朱 江，周 尚，李雪瓊

（楚雄滇中有色金屬有限責(zé)任公司，云南楚雄675000）

楚雄滇中有色金屬有限責(zé)任公司（以下簡稱滇中有色）是火法銅冶煉企業(yè)，銅冶煉采用艾薩爐富氧頂吹熔煉—PS轉(zhuǎn)爐吹煉—陽極爐精煉工藝，礦產(chǎn)陽極銅產(chǎn)能 120 kt/a。450 kt/a硫酸系統(tǒng)是配套陽極銅冶煉系統(tǒng)的煙氣處理裝置，負責(zé)處理艾薩爐、轉(zhuǎn)爐、電爐、陽極爐的工藝混合煙氣生產(chǎn)工業(yè)硫酸。硫酸系統(tǒng)于2017年6月15日建成并投入使用。制酸凈化工序采用高效洗滌、密閉酸洗、絕熱蒸發(fā)流程，利用稀酸板式換熱器移走系統(tǒng)熱量，具體流程為一級高效洗滌器—氣體冷卻塔—二級高效洗滌器—一級導(dǎo)電玻璃鋼電除霧器—二級導(dǎo)電玻璃鋼電除霧器。干吸工序采用低位、高效、泵后冷卻流程，循環(huán)酸系統(tǒng)按塔—循環(huán)槽—循環(huán)泵—陽極保護酸冷卻器—塔進行循環(huán)。轉(zhuǎn)化工序采用了“3+1”、ⅢⅠ-ⅣⅡ兩次轉(zhuǎn)化換熱流程[1]。

450 kt/a 硫酸系統(tǒng)是按平均處理氣量 140 000 m3/h、φ(SO2)為10.24%進行設(shè)計建設(shè)。2019年以來，隨著熔煉產(chǎn)能的逐步提升，硫酸系統(tǒng)已滿負荷生產(chǎn)，處理氣量約 135 000 m3/h、φ(SO2)為 9.5%～10.5%，2019年完成硫酸產(chǎn)量482.7 kt，已達到設(shè)計能力。根據(jù)滇中有色生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)劃，前端配套的銅冶煉系統(tǒng)擬在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提升產(chǎn)能25%左右，提產(chǎn)后預(yù)計煙氣量會增加到140 000 m3/h左右，煙氣φ(SO2)約為13.0%，現(xiàn)有硫酸系統(tǒng)適應(yīng)提升產(chǎn)能的空間較小，將會是影響滇中有色提高冶煉產(chǎn)能的瓶頸，需要對現(xiàn)有硫酸裝置升級改造。

1 項目建設(shè)必要性

前端配套的銅冶煉系統(tǒng)產(chǎn)能提升25%左右，預(yù)計煙氣會增加至140 000 m3/h左右，煙氣φ(SO2)約為13.0%。經(jīng)核算，按現(xiàn)有硫酸系統(tǒng)運行工況，轉(zhuǎn)化器一段出口溫度長期處于620 ℃以上，催化劑層間溫度長期處于630 ℃以上，催化劑長期在耐熱極限溫度以上使用會使催化劑活性快速衰減，從而影響轉(zhuǎn)化率及催化劑的使用壽命。為保護催化劑需轉(zhuǎn)爐頻繁搖爐降負荷維持生產(chǎn)，這樣會給生產(chǎn)的連續(xù)性及提產(chǎn)帶來較大影響。若能將一定量的煙氣進行預(yù)轉(zhuǎn)化處理，剩余的氣體再與主系統(tǒng)煙氣匯合進入現(xiàn)有轉(zhuǎn)化系統(tǒng)（主轉(zhuǎn)化器），可將進入主轉(zhuǎn)化器的φ(SO2)降至9.5%～10.0%，接近現(xiàn)有的生產(chǎn)工況，既滿足了轉(zhuǎn)化的生產(chǎn)條件，又實現(xiàn)了提產(chǎn)需求。

