冶煉煙氣轉(zhuǎn)化技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐

李山東，毛艷麗，馬 瑩，吳智娟，彭彥舟

（金川集團(tuán)股份有限公司銅業(yè)公司，甘肅金昌737100）

隨著金川集團(tuán)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱金川集團(tuán)）鎳銅冶煉技術(shù)的改進(jìn)，冶煉煙氣條件發(fā)生了很大變化，整體形成了“提濃降量”的煙氣格局。受原有冶煉工藝技術(shù)的影響，配套制酸系統(tǒng)多采用“3+1”二轉(zhuǎn)二吸工藝流程處理φ(SO2)為8%~10%的冶煉煙氣，在冶金爐窯性能提升改造后，煙氣的SO2濃度提高，部分時(shí)段已超出制酸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力范圍，轉(zhuǎn)化熱能過(guò)剩。另外，PS轉(zhuǎn)爐間歇吹煉存在階段性低濃度SO2運(yùn)行狀況，此期間轉(zhuǎn)化熱能不足，系統(tǒng)需投用開工電爐補(bǔ)熱生產(chǎn)。從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度考慮，需要對(duì)制酸系統(tǒng)原有轉(zhuǎn)化工藝優(yōu)化創(chuàng)新，提升工藝操作彈性，適應(yīng)煙氣SO2濃度大幅波動(dòng)的生產(chǎn)狀況，使轉(zhuǎn)化工序熱量趨于穩(wěn)定。

1 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)化工藝

按處理煙氣SO2濃度的高低，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)化工藝分為中低濃度SO2煙氣轉(zhuǎn)化工藝和高濃度SO2煙氣轉(zhuǎn)化工藝。

中低濃度SO2煙氣轉(zhuǎn)化工藝大體上分為“2+1”、“3+1”、“2+2”、“3+2”等 4 種轉(zhuǎn)化流程，其中“3+1”和“2+2”4段轉(zhuǎn)化流程為主流轉(zhuǎn)化工藝流程，適用于處理?xiàng)l件穩(wěn)定的φ(SO2)為8%~10%的冶煉煙氣，SO2濃度波動(dòng)大的體系不適用。

最具代表性的高濃度SO2煙氣轉(zhuǎn)化工藝主要有：BAYQIK?工藝、LUREC?預(yù)轉(zhuǎn)化工藝和孟莫克預(yù)轉(zhuǎn)化工藝。這3種轉(zhuǎn)化工藝原理相似，均是基于高濃度SO2煙氣的轉(zhuǎn)化熱平衡，在原有工藝基礎(chǔ)上改進(jìn)，作為主生產(chǎn)系統(tǒng)的工藝插件配合生產(chǎn)，使進(jìn)入一段轉(zhuǎn)化的煙氣SO2濃度降至原系統(tǒng)設(shè)計(jì)值，同時(shí)完成熱量回收，能適應(yīng)煙氣中SO2濃度的大范圍波動(dòng)和生產(chǎn)規(guī)模約30%的擴(kuò)大。但是不論是將高濃度SO2煙氣在凈化和干燥工序通過(guò)補(bǔ)氣等方式加以稀釋，還是新增轉(zhuǎn)化、吸收設(shè)備，均會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入制酸系統(tǒng)的煙氣量相應(yīng)增加，從而造成干吸工序的設(shè)備設(shè)施和系統(tǒng)動(dòng)力消耗增加，使得現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行和新建制酸系統(tǒng)的生產(chǎn)受到一定的制約[1]。

2 轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)創(chuàng)新

2.1 中高濃度SO2煙氣多段轉(zhuǎn)化控溫技術(shù)

針對(duì)煙氣波動(dòng)頻繁的狀況，考慮在原有生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上對(duì)轉(zhuǎn)化工序整體進(jìn)行創(chuàng)新研究，采用5段轉(zhuǎn)化工藝。目前在國(guó)內(nèi)原有制酸系統(tǒng)中“3+2”五層轉(zhuǎn)化技術(shù)應(yīng)用并不罕見，但大部分是根據(jù)穩(wěn)態(tài)中高濃度SO2煙氣條件直接設(shè)計(jì)應(yīng)用，該多段轉(zhuǎn)化控溫技術(shù)在保持原有工藝和設(shè)備基本不變的前提下，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)、增加少量設(shè)備和優(yōu)化系統(tǒng)熱量分布，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)冶煉煙氣波動(dòng)的適應(yīng)能力，最終達(dá)到提升系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率的目標(biāo)。轉(zhuǎn)化工藝優(yōu)化提升方案如下：

