第二章金川冶煉煙氣制酸中低溫位余熱的回收研究

1、第二章金川冶煉煙氣制酸中低溫位余熱的回收研究21冶煉煙氣制酸現(xiàn)狀有色金屬、貴金屬的冶煉過程中，礦石中的硫化物會進入冶煉煙氣，其中S02含量為3-,13的煙氣，其制酸己經有了大規(guī)模工業(yè)化應用。由于我國有色金屬冶煉生產選用多種冶煉工藝技術，因此煙氣中S02含量及雜質不同，隨之形成了多種形式的煙氣制酸工藝。其差別主要體現(xiàn)在凈化工序上，如常見的水洗流程、熱硫酸洗流程、稀酸洗流程及干法凈化流程。目前，我國冶煉煙氣制酸工藝主要有下列幾種【l】：(1干法凈化冷凝成酸工藝目前該工藝在有色金屬冶煉煙氣制酸行業(yè)基本不被采用；(2一轉一吸工藝該法在生產中利用有限：(3稀酸洗凈化兩轉兩吸工藝這是目前廣泛采用的制酸方法

2、。從今后發(fā)展來看，兩轉兩吸工藝制酸將逐漸取代上兩種制酸工藝，該法不但硫利用率高且產品質量好，最重要的是尾氣S02含量降低到lOOppm或50ppm以下。(4非穩(wěn)態(tài)轉化法制酸該法主要針對一些中小型冶煉廠的低濃度冶煉煙氣處理而設計。該技術具有操作簡單，設備投資少等優(yōu)勢。近年來該技術在我國低濃度冶煉煙氣制酸中不斷贏得市場。由于現(xiàn)代大型冶煉廠的冶煉煙氣中S02濃度大幅提高，實現(xiàn)常規(guī)制酸技術成為可能。制酸裝置不斷向大型化、工藝多樣化方面發(fā)展。目前大中型企業(yè)的高濃度S02煙氣，大多采用雙接觸“兩轉兩吸制酸工藝，該工藝產品酸濃度大于98，尾氣達標排放。目前該制酸工藝技術在國內有比較成熟的運行模式。煙氣制酸工

3、業(yè)的新發(fā)展主要表現(xiàn)在【2】：煙氣制酸產量的增長、規(guī)模大型化、新工藝、新技術、與先進的設備、新材料及熱能的回收等方面。211煙氣制酸產量的增長冶煉煙氣制酸具有運行成本低，與其它方式制酸相比有明顯價格優(yōu)勢等特點，隨著工藝技術不斷成熟，其產品酸的品質也不斷提高。通常的“兩轉兩吸"制酸工藝得到的產品酸，完全達到了市場要求。近幾十年來，有色金屬冶煉煙氣制酸在全國硫酸行業(yè)中的地位逐漸凸顯出來，特別是“十五"期間，冶煉煙氣制酸取得了很大進展，酸產量平均每年遞增約1000 kt， “十五"期間煙氣制酸產量圖2一l；2003年我國冶煉煙氣制酸在各種制酸原料中所占比例約為22，到20

4、12年，估計其還會大幅提高【1。3】。我國冶煉煙氣制酸的產量大、質量有保證、有很強市場的競爭優(yōu)勢。圖2-1“十五”期間煙氣制酸產量圖2005年我國冶煉煙氣制酸總產量【21 9810 kt，其中主要的12家制酸企業(yè)見表21。該12家企業(yè)制酸的總年產量5840kt，占該年總產量的一半以上。表2-1 2005年蕕國煙氣制酸產貢排名前12位的企業(yè)212裝置大型化如今大型冶煉廠均采用了先進冶煉技術，使得冶煉煙氣制酸采用常規(guī)的冶煉煙氣制酸工藝大規(guī)模低成本運行成為可能【1捌。制酸裝置不斷向大型化發(fā)展，在銅、鎳冶煉煙氣制酸行業(yè)尤為突出。金川公司2005年投產53萬噸硫酸裝置，其單系列產酸年產量超過600 kt

