劉 琳，張建康，姚 強(qiáng)，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(jiǎn)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(guò)近30余年的連續(xù)發(fā)展，在“十三五”期間，硫酸實(shí)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(yùn)。上述3套硫酸裝置設(shè)計(jì)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(kuò)加速流縮放管管殼式換熱器（以下簡(jiǎn)稱高效氣體換熱器），生產(chǎn)運(yùn)行狀況較好。

1 高效氣體換熱器設(shè)計(jì)和運(yùn)行回顧

1.1 設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)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(jì)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(tái)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光管換熱器（Ⅲ、Ⅳ換熱器各2臺(tái)），其中Ⅳa換熱器低溫腐蝕堵塞較快，使用壽命一直沒有超過(guò)3年。2004年12月至2005年3月，陜西鋅業(yè)將原來(lái)的6臺(tái)換熱器改造為4臺(tái)高效氣體換熱器，由于高效氣體換熱器采用強(qiáng)化傳熱和專利制造技術(shù)，其傳熱系數(shù)設(shè)計(jì)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(diǎn)。同時(shí)拆除原12 m2流態(tài)化焙燒爐，在原址新建了1臺(tái)14 m2流態(tài)化焙燒爐[1]，技術(shù)改造后硫酸實(shí)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(tái)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(yùn)行提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

180 kt/a硫酸裝置于2009年6月建成投運(yùn)，至2022年3月底已經(jīng)累計(jì)生產(chǎn)工業(yè)濃硫酸2 362 774 t，累計(jì)運(yùn)行94 786 h，開車率91.38%。按照實(shí)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(jì)富裕系數(shù)為15%。該套裝置采用的4臺(tái)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，與華南理工大學(xué)鄧先和教授的研究設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)充分溝通、反復(fù)計(jì)算優(yōu)化后選定的設(shè)計(jì)方案[2]。近13年的生產(chǎn)實(shí)踐證明，這個(gè)設(shè)計(jì)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(tái)高效氣體換熱器。在建設(shè)設(shè)計(jì)初期，考慮到國(guó)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(wèn)題，陜西鋅業(yè)最終確定將Ⅳ換熱器“一分為二”，按2臺(tái)設(shè)計(jì)制造。陜西鋅業(yè)2014年10月建成投運(yùn)的85 kt/a硫酸裝置，至2022年3月底累計(jì)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(jī)待料共計(jì)4 946 h（約206 d）。2020年8月建成投運(yùn)的85 kt/a硫酸裝置，至2022年3月底累計(jì)生產(chǎn)硫酸141 884 t，正常生產(chǎn)13 985 h，開車率97.12%。按照實(shí)際產(chǎn)酸速率核算，這兩套85 kt/a硫酸裝置實(shí)際產(chǎn)能偏小，硫酸實(shí)際產(chǎn)量?jī)H達(dá)到設(shè)計(jì)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(jì)面積見表1。

表1 轉(zhuǎn)化工序高效氣體換熱器設(shè)計(jì)面積

1.2 運(yùn)行維護(hù)情況

硫酸生產(chǎn)實(shí)踐表明，在設(shè)計(jì)、建設(shè)科學(xué)合理的前提下，通過(guò)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(yùn)行維護(hù)的關(guān)鍵。陜西鋅業(yè)現(xiàn)有硫酸裝置的實(shí)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(duì)較好，存在的問(wèn)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(wèn)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(duì)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(zhǎng)。Ⅰ換熱器和Ⅱ換熱器共6臺(tái)，多年來(lái)均使用正常，僅于2015年和2018年分別對(duì)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(duì)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(tái)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(wèn)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(xiàng)目，專門處理濕法煉鋅過(guò)程中產(chǎn)出的各類廢渣。來(lái)自該項(xiàng)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(jì)值和實(shí)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(jì)值

表4 實(shí)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(dòng)較大，成分復(fù)雜多變，且沸騰爐頻繁降負(fù)荷運(yùn)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(diǎn)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(shí)停車機(jī)會(huì)對(duì)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(duì)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(shí)4天，檢修情況如下：

1）檢查、清洗Ⅲ換熱器，對(duì)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(duì)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(bǔ)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(yùn)行參數(shù)對(duì)比見表5。

表5 檢修前后Ⅲ、Ⅳ換熱器運(yùn)行參數(shù)對(duì)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(yùn)行參數(shù)明顯好轉(zhuǎn)，Ⅲ換熱器的殼程和管程實(shí)際總壓降低于設(shè)計(jì)值3.72 kPa，傳熱溫差之和低于設(shè)計(jì)值589 ℃；Ⅳ換熱器的殼程和管程實(shí)際總壓降低于設(shè)計(jì)值3.53 kPa，傳熱溫差之和低于設(shè)計(jì)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(jī)導(dǎo)葉開度由70%～80%下降到47%～50%，風(fēng)機(jī)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(jī)導(dǎo)葉開度從47%～50%增大到70%～80%，運(yùn)行電流從100～106 A升高到127～133 A，鋅焙砂實(shí)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(xiàng)目對(duì)現(xiàn)有硫酸和鋅冶煉系統(tǒng)的干擾，經(jīng)過(guò)充分調(diào)研論證后，陜西鋅業(yè)2022年4月已經(jīng)啟動(dòng)爐窯煙氣集中深度治理項(xiàng)目設(shè)計(jì)建設(shè)，計(jì)劃于2022年10月建成投運(yùn)。

3 結(jié)語(yǔ)

雖然目前3套硫酸裝置的14臺(tái)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(guò)程關(guān)鍵中控指標(biāo)的操作管理上繼續(xù)加強(qiáng)管控，尤其要加強(qiáng)氟、砷、塵等頻繁波動(dòng)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(yàn)和最新科研成果，結(jié)合企業(yè)實(shí)際，全面妥善地做好高效氣體換熱器的更新改造工作，為實(shí)現(xiàn)“十四五”規(guī)劃既定目標(biāo)和長(zhǎng)期穩(wěn)定健康發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)。