大型鋅冶煉廠配套煙氣制酸裝置的設(shè)計(jì)與運(yùn)行

霍佳梅，馬小樂，董四祿

（中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

某大型鋅冶煉廠為滿足環(huán)保要求異地搬遷，新廠建設(shè)鋅冶煉規(guī)模為300 kt/a，采用2臺152 m2流態(tài)化焙燒爐焙燒鋅精礦，配套建設(shè)綜合回收各種有價(jià)金屬的冶煉系統(tǒng)及2套290 kt/a硫酸裝置。鋅冶煉煙氣具有二氧化硫濃度較低、煙氣量及組分波動(dòng)較小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)吸收了國內(nèi)大型鋅冶煉廠硫酸生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。制酸凈化工序采用絕熱蒸發(fā)、稀酸洗滌流程，采用高分子DBA除汞技術(shù)去除煙氣中的汞[1]，轉(zhuǎn)化工序采用ⅢⅠ-ⅣⅡ、“3+1”兩次轉(zhuǎn)化換熱流程。干吸工序采用一級干燥、二級吸收、泵后冷卻、泵后串酸流程，尾氣脫硫采用雙氧水脫硫工藝。該項(xiàng)目冶煉渣采用回轉(zhuǎn)窯處理，回轉(zhuǎn)窯煙氣采用離子液脫硫工藝處理，再生的二氧化硫氣體送至制酸裝置制酸。

1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2套制酸裝置各自對應(yīng)1臺焙燒爐，其設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相同。單套裝置進(jìn)凈化工序的煙氣量及組分見表1。

表1 凈化工序進(jìn)口煙氣條件

單套裝置進(jìn)轉(zhuǎn)化工序的煙氣量及組分見表2。

表2 轉(zhuǎn)化工序進(jìn)口煙氣條件

2 制酸方案選擇

冶煉煙氣的氣量和濃度均存在周期性波動(dòng)，且煙氣組分復(fù)雜，針對這一特點(diǎn)，凈化工序采用目前成熟可靠的稀酸洗滌、絕熱蒸發(fā)流程。鋅冶煉煙氣通常會含有一定量的汞，在項(xiàng)目實(shí)施前，根據(jù)工藝對比及工程試驗(yàn)，確定采用高分子DBA除汞技術(shù)[1]。進(jìn)轉(zhuǎn)化工序煙氣φ(SO2)設(shè)計(jì)值為7.669%，據(jù)此選擇常規(guī)的二轉(zhuǎn)二吸制酸工藝。經(jīng)對比選擇，換熱流程采用ⅢⅠ-ⅣⅡ換熱流程，該流程技術(shù)可靠、生產(chǎn)穩(wěn)定，在Ⅲ換熱器出口設(shè)置余熱鍋爐，副產(chǎn)低壓蒸汽，充分回收系統(tǒng)余熱。干吸工序選擇塔—槽—泵—酸冷卻器—塔的泵后冷卻流程，該流程可提高傳熱效果，減少酸冷卻器換熱面積[2]。制酸尾氣二氧化硫濃度較低且煙氣雜質(zhì)含量小，因此尾氣脫硫選擇雙氧水脫硫工藝，產(chǎn)生的稀酸送濕法冶煉系統(tǒng)使用[3]。

3 工藝概述

根據(jù)冶煉煙氣條件，設(shè)計(jì)吸收國內(nèi)鋅冶煉廠硫酸生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合項(xiàng)目具體情況，確定制酸裝置的具體工藝流程為：一級高效洗滌器—除汞塔—?dú)怏w冷卻塔—二級高效洗滌器—一級電除霧器—二級電除霧器—干燥塔—SO2風(fēng)機(jī)—一次轉(zhuǎn)化—中間吸收—二次轉(zhuǎn)化—最終吸收—尾氣脫硫—煙囪。2套制酸裝置流程相同，以下以單套裝置為例對工藝流程進(jìn)行簡述。

