某銅冶煉廠硫酸系統(tǒng)提產(chǎn)方案分析

朱智穎，金生龍，楊曉武

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410019）

某銅冶煉廠自2018年9月正式投產(chǎn)后，由于該銅廠精礦來(lái)料品質(zhì)有波動(dòng)，礦的平均硫銅比高于設(shè)計(jì)值，造成冶煉系統(tǒng)長(zhǎng)期投料負(fù)荷和作業(yè)率低于設(shè)計(jì)值，要完成400 kt/a金屬銅的生產(chǎn)要求，需要制酸系統(tǒng)配合冶煉系統(tǒng)提升生產(chǎn)能力。

1 硫酸系統(tǒng)提產(chǎn)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題

原硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)提產(chǎn)，面臨的主要問(wèn)題如下：

1）高負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)轉(zhuǎn)化工序1.6 MPa余熱鍋爐出口溫度超過(guò)設(shè)計(jì)值20 ℃。1.6 MPa鍋爐在2019年發(fā)現(xiàn)上蒸發(fā)器出現(xiàn)“拉升抬高”現(xiàn)象，上下蒸發(fā)器之間煙道膨脹節(jié)有焊縫拉裂并漏煙，2020年大修時(shí)發(fā)現(xiàn)上層蒸發(fā)器有數(shù)根熱管已經(jīng)爆管、工作介質(zhì)泄漏。

2）轉(zhuǎn)化工序0.8 MPa鍋爐換熱能力無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，出口溫度始終高出設(shè)計(jì)值30 ℃，使一吸塔入口煙氣溫度長(zhǎng)期超過(guò)設(shè)計(jì)值。在2020年大修時(shí)發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器內(nèi)部熱管有嚴(yán)重“積灰搭橋”現(xiàn)象。

3）轉(zhuǎn)化系統(tǒng)阻力過(guò)大，風(fēng)量無(wú)法進(jìn)一步提升至最大設(shè)計(jì)值。

2 技術(shù)改進(jìn)方案

針對(duì)上述3個(gè)主要問(wèn)題，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察了解，筆者主要從鍋爐能力、系統(tǒng)阻力等方面入手分析，提出解決方案。

2.1 余熱鍋爐“拉升抬高”問(wèn)題處理方案

對(duì)于余熱鍋爐，一般存在熱脹應(yīng)力和內(nèi)壓推力兩種力。

熱脹應(yīng)力是由于溫升引起的構(gòu)件變形受到約束時(shí)所產(chǎn)生的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。只有當(dāng)構(gòu)件原本的幾何形狀被限制時(shí)，在內(nèi)部才產(chǎn)生熱脹應(yīng)力，熱脹應(yīng)力不直接與外力相平衡，而是一種自平衡力，具有自限特征。通過(guò)構(gòu)件上的約束點(diǎn)在受熱時(shí)允許自由伸縮，如局部屈服和產(chǎn)生塑性變形，能夠降低和消除工作狀態(tài)下的熱脹應(yīng)力，使構(gòu)件不受影響[1]。為此，在鍋爐煙道和汽水系統(tǒng)中設(shè)置膨脹節(jié)可很好地消除熱脹應(yīng)力。熱脹應(yīng)力在鍋爐出廠設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)做了針對(duì)性地補(bǔ)償和消除，不是此次鍋爐抬升的主要原因。因此，引起鍋爐抬升的主要因素應(yīng)是煙氣側(cè)的內(nèi)壓推力，筆者主要對(duì)鍋爐受到的內(nèi)壓推力進(jìn)行分析和處理：

1）受力分析。封閉管道受到氣流內(nèi)壓作用時(shí)始終存在壓力推力（彎頭、三通、盲板等處均有）。焊接管道中表現(xiàn)為管道應(yīng)力，當(dāng)管道中裝有波紋管膨脹節(jié)，且膨脹節(jié)自身未加附件平衡內(nèi)壓推力時(shí)，該力將作用于膨脹節(jié)兩端管道的固定點(diǎn)上。因此，對(duì)于自身無(wú)法承受波紋管內(nèi)壓推力的膨脹節(jié)，必須在其兩端管道上設(shè)置固定點(diǎn)，以承受壓力推力的作用。

根據(jù)GB/T 12777—2019《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》，波紋管壓力推力的公式為：