1）針對(duì)高濃度SO2煙氣轉(zhuǎn)化熱量過(guò)剩的問(wèn)題，在二次轉(zhuǎn)化前段增加1段反應(yīng)器及配套的1臺(tái)外部換熱器，在兩次轉(zhuǎn)化末端增設(shè)余熱鍋爐回收富余熱能，使系統(tǒng)催化劑與煙氣條件相匹配，降低二次轉(zhuǎn)化煙氣的溫度以提升轉(zhuǎn)化率。

2）針對(duì)低濃度SO2煙氣轉(zhuǎn)化熱量不足的問(wèn)題，新增1臺(tái)換熱器與Ⅳ換熱器串聯(lián)以增大換熱面積，使大部分換熱量補(bǔ)充至轉(zhuǎn)化器一段入口，實(shí)現(xiàn)一次轉(zhuǎn)化與二次轉(zhuǎn)化煙氣的熱量回收，保證低濃度SO2煙氣轉(zhuǎn)化熱平衡，提升一次轉(zhuǎn)化率。

3）為了減少制酸系統(tǒng)優(yōu)化改造的施工量，節(jié)省改造費(fèi)用，將新建轉(zhuǎn)化器配套的換熱器與現(xiàn)有Ⅱ換熱器串聯(lián)使用，在保證轉(zhuǎn)化器四段具有足夠的反應(yīng)熱量的基礎(chǔ)上，提升轉(zhuǎn)化器三段催化劑床層的反應(yīng)溫度，提高低濃度SO2煙氣條件下的一次轉(zhuǎn)化率。

根據(jù)現(xiàn)有換熱器的實(shí)際換熱能力對(duì)轉(zhuǎn)化層級(jí)熱量重新分布，通過(guò)對(duì)催化劑床層和外部換熱器進(jìn)行調(diào)整，建立了新的熱量平衡體系。新增反應(yīng)器作為催化劑的四段，其配套的換熱器為Ⅳ換熱器，原催化劑第四層改為第五層，原Ⅳ換熱器變更為Ⅴa換熱器，新增與之串聯(lián)的Ⅴb換熱器，以滿足煙氣大幅波動(dòng)條件下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)熱平衡。改造后轉(zhuǎn)化和換熱流程由原設(shè)計(jì)的ⅣⅠ-ⅢⅡ、“3+1”改為Ⅵ-ⅢⅡⅣ、“3+2”。優(yōu)化后的新型多段轉(zhuǎn)化工藝流程見圖1[2]。

圖1 新型多段轉(zhuǎn)化工藝流程

SO2煙氣經(jīng)Ⅴa換熱器和Ⅴb換熱器，利用五段轉(zhuǎn)化后的SO3煙氣進(jìn)行預(yù)熱，然后經(jīng)Ⅰ換熱器與轉(zhuǎn)化器一段出口的SO3煙氣進(jìn)行換熱，達(dá)到適宜溫度后經(jīng)一至三段催化劑進(jìn)行一次轉(zhuǎn)化，一次轉(zhuǎn)化富余熱能通過(guò)余熱鍋爐回收。經(jīng)一吸塔吸收后的二次SO2煙氣經(jīng)Ⅲ換熱器換熱升溫后，一部分進(jìn)入Ⅱ換熱器與轉(zhuǎn)化器二段出口的煙氣換熱，另一部分冷煙氣進(jìn)入新增Ⅳ換熱器與轉(zhuǎn)化器四段出口的煙氣換熱，換熱后的兩部分煙氣混合后達(dá)到400 ℃，先后進(jìn)入新增轉(zhuǎn)化器四段和五段進(jìn)行二次轉(zhuǎn)化反應(yīng)，富余熱量經(jīng)余熱鍋爐回收。

將轉(zhuǎn)化器各段催化劑取出后進(jìn)行篩分及回填，以每段的分段轉(zhuǎn)化率及對(duì)應(yīng)換熱器的換熱面積為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)各段催化劑的裝填量進(jìn)行調(diào)整，并在轉(zhuǎn)化器三段添加14 m3XLP-110型新催化劑，轉(zhuǎn)化器四段裝填約110 m3VK38型新催化劑。改造前后轉(zhuǎn)化器各段催化劑裝填量及分段轉(zhuǎn)化率對(duì)比見表1。

表1 改造前后轉(zhuǎn)化器催化劑裝填量及分段轉(zhuǎn)化率

2.2 高濃度SO2煙氣準(zhǔn)等溫轉(zhuǎn)化技術(shù)