熔煉提產(chǎn)后煙氣φ(SO2)會升至13.0%左右，經(jīng)核算，預(yù)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)還有富余熱量，若增加余熱鍋爐回收余熱可產(chǎn)出0.8 MPa、175 ℃低壓飽和蒸汽約6 t/h，可用作現(xiàn)有固銨工序硫酸銨蒸發(fā)結(jié)晶熱源或其他用途，降低能耗。

從滇中有色生產(chǎn)實際出發(fā)，建設(shè)預(yù)轉(zhuǎn)化項目是很有必要的。

2 技術(shù)方案選擇

為適應(yīng)礦銅產(chǎn)能提升后的硫酸煙氣SO2濃度上升的新工況，保證轉(zhuǎn)化器的安全穩(wěn)定運行，結(jié)合當(dāng)前成熟工藝，技術(shù)改造工藝方案可考慮LUREC工藝、孟莫克預(yù)轉(zhuǎn)化工藝、預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收工藝等。

2.1 芬蘭OUTOTEC公司LUREC工藝

芬蘭OUTOTEC公司LUREC工藝是將經(jīng)轉(zhuǎn)化器一段、二段、三段床層轉(zhuǎn)化后部分煙氣用高溫風(fēng)機送至轉(zhuǎn)化器一段床層進行再循環(huán)，以降低進入轉(zhuǎn)化器一段床層入口煙氣SO2濃度，從而達到控制轉(zhuǎn)化器一段床層煙氣出口溫度的目的。該工藝可適應(yīng)進轉(zhuǎn)化煙氣φ(SO2)可達18%左右[2]。但該工藝需要配置1臺高溫風(fēng)機，這對設(shè)備的穩(wěn)定性能有更高的要求，風(fēng)機設(shè)備投資較大。同時，該工藝用于降低轉(zhuǎn)化器一段床層入口煙氣的SO2濃度的煙氣（三段床層轉(zhuǎn)化后的部分煙氣）含有較高濃度的SO3。這部分煙氣與主煙氣混合后將改變現(xiàn)有轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的煙氣入口條件，這將導(dǎo)致現(xiàn)有轉(zhuǎn)化器各層轉(zhuǎn)化率和溫度發(fā)生變化，從而引起整個轉(zhuǎn)化系統(tǒng)催化劑裝填方案和各換熱器面積的調(diào)整，改造工作量較大，所需的工期較長，且涉及到高昂的專利使用費，對企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)經(jīng)營影響甚大。因此，綜合分析該項目技術(shù)改造不適宜采用LUREC工藝。

2.2 孟莫克預(yù)轉(zhuǎn)化工藝

孟莫克預(yù)轉(zhuǎn)化工藝是預(yù)轉(zhuǎn)化器+傳統(tǒng)“3+1”4段轉(zhuǎn)化器的二轉(zhuǎn)二吸工藝，其實質(zhì)是將一小部分高濃度的SO2煙氣稀釋到φ(SO2)12%左右進行預(yù)轉(zhuǎn)化，再與未預(yù)轉(zhuǎn)化的煙氣混合降低進入主轉(zhuǎn)化器一段的SO2濃度，從而達到控制一段出口溫度的目的[3]。該工藝一般需要1臺空氣干燥塔和1臺空氣干燥風(fēng)機。與LUREC工藝相似，因預(yù)轉(zhuǎn)化后沒有進行預(yù)吸收，預(yù)轉(zhuǎn)化后的煙氣含有較高的SO3濃度，這部分煙氣與主煙氣混合后將改變現(xiàn)有轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的煙氣入口條件。這也將導(dǎo)致現(xiàn)有轉(zhuǎn)化器各段轉(zhuǎn)化率和溫度發(fā)生變化，從而引起整個轉(zhuǎn)化裝置催化劑裝填方案和各換熱器面積的調(diào)整，改造工作量較大，所需的工期較長，且涉及到高昂的專利使用費，對企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)經(jīng)營影響較大。

