轉(zhuǎn)化系統(tǒng)換熱器對制酸生產(chǎn)的影響及對策

李兆鈞，劉建萍，呂克新，李兆宏，張均杰

（煙臺國潤銅業(yè)有限公司，山東煙臺 264002）

煙臺國潤銅業(yè)有限公司（以下簡稱國潤銅業(yè)）是一家生產(chǎn)陰極銅、硫酸、黃金和白銀的銅冶煉生產(chǎn)企業(yè)，其中銅冶煉系統(tǒng)始建于1970年。2017年7月進(jìn)行技術(shù)改造，銅冶煉系統(tǒng)采用富氧側(cè)吹爐熔煉-多槍頂吹爐連續(xù)吹煉-反射爐精煉工藝，實現(xiàn)了熱態(tài)三連爐連續(xù)煉銅生產(chǎn)工藝；制酸系統(tǒng)也進(jìn)行相應(yīng)改造，采用稀酸洗滌凈化、二轉(zhuǎn)二吸工藝，凈化工序為單系列，干吸轉(zhuǎn)化為雙系列，硫酸系統(tǒng)設(shè)計能力達(dá) 370 kt/a。

1 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)工藝

凈化后的煙氣在電除霧器出口分為2股，一股送往現(xiàn)有制酸干吸、轉(zhuǎn)化工序（一系統(tǒng)），另一股送往新建干吸、轉(zhuǎn)化工序（二系統(tǒng)），原有系統(tǒng)硫酸尾氣與新建系統(tǒng)硫酸尾氣分別經(jīng)過尾氣脫硫系統(tǒng)后合并在一起由煙囪排放。轉(zhuǎn)化工藝流程見圖1～2。

一系統(tǒng)采用ⅣⅠ-ⅢⅡ、“3+1”二轉(zhuǎn)二吸工藝。來自干燥塔的SO2煙氣經(jīng)SO2風(fēng)機(jī)送入Ⅳ，Ⅰ換熱器，與來自四段和一段的熱SO3煙氣進(jìn)行氣氣換熱，冷煙氣經(jīng)加熱由1#電爐進(jìn)入1#轉(zhuǎn)化器一段，轉(zhuǎn)化后氣體經(jīng)Ⅰ換熱器管外換熱進(jìn)入轉(zhuǎn)化器二段進(jìn)行轉(zhuǎn)化，二段轉(zhuǎn)化后的氣體進(jìn)入Ⅱ換熱器管內(nèi)降溫后再進(jìn)入2#轉(zhuǎn)化器三段，在三段轉(zhuǎn)化后的氣體進(jìn)入Ⅲ換熱管內(nèi)降溫后經(jīng)1#熱管鍋爐再進(jìn)一吸塔。一吸塔吸收SO3后的煙氣經(jīng)Ⅲ，Ⅱ換熱器分別與轉(zhuǎn)化器三段和二段出口的高溫?zé)煔鈸Q熱，經(jīng)2#電爐進(jìn)入轉(zhuǎn)化器四段進(jìn)行二次轉(zhuǎn)化，二次轉(zhuǎn)化后的煙氣經(jīng)Ⅳ換熱器換熱后到2#鍋爐，然后進(jìn)入二吸塔。

二系統(tǒng)采用ⅢⅠ-ⅣⅡ、“3+1”二轉(zhuǎn)二吸工藝。來自干燥塔的SO2煙氣經(jīng)SO2風(fēng)機(jī)送至Ⅲ，Ⅰ換熱器，與來自三段和一段的熱SO3煙氣進(jìn)行氣氣換熱，冷煙氣經(jīng)加熱由1#電爐進(jìn)入轉(zhuǎn)化器一段，轉(zhuǎn)化后氣體經(jīng)Ⅰ換熱器換熱進(jìn)入轉(zhuǎn)化器二段，轉(zhuǎn)化后的煙氣經(jīng)Ⅱ換熱器換熱進(jìn)入轉(zhuǎn)化器三段，之后煙氣在Ⅲ換熱器管內(nèi)降溫，經(jīng)余熱鍋爐進(jìn)入一吸塔。一吸塔吸收SO3后的煙氣經(jīng)Ⅳ，Ⅱ換熱器分別與轉(zhuǎn)化器四段出口、二段出口的高溫?zé)煔鈸Q熱，經(jīng)2#電爐進(jìn)入轉(zhuǎn)化器四段進(jìn)行二次轉(zhuǎn)化，二次轉(zhuǎn)化后的煙氣經(jīng)Ⅳ換熱器換熱進(jìn)入二吸塔。