2.2.1 轉(zhuǎn)化工藝流程

高濃度SO2煙氣準(zhǔn)等溫“1+1”轉(zhuǎn)化技術(shù)的關(guān)鍵在于持續(xù)移熱，即通過(guò)設(shè)備的巧妙設(shè)計(jì)，利用冷介質(zhì)對(duì)反應(yīng)的氣體持續(xù)進(jìn)行冷卻，使反應(yīng)不但能持續(xù)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，還能持續(xù)將反應(yīng)產(chǎn)生的熱量移出，有效提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率。

針對(duì)高濃度SO2煙氣波動(dòng)，在制酸系統(tǒng)原有“3+1”轉(zhuǎn)化流程的基礎(chǔ)上，金川集團(tuán)創(chuàng)新開發(fā)了“1+1”準(zhǔn)等溫轉(zhuǎn)化工藝流程，見圖2。

圖2 準(zhǔn)等溫轉(zhuǎn)化工藝流程

將來(lái)自SO2風(fēng)機(jī)的高濃度SO2煙氣經(jīng)1#換熱器預(yù)熱至420 ℃進(jìn)入準(zhǔn)等溫轉(zhuǎn)化器一段，在進(jìn)行SO2轉(zhuǎn)化的同時(shí)，通過(guò)空氣將反應(yīng)熱移至余熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽；一次轉(zhuǎn)化后的煙氣經(jīng)1#換熱器降溫后進(jìn)入一吸塔吸收SO3，再經(jīng)2#換熱器升溫進(jìn)入準(zhǔn)等溫轉(zhuǎn)化器二段進(jìn)行二次轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的SO3氣體進(jìn)入二吸塔吸收；冷空氣分別進(jìn)入準(zhǔn)等溫轉(zhuǎn)化器的一段和二段，帶走部分轉(zhuǎn)化反應(yīng)熱后溫度升高，熱空氣進(jìn)入余熱鍋爐生產(chǎn)熱水和蒸汽。

2.2.2 準(zhǔn)等溫轉(zhuǎn)化器

準(zhǔn)等溫轉(zhuǎn)化器內(nèi)部包括管式反應(yīng)器和內(nèi)置式換熱器，結(jié)構(gòu)示意見圖3，設(shè)計(jì)思路如下：

圖3 準(zhǔn)等溫轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)示意

1）管式反應(yīng)器內(nèi)部為列管結(jié)構(gòu)，列管上下兩端通過(guò)花板固定，上下花板與列管接觸部分開孔，作為煙氣的進(jìn)出通道，催化劑裝填在管內(nèi)。SO2煙氣走管程，在催化劑的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)镾O3煙氣；冷介質(zhì)走殼程，與管內(nèi)的煙氣進(jìn)行換熱，以維持轉(zhuǎn)化過(guò)程溫度恒定在一定區(qū)間。

2）準(zhǔn)等溫轉(zhuǎn)化器的冷介質(zhì)溫度越低，傳熱推動(dòng)力越大，有利于移去反應(yīng)熱。但是在實(shí)際過(guò)程中，由于冷介質(zhì)溫度過(guò)低會(huì)造成催化劑床層沿管壁處過(guò)冷，催化劑活性低下，也會(huì)失去操作狀態(tài)的熱穩(wěn)定性[3]。利用氣體流線軟件，對(duì)空氣進(jìn)入后的氣體流向進(jìn)行了多種布?xì)夥绞降哪M，確定了內(nèi)導(dǎo)流筒式布?xì)庋b置，即在管式固定床反應(yīng)器的中心設(shè)計(jì)冷介質(zhì)的中心筒，自上而下以1∶2∶3在中心筒壁上進(jìn)行開孔。上述設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：一是布?xì)饩鶆?，盡可能降低催化劑床層內(nèi)部的溫度差，保證反應(yīng)速率；二是在整個(gè)管式反應(yīng)過(guò)程中一直存在溫度梯度，不斷地將熱量移走，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)向正方向進(jìn)行，保證轉(zhuǎn)化率。

3）在準(zhǔn)等溫轉(zhuǎn)化器內(nèi)部設(shè)置內(nèi)置式換熱器，內(nèi)置式換熱器位于管式反應(yīng)器下方，亦為列管結(jié)構(gòu)，列管通過(guò)上下花板固定，其上下花板開孔與管式反應(yīng)器花板開孔各自獨(dú)立，并不聯(lián)通。在內(nèi)置式換熱器內(nèi)，轉(zhuǎn)化后的SO3煙氣走殼程，冷介質(zhì)走管程，進(jìn)行間壁換熱。