此外，對該項目而言還存在因礦銅冶煉提產(chǎn)，硫酸系統(tǒng)總硫量增加，致使進入現(xiàn)有干吸工序一吸塔的SO3量有較大增加，從而引起一吸塔熱負荷有較大增加。經(jīng)工藝核算，現(xiàn)有干吸工序一吸塔循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)泵流量、酸冷卻器換熱面積、一吸塔分酸器、濃酸管道等規(guī)格均偏小，無法滿足礦銅冶煉提產(chǎn)后的生產(chǎn)要求。若對這些設(shè)備進行技術(shù)改造，需要增加1臺循環(huán)泵、1臺酸冷卻器、1套分酸器及對現(xiàn)有一吸塔系統(tǒng)濃酸管道進行重新更換，這同樣面臨改造工作量較大、現(xiàn)有場地有限實施難度大的問題。因此，綜合分析該項目技術(shù)改造也不適宜采用孟莫克預(yù)轉(zhuǎn)化工藝。

2.3 預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收工藝

預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收工藝是預(yù)轉(zhuǎn)化器+傳統(tǒng)“3+1”4段轉(zhuǎn)化器的二轉(zhuǎn)二吸工藝，其實質(zhì)是將主轉(zhuǎn)化風(fēng)機出口部分煙氣先進行預(yù)轉(zhuǎn)化、預(yù)吸收，再與未預(yù)轉(zhuǎn)化的煙氣混合降低進入轉(zhuǎn)化器一段的SO2濃度，從而達到控制一層出口溫度的目的[4]。該工藝相對主轉(zhuǎn)化器和干吸系統(tǒng)較為獨立，對現(xiàn)有硫酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化、干吸系統(tǒng)基本沒有影響，無需對其進行改造，可在預(yù)轉(zhuǎn)化、預(yù)吸收系統(tǒng)實施后再與主系統(tǒng)對接，不影響企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)。同時，該工藝的實施能提高硫酸系統(tǒng)對冶煉煙氣波動的適應(yīng)性。在冶煉煙氣SO2濃度低時，可讓大部分煙氣進入現(xiàn)有主轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，而當(dāng)冶煉煙氣SO2濃度高時從主煙氣分出部分煙氣進行預(yù)轉(zhuǎn)化、預(yù)吸收系統(tǒng)。

經(jīng)不同工藝方案對比分析，滇中有色硫酸系統(tǒng)的技術(shù)改造適合選擇預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收工藝。

3 預(yù)轉(zhuǎn)化器設(shè)計

3.1 預(yù)轉(zhuǎn)化設(shè)計條件及原則

以硫酸系統(tǒng) SO2風(fēng)機出口煙氣量 143 000 m3/h、φ(SO2)為13.06% 為前提進行預(yù)轉(zhuǎn)化器的設(shè)計，煙氣條件見表1。

表1 SO2風(fēng)機出口煙氣量及組分

以進主轉(zhuǎn)化器一段進口煙氣φ(SO2)維持在9.5%左右確定進入預(yù)轉(zhuǎn)化器煙氣量為設(shè)計原則。

3.2 預(yù)轉(zhuǎn)化器段數(shù)選擇

以滇中有色現(xiàn)有常用的國產(chǎn)釩催化劑為基礎(chǔ)，預(yù)轉(zhuǎn)化器選用一段或二段配置，其進入預(yù)轉(zhuǎn)化器的氣量分配、轉(zhuǎn)化率對比見表2。

表2 不同層數(shù)預(yù)轉(zhuǎn)化器氣量分配和轉(zhuǎn)化率對比

預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收系統(tǒng)設(shè)備選型對比見表3。

表3 預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收系統(tǒng)設(shè)備選型對比

若預(yù)轉(zhuǎn)化器按一段配置，進入預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收系統(tǒng)的煙氣量約為 85 800 m3/h，煙氣φ(SO2)約為13%。為保證預(yù)轉(zhuǎn)化器出口煙氣溫度小于600 ℃，預(yù)轉(zhuǎn)化率只能維持在52.5%左右。此時，預(yù)轉(zhuǎn)化率離對應(yīng)煙氣條件下的平衡轉(zhuǎn)化率73%較遠，處于遠離平衡轉(zhuǎn)化率的生產(chǎn)狀態(tài)。氣體在預(yù)轉(zhuǎn)化器中容易發(fā)生流動偏析，引起預(yù)轉(zhuǎn)化器圓周方向上較大的溫度偏差，局部溫度可能達到620 ℃，從而影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性和催化劑的使用壽命。另外，當(dāng)煙氣SO2濃度發(fā)生波動時，操作控制彈性空間較小。

