孫晉琳，尹福興，汪國(guó)祥，裴增文，張映群，李 龍

（云南黃金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，云南昆明 650299）

硫酸用途廣泛，主要用于硫酸法生產(chǎn)鈦白粉、磷化工生產(chǎn)、新能源電池生產(chǎn)、化工冶金及建材等行業(yè)。含金硫鐵礦制酸及冶煉工序中，含金硫鐵礦通過(guò)沸騰爐氧化焙燒脫硫制酸，并使含金硫鐵礦的金、銀等金屬富集，焙燒渣再通過(guò)水洗—氰化—活性炭吸附—解析工序綜合回收金、銀，氰化渣制備球團(tuán)。某公司現(xiàn)有160 kt/a含金硫鐵礦制酸裝置，主要包括原料工序、焙燒工序、凈化工序、干吸工序和轉(zhuǎn)化工序。其中轉(zhuǎn)化工序在生產(chǎn)中未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及對(duì)物料平衡、熱平衡等進(jìn)行計(jì)算，針對(duì)相關(guān)問(wèn)題找出解決方案并進(jìn)行技術(shù)改造。

1 硫鐵礦制酸工藝流程

160 kt/a含金硫鐵礦沸騰焙燒制酸裝置生產(chǎn)工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 160 kt/a硫鐵礦沸騰焙燒制酸裝置生產(chǎn)工藝流程

硫鐵礦輸送到振動(dòng)篩篩分后，由皮帶輸送機(jī)送至焙燒加料斗，連續(xù)均勻地送至沸騰爐中焙燒，焙燒后的礦渣送至渣場(chǎng)。沸騰爐口約900 ℃的SO2爐氣經(jīng)過(guò)余熱鍋爐降溫至400 ℃左右，再進(jìn)入旋風(fēng)除塵器、電除塵器進(jìn)一步除塵后，爐氣溫度約350 ℃，塵(ρ)＜0.2 g/m3，轉(zhuǎn)入凈化工序。進(jìn)入動(dòng)力波洗滌塔，使用w(H2SO4)5%的稀硫酸對(duì)煙氣進(jìn)行洗滌，除去煙氣中部分As、F及塵，降溫洗滌至62 ℃左右，轉(zhuǎn)入填料塔繼續(xù)降溫除塵。經(jīng)填料塔降溫除塵后，凈化煙氣進(jìn)入電除霧器，除去煙氣中的硫酸霧。補(bǔ)進(jìn)空氣，控制φ(SO2)在8.5%左右，煙氣進(jìn)入干燥塔，將ρ(H2O)降至0.1 g/m3以下，再通過(guò)SO2主風(fēng)機(jī)，進(jìn)入轉(zhuǎn)化工序，先后經(jīng)過(guò)兩次轉(zhuǎn)化后分別通過(guò)一吸塔、二吸塔吸收其中的SO3，通過(guò)各自的循環(huán)酸槽進(jìn)行循環(huán)吸收噴淋后，成品硫酸至循環(huán)酸槽溢流口流入地下酸槽，打入成品酸庫(kù)儲(chǔ)存銷(xiāo)售，經(jīng)過(guò)二次吸收后的爐氣經(jīng)塔頂?shù)睦w維除霧器除霧后，通過(guò)60 m煙囪達(dá)標(biāo)排放。

1.1 轉(zhuǎn)化工序工藝流程

硫酸車(chē)間160 kt/a硫鐵礦制酸裝置轉(zhuǎn)化工序采用“3+2”二轉(zhuǎn)二吸流程，換熱為“ⅢⅠ-ⅤⅣⅡ”流程。凈化后的煙氣通入干燥塔干燥后，進(jìn)入SO2主風(fēng)機(jī)，升壓后，經(jīng)Ⅲa、Ⅲb和Ⅰ換熱器加熱至420 ℃左右進(jìn)入轉(zhuǎn)化器反應(yīng)，此為第一次轉(zhuǎn)化。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化器一、二、三段催化劑床層反應(yīng)后，一次轉(zhuǎn)化氣經(jīng)Ⅲa、Ⅲb換熱器冷卻后，送入一吸塔。經(jīng)過(guò)一吸塔的煙氣，再經(jīng)Ⅴ、Ⅳ、Ⅱ換熱器加熱及四段電加熱器補(bǔ)熱至約410 ℃，煙氣進(jìn)入轉(zhuǎn)化器四段、五段，進(jìn)行第二次轉(zhuǎn)化，總轉(zhuǎn)化率可達(dá)99.8%。煙氣經(jīng)Ⅴ換熱器冷卻后，送至二吸塔。為保障轉(zhuǎn)化系統(tǒng)升溫預(yù)熱，在轉(zhuǎn)化器一段、四段進(jìn)口處各加設(shè)電加熱器。布置相對(duì)應(yīng)的副線和閥門(mén)，以便于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化器各段溫度。

