張雪峰

（金川集團(tuán)銅業(yè)有限公司，甘肅金昌 737100）

金川集團(tuán)銅業(yè)有限公司硫酸分廠（以下簡(jiǎn)稱(chēng)硫酸分廠）目前有2套冶煉煙氣制酸系統(tǒng)，設(shè)計(jì)規(guī)模分別為530 kt/a和300 kt/a，目前2套制酸系統(tǒng)生產(chǎn)能力已達(dá)1 200 kt/a。530 kt/a制酸系統(tǒng)于2005年9月投產(chǎn)，主要回收銅合成爐和轉(zhuǎn)爐所產(chǎn)生的煙氣。采用ⅤⅠ-ⅢⅡⅣ、“3+2”兩次轉(zhuǎn)化換熱流程，300 kt/a制酸系統(tǒng)于2006年12月投產(chǎn)，主要處理轉(zhuǎn)爐方面的煙氣。采用ⅣⅠ-ⅢⅡ、“3+1”兩次轉(zhuǎn)化換熱流程。近年來(lái)，隨著熔煉系統(tǒng)投料量的提高、原料的日趨復(fù)雜化，煙氣濃度不斷提高，與之配套的530 kt/a和300 kt/a制酸系統(tǒng)因設(shè)計(jì)能力限制，給熔煉“提濃增量”造成一定阻礙。

1 制酸系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題

530 kt/a制酸系統(tǒng)煙氣φ(SO2)最高達(dá)到14.6%，300 kt/a制酸系統(tǒng)煙氣φ(SO2)最高達(dá)到12%，系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行成為常態(tài)化。由于SO2轉(zhuǎn)化為SO3為放熱反應(yīng)，在煙氣處理量和SO2濃度提高后，轉(zhuǎn)化器各段溫度偏高進(jìn)一步抑制了轉(zhuǎn)化率，加之轉(zhuǎn)化工序催化劑、設(shè)備設(shè)施老化的原因，轉(zhuǎn)化器各段溫度的調(diào)控越發(fā)困難，造成轉(zhuǎn)化率不斷下降，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）轉(zhuǎn)化工序換熱器運(yùn)行狀態(tài)惡化、串氣問(wèn)題加劇。換熱器長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下運(yùn)行，造成其內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重，尤其是530 kt/a裝置Ⅰ換熱器內(nèi)部出現(xiàn)換熱管扭曲、氧化脫層，管壁變薄（原換熱管管壁厚度為3.50 mm，檢修測(cè)得部分換熱管管壁厚度僅為1.05 mm）、花板變形拉裂、內(nèi)漏串氣等諸多問(wèn)題。殼程與管程之間出現(xiàn)串氣，一方面會(huì)降低系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率，另一方面會(huì)使部分SO2未經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化直接進(jìn)入尾氣吸收工序，造成尾氣吸收消耗液堿大幅增加，系統(tǒng)運(yùn)行成本升高。

2）催化劑活性降低、轉(zhuǎn)化率下降，運(yùn)行成本升高。隨著長(zhǎng)期高溫運(yùn)行，轉(zhuǎn)化器內(nèi)的催化劑板結(jié)、粉化加劇，造成壓降升高，轉(zhuǎn)化率大幅下降。轉(zhuǎn)化率指標(biāo)與同行業(yè)先進(jìn)企業(yè)的指標(biāo)差距越來(lái)越大，制酸系統(tǒng)運(yùn)行成本也隨著尾吸堿耗的增加而上升。

3）轉(zhuǎn)化電爐頻繁泄漏。隨著設(shè)備設(shè)施老化、轉(zhuǎn)化系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行，熱量產(chǎn)生富余，加之頻繁開(kāi)停車(chē)等狀況下溫差較大，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)電爐爐門(mén)漏煙的問(wèn)題。絕大多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)化電爐漏煙必須等待系統(tǒng)停產(chǎn)、停風(fēng)機(jī)后方可進(jìn)行處理，造成轉(zhuǎn)化電爐區(qū)域環(huán)境較差，對(duì)周邊環(huán)境及職工身體健康造成不利影響。

鑒于以上原因，對(duì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)與創(chuàng)新以提高制酸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率，最大限度實(shí)現(xiàn)冶煉煙氣回收治理，在確保制酸系統(tǒng)連續(xù)、平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)制酸系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保運(yùn)行，保證合成爐系統(tǒng)高負(fù)荷、連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。

2 改造方案

2.1 新型耐高溫多通道換熱器的應(yīng)用

新?lián)Q1臺(tái)新型耐高溫、多通道的Ⅰ換熱器，該換熱器的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及施工過(guò)程均進(jìn)行了創(chuàng)新、優(yōu)化：