式中：Fp——波紋管壓力推力，N；

p——流體介質(zhì)內(nèi)壓強(qiáng)，MPa；

Ay——圓形波紋管有效面積，mm2。

圓形波紋管有效面積Ay通過(guò)以下公式計(jì)算：

式中：Dm——波紋管平均直徑，mm。

2）內(nèi)壓推力校核與處理方案。通過(guò)公式（1）對(duì)2臺(tái)不同余熱鍋爐的膨脹節(jié)處內(nèi)壓進(jìn)行核算。1.6 MPa 鍋 爐 膨 脹 節(jié) 為 3 104 mm×3 380 mm，最大內(nèi)壓為43 kPa，此處煙道內(nèi)力，即盲板力F=3.104×3.380×43=451.5(kN)。1.6 MPa 鍋 爐 膨 脹節(jié)以上受到的重力為28.04×9.8=274.8(kN)，最大推力為451.5-274.8=176.7(kN)。因此，需要176.7 kN的下壓力才能完全控制上蒸發(fā)器的上抬趨勢(shì)，對(duì)上蒸發(fā)器增加多個(gè)固定卡扣是解決其抬升的直接手段。2020年大修期間，通過(guò)對(duì)上蒸發(fā)器增加焊接20個(gè)左右固定卡于鋼架橫梁，煙道內(nèi)力被有效傳導(dǎo)至整個(gè)鍋爐框架。由于鍋爐受到的總重力約61.1×9.8=598.8(kN)，框架受到的重力約37.2×9.8=364.6(kN)，兩者重力之和963.4 kN遠(yuǎn)大于盲板力451.5 kN。所以，1.6 MPa鍋爐強(qiáng)制固定上蒸發(fā)器后，其煙道內(nèi)力不至于引起框架的整體抬升。該工作完成后有明顯的止推效果。

0.8 MPa 鍋爐膨脹節(jié)為 2 868 mm×3 362 mm，最大內(nèi)壓為30 kPa，煙道內(nèi)力F=2.868×3.362×30=289.3(kN)。0.8 MPa鍋爐上部膨脹節(jié)（有2個(gè)膨脹節(jié)）以上受到的重力為24.3×9.8=238.1(kN)，最大推力為289.3-238.1=51.2 (kN)，因此，需對(duì)0.8 MPa鍋爐上部蒸發(fā)器焊接一定數(shù)量卡扣進(jìn)行適當(dāng)固定，以克服51.2 kN最大上推力。下部膨脹節(jié)以上的重力47.53×9.8=465.8(kN)大于煙道內(nèi)力289.3 kN，所以，煙道內(nèi)力不會(huì)推動(dòng)中部蒸發(fā)器抬升，同時(shí)也不會(huì)向上推動(dòng)整個(gè)0.8 MPa鍋爐框架抬升。

2.2 轉(zhuǎn)化工序鍋爐實(shí)際產(chǎn)汽量低于設(shè)計(jì)值的處理方案

2.2.1 1.6 MPa鍋爐

由于該鍋爐存在干燒情況，又因煙道內(nèi)力的作用造成第一級(jí)蒸發(fā)器底部上抬，改變了軸向熱管的傾斜角度，致使高溫區(qū)熱管傳熱惡化爆管，大修時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)，一、二系列2臺(tái)1.6 MPa熱管鍋爐第一級(jí)蒸發(fā)器均爆管10多根，其余熱管也存在管內(nèi)超壓，造成封頭處泄漏與熱管失效的問(wèn)題。根據(jù)校核計(jì)算分析，上層蒸發(fā)器已有大部分熱管無(wú)法換熱，熱管內(nèi)介質(zhì)泄漏是造成鍋爐能力降低的主要原因。

因原訂貨條件中所提1.6 MPa鍋爐的入口煙氣溫度為628 ℃，相對(duì)正常設(shè)計(jì)煙氣溫度601 ℃富余能力在15%以上。同時(shí)，為保證轉(zhuǎn)化器一層催化劑的安全，提產(chǎn)的轉(zhuǎn)化器一層出口溫度也不宜過(guò)高。經(jīng)過(guò)計(jì)算，硫酸產(chǎn)能提高8%以上時(shí)，1.6 MPa鍋爐產(chǎn)汽能力不超過(guò)17 t/d，理論上無(wú)需增加該鍋爐的蒸汽產(chǎn)能。直接更換1.6 MPa鍋爐因干燒和位移拉裂的蒸發(fā)器即可滿(mǎn)足提產(chǎn)后的蒸汽產(chǎn)能要求。將原蒸發(fā)器更換成熱管數(shù)量更多的蒸發(fā)器以減少因鍋爐缺水、干燒等非正常操作帶來(lái)的熱管爆管的影響。蒸發(fā)器設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，數(shù)據(jù)計(jì)算見(jiàn)表2，采用20G鋼/304不銹鋼材質(zhì)。

