鉛、鋅冶煉煙氣制酸工藝技術(shù)應(yīng)用

皮忠斌，張振國(guó)，王卡卡，柴偉

（云南馳宏鋅鍺股份有限公司 會(huì)澤冶煉分公司，云南會(huì)澤 654211）

某公司現(xiàn)有60 kt/a粗鉛、100 kt/a電鋅兩套冶煉系統(tǒng)。鉛冶煉采用艾薩爐富氧頂吹—還原爐煉鉛工藝，鋅冶煉采用沸騰爐焙燒工藝。艾薩爐、沸騰爐、熔化爐產(chǎn)生的含SO2冶煉煙氣被用于制酸。3套制酸系統(tǒng)規(guī)模分別為70 kt/a、180 kt/a、100 kt/a，其中鉛、鋅冶煉煙氣制酸系統(tǒng)于2013年11月投產(chǎn)運(yùn)行，鋅浸渣側(cè)吹連續(xù)熔化爐冶煉煙氣制酸系統(tǒng)于2019年7月投產(chǎn)運(yùn)行。根據(jù)冶煉煙氣量波動(dòng)大，煙氣成分復(fù)雜的特點(diǎn)，3套煙氣制酸系統(tǒng)均采用較成熟的“3+1”兩轉(zhuǎn)兩吸工藝流程，選用當(dāng)前較先進(jìn)的設(shè)備，集中采用DCS系統(tǒng)操作控制，并分別配套了“堿法脫硫”“氧化鋅脫硫”環(huán)保裝置，確保尾氣達(dá)標(biāo)排放。

1 工藝特點(diǎn)及煙氣條件

根據(jù)冶金爐冶煉周期、原料成分的不同，冶煉過(guò)程產(chǎn)生的煙氣也各具特點(diǎn)。冶煉煙氣制酸系統(tǒng)入口煙氣條件見(jiàn)表1。

表1 冶煉煙氣制酸系統(tǒng)凈化入口煙氣條件

1.1 沸騰焙燒爐工藝特點(diǎn)及煙氣特點(diǎn)分析

鋅精礦魯奇式沸騰焙燒爐工藝特點(diǎn)如下：1）爐床面積大,爐內(nèi)熱容量大且均勻，溫差小，物料與空氣接觸的表面積大、反應(yīng)速度快，傳熱、傳質(zhì)效率高；2）爐頂上部增加了擴(kuò)大段，使得煙氣流速和煙塵率降低，從而延長(zhǎng)了煙氣在爐內(nèi)的停留時(shí)間，使煙氣中的煙塵得到了充分焙燒。經(jīng)充分焙燒，煙塵中的含硫量降低，提高了煙塵質(zhì)量[1]。

沸騰爐煙氣特點(diǎn)：1)正常工況下，鼓風(fēng)量穩(wěn)定，SO2煙氣量均衡，煙氣濃度平穩(wěn)且相對(duì)較高；2)異常狀況下，煙氣量無(wú)法快速降低，煙氣制酸系統(tǒng)需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行接收處理。

1.2 艾薩爐工藝及煙氣特點(diǎn)分析

艾薩爐煉鉛屬于富氧頂吹煉鉛工藝，較傳統(tǒng)粗鉛冶煉工藝，具有以下特點(diǎn)[2]：1）對(duì)原料適應(yīng)性強(qiáng)，不僅可以處理鉛精礦，還可處理二次含鉛物料和鋅浸出渣，進(jìn)行鉛渣的煙化；2）采用氧氣頂吹熔煉，其爐體密閉、漏風(fēng)較少，煙氣量大為減小，提高了煙氣SO2體積分?jǐn)?shù)，為實(shí)現(xiàn)兩轉(zhuǎn)兩吸制酸工藝提供了條件；3）對(duì)入爐料的粒度、水分等要求不嚴(yán)格，備料過(guò)程簡(jiǎn)單，混合料制粒入爐后可顯著減少被出爐煙氣帶走的粉塵量，從而降低煙塵率；4）頂吹煉鉛設(shè)備系熔池熔煉，富氧空氣從爐頂插入的噴槍送入熔池，熔煉強(qiáng)度及熱利用率均較高。

艾薩爐煉鉛的冶煉煙氣從上升煙道排除，經(jīng)余熱鍋爐降溫，電收塵凈化后送制酸[3]，其煙氣特點(diǎn)如下[4]：1）煙氣量周期性變化大，同步煙氣濃度呈周期性高低變化；異常時(shí)應(yīng)快速停爐，停止煙氣輸送。2）煙氣含氮氧化物，在制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化換熱器、風(fēng)機(jī)葉輪等處易形成硝基鹽類結(jié)晶，腐蝕硫酸系統(tǒng)設(shè)備。

1.3 熔化爐工藝及煙氣特點(diǎn)分析

鋅浸出渣熔化爐工藝特點(diǎn)：采用熔化爐作為危廢處置和資源化利用一體化工藝裝備處理鋅浸渣，冶煉溫度由通常的1 200℃提高在1 300～1 400℃范圍內(nèi)。綜合后續(xù)的煙化爐貧化工序，噸渣實(shí)際標(biāo)煤消耗比現(xiàn)有其他火法渣處理工藝的消耗量減少了30%～40%[4]。

