張冠華,俞 陽,林先彬,李小偉
(大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司/有色金屬冶金與循環(huán)利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北黃石435005)
大冶有色金屬股份有限公司冶煉廠(簡稱大冶有色)目前擁有270 kt/a和700 kt/a 2套銅冶煉煙氣制酸裝置。270 kt/a制酸裝置配套處理轉(zhuǎn)爐吹煉煙氣,設(shè)計(jì)凈化入口處理煙氣量14×104~16×104m3/h、φ(SO2)為6.38%~8.27%,2004年2月投入運(yùn)行生產(chǎn);700 kt/a制酸裝置配套處理澳斯麥特爐熔煉煙氣,設(shè)計(jì)凈化入口處理煙氣量2.5 × 105m3/h、φ(SO2)為10.82%,于2011年9月建成投產(chǎn)。2套煙氣制酸裝置均采用稀酸洗滌、絕熱蒸發(fā)稀酸冷卻移熱、動(dòng)力波氣體凈化工藝流程,“3+1”、Ⅳ Ⅰ-ⅢⅡ二轉(zhuǎn)二吸工藝流程,尾氣脫硫采用鈉堿法脫硫工藝。
回顧近年生產(chǎn)實(shí)踐,2套制酸裝置運(yùn)行基本穩(wěn)定,生產(chǎn)能力達(dá)到或超過設(shè)計(jì)能力,但部分指標(biāo)控制及設(shè)備運(yùn)行仍存在問題,經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、單位產(chǎn)品變動(dòng)成本與標(biāo)桿企業(yè)先進(jìn)水平相比還存在不小的差距。
隨著粗銅產(chǎn)能的擴(kuò)大,轉(zhuǎn)爐吹煉按4H3B不完全期(正常情況下轉(zhuǎn)爐采取4H3B不完全期交換作業(yè)方式,5臺(tái)轉(zhuǎn)爐,4臺(tái)運(yùn)行,1臺(tái)備用,采取3臺(tái)高壓風(fēng)機(jī)分別對4臺(tái)轉(zhuǎn)爐送風(fēng),3臺(tái)爐同時(shí)送風(fēng),另1臺(tái)待出銅、進(jìn)料等操作,4臺(tái)轉(zhuǎn)爐進(jìn)行爐交換與期交換相結(jié)合的作業(yè)方式,在交換作業(yè)期間可進(jìn)行除篩爐渣、修爐口、加第一批冷銅以及備料和出銅,實(shí)現(xiàn)4臺(tái)轉(zhuǎn)爐之間交換作業(yè))交換組織生產(chǎn),適應(yīng)澳斯麥特爐210 t/h銅精礦處理量,產(chǎn)能增加、煙氣量及煙氣SO2濃度波動(dòng)大,2套制酸系統(tǒng)不能很好與其匹配,經(jīng)常出現(xiàn)1套“吃不飽”,造成熱平衡難以維持;1套制酸裝置“吃不了”,熱量富余、尾氣難控制。盡管煙道設(shè)置有混煙裝置,但在實(shí)際生產(chǎn)中,由于冶化上下游工序協(xié)調(diào)不及時(shí)、混煙裝置設(shè)置不合理等影響,煙氣平衡生產(chǎn)欠佳,導(dǎo)致熔煉及吹煉2爐爐口負(fù)壓不能保證,低空煙害相對較為嚴(yán)重。
