發煙硫酸外逸三氧化硫的回收及處理

袁俊智，王新民，李昆洋，吳穩柱，董立偉

（包頭華鼎銅業發展有限公司，內蒙古包頭014010）

包頭華鼎銅業發展有限公司（以下簡稱華鼎銅業）于2019年建成1套w(H2SO4)104.5%（游離SO3質量分數20%）、150 kt/a發煙硫酸生產線。裝置建成后一次試車成功，達標達產。但生產現場、銷售發煙硫酸灌裝槽車現場會有外逸的SO3，SO3氣體會與大氣中的水蒸氣結合，形成非常細小的酸滴，繼而形成硫酸霧，嚴重污染環境[1-3]。

1 發煙硫酸生產工藝及白霧產生原因

華鼎銅業生產游離SO3質量分數為20%～21%的發煙硫酸，即w(H2SO4)104.5%或w(H2SO4)105.5%硫酸。其生產工藝為：將w(H2SO4)98%硫酸輸送到循環槽，由循環槽打入煙酸塔吸收SO3，酸濃度達標后轉入中間槽儲存，調配濃度，再轉運至高位槽或煙酸儲罐，由地下槽泵或成品酸儲罐送入計量槽灌裝外售。

發煙硫酸極易揮發，由于灌裝發運時不能完全密封，因而會出現白霧。加上生產現場管線交錯復雜，連接管口和管線接口多，酸循環槽和酸冷卻器共3臺循環酸泵有40多個泄漏點，泄漏最嚴重的是2臺循環酸泵順著軸串煙泄漏。輸酸管線共計250 m，輸送過程的法蘭連接處泄漏、管堵塞泄漏，成品發煙硫酸裝車現場未設計SO3外逸收集處理裝置，造成裝車現場SO3外逸，污染環境。為此，華鼎銅業決定采取措施，切斷污染源，保證生產銷售正常進行。

2 處理方案

2.1 生產現場SO3收集處理

經現場檢查測試，輸送發煙硫酸管線連接處存在泄漏點，改用硬聚四氟乙烯墊片更換法蘭，墊片上纏生料帶安裝回原位，擰緊螺栓便無泄漏。循環酸泵和產品輸運泵沿轉軸泄漏煙氣，加密封環密封住靜動連接點，供應商可提供密封環煙酸泵，也可就地加工安裝。隨酸量增加煙酸循環槽與調濃中間槽SO3量和氣壓均有變化，需將兩槽SO3煙氣引流回收，從而解決生產現場SO3外逸問題。循環槽規格為φ2 950 mm×6 600 mm，中間槽規格為φ3 000 mm×6 000 mm，SO3揮發面積達31 m2，經測算，揮發量約15 m3/h。

華鼎銅業考慮以下3種處理方法：

1）方案一：采用w(H2SO4)93%硫酸吸收后排空。配吸收塔及除霧器，以不污染生產現場為標準，處理后尾氣現場排空。

2）方案二：將煙酸中的SO3強制封堵在發煙硫酸循環槽與發煙硫酸濃度調配中間槽內，安裝全自控監視壓力表。超壓時自動排氣減壓去主系統一吸塔。維修設備時抽出槽內SO3氣體去地下酸槽洗滌回收，氣體去脫硫尾氣處理后，達到國家排放指標要求再排空。

3）方案三：發煙硫酸循環槽與發煙硫酸濃度調配中間槽加裝接口，安裝監視壓力表和調節閥門，并接1根DN150管進一吸塔，使煙酸循環槽、煙酸濃度調配槽與進一吸塔的氣管線壓力均等，當煙酸循環槽與煙酸濃度調配槽內SO3超壓時，SO3氣體自然向一吸塔內流動。

經比較，華鼎銅業認為第三種方案投資少，發煙硫酸循環槽與發煙硫酸濃度調配中間槽內SO3可全部回收，污染環境問題得以根治。但其缺點是：發煙硫酸循環槽、發煙硫酸濃度調配中間槽與進一吸塔輸氣管線等壓，SO3煙氣進一吸塔靠等壓狀態下氣流帶動，當生產系統異常或臨時停車時，發煙硫酸循環槽與發煙硫酸濃度調配中間槽內的SO3流向一吸塔吸收后進入脫硫系統，增加脫硫系統處理負荷。經試驗，發煙硫酸循環槽、發煙硫酸濃度調配中間槽的SO3氣量非常少，對脫硫系統造成影響很小。且該方法投資省，能徹底回收SO3，實用性強。

發煙硫酸生產工藝流程圖1。

圖1 發煙硫酸生產工藝流程

2.2 裝車銷售發煙硫酸現場SO3的回收處理

發煙硫酸裝車時將放酸管插入槽車里，再開閥門放酸，放酸過程若超過1 h，從放酸管和槽車儲罐里外逸的SO3就揮發到空氣中，吸收空氣里的水分結成白霧，污染環境。

華鼎銅業考慮采取以下處理方法：

1）放酸管增加自動式帶蓋卡扣，使放酸管與運酸槽車不泄漏。該方法在拆取放酸管蓋卡扣時會有大量SO3外逸。放酸工手動取蓋卡扣時間長，有安全風險，而且不能解決其他SO3外逸點。