3.1 凈化工序

鋅焙燒煙氣經(jīng)余熱鍋爐降溫、收塵系統(tǒng)收塵后進(jìn)入制酸凈化工序的一級高效洗滌器逆噴管，與由大口徑噴嘴逆向噴入的循環(huán)液相撞，在氣液界面處建立起具有一定高度的泡沫區(qū)。煙氣與大面積且不斷更新的液體表面接觸，在泡沫區(qū)發(fā)生粒子的捕集及氣體的吸收，同時(shí)進(jìn)行熱量的傳遞，實(shí)現(xiàn)凈化煙氣和降低煙氣溫度的目的。向一級高效洗滌器投加高分子DBA藥劑，去除煙氣中大部分汞。一級高效洗滌器出口煙氣進(jìn)入除汞塔，再經(jīng)含有DBA的循環(huán)液進(jìn)一步除汞后，煙氣進(jìn)入氣體冷卻塔。在氣體冷卻塔內(nèi)煙氣由低溫循環(huán)酸洗滌降溫，通過控制出口煙氣溫度來控制煙氣中的水含量，從而達(dá)到系統(tǒng)水平衡的目的。循環(huán)酸系統(tǒng)設(shè)置稀酸板式換熱器，用冷卻水與循環(huán)酸間接換熱將熱量移出系統(tǒng)。出氣體冷卻塔煙氣進(jìn)入二級高效洗滌器，煙氣得到進(jìn)一步凈化，再通過兩級電除霧器將煙氣中的酸霧除去，然后煙氣進(jìn)入干吸工序。出凈化工序煙氣控制硫酸霧質(zhì)量濃度小于或等于5 mg/m3、塵質(zhì)量濃度小于或等于2 mg/m3。

一級高效洗滌器洗滌液大部分循環(huán)使用，少部分循環(huán)液進(jìn)入稀酸脫氣塔，脫吸后的二氧化硫氣體返回制酸系統(tǒng)。脫吸后的液體進(jìn)入斜板沉降槽，沉降后的底流經(jīng)泵送入壓濾機(jī)進(jìn)行固液分離回收濾餅。濾餅中含有鉛及DBA除汞渣，外送有資質(zhì)的公司處置。壓濾后的濾液與沉降槽上清液進(jìn)入稀酸槽，大部分由稀酸輸送泵送回一級高效洗滌器，少部分送至廢酸處理站進(jìn)行處理。

凈化工序的補(bǔ)充水在二級高效洗滌器加入，并通過循環(huán)酸液位與串酸閥聯(lián)鎖的方式將高出控制液位的稀酸串到一級高效洗滌器，在一級高效洗滌器將高出控制液位的稀酸外排。

3.2 干吸工序

干吸工序采用一級干燥、二級吸收、循環(huán)酸泵后冷卻工藝。

來自凈化工序的煙氣進(jìn)入干燥塔，與自上而下噴淋的w(H2SO4)93%硫酸通過填料層充分接觸，煙氣中的水分被循環(huán)酸吸收。干燥后的煙氣中夾帶一定數(shù)量的酸沫，在干燥塔的頂部設(shè)置不銹鋼材質(zhì)金屬絲網(wǎng)捕沫器，煙氣通過捕沫器除去酸沫后送入SO2風(fēng)機(jī)。干燥循環(huán)酸由干燥塔底部利用重力流入干燥酸循環(huán)槽，然后由泵打入干燥酸冷卻器，經(jīng)冷卻水間接冷卻后的硫酸送入干燥塔分酸裝置循環(huán)使用。

來自轉(zhuǎn)化工序的一次轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入一吸塔，采用w(H2SO4)98%硫酸吸收，三氧化硫氣體被溶解、吸收轉(zhuǎn)化為硫酸，煙氣經(jīng)一吸塔頂部設(shè)置的纖維除霧器除去霧粒，隨后送往二次轉(zhuǎn)化。吸收三氧化硫后的循環(huán)酸由一吸塔頂塔底利用重力流入吸收酸循環(huán)槽，然后由泵打入一吸酸冷卻器降溫，再進(jìn)入一吸塔分酸裝置循環(huán)使用。