1）換熱器材質(zhì)的優(yōu)化。為解決原碳鋼材質(zhì)換熱器存在的殼體易腐蝕、拉裂，換熱管易氧化脫層等問(wèn)題，新型換熱器的殼體、花板和換熱管采用304不銹鋼材質(zhì)[1]。材質(zhì)的優(yōu)化極大地提升了設(shè)備的熱應(yīng)力耐受性能和抗氧化腐蝕性能，可有效避免設(shè)備因持續(xù)高溫運(yùn)行出現(xiàn)上述故障。

2）新型多通道設(shè)計(jì)。使用新型多通道設(shè)計(jì)，在換熱面積保持3 822 m2不變的情況下，大大降低了換熱器設(shè)備的總質(zhì)量（舊換熱器共計(jì)212.2 t，新?lián)Q熱器共計(jì)153.2 t），不但節(jié)省了材料成本，還提升了設(shè)備的換熱能力，提高了換熱效率。

3）軌道整體平移施工技術(shù)的應(yīng)用。施工前先鋪設(shè)2趟平移軌道，用于舊換熱器移出與新?lián)Q熱器就位，待拆除舊的Ⅰ換熱器連通煙道及冷激煙道后，利用滑輪組將其通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引整體移出，再利用滑輪組將新Ⅰ換熱器利用軌道拉入原Ⅰ換熱器基礎(chǔ)，之后重新恢復(fù)煙道，恢復(fù)保溫。施工方案的創(chuàng)新大大減少了施工時(shí)間及難度，將530 kt/a制酸系統(tǒng)的年度檢修時(shí)間提前近10 d，并為其他大型設(shè)備、設(shè)施的檢修更換積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

2.2 換熱器串氣修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用

針對(duì)換熱器串氣的問(wèn)題，此次改造未采用用堵頭上下封堵的檢修模式，當(dāng)換熱列管泄漏量過(guò)大，單純使用堵管的方式堵漏，雖然解決了串氣問(wèn)題，但會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱面積變小，降低換熱效率，得不償失。通過(guò)打壓試漏確認(rèn)換熱器的泄漏部位后，對(duì)不同泄漏部位分而治之解決了換熱器的串氣問(wèn)題，具體方法如下：

1）對(duì)于花板存在裂縫的換熱器，如300 kt/a制酸系統(tǒng)的Ⅰ，Ⅳ換熱器，在上、下花板裂縫處安裝膨脹盒子，不但封堵了泄漏部位，還能夠有效避免焊接修復(fù)的裂縫處因熱應(yīng)力再次拉裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2）對(duì)列管泄漏量較大的換熱器，如530 kt/a制酸系統(tǒng)的Ⅲ換熱器，采用“打脹管”的方法進(jìn)行處理。根據(jù)多年的檢修經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，換熱列管泄漏較多的位置一般位于換熱器花板與換熱管的連接處，“打脹管”是指利用機(jī)械外力將預(yù)先加工好的與換熱管內(nèi)徑一致的管件強(qiáng)行打入換熱管內(nèi)部將漏點(diǎn)堵塞，對(duì)換熱管位于花板處的漏點(diǎn)進(jìn)行封堵，這樣既降低了串氣率，又不會(huì)大幅降低換熱器的換熱面積，效果顯著。換熱器“打脹管”示意見(jiàn)圖1。

圖1 換熱器“打脹管”示意

2.3 轉(zhuǎn)化器催化劑檢修技術(shù)的優(yōu)化

歷年來(lái)，硫酸分廠的制酸系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)化器中催化劑的檢修通常只進(jìn)行篩分、補(bǔ)充、積灰清理等工作，造成催化劑更新速度慢，雖然每年都裝填少量新催化劑，但零散的添加無(wú)法遏制催化劑活性整體下降的趨勢(shì)，因而轉(zhuǎn)化率仍在逐年下降。此次對(duì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進(jìn)行改造，著手從催化劑的選型和檢修模式2個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：

1）使用國(guó)產(chǎn)催化劑替代原進(jìn)口催化劑，實(shí)現(xiàn)催化劑使用的國(guó)產(chǎn)化，在保證催化劑活性的同時(shí)大大降低了催化劑使用成本。

2）改造施工一改往年對(duì)催化劑只進(jìn)行篩分和零星補(bǔ)充的檢修模式，淘汰整層高溫段活性較低的催化劑，將低溫段催化劑篩分后整層更換至高溫段，同時(shí)使用新催化劑對(duì)低溫段進(jìn)行整層補(bǔ)充。利用上述方式，可在3~5年內(nèi)將制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化器的催化劑逐步完成全部更新，整體提升轉(zhuǎn)化器中催化劑的活性。