5、。我國最早采用閃速熔煉技術的企業(yè)，如江西銅業(yè)集團公司，其冶煉煙氣制酸年產量超過1000kta規(guī)模，單系列酸年產量達到600 kt。大冶有色金屬公司新建煙氣制酸的四系列，其年產量達到400 kt。213新設備、新材料設備的現(xiàn)代化和新材料是近些年來冶煉煙氣制酸裝置發(fā)展的特征之一，這也是滿足冶金企業(yè)的環(huán)境污染治理要求的關鍵有效方法。現(xiàn)代冶煉煙氣制酸工藝設備的新改進開發(fā)包拼M】：全結構玻璃鋼洗滌器、導電玻璃鋼電除霧器、氣液并流的石墨拱頂空塔、塔槽聯(lián)體結構的干吸塔、大開孔率全瓷球拱或瓷條梁干吸塔、管式及槽管式分酸器、帶滑動底座的不銹鋼轉化器、高效換熱器等設備。最近幾年，為了裝置安全、平穩(wěn)運行和環(huán)境排放達

6、標，我國一些制酸企業(yè)還采用了國外先進的技術及設備【2】，如孟莫克的動力波洗滌設備的部件，托普索的WSA濕法制酸工藝的主要設備，加拿大凱密迪、德國奧托昆普的全不銹鋼內置換熱轉化器，美國孟莫克的槽管式分酸器及纖維除霧器，美國路易斯的濃硫酸泵，德國KK&K、美國通用的s02風機，孟莫克和托普索的催化劑等。214煙氣制酸新工藝、新技術近些年，冶煉煙氣制酸中的技術革新主要體現(xiàn)在【21：高濃度s02煙氣轉化、低濃度S02煙氣處理、煙氣網(wǎng)絡配置技術及余熱的利用等。1高濃度轉化由于采用更先進的冶煉技術和設備，冶煉企業(yè)獲得S02濃度更高更有回收價值的冶煉煙氣。目前國內有很多冶煉廠的煙氣S02濃度都超過了

7、20，使采用常規(guī)制酸技術進行煙氣回收很有必要。國外已經積累了對于高濃度冶煉煙氣的處理初工業(yè)化經驗，其新的技術點主要有【2】：耐高溫或低起燃溫度催化劑、多段轉化工藝、空氣冷激式、預轉化工藝、工業(yè)氧稀釋、返回部分轉化氣等工藝方法。由于使用傳統(tǒng)制酸技術處理高濃度S02冶煉煙氣，其工藝流程同樣伴隨大量廢熱產生，因此在轉化工段、吸收段可采用先進中低溫位用余熱回收技術利用廢熱，降低運行成本提高經濟效益。國內的山東陽谷祥光銅業(yè)有限公司引進的奧托昆普的LURECTM制酸系統(tǒng)，該系統(tǒng)是專門用于高濃度S02冶煉煙氣的處理的煙氣制酸工藝成功典范。該工藝的機理很簡單在于通過調節(jié)S03循環(huán)倍率可有效控制的轉化器一段的出

8、121煙氣溫度，因此該工藝能夠處理較寬范圍濃度S02冶煉煙氣。實踐證明該制酸系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)稀釋制酸工藝投資少裝置運行成本不高。2低濃度煙氣處理主要來自采用傳統(tǒng)冶煉方法冶煉鉛、鉬、銅等冶煉系統(tǒng)，對這些煙氣處理方法和副產品種類很多。其制酸生產系統(tǒng)主要有：接觸法、WSA濕法制酸、非穩(wěn)態(tài)轉化法等。其它硫產品包括硫磺、液體S02、硫酸銨和石膏等。3冶煉煙氣網(wǎng)絡配置技術金川集團有限公司冶煉爐種類多，冶煉系統(tǒng)常常存在著部分爐窯煙氣因為S02含量低而無法進入制酸系統(tǒng)的問題，故其先前S02冶煉煙氣污染情況很嚴重。為滿足我國企業(yè)環(huán)保要求，冶煉廠就必需加強治理冶煉低濃度S02煙氣，把高、低濃度不同的煙氣做到最大限有