熔化爐煙氣特點(diǎn)：1)煙氣周期性變化大，煙氣濃度、煙氣量波動(dòng)均較大；2)煙氣中氮氧化物含量高，致硫酸尾氣呈淡黃色，氮氧化物在制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化熱交換器中形成硝基鹽類結(jié)晶，造成設(shè)備腐蝕；3)天然氣燃燒過(guò)程中產(chǎn)生大量的水分，導(dǎo)致煙氣含水量較大，在煙氣輸送管道、風(fēng)機(jī)等處易形成冷凝酸。

3臺(tái)冶金爐工藝及煙氣特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 3臺(tái)冶金爐工藝及煙氣特點(diǎn)對(duì)比

2 3套煙氣制酸系統(tǒng)控制模式

為有效解決艾薩爐煉鉛煙氣的SO2濃度和煙氣量波動(dòng)大對(duì)鉛系統(tǒng)制酸的制約問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)3套制酸系統(tǒng)進(jìn)行整體優(yōu)化，具體措施如下：1）在硫酸鉛、鋅系統(tǒng)凈化工段入口處設(shè)計(jì)1套串氣系統(tǒng)。通過(guò)串氣系統(tǒng)，一方面，可將沸騰爐焙燒硫化鋅精礦連續(xù)產(chǎn)生的一部分SO2煙氣送到鉛系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)鉛系統(tǒng)的穩(wěn)定生產(chǎn)；另一方面，在鉛制酸系統(tǒng)因設(shè)備故障而無(wú)法接受煙氣時(shí)，可以將艾薩爐的煙氣送至鋅制酸系統(tǒng)，使異常狀況下的冶煉煙氣能有組織地達(dá)標(biāo)排放。采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行DCS系統(tǒng)調(diào)整控制，實(shí)現(xiàn)鉛、鋅冶煉煙氣制酸兩個(gè)系統(tǒng)間相互串氣制酸的生產(chǎn)工藝，確保了整個(gè)制酸系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。2）熔化爐高溫排煙機(jī)至凈化的煙氣管道上增設(shè)1根DN500管道至鉛冶煉煙氣凈化入口，用于動(dòng)態(tài)平衡熔化爐煙氣量負(fù)荷。當(dāng)熔化爐煙氣量、煙氣中煙塵的質(zhì)量濃度增加時(shí)，可送一部分煙氣至鉛硫酸系統(tǒng)。3）鋅冶煉煙氣制酸氣體冷卻塔增加出口，將高濃度煙氣送至熔化爐煙氣制酸電除霧入口的管道。這樣既能降低富氧焙燒后鋅硫酸的負(fù)荷，又可作為熔化爐低濃度煙氣的補(bǔ)充。4）煙化爐、還原爐低濃度SO2煙氣經(jīng)“氨酸法”吸收解析后，通過(guò)輸送管道接至鉛、鋅硫酸凈化氣體冷卻塔入口，可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷情況動(dòng)態(tài)調(diào)整。5）3個(gè)制酸系統(tǒng)尾氣集中至同一根煙囪，煙囪前端設(shè)置有高效電除霧器，有效降低排口顆粒物及酸霧含量，同時(shí)最大程度地改善煙囪的可視效果。6）沸騰爐開(kāi)爐煙氣經(jīng)二級(jí)洗滌，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)、停爐及正常生產(chǎn)時(shí)尾氣的達(dá)標(biāo)排放。7）在串氣系統(tǒng)裝置中裝有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，操作控制信號(hào)引入主控制室的DCS操作控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)DCS系統(tǒng)的操作控制，可以實(shí)現(xiàn)艾薩爐冶煉、沸騰爐及熔化爐3個(gè)煙氣制酸系統(tǒng)的相互串氣生產(chǎn)。8）正常生產(chǎn)時(shí)煙氣的組織模式：（1）鋅制酸裝置處理70%～90%的109 m2鋅精礦沸騰焙燒爐煙氣，另外10%～30%的沸騰焙燒爐煙氣同步至熔化爐制酸裝置生產(chǎn)；（2）鉛制酸裝置處理100%的艾薩爐冶煉煙氣；（3）鋅浸渣熔化爐制酸裝置處理100%的熔化爐煙氣，并配置10%～30%的高濃度沸騰焙燒爐煙氣。

3爐煙氣協(xié)同制酸工藝流程如圖1所示。

圖1 3爐煙氣協(xié)同制酸工藝流程

正常工況下，通過(guò)以上控制模式，能穩(wěn)定平衡好負(fù)荷分配，確保自身轉(zhuǎn)化工藝的自熱平衡，確保安全、環(huán)保的前提下高效運(yùn)行，通過(guò)3個(gè)系統(tǒng)的制酸負(fù)荷合理分配，煙氣壓力系統(tǒng)平衡，完全滿足3臺(tái)冶金爐的所有正常生產(chǎn)的負(fù)荷要求，動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)壓力，確保制酸系統(tǒng)風(fēng)機(jī)入口至冶金爐段為負(fù)壓狀態(tài)。