針對以上問題主要采取4項(xiàng)措施:①實(shí)施轉(zhuǎn)爐高溫風(fēng)機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)改造,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐爐臺(tái)狀態(tài)與高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、SO2風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉聯(lián)鎖調(diào)節(jié),強(qiáng)化工序聯(lián)系、減少人為影響;②改造煙氣管路,優(yōu)化混煙裝置減少壓損、增設(shè)調(diào)煙鐘罩閥,煙氣混合更均勻、通暢、機(jī)動(dòng);③構(gòu)建冶化生產(chǎn)煙氣平衡管理網(wǎng)絡(luò),動(dòng)態(tài)辨識(shí)漏風(fēng)點(diǎn)及堵塞點(diǎn),定期對電收塵器、鍋爐、鐘罩閥、煙道人孔門及彎頭等部位清堵與堵漏;④對制酸裝置轉(zhuǎn)化、干吸工序局部優(yōu)化,提升裝置處理負(fù)荷。
通過改進(jìn)優(yōu)化,冶化系統(tǒng)煙氣平衡生產(chǎn)趨于合理、受控,2套制酸裝置能夠?qū)崿F(xiàn)煙氣平衡生產(chǎn),2爐爐口低空煙害得到有效控制。
700 kt/a制酸裝置凈化工序原配置CN過濾器用于循環(huán)稀酸過濾,過濾效果欠佳,濾球易堵塞濾帽,運(yùn)行穩(wěn)定性差,無法滿足壓濾機(jī)物料供給,導(dǎo)致稀酸固含量長期高位運(yùn)行,固含量(ρ)最高時(shí)超過15 g/L,影響核心設(shè)備溢流堰安全運(yùn)行,歷年停車檢查動(dòng)力波洗滌塔底部酸泥堆積厚度高達(dá)50~80 cm。因此CN過濾器已不能滿足凈化稀酸固液分離能力要求。
2017年年初,經(jīng)比選,在CN過濾器場地旁邊新建1臺(tái)高效斜板沉降器,替代原CN過濾器,設(shè)計(jì)處理能力大于或等于180 m3/h,處理后清液固含量 (ρ)≤ 0.5 g/L,濃液固含量 (ρ)≥ 30 g/L。
2017年7 月投用并穩(wěn)定運(yùn)行3個(gè)月后,斜板沉降器運(yùn)行穩(wěn)定、達(dá)到設(shè)計(jì)要求,凈化循環(huán)稀酸固含量(ρ)穩(wěn)定降低且維持在1 g/L以內(nèi),停車檢查管道結(jié)垢及溢流堰酸泥黏結(jié)情況均較好,2018年系統(tǒng)大修一級洗滌塔底部酸泥堆積厚度降至20 cm。
礦源氟含量波動(dòng)、除氟裝置自動(dòng)化水平低、除氟效率低,導(dǎo)致SO2風(fēng)機(jī)出口煙氣氟含量指標(biāo)偏高,ρ(F)達(dá)到5 mg/m3以上,給后續(xù)設(shè)備運(yùn)行帶來影響。其中,2016年270 kt/a制酸裝置轉(zhuǎn)化一段催化劑中毒粉化及結(jié)疤,床層壓降快速上漲至10 kPa,700 kt/a制酸裝置受此影響轉(zhuǎn)化一段床層壓降也有所上漲,270 kt/a制酸裝置被迫于2017年1月停產(chǎn)檢修。
針對凈化工序除氟存在的問題,主要分四步優(yōu)化改進(jìn):①改進(jìn)添加方式和比例,由單點(diǎn)投加改為多點(diǎn)投加,建立合理的凈化稀酸氟濃度梯度,提高一級動(dòng)力波洗滌器除氟效率[1];②改進(jìn)添加位置,由塔壁處添加改為循環(huán)泵進(jìn)口添加,利于玻璃水迅速與稀酸混合均勻與煙氣接觸,增強(qiáng)反應(yīng);③增加氣體冷卻塔除氟層,在填料表層均勻鋪設(shè)碎瓷環(huán),主動(dòng)與氣相中氟反應(yīng)實(shí)現(xiàn)除氟;④除氟裝置自動(dòng)化改造,實(shí)現(xiàn)玻璃水自動(dòng)精度配置、參數(shù)調(diào)整與均勻添加。