9、效利用。針對該廠的實際狀況，金川公司投入大量資金和技術著手解決對低濃度S02煙氣污染問題，經過一系列的自主研發(fā)和集成創(chuàng)新，在改造原有“三、一干線"等煙氣管網(wǎng)的基礎上，形成了現(xiàn)在的煙氣網(wǎng)絡配置技術14，即集中現(xiàn)有制酸裝置的冶煉煙氣，形成了目前包括5個制酸系統(tǒng)在內的130萬噸硫酸生產系統(tǒng)和15萬噸亞硫酸鈉生產系統(tǒng)的配氣系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)冶煉煙氣實現(xiàn)了網(wǎng)絡化配置，使冶煉廠的各個爐窯之間的煙氣有效結合，解決了金川19臺爐窯的煙氣調配與低濃度S02煙氣治理的難題，使冶煉和制酸兩個系統(tǒng)在生產、檢修時更靈活機動。煙氣網(wǎng)絡配置技術，把冶煉硫酸廠的冶煉爐不同濃度、不同氣量的冶煉煙氣形成網(wǎng)絡進行統(tǒng)一調配的

10、方式，提供濃度穩(wěn)定的s02煙氣，保證制酸系統(tǒng)正常運行，實現(xiàn)各種冶煉煙氣綜合利用。據(jù)悉，該網(wǎng)絡配氣技術在煙氣制酸行業(yè)尚屬世界首創(chuàng)。該技術通常適用于那些冶煉爐與酸系統(tǒng)復雜、冶煉煙氣S02濃度多樣的大型冶煉廠，實現(xiàn)了經濟效益和社會效益的雙贏。22課題的提出及研究內容221金川冶煉煙氣制酸系統(tǒng)簡介金川集團有限公司(以下簡稱金川公司地處甘肅河西走廊中部金昌市，而金昌市是我國的鎳鈷工業(yè)基地【5】，其鎳產量占全國總產量80以上，因此又被譽為中國鎳都。金川公司化工廠作為公司主流程中一個重要的環(huán)節(jié)，肩負金川地區(qū)大氣污染防治的主要責任，同時生產硫酸、亞硫酸鈉等一系列脫硫產品。近年來，隨著金川公司有色金屬冶煉技術的

11、迅速發(fā)展以及冶煉規(guī)模的不斷擴大，其配套的煙氣制酸也獲得進一步發(fā)展，產品酸產量每年遞增。從2000年開始，公司先后在化工廠投入了十多億元，用于冶煉煙氣處理項目建設。在2000年,-,2002年兩年間，該公司先后對化工廠的I硫酸系統(tǒng)和硫酸系統(tǒng)進行了復產改造【5捌，使冶煉一期轉爐排放的S02煙氣得到了有效治理。為了解決硫酸產品生產與銷售的難題，2001年該公司投資新建成了4個硫酸儲存庫和購置了200臺鐵路槽車，從而實現(xiàn)了制酸裝置的滿負荷生產。同時2001年2003年兩年間該公司對其亞硫酸鈉生產系統(tǒng)進行了擴建，形成了年產12kt亞硫酸鈉的規(guī)模，冶煉轉爐煙氣得到進一步治理。2004年公司投資建成53萬噸

12、冶煉煙氣制酬4IT程，該項目的建成投產把金川公司硫資源的利用率提高到9875以上，使冶煉銅合成爐產生的S02冶煉煙氣從此得到根治。緊接著與富氧頂吹鎳熔煉項目配套70萬噸硫酸工程也在2008年建成，該裝置的S02煙氣年處理量達到45kt。這些項目的成功投產進一步提高了金川公司的硫資源綜合利用率，為金昌市早日解決S02污染問題提供有力保障。目前為止，金川公司硫資源回收共有五大制酸系統(tǒng)和一個亞硫酸納生產系統(tǒng)。五大制酸系統(tǒng)分別是：53萬噸硫酸系統(tǒng)、30萬噸硫酸系統(tǒng)、一硫酸制酸系統(tǒng)、三硫酸制酸系統(tǒng)、70萬噸硫酸系統(tǒng)。222 53萬噸硫酸裝置項目設計背景隨著世界能源形勢不斷緊張，國家對能源回收提出更高要求

