1 200 kt/a铜冶炼烟气制酸系统设计和生产实践

千文建，胥 永

（1.广西南国铜业有限责任公司，广西扶绥 532100；2.中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330031）

广西南国铜业有限责任公司（以下简称南国铜业）一期铜冶炼项目采用侧吹熔炼+多枪顶吹吹炼+回转式阳极炉精炼+双向平行流电解+非衡态高浓度SO2制酸工艺，除侧吹熔炼炉体和多枪顶吹吹炼炉体外，其他设备均由中国瑞林工程技术股份有限公司设计，大部分关键装备首次实现国产化并取得了预期效果。其中，铜冶炼系统配套的单系列1 200 kt/a冶炼烟气制酸系统于2019年4月投用，经过两年多的生产运行，各项技术和经济指标均达到或超过设计要求。

1 工艺设计参数

来自侧吹熔炼炉和顶吹吹炼炉的烟气进入制酸系统净化工序，烟气条件见表1。

表1 净化工序入口的烟气条件

净化工序入口烟气温度为（290±20）℃，压力为0 kPa，烟气中尘 （ρ）≤500 mg/m3，年工作时间 340 d。

2 工艺流程

南国铜业硫酸系统为单系列装置，包括烟气净化、“4+1”二转二吸、有机胺尾气脱硫、废酸处理等工序，其工艺流程见图1。

图1 冶炼烟气制酸系统工艺流程

2.1 净化工序

烟气净化采用一级动力波洗涤器—气体冷却塔—二级动力波洗涤器—一级导电玻璃钢电除雾器—二级导电玻璃钢电除雾器流程。

烟气先在一级动力波洗涤器中被绝热蒸发冷却和稀酸洗涤除杂，再进入气体冷却塔进一步冷却和除杂，然后进入二级动力波洗涤器和两级电除雾器再次净化。净化系统出口烟气温度降至38 ℃左右，硫酸雾（ρ）≤5 mg/m3。净化后的烟气送往干吸工序的干燥塔。

2.2 干吸工序

干吸工序采用一级干燥+两级吸收流程，循环泵后冷却工艺与双接触转化工艺相对应，同时设置国产低温位热回收系统回收低温位热量用于产低压蒸汽。

来自净化工序的烟气进入干燥塔后，将烟气干燥到w（H2O）＜0.1 g/m3，并经丝网捕沫器除去酸沫，送入SO2鼓风机。

由转化工序来的一次转化烟气中约95%的SO2已被转化成SO3，在热回收塔内经过两级吸收。吸收SO3后的烟气经热回收塔顶部设置的高效纤维捕沫器除去酸雾后送去二次转化。

热回收塔装有上、下两层填料，上层填料的喷淋酸w（H2SO4）为98.5%，下层填料的上塔酸w（H2SO4）为99%。上层喷淋酸的温度控制在60 ℃以下，以确保SO3的吸收率，降低酸雾的产生量。吸收SO3后的酸从塔底流入与塔相连的泵槽，由循环酸泵送入热回收系统蒸发器，生产0.8 MPa饱和蒸汽[2]。由于循环酸吸收SO3后浓度增加，需通过稀释器补充除氧水以维持酸浓度，加水后的循环酸返回热回收塔进行循环。从稀释器入口管道引出一部分循环酸串至干燥塔循环泵槽和二吸塔循环泵槽，由于此股酸温度高达180 ℃左右，设置低温给水加热器和冷凝水加热器将其冷却至约100 ℃，冷却介质为发电机组冷凝水和除氧水。经过加热的除氧水进入热回收系统蒸发器产出低压蒸汽。

二次转化的烟气采用w（H2SO4）98.5%硫酸进行吸收，吸收SO3后的烟气经二吸塔顶部设置的高效纤维捕沫器除去酸雾后，通过烟气管道送至尾气脱硫工序。

成品酸由二吸塔塔底分流进入成品酸中间槽，加水调整浓度后再由成品酸输送泵送入成品酸冷却器冷却，然后送往成品酸库。

2.3 转化工序

转化工序采用“非衡态”高浓度SO2转化工艺、ⅣⅡ-ⅤⅢⅠ换热流程。转化工序入口烟气φ（SO2）设计值为15.00%～16.75%。

通过在干燥塔前加入稀释空气将转化工序入口烟气的φ（SO2）调整至16%左右。从SO2鼓风机来的冷SO2混合烟气进入Ⅳ换热器，与转化器四段出口的热烟气进行换热；换热后的烟气再进入Ⅱ换热器，与转化器二段出口的热烟气进行换热，经两次换热后的烟气进入转化器一段进行反应，一段出口的烟气经Ⅰ换热器冷却，并由1#热管锅炉回收热量后，进入转化器二段。经转化器二段反应后的烟气进入Ⅱ换热器，冷却后进入转化器三段进行转化反应。经转化器三段反应后的烟气进入Ⅲ换热器，冷却后进入转化器四段。经转化器四段反应后的烟气进入Ⅳ换热器，冷却后进入2#热管锅炉，回收余热降温后进入热回收塔。经热回收塔吸收SO3后的冷SO2烟气经Ⅴ换热器、Ⅲ换热器、Ⅰ换热器升温后进入转化器五段。转换器五段出口的烟气经Ⅴ换热器换热冷却后，进入二吸塔进行二次吸收。

SO2鼓风机采用“汽轮机+离合器+电机+SO2鼓风机”汽电双拖驱动方式。利用低温位热回收和转化工序热管锅炉产生的蒸汽驱动SO2鼓风机，多余的蒸汽去余热发电进行能量回收。

