高效氣體換熱器設(shè)計和生產(chǎn)運行維護(hù)實踐總結(jié)

劉 琳，張建康，姚 強，黃開胤，劉 偉，宋 剛，岳鳳洲

（陜西鋅業(yè)有限公司，陜西商洛726007）

陜西鋅業(yè)有限公司（以下簡稱陜西鋅業(yè)）于1986年籌建，12 kt/a鋅精礦焙燒制酸系統(tǒng)于1989年底建成試生產(chǎn)，配套生產(chǎn)鋅錠8 kt/a。經(jīng)過近30余年的連續(xù)發(fā)展，在“十三五”期間，硫酸實際產(chǎn)能提高到350 kt/a，主產(chǎn)品鋅錠產(chǎn)能達(dá)到200 kt/a，并綜合回收銦、鎘、鉛、銅、鈷、金、銀、碳等多種元素和余熱資源，2022年初被工信部認(rèn)定為“綠色工廠”。目前，陜西鋅業(yè)共有3套鋅精礦焙燒制酸生產(chǎn)線，包括1套180 kt/a和2套85 kt/a硫酸裝置，分別于2009年6月、2014年10月和2020年8月建成投運。上述3套硫酸裝置設(shè)計均采用Ⅲ Ⅰ-Ⅳ Ⅱ換熱流程和“3+1”兩次轉(zhuǎn)化制酸工藝，氣體換熱器均為旋流網(wǎng)板（空心環(huán)）急擴加速流縮放管管殼式換熱器（以下簡稱高效氣體換熱器），生產(chǎn)運行狀況較好。

1 高效氣體換熱器設(shè)計和運行回顧

1.1 設(shè)計和生產(chǎn)運行情況

陜西鋅業(yè)1989年底建成投產(chǎn)的首套鋅精礦焙燒制酸裝置，原設(shè)計硫酸產(chǎn)能為12 kt/a，轉(zhuǎn)化工序采用Ⅲ Ⅰ-Ⅳ Ⅱ換熱流程和“3+1”兩次轉(zhuǎn)化。氣體換熱器采用6臺傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光管換熱器（Ⅲ、Ⅳ換熱器各2臺），其中Ⅳa換熱器低溫腐蝕堵塞較快，使用壽命一直沒有超過3年。2004年12月至2005年3月，陜西鋅業(yè)將原來的6臺換熱器改造為4臺高效氣體換熱器，由于高效氣體換熱器采用強化傳熱和專利制造技術(shù)，其傳熱系數(shù)設(shè)計值為28 W/(m2·K)，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光管換熱器提高了1.6倍，具有換熱總面積小、傳熱效率高的特點。同時拆除原12 m2流態(tài)化焙燒爐，在原址新建了1臺14 m2流態(tài)化焙燒爐[1]，技術(shù)改造后硫酸實際產(chǎn)能提高到24 kt/a。該硫酸裝置于2009年5月停產(chǎn)，2010年拆除后發(fā)現(xiàn)，4臺高效氣體換熱器內(nèi)部基本完好，沒有明顯腐蝕跡象。首套鋅精礦焙燒煙氣硫酸裝置的技改成功，為新建180 kt/a大型硫酸裝置的運行提供了寶貴的實踐經(jīng)驗。

180 kt/a硫酸裝置于2009年6月建成投運，至2022年3月底已經(jīng)累計生產(chǎn)工業(yè)濃硫酸2 362 774 t，累計運行94 786 h，開車率91.38%。按照實際產(chǎn)酸速率核算，陜西鋅業(yè)180 kt/a硫酸裝置高效氣體換熱器設(shè)計富裕系數(shù)為15%。該套裝置采用的4臺換熱器參數(shù)，是陜西鋅業(yè)在借鑒首套鋅精礦焙燒硫酸裝置技改實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，與華南理工大學(xué)鄧先和教授的研究設(shè)計團(tuán)隊經(jīng)過充分溝通、反復(fù)計算優(yōu)化后選定的設(shè)計方案[2]。近13年的生產(chǎn)實踐證明，這個設(shè)計方案是先進(jìn)、科學(xué)、可靠的。