來自轉(zhuǎn)化工序的二次轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入二吸塔，采用w(H2SO4)98%硫酸吸收，三氧化硫氣體被溶解、吸收轉(zhuǎn)化為硫酸，煙氣經(jīng)二吸塔頂部設(shè)置的纖維除霧器除去霧粒，隨后送往尾氣脫硫系統(tǒng)。吸收三氧化硫后的循環(huán)酸由二吸塔頂塔底利用重力流入吸收酸循環(huán)槽，然后由泵打入二吸酸冷卻器降溫，再進(jìn)入二吸塔分酸裝置循環(huán)使用。

由于吸收了凈化后煙氣中的水分，干燥塔循環(huán)酸濃不斷降低。而由于吸收了轉(zhuǎn)化后煙氣中的三氧化硫，一吸塔、二吸塔循環(huán)酸濃不斷升高，各循環(huán)槽之間需要互相串酸以保證干燥酸、吸收酸濃度。通過干燥酸循環(huán)槽液位的控制，w(H2SO4)93%硫酸由干燥酸循環(huán)泵出酸管串至吸收酸循環(huán)槽。干燥酸循環(huán)槽酸濃度由一吸酸循環(huán)泵出酸管串出w(H2SO4)98%硫酸至干燥酸循環(huán)槽來控制，產(chǎn)酸通過吸收酸循環(huán)槽液位控制，自一吸酸冷卻器酸出口引出，再經(jīng)成品酸冷卻器冷卻后送往成品酸庫儲存。

3.3 轉(zhuǎn)化工序

轉(zhuǎn)化工序采用了4段“3+1”兩次轉(zhuǎn)化、ⅢⅠ-ⅣⅡ換熱流程。從SO2風(fēng)機(jī)來的二氧化硫煙氣依次通過Ⅲ換熱器和Ⅰ換熱器，與從三段和一段催化劑層出來的熱三氧化硫煙氣進(jìn)行氣-氣換熱，二氧化硫煙氣被加熱后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器一段催化劑層，在催化劑作用下二氧化硫氧化生成三氧化硫。一段轉(zhuǎn)化后三氧化硫煙氣經(jīng)Ⅰ換熱器冷卻，溫度降低后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器二段。二段轉(zhuǎn)化后煙氣經(jīng)Ⅱ換熱器冷卻，自身溫度降低后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器三段。三段轉(zhuǎn)化后煙氣依次經(jīng)Ⅲ換熱器、余熱鍋爐冷卻降溫后進(jìn)入一吸塔。一吸塔吸收三氧化硫后的煙氣經(jīng)Ⅳ換熱器、Ⅱ換熱器分別與轉(zhuǎn)化器四段出口和二段出口高溫?zé)煔鈸Q熱后升溫，隨后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器四段進(jìn)行二次轉(zhuǎn)化。二次轉(zhuǎn)化后的煙氣經(jīng)Ⅳ換熱器換熱降溫后進(jìn)入二吸塔。轉(zhuǎn)化器各段入口溫度可通過副線調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)化工序開工采用電加熱爐升溫，轉(zhuǎn)化器一、四段煙氣入口分別配置了電加熱爐。

3.4 制酸尾氣脫硫

制酸尾氣采用雙氧水脫硫工藝，2套制酸裝置尾氣分別設(shè)置脫硫系統(tǒng)。制酸尾氣從脫硫塔下部進(jìn)入脫硫塔，在填料段與循環(huán)液逆流接觸，溶入循環(huán)液的二氧化硫迅速與循環(huán)液中的雙氧水反應(yīng)生成稀硫酸。尾氣經(jīng)脫硫塔塔頂除霧器除去酸霧后，合并通過70 m高的尾氣煙囪排放。脫硫反應(yīng)產(chǎn)生的w(H2SO4)約25%的稀硫酸輸送至濕法冶煉系統(tǒng)使用。