2）負壓收集處理法。①現場收集SO3處理后尾氣除霧排空；②現場處理SO3后尾氣進入脫硫系統或制酸凈化系統。

裝車現場外逸的SO3吸收空氣中的水分形成酸霧，酸霧不能被w(H2SO4)98%硫酸或w(H2SO4)93%硫酸吸收，即使在吸收塔出口處設置除霧器也不能保證達標排放，因而吸收處理SO3后尾氣進入脫硫系統或凈化系統較為穩妥。

尾氣是進入凈化系統還是進入脫硫系統，需確認處理氣體走向，進脫硫系統的制酸尾氣有18 kPa余壓，裝車現場處理SO3風機等設備阻力約 5.6 kPa，總阻力約 24 kPa，選用壓頭大于 24 kPa 的風機，尾氣才能進入脫硫系統，該方案的電耗將從3.5元/h增加到17.5元/h，不經濟。若尾氣進入制酸的凈化系統，凈化系統內呈負壓，這時可采用SO2風機，選擇風機時只需考慮克服裝酸現場設備阻力即可。

經分析，華鼎銅業決定裝車外逸SO3收集與處理方案中采用收集處理后尾氣送制酸凈化系統。

發煙硫酸裝車現場收集處理SO3工藝流程見圖2。

圖2 發煙硫酸裝車現場收集處理SO3工藝流程

3 設備選擇

發煙硫酸外逸SO3的回收及處理系統的設備選擇范圍不廣，且材質要求較高。華鼎銅業要求以滿足工藝為前提，兼顧節能減排、吸收新技術來選擇設備。按要求對系統主要設備進行核算，以便接近實際使用情況，發揮設備能力。

3.1 SO3混合氣量及系統阻力

1）生產現場的氣量約15 m3/h，SO2風機余量較大，阻力約 900 Pa，SO2風機升壓 46 kPa，有余量，克服阻力無問題。

2）裝車管口為DN200，抽氣管口DN150，其他3個口為DN100，管線總長250 m，13個彎頭。經測算氣量約為4 400 m3/h；壓降方面，管線彎頭3 800 Pa，吸收塔裝填規整填料高 4 m，壓降 1 500 Pa，故總壓降5 300 Pa，考慮到不確定因素，增加4%，風機升壓按 5 500 Pa 選配。

3.2 設備選型

1）管線材質為 316L，規格φ108 mm×4 mm與φ159 mm×4 mm，閥門材質為 316L，規格有DN100和DN150兩種，耐腐蝕帶喇叭口鋼絲軟管1節。管材總長約250 m，生產現場管線材質為316L，規格為φ159 mm×4 mm，管材長 80 m。壓力表3支，DN150閥門1個。

2）引風機葉輪和機殼材質為316L，流量4 400 m3/h，升壓 5 500 Pa，配電機10 kW。

3）吸收塔材質為316L，規格為內徑φ1 200 mm×6 000 mm，空塔氣速 1 m/s。規整填料高度4 000 mm，絲網除沫器φ1 100 mm×200 mm一層。采用w(H2SO4)93% 硫酸吸收，噴淋酸量 18 m3/h，分酸器φ1 100 mm，小孔流速1.15 m/s。

4）循環酸泵流量為60 m3/h，揚程27 m，利用原地下槽w(H2SO4)93%硫酸輸送泵，多余酸量回流。

5）為節約投資，采用1臺風機、3支壓力表、2臺雷達液位計，連接到庫區圍堰外集中控制，地下槽采用表尺液位計，定時檢查控制液位。

6）其他設備有w(H2SO4)93%硫酸循環槽、w(H2SO4)105%硫酸轉運槽，這些是發煙硫酸裝置中的設備。

4 整改效果

4.1 裝酸現場改善

華鼎銅業按照GB 50184—2011《工業金屬管道工程施工質量驗收規范》進行施工。2020年3月12日試運行，生產現場運行平穩，泵及各連接口無SO3外逸。灌裝運酸槽車有6臺，計發煙硫酸180 t，現場無白霧，無氣味，煙酸裝運環境得以改善。在煙酸裝車發運現場收集處理后的SO3混合氣，經檢測，顆粒物 (ρ)為 8 mg/m3，ρ(SO2) 為 10 mg/m3，ρ(NOx)為 30 mg/m3，酸霧 (ρ)低于 10 mg/m3，未測出氟化物和氯化氫，達到GB 25467—2010《銅、鎳、鈷工業污染物排放標準》排放要求。這個結果證明：將處理后尾氣導入制酸凈化系統措施正確。驗收結果令公司滿意，自發煙硫酸生產以來困擾裝車發運現場SO3污染環境現象得到根治，改善了裝車周圍環境。

5 結語

治理發煙硫酸外逸SO3不僅產生社會效益，減少SO3對人體影響，而且取得經濟效益。經測算，生產現場回收SO3氣體15 m3/h，全年最低可回收w(H2SO4)100%硫酸198 t；銷售現場外銷發煙硫酸150 kt/a，裝車時間 5 405 h，現場回收 SO3氣體約4.4 m3/h，全年回收 w(H2SO4)100% 硫酸 85 t。以上兩項合計，回收w(H2SO4)100%硫酸283 t/a，扣除運行費用1.9萬元/a，至少增加效益2萬元/a。