm/s降至 15～20 μm/s，凈化玻璃鋼、干吸316L不銹鋼和轉(zhuǎn)化換熱器等設(shè)備設(shè)施完好，生產(chǎn)出的w(H2SO4)98%硫酸可消耗酸水78 500 t/a，制酸系統(tǒng)保持安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

技術(shù)成果應(yīng)用后，制酸系統(tǒng)的降溫除害能力加強(qiáng)、煙氣除雜凈化水平得到進(jìn)一步提升，滿足了高含雜煙氣的達(dá)標(biāo)回收治理，SO2鼓風(fēng)機(jī)、湍沖泵、干燥塔、轉(zhuǎn)化換熱器、外置換熱器等重點(diǎn)設(shè)備設(shè)施故障率明顯降低，現(xiàn)場環(huán)境得到明顯改善，保證了硫酸和火法冶煉系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，制酸系統(tǒng)二級電除霧器出口煙氣溫度、含氟、氯、酸霧、水分等重點(diǎn)指標(biāo)均得到優(yōu)化，系統(tǒng)熱負(fù)荷大大降低，困擾制酸系統(tǒng)的水平衡和熱平衡得到解決，成功生產(chǎn)出w(H2SO4)98%硫酸產(chǎn)品，為混酸創(chuàng)造了條件，將大大減少酸水排放量。該技術(shù)在冶煉煙氣制酸、尤其是高含雜冶煉煙氣制酸和酸水治理領(lǐng)域均具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值，經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益顯著。