若預(yù)轉(zhuǎn)化器按二段配置，為保證預(yù)轉(zhuǎn)化器一段溫度不高于600 ℃，總轉(zhuǎn)化率按75%綜合考慮，進入預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收系統(tǒng)的煙氣量約為58 000 m3/h，此時，預(yù)轉(zhuǎn)化率離對應(yīng)煙氣條件下的平衡轉(zhuǎn)化率73%較近，處于較為適宜的設(shè)計范圍。預(yù)轉(zhuǎn)化器中各點溫度也較為均衡，有利于生產(chǎn)的長久穩(wěn)定。另外，當(dāng)煙氣SO2濃度發(fā)生波動尤其是SO2濃度上升時，操作控制彈性空間較大。

預(yù)轉(zhuǎn)化器二段配置與一段配置相比，因分配氣量較小，增壓風(fēng)機流量、轉(zhuǎn)化器直徑、電爐尺寸、預(yù)吸收塔直徑、循環(huán)泵流量等均相對較小，這些設(shè)備投資費用要少些；但換熱器需多增加1臺，費用增加。2種配置催化劑裝填量及余熱鍋爐選型相當(dāng)，經(jīng)對比2種配置投資費用基本相當(dāng)。

經(jīng)過上述綜合對比，最終選擇按二段催化劑床層配置預(yù)轉(zhuǎn)化器。

4 預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收工藝流程及特點

現(xiàn)有SO2主風(fēng)機出口引出的一部分SO2煙氣經(jīng)增壓風(fēng)機加壓后，依次通過2#預(yù)換熱器和1#預(yù)換熱器換熱升溫，與預(yù)轉(zhuǎn)化器二段和一段催化劑層出來的熱SO3煙氣進行換熱。冷煙氣被加熱到約415℃左右進入預(yù)轉(zhuǎn)化器一段催化劑層，催化氧化后的轉(zhuǎn)化氣進入1#預(yù)換熱器，換熱降溫后進入預(yù)轉(zhuǎn)化器二段催化劑層，經(jīng)催化氧化后的大部分SO2轉(zhuǎn)化為SO3。二次轉(zhuǎn)化氣經(jīng)2#預(yù)換熱器換熱冷卻及余熱鍋爐降溫至 180 ℃左右進入預(yù)吸收塔。在預(yù)吸收塔內(nèi)用w(H2SO4)98%硫酸吸收SO3，預(yù)吸收塔出來的SO2氣體再次回到SO2主風(fēng)機出口管（Ⅲ換熱器入口），與原煙氣混合后進入主轉(zhuǎn)化器一段繼續(xù)反應(yīng)。

預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收工藝流程見圖1。

圖1 預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收工藝流程示意

預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收工藝具有以下特點[5]：

1）預(yù)轉(zhuǎn)化對轉(zhuǎn)化率和設(shè)備要求不高，可選用常規(guī)的國產(chǎn)催化劑及常規(guī)的制酸設(shè)備。

2）操作彈性大，適應(yīng)煙氣流量和SO2濃度波動能力強。相當(dāng)于硫酸系統(tǒng)多了一個生產(chǎn)負荷調(diào)節(jié)手段，在保證主轉(zhuǎn)化器穩(wěn)定的前提下，根據(jù)主轉(zhuǎn)化器入口煙氣量及SO2濃度的變化，進預(yù)轉(zhuǎn)化器氣量可以在總氣量的0～42%、預(yù)轉(zhuǎn)化率在0～95%靈活調(diào)整。