優(yōu)化改造后,除氟裝置運(yùn)行正常、自動(dòng)化程度高,2018年2套制酸裝置SO2風(fēng)機(jī)出口煙氣ρ(F)能穩(wěn)定保持至1 mg/m3以內(nèi),再未發(fā)生嚴(yán)重催化劑氟中毒現(xiàn)象,床層壓降受控。
270 kt/a和700 kt/a 2套制酸裝置開工爐均采用柴油燃燒,相比天然氣燃燒,柴油燃燒需要機(jī)械霧化、燃料價(jià)格高,燃燒不充分易產(chǎn)生黑煙污染,霧化不均勻易導(dǎo)致局部燃燒熱量偏高、影響預(yù)熱換熱器安全運(yùn)行。僅2016年,開工爐共用柴油335 t,折硫酸成本1.69元/t,偏高。
經(jīng)論證,2018年進(jìn)行開工爐燃燒系統(tǒng)的改造,用天然氣燃燒器替代原燃油燃燒器、增設(shè)天然氣管路及必要的安全裝置,完善燃燒控制系統(tǒng),原開工爐本體、助燃及稀釋風(fēng)機(jī)本體、預(yù)熱換熱器保持原樣。
改造投用后,系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,燃燒充分無黑煙,相比柴油燃燒消耗,硫酸單位成本降低40%以上。
700 kt/a制酸裝置轉(zhuǎn)化一段出口φ2 400 mm煙管長期在高溫環(huán)境下(600 ℃以上)運(yùn)行,膨脹量非常大,配置的不銹鋼波紋補(bǔ)償器+彈性支架+拉桿的補(bǔ)償方式失效,補(bǔ)償器形變嚴(yán)重、管道熱膨脹偏移、焊接焊縫拉裂[2],漏煙頻繁且難以治理。分析原因,主要是長期處于高溫腐蝕環(huán)境、系統(tǒng)生產(chǎn)負(fù)荷波動(dòng)頻繁、膨脹節(jié)選材、伸縮余量設(shè)計(jì)不足及施工質(zhì)量欠佳導(dǎo)致。
為解決以上問題,組織與相關(guān)工程單位討論,首次在大型煙氣制酸裝置采用“四連桿補(bǔ)償器+萬向鉸鏈型+彈簧吊架”復(fù)合應(yīng)力補(bǔ)償裝置,在轉(zhuǎn)化器一段出口水平管段設(shè)置1件四連桿波紋補(bǔ)償器,豎直管段增加1件萬向鉸鏈型波紋補(bǔ)償器,水平段同時(shí)設(shè)置1件恒力彈簧吊架、1件管道吊帶組件,并將此管道材質(zhì)由304不銹鋼更換為等級更高、高溫性能更好的321不銹鋼材質(zhì)。
改造實(shí)施后,有效解決了轉(zhuǎn)化大口徑煙氣管道應(yīng)力補(bǔ)償穩(wěn)定性差且易導(dǎo)致補(bǔ)償器形變造成煙氣泄漏的問題,徹底解決因煙管漏煙導(dǎo)致的非生產(chǎn)時(shí)間影響,系統(tǒng)作業(yè)率由95.52%提高到96.28%。
700 kt/a制酸裝置干吸分酸器初始使用某國產(chǎn)管槽式分酸器,投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)吸收塔出塔煙氣酸霧夾帶嚴(yán)重,中間吸收塔最為明顯,后續(xù)冷熱換熱器腐蝕嚴(yán)重。經(jīng)討論分析,確認(rèn)分酸器分酸不均是造成煙氣酸霧夾帶的主要原因之一。同時(shí)因2臺(tái)吸收塔共用的臥式循環(huán)槽長達(dá)20.8 m,加水混酸器設(shè)置在循環(huán)槽中段,中間吸收塔回酸口和濃酸泵設(shè)置在循環(huán)槽西側(cè)且與加水混酸器相距較遠(yuǎn),導(dǎo)致槽內(nèi)濃酸混合不均勻,上塔酸濃度不穩(wěn)定,對酸霧夾帶也有較大影響。
為解決分酸不均的問題,主要采取3項(xiàng)措施:①將1 700 m3/h循環(huán)酸量的中間吸收塔分酸器更換為某進(jìn)口品牌分酸器,分酸更均勻;②在中間吸收塔纖維除霧器上部新增絲網(wǎng)除霧器,酸霧捕集效率更高;③自主開發(fā)了一種帶緩沖管式新型分酸器,并獲得實(shí)用新型專利[3],于2017年、2018年2次大修期間對干燥塔及最終吸收塔分酸器進(jìn)行局部改造。