2.4 催化劑床層表層熱電偶安裝位置的優(yōu)化

用于監(jiān)測(cè)催化劑床層表層溫度的熱電偶原安裝于表層以下50~100 mm處，隨著近年來(lái)不斷實(shí)施技術(shù)改造，催化劑床層的高度有所提升，而且在部分催化劑床層的表層還增加了保溫瓷球，造成熱電偶檢測(cè)的溫度實(shí)際為催化劑床層內(nèi)部的溫度，對(duì)催化劑床層表層溫度的控制失真。此次改造，轉(zhuǎn)化器催化劑床層總計(jì)18個(gè)熱電偶的位置均進(jìn)行了優(yōu)化，將熱電偶的位置調(diào)整至表層催化劑網(wǎng)或瓷球網(wǎng)的上部，監(jiān)測(cè)的催化劑床層表層溫度更加接近真實(shí)情況，增強(qiáng)了對(duì)轉(zhuǎn)化器各催化劑床層溫度的精細(xì)化控制。

2.5 轉(zhuǎn)化器控溫技術(shù)的優(yōu)化提升

針對(duì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)存在的三段、四段溫度較難控制的問(wèn)題，對(duì)相應(yīng)冷激煙道進(jìn)行了優(yōu)化，具體改造方案為：配置1段Ⅲ換熱器出口至Ⅳ換熱器入口的DN1 500煙道，采用304不銹鋼材質(zhì)，并在進(jìn)入Ⅱ換熱器和Ⅳ換熱器的冷激線與該煙道進(jìn)入Ⅱ換熱器的煙道三通前增加1個(gè)電動(dòng)蝶閥。

SO2濃度提升后轉(zhuǎn)化系統(tǒng)熱量富余，尤其是轉(zhuǎn)換器一段轉(zhuǎn)化熱量過(guò)大，進(jìn)一步造成整個(gè)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的溫度較難控制。通過(guò)在轉(zhuǎn)化器一段出口增加1臺(tái)余熱鍋爐，在將一段產(chǎn)生的過(guò)多熱量移出的同時(shí)副產(chǎn)蒸汽，為制酸系統(tǒng)增加新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。

2.6 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)升溫電爐技術(shù)改造

為解決長(zhǎng)期困擾硫酸分廠的轉(zhuǎn)化升溫電爐爐門(mén)頻繁泄漏的問(wèn)題，此次改造為2套制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化升溫電爐至風(fēng)機(jī)入口各配置1條碳鋼材質(zhì)的DN150脫氣管道。改造實(shí)施后，有效解決了制酸系統(tǒng)電爐爐門(mén)頻繁漏煙的狀況，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境大為改善。

3 改造后轉(zhuǎn)化系統(tǒng)運(yùn)行效果

改造后轉(zhuǎn)化系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 改造后轉(zhuǎn)化系統(tǒng)工藝流程

對(duì)2套制酸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)實(shí)施檢修和改造后，各個(gè)換熱器的串氣問(wèn)題得到控制，提高了換熱效率，有效提升了對(duì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)熱平衡的控制能力，轉(zhuǎn)化率得到了明顯的恢復(fù)和提升，同時(shí)降低了二氧化硫泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境得到明顯改善。

轉(zhuǎn)化系統(tǒng)改造前后轉(zhuǎn)化器各段累計(jì)轉(zhuǎn)化率和壓降數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表1和表2。

由表1和表2可見(jiàn)：530 kt/a制酸系統(tǒng)總轉(zhuǎn)化率由98.72%提升至99.79%，300 kt/a制酸系統(tǒng)總轉(zhuǎn)化率由98.21%提升至99.30%，轉(zhuǎn)化器各段壓降得到更好的控制，改造效果明顯。

表1 改造前后轉(zhuǎn)化器各段累計(jì)轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)

表2 改造前后轉(zhuǎn)化器各段壓降數(shù)據(jù)

在轉(zhuǎn)化率提高的同時(shí)降低了進(jìn)入尾吸工序的二氧化硫濃度。530 kt/a制酸系統(tǒng)尾氣吸收塔入口的ρ(SO2)由原來(lái)的1 500 mg/m3降低至1 000 mg/m3以下，300 kt/a制酸系統(tǒng)尾氣吸收塔入口的ρ(SO2)由原來(lái)的 2 500 mg/m3降低至 1 500 mg/m3以下，制酸系統(tǒng)的尾氣脫硫成本也大幅下降。

4 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)化率是評(píng)價(jià)制酸系統(tǒng)運(yùn)行狀況的核心指標(biāo)之一。隨著制酸系統(tǒng)運(yùn)行年限的增加、系統(tǒng)負(fù)荷的調(diào)整，出現(xiàn)換熱器故障、轉(zhuǎn)化系統(tǒng)熱量富余、換熱能力不足、催化劑活性降低等諸多問(wèn)題，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率下降。硫酸分廠采用新型的工藝設(shè)備和創(chuàng)新的施工和修復(fù)技術(shù)提高了換熱器的換熱效率；通過(guò)優(yōu)化工藝管線、優(yōu)化轉(zhuǎn)化器中催化劑的檢修和催化劑床層控溫的技術(shù)，有效提高了制酸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率，降低了運(yùn)行成本，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為其他硫酸生產(chǎn)裝置的技術(shù)改造積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。