1.2 主要設(shè)備及參數(shù)

160 kt/a硫鐵礦制酸裝置轉(zhuǎn)化工序換熱器設(shè)計(jì)總換熱面積為2 734 m2，主要設(shè)備配置和主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1和表2。

表1 轉(zhuǎn)化工序主要設(shè)備配置

表2 轉(zhuǎn)化工序主要技術(shù)指標(biāo)

2 技改前情況分析

2.1 轉(zhuǎn)化工序生產(chǎn)情況

160 kt/ a硫鐵礦制酸裝置轉(zhuǎn)化工序技改前主鼓風(fēng)機(jī)、換熱器和轉(zhuǎn)化器操作工況分別見(jiàn)表3～5。

表3 主鼓風(fēng)機(jī)操作工況

表4 換熱器操作工況

表5 轉(zhuǎn)化器操作工況參數(shù)

2.2 問(wèn)題分析

由技術(shù)改造前實(shí)際操作及生產(chǎn)情況分析，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化工序存在如下問(wèn)題：

1）轉(zhuǎn)化催化劑使用時(shí)間過(guò)久，導(dǎo)致部分催化劑床層溫差、轉(zhuǎn)化率異常，且凈化煙氣溫度未達(dá)標(biāo)便進(jìn)入轉(zhuǎn)化工序，致使部分轉(zhuǎn)化反應(yīng)滯后。其中一段轉(zhuǎn)化率為63.96%，明顯低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)68%，未達(dá)到生產(chǎn)要求，二段轉(zhuǎn)化煙氣溫差偏小，需更換催化劑和檢查副線布置情況。

2）轉(zhuǎn)化器四段入口溫度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其二次冷SO2煙氣換熱升溫后溫度未達(dá)到操作要求，導(dǎo)致分段轉(zhuǎn)化率偏低，生產(chǎn)時(shí)需打開(kāi)四段入口電加熱器補(bǔ)熱升溫至操作要求溫度。

3）一吸塔、二吸塔的SO3煙氣溫度均偏高，需采用冷卻風(fēng)機(jī)和冷卻水泵降溫才能保持熱平衡，增加了吸收酸泵的冷卻負(fù)荷以及冷卻水量，致使其消耗電能、冷卻水量過(guò)多。

4）轉(zhuǎn)化設(shè)備及熱力管網(wǎng)的保溫采用石棉、硅藻土等材料，保溫效果較好，但吸水性較強(qiáng)，轉(zhuǎn)化設(shè)備露于室外，導(dǎo)致其防雨水滲透性差。

3 技術(shù)改造方案

3.1 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)催化劑更換

系統(tǒng)停車(chē)前分析轉(zhuǎn)化器各段的分層轉(zhuǎn)化率、各床層阻力，確定各床層催化劑的消耗情況。開(kāi)人孔，待轉(zhuǎn)化器內(nèi)部溫度自然冷卻到人工作業(yè)條件時(shí)，將催化劑卸出，清理轉(zhuǎn)化器爐管，將催化劑人工過(guò)篩，重新裝填新催化劑后測(cè)試壓降，保證工藝氣均勻分布到每根轉(zhuǎn)化管中，使轉(zhuǎn)化反應(yīng)達(dá)到更高的轉(zhuǎn)化率，力求降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)降本增效。

3.2 增設(shè)Ⅴb換熱器

根據(jù)實(shí)際工況對(duì)換熱器進(jìn)行工藝計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可見(jiàn)，通過(guò)相關(guān)工藝計(jì)算，原換熱器換熱面積不滿足生產(chǎn)要求，為使Ⅴ換熱器殼程二次氣溫度提升，同時(shí)降低去一吸塔出口SO3煙氣的溫度，增設(shè)Ⅴb換熱器，由去一吸塔出口SO3煙氣的旁路調(diào)控，設(shè)有電動(dòng)蝶閥。換熱器選用縮放管，換熱面積設(shè)計(jì)為900 m2，采用碳鋼材質(zhì)，支承結(jié)構(gòu)為空心環(huán)網(wǎng)板，對(duì)內(nèi)部各構(gòu)件及上下管箱進(jìn)行噴鋁處理，使其抗腐蝕性、抗高溫性、抗氧化性增強(qiáng)，縮放管需經(jīng)滲鋁處理，強(qiáng)化對(duì)流傳熱的效果[1-2]。