為解決吸收循環(huán)槽酸濃度不穩(wěn)定的問題,主要采取2項(xiàng)措施:①在吸收循環(huán)槽西側(cè)增設(shè)加水混酸器,增強(qiáng)混酸效果;②新增中間吸收塔上塔酸濃度分析儀,監(jiān)控顯示酸濃度。
應(yīng)用結(jié)果表明:中間吸收塔分酸均勻、酸濃度穩(wěn)定,出塔煙氣酸霧(ρ)降至30 mg/m3以內(nèi),循環(huán)酸流量相對較小的干燥塔和最終吸收塔應(yīng)用緩沖罐專利技術(shù)也很好地解決了分酸不均的問題。
700 kt/a制酸裝置投產(chǎn)以來,SO2轉(zhuǎn)化率一直未達(dá)到設(shè)計(jì)值99.80%。根據(jù)歷次轉(zhuǎn)化檢修情況及催化劑廠家專業(yè)檢測結(jié)果分析,結(jié)合對轉(zhuǎn)化工序進(jìn)行衡算,研判700 kt/a制酸裝置轉(zhuǎn)化率低主要受4個(gè)方面影響:①大直徑轉(zhuǎn)化器氣流分布不均;②催化劑裝填系數(shù)偏低、裝填量偏少;③轉(zhuǎn)化器層間存在短路;④Ⅲ熱交換器腐蝕后轉(zhuǎn)化自熱平衡失衡。
針對制酸裝置轉(zhuǎn)化率偏低的問題,在2017—2018年主要采取5項(xiàng)措施:①在轉(zhuǎn)化一段及三段進(jìn)口喇叭管內(nèi)增加全長度導(dǎo)流板、格柵層增加導(dǎo)流通道,改善氣流分布;②二次轉(zhuǎn)化適量增加低溫催化劑,并結(jié)合實(shí)際產(chǎn)能提高催化劑裝填系數(shù)至210 L /( t·d);③加固催化劑篦子板、治理膨脹環(huán)及隔板內(nèi)漏,防止層間短路;④將腐蝕嚴(yán)重的Ⅲ熱交更新改造為犧牲式L型(犧牲段為臥式,主體為立式)換熱器,減少熱量后移損失、恢復(fù)系統(tǒng)自熱平衡;⑤優(yōu)化操作,均衡穩(wěn)定生產(chǎn)。
優(yōu)化改進(jìn)實(shí)施后,轉(zhuǎn)化床層同界面3個(gè)溫度點(diǎn)差距由原來25 ℃縮小至5 ℃,氣流分布均勻,系統(tǒng)停車補(bǔ)溫時(shí)間明顯縮短,轉(zhuǎn)化自熱平衡顯著改善,裝置轉(zhuǎn)化率提升至98.75%,接近設(shè)計(jì)值。
700 kt/a制酸裝置投用至今,轉(zhuǎn)化工序2臺(tái)0.8 MPa熱管鍋爐頻繁發(fā)生蒸發(fā)器聯(lián)箱補(bǔ)償器四周焊縫、進(jìn)氣管與蒸發(fā)器上部焊縫和上下蒸發(fā)器錐面焊縫等部位拉裂、漏煙的問題[4],造成系統(tǒng)經(jīng)常性停車維修。經(jīng)過多次維修,問題仍未徹底解決,2018年7月,鍋爐北通道熱管與殼體密封面漏煙嚴(yán)重,系統(tǒng)被迫低負(fù)荷運(yùn)行。
鑒于1#余熱鍋爐嚴(yán)重制約制酸裝置生產(chǎn)負(fù)荷,難以從根本上解決漏煙問題,公司2019年6月在西側(cè)新建1臺(tái)熱管鍋爐并投用。新余熱熱管鍋爐在設(shè)計(jì)之初就進(jìn)行諸多優(yōu)化與改進(jìn):①取消鍋爐上下箱體設(shè)計(jì),采用整體化箱體,取消中間膨脹節(jié),減少泄漏點(diǎn),在鍋爐箱體底部設(shè)置一圈支撐,在運(yùn)行受熱后會(huì)自由向上膨脹,由鍋爐進(jìn)口管道膨脹節(jié)吸收相應(yīng)熱膨脹量;②增加殼體厚度至10 mm,并在表面增加槽鋼筋板,增強(qiáng)殼體受力;③進(jìn)口上圓下方喇叭口制作形式由拼接夾角成型改為整板折彎成型,將4條角焊縫改為平焊縫,增強(qiáng)折角處受力,徹底杜絕角焊縫拉裂;④管板管束由整板改進(jìn)為模塊式,同時(shí)鍋爐本體承重改為底部牛腿支撐,箱體各密封面不與鋼結(jié)構(gòu)接觸,便于維修。
