鋅氧壓浸出熔硫池換熱器改造設(shè)計

顏會龍

（深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司丹霞冶煉廠 廣東韶關(guān)512000）

1 前言

丹霞冶煉廠鋅氧壓浸出技術(shù)熔硫工業(yè)生產(chǎn)于2011年4月投料生產(chǎn)，鋅氧壓浸出工藝采用高溫高酸浸出，浸出渣酸度在80g／l～90g／l［1］，浸出渣通過硫浮選工藝將其分離成硫精礦和鉛銀渣［2］。得到的硫精礦硫品位在80%以上，硫精礦漿中酸度在30g／l～40g／l，硫精礦漿再通過帶式過濾機過濾后形成含水16%～20%的硫精礦濾餅。硫精礦濾餅投入熔硫池加溫熔融成液態(tài)硫，熔硫池內(nèi)溫度控制130℃～145℃，通過泵送到熱過濾機進行過濾得到合格的硫磺濾液。含酸含水的硫精礦濾餅投入到熔硫池后與換熱器接觸進行換熱單質(zhì)硫熔化成液態(tài)，水分迅速蒸發(fā)形成酸性氣體，在高溫環(huán)境下與換熱器接觸加速了換熱器的腐蝕。本文通過對國內(nèi)某廠家生產(chǎn)制造的換熱器進行優(yōu)化設(shè)計，滿足熔硫生產(chǎn)工藝換熱要求的同時提高穩(wěn)定性。

2 前期問題調(diào)研

丹霞冶煉廠熔硫工業(yè)生產(chǎn)過程中，換熱器的換熱效率跟不上生產(chǎn)處理量，熔硫池溫度無法控制在工藝參數(shù)范圍內(nèi)，由于現(xiàn)有換熱設(shè)備采用的是單管（管徑DN50）的蛇管換熱器，換熱效果差，換熱溫度不能滿足生產(chǎn)需要，硫精礦不能在熔硫池內(nèi)充分熔解，造成熱濾渣含硫偏高，液體硫磺粘度較高、過濾性能差，影響生產(chǎn)產(chǎn)量。改造要求在換熱器整體框架尺寸不變的情況下，保證熔硫池蓋板與換熱器尺寸完全匹配。在換熱器使用運行過程中出現(xiàn)的問題歸納如下：1）換熱器換熱面積不夠，導(dǎo)致熔硫池溫度達不到生產(chǎn)工藝要求；2）現(xiàn)有換熱器材質(zhì)為316L，在酸性環(huán)境下容易腐蝕斷裂，換熱器蛇管斷裂垮塌后與邊上的攪拌器撞擊纏繞引發(fā)二次設(shè)備故障；3）對換熱器出口冷凝水沒有監(jiān)測，無法判斷換熱器的完整性及工作情況。

3 典型問題分析及改進

結(jié)合丹霞冶煉廠熔硫工藝十年的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，對以上列舉的典型故障問題進行分析，同時針對每一項分析結(jié)果進行了相應(yīng)的設(shè)計改進，運用到生產(chǎn)實踐中，達到了良好的使用效果。

3.1 換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

丹霞冶煉廠熔硫工業(yè)生產(chǎn)使用的是單管（管徑DN50）的蛇管換熱器，如圖1所示，換熱面積僅為2.68m2。通過將換熱器管的直徑由Φ50改成Φ25，同時將單管改成多管并列形式，管與管之間采用不銹鋼圓鋼進行固定，并將固定圓鋼與換熱器蓋板相接，增加牢固程度，防止在池內(nèi)因攪拌引起換熱器管變形，將蒸汽進口管做成DN50，出口管做成DN20，如圖2。換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計改進后的優(yōu)點有：1）通過改變換熱器的管徑，在同樣的尺寸框架內(nèi)換熱面積增加到11.93m2，單臺換熱器的換熱面積擴大4.45倍，有效解決熔硫池供熱問題；2）延長了蒸汽在換熱過程中的停留時間，增加換熱效果，同時減少高壓蒸汽熱能的浪費，降低生產(chǎn)成本；3）不銹鋼圓鋼固定換熱蛇管，即使管道出現(xiàn)腐蝕斷裂在圓鋼框架的保護作用下仍然可以保證換熱器整體結(jié)構(gòu)的完整性，有效避免因蛇管腐蝕斷裂對周邊攪拌造成二次設(shè)備故障。

圖1 改造前換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 改造后換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 換熱器智能監(jiān)控設(shè)計