外購的雙氧水通過卸車泵送入儲槽中，系統(tǒng)運(yùn)行過程中監(jiān)控脫硫塔內(nèi)循環(huán)液中雙氧水的濃度，當(dāng)濃度低于一定數(shù)值時(shí)，通過雙氧水添加泵向脫硫塔內(nèi)定量添加雙氧水，以補(bǔ)充其消耗損失。

4 制酸裝置主要設(shè)備

制酸裝置的主要設(shè)備見表3。2套制酸裝置的設(shè)備規(guī)格相同。

表3 單套制酸裝置主要設(shè)備

5 制酸裝置工藝特點(diǎn)

該制酸裝置工藝特點(diǎn)有：

1）選用高效洗滌器作為煙氣洗滌設(shè)備。高效洗滌器有較高的除塵效率，同時(shí)有較高的除砷和除氟效率。高效洗滌器對煙氣波動(dòng)的適應(yīng)性較強(qiáng)，氣量波動(dòng)幅度50%的情況下煙氣仍可保持較高的凈化率。高效洗滌器設(shè)備內(nèi)部沒有任何活動(dòng)部件，煙氣暢通無阻、操作維修簡單、使用周期長、設(shè)備小巧、制作簡單、配置靈活[4]。

2）凈化工序選擇高分子DBA除汞技術(shù)，DBA是一種對汞具有較強(qiáng)吸附性的有機(jī)交聯(lián)高分子材料，利用其吸附性可以去除煙氣中的汞元素，保證成品酸質(zhì)量和尾氣達(dá)標(biāo)排放。制酸裝置將一級高效洗滌器兼做一級除汞塔，同時(shí)設(shè)置專門的除汞塔，通過兩級除汞凈化煙氣滿足工藝要求，除汞產(chǎn)物送往高分子DBA藥劑供應(yīng)廠家處理，綜合回收利用。

3）電除霧器采用新型導(dǎo)電玻璃鋼電除霧器，其優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)電性能好、質(zhì)量小、易制作、不變形、耐腐蝕、阻燃性好、效率高。電除霧器的寬極距可保證供電穩(wěn)定，使風(fēng)機(jī)進(jìn)口硫酸霧達(dá)到技術(shù)指標(biāo)。電除霧器正常維修量小、使用壽命長。

4）采用碟形底干吸塔、臥式泵槽結(jié)構(gòu)，低位配置降低了循環(huán)泵揚(yáng)程，有利于降低投資和節(jié)約能耗。干吸塔底結(jié)構(gòu)采用碟形底，填料用條梁支撐，避免塔底集酸，提高了開孔率，改善了煙氣分布。臥式泵槽下部進(jìn)酸可減少對內(nèi)襯的局部沖擊力，并使內(nèi)襯受力更為均勻。

5）干燥塔、吸收塔分酸裝置采用新型管式分酸器，具有分酸點(diǎn)密度大、噴淋酸分布更為均勻、操作彈性大的優(yōu)點(diǎn)，從而提高了干吸效果。

6）SO2風(fēng)機(jī)配套變頻電機(jī)，可根據(jù)生產(chǎn)情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高控制精度，降低電能消耗，降低設(shè)備運(yùn)行噪聲。同時(shí)，采用變頻電機(jī)還可以避免啟動(dòng)過程對電網(wǎng)的沖擊。

7）冶煉煙氣中的二氧化硫濃度可能波動(dòng)，為維持轉(zhuǎn)化工序熱平衡，在一次轉(zhuǎn)化氣和二次轉(zhuǎn)化氣入口處均設(shè)置了電加熱爐，必要時(shí)啟動(dòng)電加熱爐以保證轉(zhuǎn)化工序的熱平衡，使生產(chǎn)正常運(yùn)行。