新鍋爐投用至今,進(jìn)出口煙管及鍋爐本體無任何泄漏,蒸汽流量、壓力及溫度等指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
據(jù)統(tǒng)計(jì),2016年2套制酸裝置硫酸新水水耗為2.13 t/t,偏高。主要原因?yàn)檠h(huán)冷卻系統(tǒng)補(bǔ)水、各循環(huán)泵電機(jī)冷卻水、凈化及干吸工藝補(bǔ)水、泵的軸封冷卻水及地面沖洗水用水量大且全部使用新水,循環(huán)水工序排污水約2 000 t/d且基本無回用。
2套制酸裝置節(jié)水降耗主要在3個(gè)方面采取措施:①采用超濾+反滲透雙膜法技術(shù),平均處理循環(huán)水1 150 t/d,產(chǎn)除鹽水850 t/d重新用作循環(huán)水補(bǔ)水;②進(jìn)行全流程水平衡分析“以質(zhì)定用”,分析用水水質(zhì)要求,確定將凈化、干吸及脫硫區(qū)域的所有用水需求改為循環(huán)水,僅保留SO2風(fēng)機(jī)冷卻水、循環(huán)水2個(gè)新水補(bǔ)水點(diǎn);③新水多點(diǎn)多級利用,新水用作循環(huán)冷卻系統(tǒng)補(bǔ)水,按水質(zhì)控制原則,循環(huán)水替代新水用作路面灑沖洗水、循環(huán)泵電機(jī)冷卻水、各處功能泵的軸封冷卻水、雙氧水稀釋水、電除霧器沖洗、凈化、干吸、脫硫工序補(bǔ)水等,反滲透處理后濃鹽水用作渣包冷卻水等。
通過節(jié)水降耗措施的實(shí)施,至2019年2套制酸裝置硫酸水耗降至1.13 t/t,相比2016年降低47%,循環(huán)水工序排污水基本都得到回用。
大冶有色2014年建成1套純堿脫硫裝置,以滿足GB 25467—2010《銅、鎳、鈷工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中ρ(SO2)≤ 400 mg/m3的排放要求,但在實(shí)際生產(chǎn)中面臨3個(gè)主要問題:①藥劑成本高,特別是轉(zhuǎn)化率不能達(dá)到設(shè)計(jì)值的前提下,2016年脫硫劑純堿消耗巨大、折硫酸產(chǎn)品成本達(dá)到6.68元/t;②副產(chǎn)物Na2SO3/NaHSO3脫硫后液回收利用價(jià)值不高,送至廢酸處理工序易解析出SO2污染現(xiàn)場環(huán)境,同時(shí)影響濃密沉降效果;③低溫季節(jié),Na2SO3/NaHSO3脫硫后液極易堵設(shè)備及管道,維修工作任務(wù)重、強(qiáng)度大。
為解決以上問題,同時(shí)考慮應(yīng)對2020年頒布實(shí)施的ρ(SO2)≤ 100 mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)比選論證,決定自主實(shí)施脫硫工藝改造,改為雙氧水脫硫工藝,原空塔噴淋層利舊,增加散堆填料層,雙氧水的配置、添加、控制、循環(huán)泵的調(diào)節(jié)、脫硫循環(huán)液的外排及控制均可在DCS上完成,雙氧水投加流量閥與尾氣SO2指標(biāo)聯(lián)鎖控制,項(xiàng)目于2018年10月大修期間完成。