SO2煙氣先通過(guò)管式反應(yīng)器上花板的孔隙進(jìn)入管程，在催化劑的作用下轉(zhuǎn)化成SO3煙氣，與經(jīng)過(guò)一次換熱的冷介質(zhì)進(jìn)行換熱，轉(zhuǎn)化過(guò)程反應(yīng)熱被移出，催化劑維持了恒定溫度，實(shí)現(xiàn)了最佳轉(zhuǎn)化平衡。轉(zhuǎn)化后的SO3煙氣通過(guò)管式反應(yīng)器下花板孔隙流出，隨后進(jìn)入內(nèi)置式換熱器的殼程，與冷介質(zhì)再次換熱至適宜溫度后移出準(zhǔn)等溫轉(zhuǎn)化器，進(jìn)入后續(xù)轉(zhuǎn)化流程。冷介質(zhì)先經(jīng)內(nèi)置式換熱器下花板孔隙進(jìn)入管程，經(jīng)SO3煙氣預(yù)熱，通過(guò)上花板孔隙進(jìn)入管式反應(yīng)器殼程，與管程的煙氣間接接觸移出反應(yīng)熱后溫度上升，進(jìn)入余熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽。

該技術(shù)可作為工藝插件，不影響主工藝系統(tǒng)的正常運(yùn)行。煙氣中SO2濃度高時(shí)按上述流程正常運(yùn)行，濃度低時(shí)通過(guò)閥門調(diào)節(jié)切換至原有“3+1”轉(zhuǎn)化路線。一部分煙氣經(jīng)準(zhǔn)等溫轉(zhuǎn)化器催化劑床層進(jìn)行氧化反應(yīng)，反應(yīng)熱在準(zhǔn)等溫轉(zhuǎn)化器內(nèi)經(jīng)冷空氣帶至余熱鍋爐，以維持轉(zhuǎn)化器內(nèi)適宜的反應(yīng)溫度；轉(zhuǎn)化后的煙氣與大部分未轉(zhuǎn)化的高濃度SO2煙氣混合后再進(jìn)入原轉(zhuǎn)化器一段進(jìn)行轉(zhuǎn)化，再次轉(zhuǎn)化后的煙氣繼續(xù)沿原生產(chǎn)工藝路線進(jìn)行處理。

3 技術(shù)應(yīng)用效果

SO2煙氣多段轉(zhuǎn)化控溫技術(shù)在金川集團(tuán)530 kt/a制酸系統(tǒng)成功應(yīng)用，優(yōu)化了轉(zhuǎn)化熱量平衡分布，適宜處理的煙氣φ(SO2)由原來(lái)的8%~10%拓展到6%~14%，增強(qiáng)了系統(tǒng)的操作彈性，轉(zhuǎn)化率由98.85%提高至99.85%以上，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得到大幅提升，環(huán)保效益顯著。同時(shí)通過(guò)余熱回收裝置的優(yōu)化調(diào)節(jié)操作，實(shí)現(xiàn)了制酸系統(tǒng)余熱資源的綜合利用，循環(huán)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)顯著。

高濃度SO2煙氣“1+1”準(zhǔn)等溫轉(zhuǎn)化技術(shù)在金川集團(tuán)480 kt/a制酸系統(tǒng)成功應(yīng)用，轉(zhuǎn)化溫度穩(wěn)定在420~480 ℃，單層轉(zhuǎn)化率達(dá)93%以上。在制酸系統(tǒng)現(xiàn)有的工藝基礎(chǔ)上，該技術(shù)作為工藝插件使用，適宜處理的煙氣φ(SO2)在8%~18%，可依據(jù)煙氣濃度的高低切換轉(zhuǎn)化工藝，具有更好的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者在分析現(xiàn)有制酸轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合本單位冶煉煙氣SO2濃度波動(dòng)的生產(chǎn)現(xiàn)狀，提出了中高濃度SO2煙氣多段轉(zhuǎn)化控溫技術(shù)和高濃度SO2煙氣準(zhǔn)等溫轉(zhuǎn)化技術(shù)。上述技術(shù)成果可在新建制酸系統(tǒng)直接應(yīng)用，亦可在原有制酸系統(tǒng)基礎(chǔ)上改造應(yīng)用，增強(qiáng)了制酸系統(tǒng)適應(yīng)非穩(wěn)態(tài)煙氣的操作彈性，解決了高濃度SO2煙氣轉(zhuǎn)化熱量不平衡的難題，提升了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)為制酸系統(tǒng)高濃度SO2條件下余熱資源綜合利用創(chuàng)造了條件。