3）原有硫酸系統(tǒng)不需要做任何改造，只需單獨增加預(yù)轉(zhuǎn)化器、預(yù)吸收塔及相應(yīng)配套設(shè)施，與主系統(tǒng)的搭接僅為主風(fēng)機出口引出、主轉(zhuǎn)化器入口引入2個接口，整個改造均在不影響主系統(tǒng)生產(chǎn)的情況下完成，停產(chǎn)搭接時間較短。

5 裝置運行情況

滇中有色預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收系統(tǒng)投產(chǎn)后已穩(wěn)定運行1年時間，狀態(tài)良好，各項指標(biāo)達到設(shè)計要求，預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收系統(tǒng)運行參數(shù)見表4。

表4 預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收系統(tǒng)運行參數(shù)

滇中有色預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收系統(tǒng)投產(chǎn)后產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益：

1）增加硫酸產(chǎn)量創(chuàng)效。增加預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收裝置后，熔煉艾薩爐下料量可從原來約80 t/h提升到約100 t/h，下料量增加了20 t/h。以入爐w(S)22%、全年生產(chǎn)時間 330 d 計，全年可多產(chǎn)硫酸 106 500 t。當(dāng)前狀態(tài)下除去硫酸的完全成本，利潤按0.02萬元 /t計，全年可創(chuàng)效 106 500×0.02=2 130萬元。

2）多產(chǎn)蒸汽創(chuàng)效。在當(dāng)前負荷條件下，余熱鍋爐投用后蒸汽產(chǎn)量平均5 t/h，用作固銨工序硫酸銨蒸發(fā)結(jié)晶熱源，同等條件下減少了艾薩爐余熱鍋爐對固銨工序供汽量，送余熱發(fā)電站蒸汽量增加5 t/h。按照 1 t/h 蒸汽可發(fā)電 150 kWh/h 核算，每月余熱發(fā)電站可多發(fā)電量為3 600×150=5.4×105kWh，扣除余熱發(fā)電生產(chǎn)成本后電價0.35元/kWh，全年生產(chǎn)時間按11個月計，全年可創(chuàng)效207.9萬元。

3）回收蒸汽冷凝水創(chuàng)效。余熱發(fā)電1 t蒸汽可回收冷凝水0.9 m3，每月余熱發(fā)電站可多回收冷凝水量為 3 600×0.9=3 240 m3。實際生產(chǎn)中軟水生產(chǎn)成本為15元/m3，生產(chǎn)水價格為3.5元/m3，原來加熱硫酸銨用一次蒸汽冷凝水當(dāng)作生產(chǎn)水使用，現(xiàn)在余熱發(fā)電站回收的蒸汽冷凝水作為軟水使用。全年生產(chǎn)時間按11個月計，全年回收蒸汽冷凝水用作軟水可節(jié)約費用40.98萬元。

滇中有色預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收系統(tǒng)投產(chǎn)后每年可創(chuàng)效2 378.88萬元，一年便可回收投資成本。后期隨著前端熔煉生產(chǎn)負荷的提升，硫酸產(chǎn)量、蒸汽產(chǎn)量也隨之提升，創(chuàng)效將更為顯著。

6 結(jié)語

目前國內(nèi)有色金屬冶煉行業(yè)高濃度SO2轉(zhuǎn)化技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，滇中有色采用預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收+常規(guī)“3+1”二轉(zhuǎn)二吸工藝解決了前端銅冶煉產(chǎn)能提升導(dǎo)致的后端硫酸系統(tǒng)不匹配問題。實際生產(chǎn)中預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收系統(tǒng)操作簡單，對整個硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)負荷的調(diào)節(jié)適應(yīng)性較強。在硫酸裝置現(xiàn)有條件下，熔煉提產(chǎn)能后煙氣量增幅不大而SO2濃度增加較多的情況下，增加預(yù)轉(zhuǎn)化預(yù)吸收系統(tǒng)是提升硫酸產(chǎn)能較為可行的改造方案。