2.4 尾气脱硫工序

为确保制酸尾气达标排放，二吸塔出口的尾气进入脱硫系统处理。脱硫系统采用再生有机胺吸收法进行脱硫，产出的高纯SO2送往制酸系统用于制酸。

2.5 废酸处理工序

采用新型污酸处理工艺处理制酸净化工序产出的含砷污酸，即用硫化氢气体代替硫化钠或硫氢化钠溶液，与污酸中的砷及其他重金属离子发生反应，生成难溶的硫化物除去。不仅可以回收污酸中的砷和铜等有价金属元素，还可避免传统硫化法将钠盐带入下游污水处理系统，很大程度上解决了盐分在废水处理系统中的积累问题[1]。

3 生产运行情况

3.1 存在的问题及改进措施

3.1.1 转化工序热管锅炉部分热管失效

转化工序分别在一段烟气出口、四段烟气出口设置了1#热管锅炉和2#热管锅炉，回收利用余热。

1#热管锅炉共有16组φ42 mm×3.5 mm热管，投产2个月后，烟气进口侧的热管组先后爆管。爆管2组后，锅炉出口的烟气温度超过设计值30 ℃；爆管4组后，锅炉出口的烟气温度达500 ℃以上，此后爆管更加频繁，生产期间系统被迫降负荷运行。经分析，热管爆管的主要原因是：

1）锅炉采用径向热管，烟气水平进出。热管在烟气取热后再到锅炉汽包移热，由于结构设计不合理，出现局部热管超压导致爆管，进而引起整组热管失效。

2）热管和锅炉壳体连接处在设计和施工时未解决好热膨胀问题。

3）烟气经过热管的阻力降大于等于2.5 kPa，烟气进口的前面几组热管换热负荷大。

经多次论证后，南国铜业最终决定采用导热油锅炉方案，导热油的进口温度设计为230 ℃，出口温度设计为270 ℃，以避免低温腐蚀。导热油锅炉投入运行一年多以来，锅炉出口的烟气温度长期稳定在435 ℃左右，保障了转化工序的正常运行。

2#热管锅炉共有32组φ38 mm×3 mm热管，投产6个月后，先后有3组热管失效，锅炉出口的烟气温度达210 ℃，超过进入低温位热回收系统的设计值30 ℃，因低温位热回收系统设计有一定裕量，尚能满足生产需求。经分析，热管失效主要是由于热管的加工质量存在问题。综合考虑热管锅炉的结构和现场布置情况，在系统大修时增设了省煤器，为避免低温腐蚀，省煤器采用0.5～0.8 MPa的热水通过DN25管束与烟气进行换热，省煤器进、出口的热水温度分别为135，160 ℃。改造后，锅炉出口的烟气温度稳定在180～190 ℃。

3.1.2 转化工序升温较慢

在转化工序开车升温过程中，转化器一段进口的烟气温度需要较长时间才能升温至380 ℃，从380 ℃升至400 ℃至少需要20 h。分析其主要原因为：

1）天然气升温系统助燃风机运行时达不到额定风量，运行到约80%额定风量时产生振动。

2）转化温度调节副线阀在使用一段时间后关闭不严。

将升温系统助燃风机由垂直90°进风方式改为水平0°进风方式，同时增设升温系统直接到转化器一段进口的升温管道，彻底解决了上述问题，转化器一段进口的烟气温度由380 ℃升至400 ℃只需要4 h。

3.1.3 循环酸输送管道堵塞

低温位热回收系统串酸至干燥循环槽的管道设计为钢衬聚四氟乙烯材质，在停车时该管道内部会产生一定的负压，因循环酸温度较高（135～185 ℃），部分管道内衬的聚四氟乙烯管被抽吸变形，以致堵塞管道造成串酸量减小。将该管道改为合金管道后，上述故障未再发生。

3.1.4 尾气脱硫系统管道堵塞

尾气脱硫系统配套有树脂交换除盐设备，但在生产运行过程中，除盐设备的脱盐能力不能满足生产需要，出现硫酸钠在管道内结晶的现象。经技术论证后，增设硫酸钠冷冻结晶装置与树脂交换除盐设备一起使用，解决了硫酸钠结晶问题，保障了尾气的有机胺脱硫处理效果，外排尾气中ρ（SO2）长期稳定控制在50 mg/m3以下。

3.2 主要技术和经济指标

南国铜业单系列1 200 kt/a冶炼烟气制酸系统自投运以来，经过调整与改进，各项指标均已达到或超过设计要求，其中转化工序烟气φ（SO2）最高达到17%，在氧硫比为0.7的工况下，转化率为99.85%，脱硫系统尾气排放口ρ（SO2）仍能保持在50 mg/m3以下。该冶炼烟气制酸系统主要技术和经济指标见表2。

表2 冶炼烟气制酸系统主要技术和经济指标

4 结语

南国铜业单系列1 200 kt/a制酸系统，其中“非衡态”高浓度SO2转化系统、低温位热回收系统、有机胺脱硫系统、汽电双拖SO2鼓风机组、新型H2S法废酸处理系统等关键装备首次全部采用国产化设备，两年多的生产实践表明，该装置运行率高，主要技术和经济指标达到或超过设计要求，成品酸质量达到GB/T 534—2014《工业硫酸》一等品的要求。该制酸系统采用国产化装备和技术，对降低工程投资、节能降耗、降本增效发挥了重要作用，对新建或改造项目具有一定的借鉴价值。