表1 蒸發(fā)器設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 蒸發(fā)器計(jì)算數(shù)據(jù)

該改造方案一次完成后對(duì)鍋爐與轉(zhuǎn)化工序不會(huì)造成影響。但需結(jié)合全廠（至少是該系列）的停修計(jì)劃統(tǒng)一考慮改造時(shí)間，取出和更換新蒸發(fā)器，系統(tǒng)（至少該系列）必須停車(chē)操作?？紤]連同系統(tǒng)降溫、氣體置換、系統(tǒng)升溫等步驟，預(yù)計(jì)全過(guò)程不少于7 d。

2.2.2 0.8 MPa鍋爐

0.8 MPa鍋爐出現(xiàn)大量淡黃色積灰，經(jīng)化驗(yàn)分析主要成分為硫酸鐵，因此可知，硫酸霧的影響是造成上述問(wèn)題的主要原因[2]。經(jīng)計(jì)算，轉(zhuǎn)化器一段出口酸露點(diǎn)為120 ℃，轉(zhuǎn)化器四段出口酸露點(diǎn)為123 ℃，操作中只要煙氣溫度接近或低于該溫度，冷凝酸就會(huì)形成。如果該鍋爐與Ⅳ換熱器并聯(lián)運(yùn)行，將入口溫度提升至460 ℃，可顯著減少0.8 MPa鍋爐的積灰結(jié)垢現(xiàn)象，但是，如果冶煉低負(fù)荷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化溫度維持不住，仍然無(wú)法避免前端碳鋼設(shè)備被冷凝酸腐蝕產(chǎn)生硫酸鐵的現(xiàn)象。

該廠硫酸裝置擬提產(chǎn)8%以上，SO2轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的熱量主要從0.8 MPa鍋爐移出，因此，即使將原0.8 MPa鍋爐的3組蒸發(fā)器全部換新，產(chǎn)汽能力依然不能滿(mǎn)足硫酸提產(chǎn)的需要，且更換蒸發(fā)器的工作量大、停產(chǎn)時(shí)間更長(zhǎng)，蒸發(fā)器全部換新與新買(mǎi)1臺(tái)鍋爐的成本基本相當(dāng)。因此，直接更換0.8 MPa鍋爐3組蒸發(fā)器不是根本的解決方案。

結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行條件和實(shí)際產(chǎn)汽能力，采用在原0.8 MPa鍋爐前串聯(lián)1臺(tái)新0.8 MPa鍋爐，即將2臺(tái)0.8 MPa鍋爐串聯(lián)后與Ⅳ換熱器并聯(lián)的運(yùn)行方案，是既不影響生產(chǎn)現(xiàn)狀，又使停產(chǎn)時(shí)間最短的優(yōu)化方案?？紤]到原0.8 MPa鍋爐的換熱面部分積灰，換熱效率下降，原鍋爐能力保守估計(jì)為一半設(shè)計(jì)產(chǎn)能，產(chǎn)汽量約 5.4 t/h。

從現(xiàn)場(chǎng)條件和均衡分配煙氣等方面考慮，經(jīng)過(guò)新、舊 0.8 MPa 鍋爐的煙氣量均為 70 000 m3/h，剩余熱煙氣流入原Ⅳ換熱器，降溫至192 ℃進(jìn)一吸塔吸收SO3。

轉(zhuǎn)化工序鍋爐改造后流程見(jiàn)圖1。

圖1 轉(zhuǎn)化工序鍋爐改造后流程

新增0.8 MPa鍋爐包含2臺(tái)20G鋼/Q345鋼材質(zhì)的蒸發(fā)器、1臺(tái)Q345鋼材質(zhì)的汽包、1套Q345鋼材質(zhì)的進(jìn)出口及連接煙道、1套20鋼材質(zhì)的連接管路和1套Q345鋼材質(zhì)的鋼架平臺(tái)。新增和原0.8 MPa鍋爐及Ⅳ換熱器的工藝參數(shù)見(jiàn)表3，改造后的鍋爐計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表3 新增和原0.8 MPa鍋爐及Ⅳ換熱器工藝參數(shù)