改造實(shí)施后,制酸尾氣脫硫裝置穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平、自動(dòng)化控制程度明顯提升,尾氣排放指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,副產(chǎn)稀硫酸用作干吸工序補(bǔ)水,測算硫酸產(chǎn)品單位成本下降30%以上。
冶煉煙氣進(jìn)制酸煙氣溫度250~280 ℃,蘊(yùn)含大量余熱資源,經(jīng)洗滌降溫,熱量最終被循環(huán)水工序帶走,造成了煙氣顯熱的浪費(fèi)??紤]到亞硫酸鈉系統(tǒng)有熱風(fēng)需求,有必要對這部分熱量進(jìn)行回收利用。
經(jīng)論證,設(shè)計(jì)在冶煉煙氣主煙道上增加管道換熱器,通過風(fēng)機(jī)抽取空氣與煙氣在管道換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱,制取熱風(fēng)供給亞硫酸鈉系統(tǒng)用于干燥。設(shè)計(jì)換熱后煙氣溫度約下降30 ℃至230 ℃,仍遠(yuǎn)高于煙氣露點(diǎn)溫度,可避免腐蝕管道。實(shí)施主要內(nèi)容:在φ2 620 mm×10 mm煙道外部加裝φ4 220 mm×10 mm翅片掛壁換熱器,長度30 m,設(shè)置風(fēng)機(jī)抽取常溫空氣進(jìn)入換熱器與高溫?zé)煔膺M(jìn)行充分換熱產(chǎn)生熱風(fēng)。
投入運(yùn)行后,能穩(wěn)定連續(xù)產(chǎn)熱風(fēng)供給亞硫酸鈉精制系統(tǒng),實(shí)際進(jìn)凈化工序煙氣溫度受控,回收煙氣熱量的同時(shí)降低了凈化工序循環(huán)冷卻水系統(tǒng)負(fù)荷。
近幾年,270 kt/a和700 kt/a 2套制酸裝置在工藝、設(shè)備及環(huán)保等方面相繼采取了多項(xiàng)技術(shù)改造及優(yōu)化措施。經(jīng)過工程技術(shù)人員連續(xù)多年堅(jiān)持不懈的努力,制酸裝置在穩(wěn)定運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、環(huán)保指標(biāo)等方面取得顯著效果,制約硫酸生產(chǎn)的諸多瓶頸逐步得到解決,硫酸單位成本降低21%,裝置開工率達(dá)到96.78%,長周期穩(wěn)定生產(chǎn)能力持續(xù)增強(qiáng),系統(tǒng)大修周期由一年一修延長為三年兩修。
2套制酸裝置未來也面臨一些問題,需要持續(xù)改進(jìn)優(yōu)化,進(jìn)而提升制酸裝置穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平:①受原始設(shè)計(jì)與配置限制,硫酸產(chǎn)品單位變動(dòng)成本仍偏高,特別是110 kWh/t的電耗偏高,成本控制壓力大,需考慮實(shí)施SO2風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能改造;②環(huán)保監(jiān)管及排放要求日趨嚴(yán)格,需持續(xù)進(jìn)行環(huán)保改造和投入,目前制酸尾氣處理工藝增設(shè)臭氧脫硝及濕式電除霧器的改造項(xiàng)目正在實(shí)施;③轉(zhuǎn)化率等重點(diǎn)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)仍有提升空間,需進(jìn)一步開展技術(shù)改進(jìn)與優(yōu)化。