13、，回收并利用能源變得尤為重要。在制酸生產工藝過程中，從原料到成品酸的全過程會有多種大量余熱，該怎樣去有效實現(xiàn)資源循環(huán)利用，降低生產成本，成了硫酸生產技術水平的一項重要標志。而今逐漸成熟的中低溫余熱回收技術條件和先進的熱回收設備，使得冶煉煙氣制酸系統(tǒng)中轉化、吸收工序的大量中低溫余熱回收項目成為可能?？刹捎脽峁軗Q熱設備通過產生蒸汽或提供熱水等方式回收廢熱，達到綜合利用了煙氣制酸系統(tǒng)廢熱的目的。對于s02轉化時放出的中低溫位余熱，目前幾乎所有的硫磺制酸裝置都設置III換熱器出口和換熱器熱出口均設有省煤器，以回收170一-280的熱能。因受認識原因及技術條件因素等的限制，當初冶煉煙氣制酸系統(tǒng)項目建設未

14、能好好考慮中低溫余熱的回收利用問題。其制酸系統(tǒng)轉化煙氣余熱幾乎全部以轉化工藝氣空氣冷卻器中熱介質的熱量全部拋棄，能源浪費嚴重。目前由于國家提倡和企業(yè)需求，以技改工程建設帶動環(huán)保項目建設很有意義，不但能促進經濟發(fā)展，而且從源頭控制污染物的排放。發(fā)展與環(huán)保并進的思路是企業(yè)和社會逐漸形成良性友好發(fā)展的前提。在轉化、吸收過程中，直接通過生產蒸汽或熱水來回收熱量，需要解決設備材質耐高溫下的濃硫酸腐蝕，同時保證不降低吸收效率等一系列難題。因此在煙氣制酸系統(tǒng)該部分中、低溫熱能開發(fā)尚處于起步階段。本項目針對金川公司冶煉煙氣制酸系統(tǒng)轉化工序的余熱回收問題進行研究，最后選定化工廠53萬噸硫酸裝置作為研究。223

15、53萬噸硫酸裝置工藝流程金川公司2004年投資建成53萬噸硫酸生產系統(tǒng)，該項目是目前國內煙氣制酸行業(yè)最大、工藝最先進的單系列生產裝置，它也是近幾年來金昌市最大的硫資源綜合利用項目。該系統(tǒng)采用絕熱蒸發(fā)封閉酸洗滌凈化、“3+1兩轉兩吸工藝Im II換熱流程481，主要工藝過程如下圖22：圖22 53萬噸硫酸生產系統(tǒng)該系統(tǒng)主要處理銅熔煉系統(tǒng)煙氣、鎳礦熱電爐和銅貧化爐等S02煙氣進行制酸，煙氣條件見表22，設計處理煙氣量187000m3h，挖潛處理能力225000m3h，S02濃度810。 表2-2各冶金爐窯煙氣條件表本論文課題是對金川公司53萬噸硫酸系統(tǒng)進行的，該制酸系統(tǒng)采用兩轉兩吸工藝。針對其轉化

16、工段的中、低溫余熱回收利用的問題，提出技術改造方案并優(yōu)化工藝條件。該項目旨在考慮施工過程對現(xiàn)有生產系統(tǒng)不造成影響或影響最小，同時確保改造后的工藝穩(wěn)定、不改變S02轉化率，即通過高效換熱元件和合理工藝安排來實現(xiàn)提高系統(tǒng)的熱能回收率，特別是利用低位余熱的目的。23小結金川公司現(xiàn)有的煙氣制酸系統(tǒng)除一硫酸系統(tǒng)仍采用一轉一吸工藝外，其它4套煙氣制酸制酸裝置均采用雙轉雙吸流程。目前，這些裝置轉化后多余熱量的處理現(xiàn)狀，是通過設置的工藝氣冷卻系統(tǒng)冷卻后拋棄掉。制酸廠響應國家的能源政策號召，變被動為主動，盡最大可能利用所有可能的廢熱，做好節(jié)能降耗工作，實現(xiàn)企業(yè)的最大利益。參考文獻【11林河成四川有色金屬【J】用有色冶煉煙氣生產硫酸的進展，2006，(3：712【2】董四祿硫酸工業(yè)J】“十五”有色金屬冶煉、煙氣制酸回顧及“十一五”發(fā)展趨勢，2007，(1：17【3】施群有色冶金設計與研究