表6 “ⅢⅠ-ⅤⅣⅡ”換熱流程工藝計(jì)算結(jié)果

3.3 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的保溫措施

對(duì)轉(zhuǎn)化設(shè)備及熱力管網(wǎng)的保溫層進(jìn)行改造，使用CB690復(fù)合硅酸鹽板材及CB680復(fù)合硅酸鹽涂料混合作為主體保溫材料，該材料與石棉、硅藻土等材料相比，防雨水滲透性較好、造價(jià)低、安裝便捷、可塑性強(qiáng)、表面美觀大方，尤其是該混合材料導(dǎo)熱率低，保溫性好，密度小。轉(zhuǎn)化器保溫層厚度為200 mm，具體保溫措施見(jiàn)圖2。

圖2 轉(zhuǎn)化器保溫措施

保溫防水結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外依次為：復(fù)合硅酸鹽板材（厚40 mm），復(fù)合硅酸鹽涂料涂層（厚20 mm）、玻璃纖維布、灰磁漆、防水油膠（三道）、醇酸鉛粉磁漆（兩道）、鋁板（厚0.5 mm）、復(fù)合硅酸鹽毛氈（厚60 mm）、頂部加蓋15 mm的鐵皮。

4 技改后的運(yùn)行情況

對(duì)轉(zhuǎn)化工序進(jìn)行技術(shù)改造后，硫酸裝置正常運(yùn)行三個(gè)月時(shí)，主鼓風(fēng)機(jī)、換熱器和轉(zhuǎn)化器操作工況分別見(jiàn)表 7～9。

表7 主鼓風(fēng)機(jī)操作工況

表8 換熱器操作工況

表9 轉(zhuǎn)化器操作工況

由表7～9可見(jiàn)，對(duì)硫酸裝置轉(zhuǎn)化工序進(jìn)行技改，正常運(yùn)行三個(gè)月后轉(zhuǎn)化工序不僅實(shí)現(xiàn)了自熱平衡，且部分工藝操作參數(shù)得以?xún)?yōu)化和改善。煙氣流量由42 000 m3/h提升至46 000 m3/h，轉(zhuǎn)化設(shè)備保溫效果提高，防雨水滲透性效果顯著。一段轉(zhuǎn)化率由63.96%優(yōu)化至69.36%，二段轉(zhuǎn)化率由90.96%優(yōu)化至92.32%，三段轉(zhuǎn)化率由91.87%優(yōu)化至95.37%，四段轉(zhuǎn)化率由90.46%優(yōu)化至94.76%，五段轉(zhuǎn)化率由91.21%優(yōu)化至96.62%，轉(zhuǎn)化工序各轉(zhuǎn)化段轉(zhuǎn)化率得以提升。且SO3煙氣溫度逐步趨于穩(wěn)定，無(wú)需采用冷卻風(fēng)機(jī)和冷卻水泵降溫保持熱平衡，降低了總電耗（主要是冷卻水泵和冷卻風(fēng)機(jī)的電耗）及冷卻水量。

5 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)化工序是硫酸工業(yè)生產(chǎn)的核心，轉(zhuǎn)化工序的轉(zhuǎn)化率越高，則硫的利用率越高，對(duì)環(huán)境的污染越小。160 kt/a含金硫鐵礦制酸裝置采用“3+2”二轉(zhuǎn)二吸制酸工藝流程，轉(zhuǎn)化工序采用“ⅢⅠ-ⅤⅣⅡ”換熱流程，SO2煙氣由換熱器升溫后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器，通過(guò)催化劑V2O5催化氧化后轉(zhuǎn)化為SO3。換熱后的SO3煙氣通過(guò)余熱鍋爐，溫度下降至吸收要求，進(jìn)入吸收塔，生產(chǎn)成品硫酸。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)化工序進(jìn)行技術(shù)改造，增加換熱器換熱面積、更換轉(zhuǎn)化器催化劑、改善轉(zhuǎn)化設(shè)備保溫材料等措施，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化工序自熱平衡，提高了轉(zhuǎn)化工序的轉(zhuǎn)化率，進(jìn)而提高了硫資源利用率，使尾排SO2含量得到有效控制。