6 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

制酸裝置的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表4。

表4 單套制酸裝置的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

7 裝置運(yùn)行情況

2套制酸裝置于2018年初啟動(dòng)建設(shè)，分別于2019年2月和4月投產(chǎn)。投產(chǎn)初期，裝置轉(zhuǎn)化率不能長期穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致進(jìn)脫硫系統(tǒng)煙氣二氧化硫濃度過高，雙氧水消耗量大。裝置中催化劑為原廠利舊催化劑與新購催化劑混裝，經(jīng)設(shè)計(jì)方、供貨方及業(yè)主多次分析，認(rèn)為轉(zhuǎn)化率偏低的主要原因是部分利舊催化劑的活性較低，導(dǎo)致總轉(zhuǎn)化率難以達(dá)到設(shè)計(jì)值。因此，對催化劑裝填方案進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，并在冶煉系統(tǒng)檢修間隙實(shí)施了優(yōu)化方案，用新催化劑替換了部分利舊催化劑，優(yōu)化處理后裝置的轉(zhuǎn)化率已達(dá)到并超過設(shè)計(jì)值。

裝置運(yùn)行初期，凈化工序出口煙氣未達(dá)到凈化指標(biāo)的設(shè)計(jì)值，分析判斷是電除霧器未達(dá)到正常的除霧效果。分析其原因，主要是一級電除霧器陰極線為該冶煉廠原廠利舊，且老廠停產(chǎn)到新廠安裝之間有數(shù)月的間隔，極線的存放條件不佳，部分極線有一定程度的老化，影響了電除霧器整體性能。在冶煉系統(tǒng)檢修間隙對電除霧器進(jìn)行了檢修，更換了部分極線，最終解決了問題。

裝置運(yùn)行之初，鋅精礦通常含汞較低，煙氣中汞含量不高，DBA除汞模塊并未長期連續(xù)運(yùn)行，僅在煙氣汞含量較高時(shí)投加DBA。根據(jù)投加DBA時(shí)的化驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及該廠在搬遷前工廠內(nèi)的工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證，煙氣中含汞質(zhì)量濃度在20 mg/m3左右時(shí)，DBA除汞效率可達(dá)到80%以上。

SO2風(fēng)機(jī)采用變頻控制，根據(jù)現(xiàn)場工程師反饋，風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)節(jié)使用情況良好，對煙氣波動(dòng)的適應(yīng)性強(qiáng)，調(diào)節(jié)簡便、節(jié)能效果明顯。

投產(chǎn)至今，2套制酸裝置運(yùn)行狀態(tài)正常，產(chǎn)酸量均達(dá)到設(shè)計(jì)能力，二氧化硫轉(zhuǎn)化率達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，成品酸品質(zhì)達(dá)到GB/T 534—2014《工業(yè)硫酸》一等品指標(biāo)。外排制酸尾氣ρ(SO2)≤100 mg/m3，符合環(huán)保要求。該制酸裝置滿足了鋅冶煉系統(tǒng)的煙氣處理要求，并可適應(yīng)冶煉系統(tǒng)的煙氣波動(dòng)。

8 結(jié)語

該項(xiàng)目的鋅產(chǎn)能為300 kt/a，屬國內(nèi)規(guī)模最大的鋅冶煉廠之一，采用的2臺152 m2焙燒爐也屬國內(nèi)運(yùn)行的規(guī)格最大的鋅焙燒爐。隨著有色冶煉技術(shù)的進(jìn)步及冶煉系統(tǒng)規(guī)模的不斷提升，以及環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，冶煉配套制酸裝置的裝備水平和運(yùn)行指標(biāo)也隨之提高。冶煉配套制酸方案應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目情況具體分析，在滿足冶煉系統(tǒng)煙氣處理要求及項(xiàng)目建設(shè)地環(huán)保要求的前提下，選擇先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、可靠的方案。期待該項(xiàng)目制酸裝置的設(shè)計(jì)理念為類似項(xiàng)目提供借鑒。