表4 改造后0.8 MPa鍋爐計(jì)算數(shù)據(jù)

2.3 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)阻力大的處理方案

轉(zhuǎn)化系統(tǒng)阻力大與原設(shè)備設(shè)計(jì)富余量少直接相關(guān)。在現(xiàn)有條件下，擬通過(guò)最少的改動(dòng)實(shí)現(xiàn)大幅度降低轉(zhuǎn)化系統(tǒng)阻力，達(dá)到硫酸系統(tǒng)提產(chǎn)的目的。筆者主要從余熱鍋爐改造、設(shè)備接口改造和煙氣氟含量降低對(duì)系統(tǒng)阻力的影響等方面分別進(jìn)行論述。

2.3.1 余熱鍋爐改造對(duì)系統(tǒng)阻力的影響

1）1.6 MPa余熱鍋爐。對(duì)于 1.6 MPa鍋爐，不管是更換上集箱還是用地面集箱代替上集箱，煙氣阻力減少不多（更換上集箱總阻力減少1 000 Pa，以地面集箱代替上集箱總阻力減少1 200 Pa）。但是如果轉(zhuǎn)化器一段出口高溫?zé)煔獠唤?jīng)過(guò)Ⅰ換熱器管程直徑短路進(jìn)1.6 MPa鍋爐，可減少Ⅰ換熱器的管程阻力，殼程升溫?zé)煔庵苯幼吲月窡煹?，相?dāng)于減少了1臺(tái)換熱器的阻力。經(jīng)過(guò)計(jì)算殼程阻力為2 650 Pa，管程阻力為1 650 Pa，共可減少阻力4.3 kPa。

2）0.8 MPa余熱鍋爐。流程與配管調(diào)整后，2個(gè)串聯(lián)的0.8 MPa鍋爐與Ⅳ換熱器并聯(lián)運(yùn)行，經(jīng)過(guò)Ⅳ換熱器的煙氣量由 123 544.5 m3/h 下降至 65 000 m3/h，阻力會(huì)降至 3.15×(65 000/123 544.5)2=0.882(kPa)［Ⅳ換熱器管程原計(jì)算阻力為3.15 kPa］，該處阻力按1 kPa計(jì)，而與之并聯(lián)的鍋爐阻力也為1 kPa。如此，并聯(lián)系統(tǒng)總阻力按1 kPa計(jì)，總阻力減少了3.15+1-1=3.15 (kPa)［原Ⅳ換熱器與0.8 MPa鍋爐串聯(lián)，總阻力為(3.15+1) kPa］。

余熱鍋爐改造后，系統(tǒng)放熱被有效移出，可直接使轉(zhuǎn)化器二段、三段、五段的進(jìn)出口溫度比原高位運(yùn)行時(shí)降低20~30 ℃，以二段為例，原高位平均溫度為(457+605)/2=531 (℃)，余熱鍋爐改造后，平均溫度為(425+585)/2=505 (℃)，工況氣量系統(tǒng)阻力可降低至原來(lái)的[(273.15+505)/(273.15+531)]2=0.936 (kPa)，原轉(zhuǎn)化器一、二、三、四段入口高位氣壓為50，41.75，36.46，31.44 kPa，系統(tǒng)降溫預(yù)計(jì)可減阻(50-31.44)×(1-0.936)=1.2 (kPa)。

2.3.2 熱交換器接口改為喇叭口對(duì)系統(tǒng)阻力的影響

硫酸裝置轉(zhuǎn)化工序+一吸塔總阻力降：一系列為 41.85 kPa，二系列為 46.16 kPa，均高于設(shè)計(jì)阻力32.4 kPa，改變換熱器殼程與管道接口，有助于系統(tǒng)阻力的減少。

采用Fluent軟件對(duì)設(shè)備管道接口由原管道直插換熱器改為喇叭口后的模擬結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 殼程接口改喇叭口后阻力對(duì)比 單位：Pa

