铅、锌冶炼烟气制酸工艺技术应用

皮忠斌，张振国，王卡卡，柴伟

（云南驰宏锌锗股份有限公司 会泽冶炼分公司，云南会泽 654211）

某公司现有60 kt/a粗铅、100 kt/a电锌两套冶炼系统。铅冶炼采用艾萨炉富氧顶吹—还原炉炼铅工艺，锌冶炼采用沸腾炉焙烧工艺。艾萨炉、沸腾炉、熔化炉产生的含SO2冶炼烟气被用于制酸。3套制酸系统规模分别为70 kt/a、180 kt/a、100 kt/a，其中铅、锌冶炼烟气制酸系统于2013年11月投产运行，锌浸渣侧吹连续熔化炉冶炼烟气制酸系统于2019年7月投产运行。根据冶炼烟气量波动大，烟气成分复杂的特点，3套烟气制酸系统均采用较成熟的“3+1”两转两吸工艺流程，选用当前较先进的设备，集中采用DCS系统操作控制，并分别配套了“碱法脱硫”“氧化锌脱硫”环保装置，确保尾气达标排放。

1 工艺特点及烟气条件

根据冶金炉冶炼周期、原料成分的不同，冶炼过程产生的烟气也各具特点。冶炼烟气制酸系统入口烟气条件见表1。

表1 冶炼烟气制酸系统净化入口烟气条件

1.1 沸腾焙烧炉工艺特点及烟气特点分析

锌精矿鲁奇式沸腾焙烧炉工艺特点如下：1）炉床面积大,炉内热容量大且均匀，温差小，物料与空气接触的表面积大、反应速度快，传热、传质效率高；2）炉顶上部增加了扩大段，使得烟气流速和烟尘率降低，从而延长了烟气在炉内的停留时间，使烟气中的烟尘得到了充分焙烧。经充分焙烧，烟尘中的含硫量降低，提高了烟尘质量[1]。

沸腾炉烟气特点：1)正常工况下，鼓风量稳定，SO2烟气量均衡，烟气浓度平稳且相对较高；2)异常状况下，烟气量无法快速降低，烟气制酸系统需要花费较长时间进行接收处理。

1.2 艾萨炉工艺及烟气特点分析

艾萨炉炼铅属于富氧顶吹炼铅工艺，较传统粗铅冶炼工艺，具有以下特点[2]：1）对原料适应性强，不仅可以处理铅精矿，还可处理二次含铅物料和锌浸出渣，进行铅渣的烟化；2）采用氧气顶吹熔炼，其炉体密闭、漏风较少，烟气量大为减小，提高了烟气SO2体积分数，为实现两转两吸制酸工艺提供了条件；3）对入炉料的粒度、水分等要求不严格，备料过程简单，混合料制粒入炉后可显著减少被出炉烟气带走的粉尘量，从而降低烟尘率；4）顶吹炼铅设备系熔池熔炼，富氧空气从炉顶插入的喷枪送入熔池，熔炼强度及热利用率均较高。

艾萨炉炼铅的冶炼烟气从上升烟道排除，经余热锅炉降温，电收尘净化后送制酸[3]，其烟气特点如下[4]：1）烟气量周期性变化大，同步烟气浓度呈周期性高低变化；异常时应快速停炉，停止烟气输送。2）烟气含氮氧化物，在制酸系统转化换热器、风机叶轮等处易形成硝基盐类结晶，腐蚀硫酸系统设备。

1.3 熔化炉工艺及烟气特点分析

锌浸出渣熔化炉工艺特点：采用熔化炉作为危废处置和资源化利用一体化工艺装备处理锌浸渣，冶炼温度由通常的1 200℃提高在1 300～1 400℃范围内。综合后续的烟化炉贫化工序，吨渣实际标煤消耗比现有其他火法渣处理工艺的消耗量减少了30%～40%[4]。

熔化炉烟气特点：1)烟气周期性变化大，烟气浓度、烟气量波动均较大；2)烟气中氮氧化物含量高，致硫酸尾气呈淡黄色，氮氧化物在制酸系统转化热交换器中形成硝基盐类结晶，造成设备腐蚀；3)天然气燃烧过程中产生大量的水分，导致烟气含水量较大，在烟气输送管道、风机等处易形成冷凝酸。