2套85 kt/a硫酸裝置均采用了5臺高效氣體換熱器。在建設(shè)設(shè)計初期，考慮到國內(nèi)中小型硫酸裝置所用的Ⅳ換熱器普遍存在低溫腐蝕堵塞和壽命較短的問題，陜西鋅業(yè)最終確定將Ⅳ換熱器“一分為二”，按2臺設(shè)計制造。陜西鋅業(yè)2014年10月建成投運的85 kt/a硫酸裝置，至2022年3月底累計生產(chǎn)硫酸606 014 t，正常生產(chǎn)57 996 h，開車率85.43%。開車率低的主要原因是鋅精礦供應(yīng)緊張，先后4次停機待料共計4 946 h（約206 d）。2020年8月建成投運的85 kt/a硫酸裝置，至2022年3月底累計生產(chǎn)硫酸141 884 t，正常生產(chǎn)13 985 h，開車率97.12%。按照實際產(chǎn)酸速率核算，這兩套85 kt/a硫酸裝置實際產(chǎn)能偏小，硫酸實際產(chǎn)量僅達(dá)到設(shè)計值的95.49%～98.35%，轉(zhuǎn)化器四段進(jìn)口的煙氣溫度從2021年9月至2022年2月經(jīng)常保持在(390±5)℃，需要間斷開啟1～3組2#加熱電爐，才能把四段進(jìn)口的煙氣溫度穩(wěn)定在400～403 ℃。

12，180，85 kt/a硫酸裝置轉(zhuǎn)化工序的換熱器設(shè)計面積見表1。

表1 轉(zhuǎn)化工序高效氣體換熱器設(shè)計面積

1.2 運行維護(hù)情況

硫酸生產(chǎn)實踐表明，在設(shè)計、建設(shè)科學(xué)合理的前提下，通過日常精細(xì)操作管理，嚴(yán)格控制進(jìn)入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)煙氣中的酸霧、水分、塵、氟等有害成分含量，盡可能提高SO2轉(zhuǎn)化率、SO3吸收率和系統(tǒng)開車率，是高效氣體換熱器運行維護(hù)的關(guān)鍵。陜西鋅業(yè)現(xiàn)有硫酸裝置的實際生產(chǎn)和控制指標(biāo)見表2。

表2 陜西鋅業(yè)現(xiàn)有硫酸裝置生產(chǎn)控制指標(biāo)

由表2可知，陜西鋅業(yè)180 kt/a硫酸裝置生產(chǎn)控制指標(biāo)和生產(chǎn)效率相對較好，存在的問題是煙氣氟濃度稍有超標(biāo)，主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)化器一段進(jìn)口上部的柱狀S108型釩催化劑表面的瓷質(zhì)保護(hù)劑有粉化現(xiàn)象；2#85 kt/a硫酸裝置存在的問題是煙氣氟濃度超標(biāo)頻繁且比較嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)化器一段進(jìn)口上部的柱狀S108型釩催化劑及其瓷質(zhì)保護(hù)劑均有明顯粉化，且釩催化劑結(jié)塊速度較快。

由于陜西鋅業(yè)在硫酸生產(chǎn)中對煙氣中的酸霧、水分、塵、氟等關(guān)鍵指標(biāo)管控比較嚴(yán)格，高效氣體換熱器使用壽命普遍延長。Ⅰ換熱器和Ⅱ換熱器共6臺，多年來均使用正常，僅于2015年和2018年分別對180 kt/a硫酸裝置的Ⅳ換熱器和Ⅲ換熱器進(jìn)行了更換，2021年對1#85 kt/a硫酸裝置的Ⅳa換熱器進(jìn)行了更換。目前3套硫酸裝置的14臺高效氣體換熱器均能適應(yīng)硫酸裝置較高負(fù)荷的生產(chǎn)要求。

2 換熱器出現(xiàn)的問題及解決措施

陜西鋅業(yè)為了進(jìn)一步提高資源回收利用水平，于2021年新建了渣處理項目，專門處理濕法煉鋅過程中產(chǎn)出的各類廢渣。來自該項目富氧側(cè)吹爐的低濃度SO2煙氣進(jìn)入現(xiàn)有3套硫酸裝置凈化工序的高效洗滌器，富氧側(cè)吹爐的煙氣參數(shù)原設(shè)計值和實際生產(chǎn)期間的煙氣情況見表3～4。