在換熱器使用過程中無法對換熱效果及運行情況進行監(jiān)控，為了滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的精細控制及對工作狀態(tài)的實時監(jiān)控，在換熱器進口中間位置增加一臺氣動調(diào)節(jié)閥，根據(jù)池子溫度由DCS進行調(diào)節(jié)開度，從而控制熔硫池溫度穩(wěn)定，在出口處安裝一個PH計探頭，對出口的冷凝水進行實時檢測，并接入DCS進行酸度報警，方便第一時間發(fā)現(xiàn)換熱器故障。減少因換熱器穿孔浪費高壓蒸汽而導(dǎo)致的高壓蒸汽直接通入熔硫池內(nèi)，增加后續(xù)環(huán)保設(shè)施的工作壓力及運行成本。

3.3 材質(zhì)更換

實際熔硫生產(chǎn)過程中，換熱器全天不間斷的運行，其工作原理主要是在管內(nèi)通入0.8MPa～1.0MPa的高壓蒸汽與管外液態(tài)的硫進行換熱，起到保持熔硫池溫度穩(wěn)定的作用。而換熱器運行環(huán)境比較復(fù)雜，由于投入熔硫池的硫精礦常含有少量的硫酸（硫酸的濃度為5g／L～10g／L），在135℃～145℃的熔硫池內(nèi)，很容易與硫酸反應(yīng)，從而被腐蝕。在換熱器的運行過程始終面臨著工作壓力高、易腐蝕、運行時間長等問題，對其材質(zhì)具有一定的要求。

而現(xiàn)有硫回收熔硫池內(nèi)使用換熱器材質(zhì)為316L，在實際生產(chǎn)使用過程中腐蝕比較嚴重，使用周期大概只有6個月，故障率比較高，維護維修費用高。通過對比表1不同材質(zhì)的不銹鋼性能可以發(fā)現(xiàn)，無論是抗腐蝕性能，力學性能，還是物理性能，2205雙相不銹鋼材料都比316L要好?？紤]到換熱器長期使用，容易出現(xiàn)焊接補漏現(xiàn)象，需要具有良好焊接性能，而2205的焊接性能要優(yōu)于316L。

表1 不銹鋼材質(zhì)特性對比表

雙相2205不銹鋼與316L奧氏體不銹鋼之間的區(qū)別及優(yōu)勢有以下幾點：1）屈服強度比普通奧氏體不銹鋼高一倍多，且具有成型需要的足夠的塑韌性。采用雙相不銹鋼制造儲罐或壓力容器的壁厚要比常用的奧氏體減少30%～50%，有利于降低成本；2）具有優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕破裂的能力，即使是含合金量最低的雙相不銹鋼也有比奧氏體不銹鋼更高的耐應(yīng)力腐蝕破裂的能力，尤其在含氯離子的環(huán)境中。應(yīng)力腐蝕是普通奧氏體不銹鋼難以解決的突出問題；3）在許多介質(zhì)中應(yīng)用最普遍的2205雙相不銹鋼的耐腐蝕性優(yōu)于普通的316L奧氏體不銹鋼，而超級雙相不銹鋼具有極高的耐腐蝕性，在一些介質(zhì)中，如醋酸，甲酸等甚至可以取代高合金奧氏體不銹鋼，乃至耐蝕合金；4）具有良好的耐局部腐蝕性能，與合金含量相當?shù)膴W氏體不銹鋼相比，它的耐磨損腐蝕和疲勞腐蝕性能都優(yōu)于奧氏體不銹鋼；5）比奧氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)低，和碳鋼接近，適合與碳鋼連接，具有重要的工程意義，如生產(chǎn)復(fù)合板或襯里等；6）不論在動載或靜載條件下，比奧氏體不銹鋼具有更高的能量吸收能力，這對結(jié)構(gòu)件應(yīng)付突發(fā)事故如沖撞、爆炸等，雙相不銹鋼優(yōu)勢明顯。通過對目前市場上的不銹鋼材料的抗腐蝕性及導(dǎo)熱系數(shù)的綜合考慮，最終選定在抗腐蝕性、力學性能、物理性能及焊接性能相對更好的2205雙相不銹鋼材料作為換熱器的材質(zhì)［3］。

4 結(jié)論

通過對氧壓浸出熔硫池換熱器改造設(shè)計，其耐高壓、耐腐蝕的性能得到提升，換熱效率得到很大改善。通過現(xiàn)場的生產(chǎn)實踐，改進后的換熱器解決了熔硫池溫度的溫度控制、硫回收生產(chǎn)平穩(wěn)運行、現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境、高壓蒸汽消耗等方面的問題。