3台冶金炉工艺及烟气特点对比见表2。

表2 3台冶金炉工艺及烟气特点对比

2 3套烟气制酸系统控制模式

为有效解决艾萨炉炼铅烟气的SO2浓度和烟气量波动大对铅系统制酸的制约问题，结合实际生产情况及设计特点，对3套制酸系统进行整体优化，具体措施如下：1）在硫酸铅、锌系统净化工段入口处设计1套串气系统。通过串气系统，一方面，可将沸腾炉焙烧硫化锌精矿连续产生的一部分SO2烟气送到铅系统进行生产，以实现铅系统的稳定生产；另一方面，在铅制酸系统因设备故障而无法接受烟气时，可以将艾萨炉的烟气送至锌制酸系统，使异常状况下的冶炼烟气能有组织地达标排放。采用计算机进行DCS系统调整控制，实现铅、锌冶炼烟气制酸两个系统间相互串气制酸的生产工艺，确保了整个制酸系统的连续稳定生产。2）熔化炉高温排烟机至净化的烟气管道上增设1根DN500管道至铅冶炼烟气净化入口，用于动态平衡熔化炉烟气量负荷。当熔化炉烟气量、烟气中烟尘的质量浓度增加时，可送一部分烟气至铅硫酸系统。3）锌冶炼烟气制酸气体冷却塔增加出口，将高浓度烟气送至熔化炉烟气制酸电除雾入口的管道。这样既能降低富氧焙烧后锌硫酸的负荷，又可作为熔化炉低浓度烟气的补充。4）烟化炉、还原炉低浓度SO2烟气经“氨酸法”吸收解析后，通过输送管道接至铅、锌硫酸净化气体冷却塔入口，可根据系统负荷情况动态调整。5）3个制酸系统尾气集中至同一根烟囱，烟囱前端设置有高效电除雾器，有效降低排口颗粒物及酸雾含量，同时最大程度地改善烟囱的可视效果。6）沸腾炉开炉烟气经二级洗涤，实现了开、停炉及正常生产时尾气的达标排放。7）在串气系统装置中装有电动调节阀，操作控制信号引入主控制室的DCS操作控制系统。通过对DCS系统的操作控制，可以实现艾萨炉冶炼、沸腾炉及熔化炉3个烟气制酸系统的相互串气生产。8）正常生产时烟气的组织模式：（1）锌制酸装置处理70%～90%的109 m2锌精矿沸腾焙烧炉烟气，另外10%～30%的沸腾焙烧炉烟气同步至熔化炉制酸装置生产；（2）铅制酸装置处理100%的艾萨炉冶炼烟气；（3）锌浸渣熔化炉制酸装置处理100%的熔化炉烟气，并配置10%～30%的高浓度沸腾焙烧炉烟气。

3炉烟气协同制酸工艺流程如图1所示。

图1 3炉烟气协同制酸工艺流程

正常工况下，通过以上控制模式，能稳定平衡好负荷分配，确保自身转化工艺的自热平衡，确保安全、环保的前提下高效运行，通过3个系统的制酸负荷合理分配，烟气压力系统平衡，完全满足3台冶金炉的所有正常生产的负荷要求，动态调整系统压力，确保制酸系统风机入口至冶金炉段为负压状态。

3 异常状态的互补控制模式

冶炼烟气制酸装置须具备持续接受3台冶金炉冶炼烟气，且处理后能达标排放的功能。制酸系统转化风机是系统的核心设备，为烟气流转提供动力。为避免风机异常跳闸时烟气无组织排放导致的环境污染，3套制酸装置中任一系统转化风机出现故障跳机时，3套系统可采取互补控制模式。1）当锌制酸转化风机异常跳机时，处置程序为：艾萨炉紧急停止加料；锌沸腾焙烧炉降负荷；锌浸渣熔化炉降负荷；打开锌、铅制酸系统串气阀门，调整锌系统净化气体冷却塔至熔化炉制酸系统阀门。2）当铅制酸转化风机异常跳停时，处置程序为：艾萨炉紧急停止加料；锌沸腾焙烧炉降负荷；锌浸渣熔化炉降负荷；打开锌、铅制酸系统串气阀门，开大锌系统净化气体冷却塔至熔化炉制酸系统阀门，开启铅系统净化入口至熔化炉烟气制酸系统阀门。3）当熔化炉制酸转化风机异常跳机时，处置程序为：艾萨炉紧急停炉；锌沸腾焙烧炉降负荷；锌浸渣熔化炉紧急停炉；打开熔化炉烟气至铅制酸系统净化入口阀门；同步开启锌、铅制酸系统的串气阀门以及锌系统净化气体冷却塔至熔化炉制酸系统阀门。铅系统处理一部分熔化炉烟气并串入锌高浓度烟气进行配气，剩下一部分烟气通过熔化炉硫酸净化后反串入锌系统稳定生产。

4 结语

以上3套制酸系统控制模式，是原铅、锌冶炼烟气制酸工艺及增加锌浸出渣熔化炉烟气制酸工艺优化升级的成功案例。铅锌冶炼烟气制酸生产技术的优化，有效解决了艾萨炉和熔化炉烟气制酸工艺波动大、生产不稳定的问题，维持了硫酸铅系统、熔化炉干吸工段的循环酸的浓度和温度，使尾气达标排放；同时，保持了转化系统的温度不变，降低生产能耗，节约生产成本。应用效果主要表现为：1）3个系统的作业率均得到提高，减少了单个系统因烟气不连续供给而造成的设备腐蚀及空转能耗；2）减少了对转化器内触媒中毒、结疤或粉化的不利影响，延长了触媒的使用寿命；3）减少转化工段升降温频率和外加热源的使用时间，降低了电耗，提高了电炉的使用寿命；4）实现了3套系统的连续生产；5）当其中1套制酸系统给转化器内增补催化剂时，可通过协同操作来实现新增催化剂的硫化饱和；6）当3个制酸系统之中任意一个系统关键设备发生异常故障时，烟气能串至另外的系统处理，避免了异常情况下因高浓度烟气无法达标排放而造成的环境污染。