殼程阻力分布流場(chǎng)模擬見(jiàn)圖2。

圖2 殼程阻力分布流場(chǎng)模擬

將5臺(tái)換熱器殼程設(shè)備接口均改為喇叭口，可使總壓降減少近6 kPa?？梢?jiàn)，做少量的改造其減阻效果明顯。

2.3.3 煙氣中氟含量對(duì)系統(tǒng)阻力的影響

煙氣氟含量偏高會(huì)造成催化劑粉化[3]。2020年上半年生產(chǎn)裝置提供的一系列、二系列風(fēng)機(jī)出口有害物含量檢測(cè)結(jié)果分別見(jiàn)表6和表7。

從表6和表7可見(jiàn)：一系列轉(zhuǎn)化系統(tǒng)1月平均氟含量超標(biāo)，ρ(F)達(dá)到了1.60 mg/m3，二系列轉(zhuǎn)化系統(tǒng)1月、2月、4月氟含量超標(biāo)，ρ(F)分別達(dá)到了 1.20，1.85，1.23 mg/m3。氟含量超標(biāo)對(duì)催化劑粉化的影響比較明顯，雖然在2#鍋爐檢測(cè)熱管結(jié)垢的主要成分是Fe2(SO4)3，但是，根據(jù)2020年12月4日對(duì)催化劑層的實(shí)測(cè)阻力數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，一、二段轉(zhuǎn)化阻力都偏高，一系列轉(zhuǎn)化器進(jìn)出口阻力參數(shù)見(jiàn)表8。

表6 一系列風(fēng)機(jī)出口有害物含量檢測(cè)結(jié)果

表7 二系列風(fēng)機(jī)出口有害物含量檢測(cè)指標(biāo)

表8 一系列轉(zhuǎn)化器進(jìn)、出口參數(shù)

轉(zhuǎn)化器一段阻力高主要因?yàn)榇笮奁陂g增加了瓷球量以及催化劑粉化兩方面的因素，轉(zhuǎn)化器二段阻力高則主要是由于催化劑粉化造成的。

GB 50880—2013《冶煉煙氣制酸工藝設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)凈化工序出口ρ(F)指標(biāo)的要求為小于等于0.25 mg/m3，對(duì)比表6和表7可見(jiàn)，該廠的氟含量指標(biāo)與國(guó)標(biāo)要求存在較大差距。因此，建議對(duì)二級(jí)動(dòng)力波洗滌器的煙氣氟含量每周檢測(cè)一次，同時(shí)增加水玻璃的投加頻次和數(shù)量，控制凈化出口ρ(F)低于0.25 mg/m3，切實(shí)降低催化劑粉化速度。

3 改造預(yù)期效果

1）通過(guò)對(duì)0.8 MPa鍋爐上部蒸發(fā)器焊接一定數(shù)量的卡扣，以克服51.2 kN上推力引起的上蒸發(fā)器豎向位移。

2）通過(guò)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)鍋爐和煙道的改造，可以使轉(zhuǎn)化系統(tǒng)阻力在設(shè)計(jì)最大風(fēng)量基礎(chǔ)上減少約9 kPa。增加 2臺(tái) 0.8 MPa 、7 t/h余熱鍋爐，即能平衡原0.8 MPa鍋爐能力下降4.8 t/h后的差距，若將原0.8 MPa鍋爐結(jié)垢蒸發(fā)器換新，通過(guò)轉(zhuǎn)化換熱的調(diào)整，將多產(chǎn)14 t/h蒸汽，硫酸生產(chǎn)能力將得到大幅提升。

3）煙氣流向從全部經(jīng)過(guò)Ⅳ換熱器和0.8 MPa鍋爐改為部分經(jīng)過(guò)0.8 MPa鍋爐、部分經(jīng)過(guò)Ⅳ換熱器，使系統(tǒng)阻力減小約3.15 kPa。

4）通過(guò)對(duì)5臺(tái)換熱器殼程煙道接口改為喇叭口，可使總壓降減少近5.9 kPa。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某銅冶煉廠硫酸鍋爐抬升問(wèn)題、積灰問(wèn)題和轉(zhuǎn)化系統(tǒng)阻力過(guò)大問(wèn)題的分析，提出了有針對(duì)性的解決方案和改造措施。通過(guò)改造硫酸鍋爐系統(tǒng)、換熱器接管口和加強(qiáng)凈化除氟三項(xiàng)工作，既解決了進(jìn)轉(zhuǎn)化工序SO2煙氣提濃、氣量提升的問(wèn)題，又使系統(tǒng)阻力顯著減小，全廠硫酸產(chǎn)量則可配合冶煉投料量的提產(chǎn)穩(wěn)步提升。