3 異常狀態(tài)的互補(bǔ)控制模式

冶煉煙氣制酸裝置須具備持續(xù)接受3臺(tái)冶金爐冶煉煙氣，且處理后能達(dá)標(biāo)排放的功能。制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化風(fēng)機(jī)是系統(tǒng)的核心設(shè)備，為煙氣流轉(zhuǎn)提供動(dòng)力。為避免風(fēng)機(jī)異常跳閘時(shí)煙氣無(wú)組織排放導(dǎo)致的環(huán)境污染，3套制酸裝置中任一系統(tǒng)轉(zhuǎn)化風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障跳機(jī)時(shí)，3套系統(tǒng)可采取互補(bǔ)控制模式。1）當(dāng)鋅制酸轉(zhuǎn)化風(fēng)機(jī)異常跳機(jī)時(shí)，處置程序?yàn)椋喊_爐緊急停止加料；鋅沸騰焙燒爐降負(fù)荷；鋅浸渣熔化爐降負(fù)荷；打開(kāi)鋅、鉛制酸系統(tǒng)串氣閥門(mén)，調(diào)整鋅系統(tǒng)凈化氣體冷卻塔至熔化爐制酸系統(tǒng)閥門(mén)。2）當(dāng)鉛制酸轉(zhuǎn)化風(fēng)機(jī)異常跳停時(shí)，處置程序?yàn)椋喊_爐緊急停止加料；鋅沸騰焙燒爐降負(fù)荷；鋅浸渣熔化爐降負(fù)荷；打開(kāi)鋅、鉛制酸系統(tǒng)串氣閥門(mén)，開(kāi)大鋅系統(tǒng)凈化氣體冷卻塔至熔化爐制酸系統(tǒng)閥門(mén)，開(kāi)啟鉛系統(tǒng)凈化入口至熔化爐煙氣制酸系統(tǒng)閥門(mén)。3）當(dāng)熔化爐制酸轉(zhuǎn)化風(fēng)機(jī)異常跳機(jī)時(shí)，處置程序?yàn)椋喊_爐緊急停爐；鋅沸騰焙燒爐降負(fù)荷；鋅浸渣熔化爐緊急停爐；打開(kāi)熔化爐煙氣至鉛制酸系統(tǒng)凈化入口閥門(mén)；同步開(kāi)啟鋅、鉛制酸系統(tǒng)的串氣閥門(mén)以及鋅系統(tǒng)凈化氣體冷卻塔至熔化爐制酸系統(tǒng)閥門(mén)。鉛系統(tǒng)處理一部分熔化爐煙氣并串入鋅高濃度煙氣進(jìn)行配氣，剩下一部分煙氣通過(guò)熔化爐硫酸凈化后反串入鋅系統(tǒng)穩(wěn)定生產(chǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

以上3套制酸系統(tǒng)控制模式，是原鉛、鋅冶煉煙氣制酸工藝及增加鋅浸出渣熔化爐煙氣制酸工藝優(yōu)化升級(jí)的成功案例。鉛鋅冶煉煙氣制酸生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)化，有效解決了艾薩爐和熔化爐煙氣制酸工藝波動(dòng)大、生產(chǎn)不穩(wěn)定的問(wèn)題，維持了硫酸鉛系統(tǒng)、熔化爐干吸工段的循環(huán)酸的濃度和溫度，使尾氣達(dá)標(biāo)排放；同時(shí)，保持了轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的溫度不變，降低生產(chǎn)能耗，節(jié)約生產(chǎn)成本。應(yīng)用效果主要表現(xiàn)為：1）3個(gè)系統(tǒng)的作業(yè)率均得到提高，減少了單個(gè)系統(tǒng)因煙氣不連續(xù)供給而造成的設(shè)備腐蝕及空轉(zhuǎn)能耗；2）減少了對(duì)轉(zhuǎn)化器內(nèi)觸媒中毒、結(jié)疤或粉化的不利影響，延長(zhǎng)了觸媒的使用壽命；3）減少轉(zhuǎn)化工段升降溫頻率和外加熱源的使用時(shí)間，降低了電耗，提高了電爐的使用壽命；4）實(shí)現(xiàn)了3套系統(tǒng)的連續(xù)生產(chǎn)；5）當(dāng)其中1套制酸系統(tǒng)給轉(zhuǎn)化器內(nèi)增補(bǔ)催化劑時(shí)，可通過(guò)協(xié)同操作來(lái)實(shí)現(xiàn)新增催化劑的硫化飽和；6）當(dāng)3個(gè)制酸系統(tǒng)之中任意一個(gè)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生異常故障時(shí)，煙氣能串至另外的系統(tǒng)處理，避免了異常情況下因高濃度煙氣無(wú)法達(dá)標(biāo)排放而造成的環(huán)境污染。