表3 富氧側(cè)吹爐的煙氣參數(shù)原設(shè)計值

表4 實際生產(chǎn)期間富氧側(cè)吹爐出口的煙氣情況

在2021年9月24日至2022年1月15日試車期間，側(cè)吹爐煙氣主要進(jìn)入180 kt/a硫酸裝置，由于這股煙氣的流量和塵濃度波動較大，成分復(fù)雜多變，且沸騰爐頻繁降負(fù)荷運行，導(dǎo)致180 kt/a硫酸裝置的Ⅲ、Ⅳ換熱器發(fā)生了明顯的堵塞和低溫露點腐蝕，其中Ⅲ換熱器的殼程阻力平均每月升高2 kPa。2022年3月，陜西鋅業(yè)利用109 m2流態(tài)化焙燒爐臨時停車機會對180 kt/a硫酸裝置轉(zhuǎn)化工序進(jìn)行檢修，特邀甘肅中順石化工程裝備有限公司采用特殊配方的緩蝕劑和堵漏劑，對Ⅲ、Ⅳ換熱器的殼程進(jìn)行清洗后堵漏。硫酸裝置轉(zhuǎn)化工序檢修耗時4天，檢修情況如下：

1）檢查、清洗Ⅲ換熱器，對腐蝕穿孔的28根管道進(jìn)行焊封，并澆灌350 mm堵漏劑。

2）檢查、清洗Ⅳ換熱器，發(fā)現(xiàn)下花板有明顯腐蝕穿孔現(xiàn)象。對發(fā)現(xiàn)的1根漏管進(jìn)行焊封，并在下花板處澆灌300 mm堵漏劑。

3）發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化器一段釩催化劑粉化、板結(jié)、發(fā)白比較明顯。將催化劑全部篩分后，補充新釩催化劑S101型15 t和S108型3 t。

180 kt/a硫酸裝置轉(zhuǎn)化工序檢修前后換熱器運行參數(shù)對比見表5。

表5 檢修前后Ⅲ、Ⅳ換熱器運行參數(shù)對比

由表5可以看出，180 kt/a硫酸裝置轉(zhuǎn)化工序檢修后，Ⅲ、Ⅳ換熱器的運行參數(shù)明顯好轉(zhuǎn)，Ⅲ換熱器的殼程和管程實際總壓降低于設(shè)計值3.72 kPa，傳熱溫差之和低于設(shè)計值589 ℃；Ⅳ換熱器的殼程和管程實際總壓降低于設(shè)計值3.53 kPa，傳熱溫差之和低于設(shè)計值596 ℃，達(dá)到了檢修的預(yù)期目標(biāo)。

180 kt/a硫酸裝置轉(zhuǎn)化工序經(jīng)檢修后，二氧化硫風(fēng)機導(dǎo)葉開度由70%～80%下降到47%～50%，風(fēng)機電流由121～133 A降低到100～107 A，產(chǎn)酸速率由21.98 t/h提高到24.71 t/h，SO2總轉(zhuǎn)化率由98.94%提高到99.77%。

在試車期間，為了避免焙燒系統(tǒng)收塵工序冒正壓污染環(huán)境，109 m2流態(tài)化焙燒爐被迫減負(fù)荷生產(chǎn)，鼓風(fēng)量從51 000～53 000 m3/h降低至44 000～48 000 m3/h，二氧化硫風(fēng)機導(dǎo)葉開度從47%～50%增大到70%～80%，運行電流從100～106 A升高到127～133 A，鋅焙砂實際產(chǎn)量下降近15%，硫酸產(chǎn)量下降近10%。為了徹底解決新建渣處理項目對現(xiàn)有硫酸和鋅冶煉系統(tǒng)的干擾，經(jīng)過充分調(diào)研論證后，陜西鋅業(yè)2022年4月已經(jīng)啟動爐窯煙氣集中深度治理項目設(shè)計建設(shè)，計劃于2022年10月建成投運。

3 結(jié)語

雖然目前3套硫酸裝置的14臺高效氣體換熱器均能適應(yīng)較高負(fù)荷的生產(chǎn)要求，但受限于鋅精礦

供應(yīng)質(zhì)量復(fù)雜多變等不可控因素的影響，陜西鋅業(yè)仍需在生產(chǎn)過程關(guān)鍵中控指標(biāo)的操作管理上繼續(xù)加強管控，尤其要加強氟、砷、塵等頻繁波動指標(biāo)的管控，并結(jié)合“十四五”規(guī)劃挖潛增效既定目標(biāo)的要求，充分調(diào)研借鑒同行業(yè)先進(jìn)經(jīng)驗和最新科研成果，結(jié)合企業(yè)實際，全面妥善地做好高效氣體換熱器的更新改造工作，為實現(xiàn)“十四五”規(guī)劃既定目標(biāo)和長期穩(wěn)定健康發(fā)展夯實基礎(chǔ)。