圖1 一系統(tǒng)轉(zhuǎn)化工藝流程

圖2 二系統(tǒng)轉(zhuǎn)化工藝流程

2 換熱器問題對生產(chǎn)造成的影響

首先是換熱器漏氣。一系統(tǒng)尾吸用堿量較以往增多，轉(zhuǎn)化三段溫度比控制指標(biāo)低約10 ℃，用于轉(zhuǎn)化四段入口升溫的2#電爐需常開5組（每組120 kW），造成電耗較高。一系統(tǒng)一吸塔進(jìn)口煙氣溫度比控制指標(biāo)高約20 ℃，熱量后移，加大了酸冷卻器的負(fù)荷。

其次是換熱器面積與實際所需面積相差較大。二系統(tǒng)中二、三段溫度超過設(shè)計溫度，轉(zhuǎn)化率低于設(shè)計值99.93%，熱量后移，二系統(tǒng)中吸收塔入口溫度高于設(shè)計溫度，鍋爐產(chǎn)汽量低于設(shè)計值。

3 原因分析及對策

3.1 換熱器漏氣

干吸系統(tǒng)的熱量源于轉(zhuǎn)化熱量后移，尾吸所用堿量與轉(zhuǎn)化率高低密切相關(guān)，由此可從轉(zhuǎn)化系統(tǒng)入手加以分析。

3.1.1 壓降

由定期的正壓壓降檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計可看出，Ⅲ換熱器殼程阻力異常，再綜合之前的大修情況，推測問題根源是在Ⅲ換熱器。

究其歷史，2011年大修前換熱器殼程阻力為1.1 kPa，后利用大修之際更換換熱器，阻力達(dá)600 Pa，隨后的幾個月運(yùn)行中阻力較為平穩(wěn)。同年11月，換熱器殼程阻力從900 Pa上升至1.7 kPa，2012年9月更換纖維除霧器才徹底解決阻力問題，2012年10月至2017年1月，阻力呈現(xiàn)波動增長趨勢，為避免阻力再次上漲，在大修時進(jìn)行清理，檢修后阻力又恢復(fù)正常。

2017年1—5 月，阻力由1.1 kPa持續(xù)上升至1.6 kPa，SO2風(fēng)機(jī)負(fù)荷較大。國潤銅業(yè)利用大修機(jī)會清理酸泥，更換纖維除霧器，同年7—9月?lián)Q熱器阻力降至1.2 kPa，但阻力仍呈上升趨勢，說明問題并未得到徹底解決。

3.1.2 工藝流程

Ⅱ換熱器是轉(zhuǎn)化三段入口的氣氣換熱器，用以降低二段出口SO3煙氣的溫度，提高三段入口SO2煙氣的溫度，因此三段入口溫度不達(dá)標(biāo)與Ⅱ換熱器密切相關(guān)。Ⅲ換熱器是轉(zhuǎn)化三段出口的氣氣換熱器，用以降低三段出口SO3煙氣的溫度，提高四段入口SO2煙氣的溫度，換熱器出口連接1#轉(zhuǎn)化鍋爐，煙氣經(jīng)鍋爐到一吸塔，若Ⅲ換熱器發(fā)生故障會影響到熱量后移，如果四段入口溫度不達(dá)標(biāo)，可啟動2#電爐保證自熱平衡。

3.1.3 換熱計算分析

一系統(tǒng)換熱器核算見表1[1]。

表1 一系統(tǒng)換熱器核算

2017年5 月大修堵漏后，Ⅲ換熱器面積減少了20%，約440 m2，直接影響轉(zhuǎn)化自熱平衡，而Ⅱ換熱器富裕量較高又直接影響轉(zhuǎn)化器三段入口溫度。

綜合考慮老系統(tǒng)生產(chǎn)用地情況、設(shè)備投資、換熱效果和節(jié)能降耗等因素，國潤銅業(yè)對設(shè)備加以優(yōu)化：

1）將Ⅲ換熱器由原來的旋流網(wǎng)板光管更換為旋流網(wǎng)板急擴(kuò)加速流縮放管式換熱器，具有空間利用率高、占地面積小、設(shè)備投資低、節(jié)能降耗等優(yōu)點[2]。

2）采用旋流網(wǎng)板支撐，旋流片迫使流體做強(qiáng)烈的蘭維螺旋運(yùn)動，增強(qiáng)流動湍流度，同時使流體沖刷壁面減薄邊界層，在保持大孔隙率的基礎(chǔ)上，充分利用流體自旋流，加強(qiáng)低阻、高效的傳熱優(yōu)勢[3]。

3）縮放管污垢值較光管低[4]，傳熱系數(shù)高，而急擴(kuò)加速流縮放管改變了普通縮放管縮放段與急擴(kuò)段占比，增強(qiáng)傳熱協(xié)同作用，進(jìn)一步加強(qiáng)縮放管傳熱效果，使此次技術(shù)改造具備實用效果[5]。

4）將Ⅱ換熱器短路兩個氣體通道，換熱面積縮小到 1 928 m2。

3.2 換熱器面積與實際所需面積相差大

二系統(tǒng)采用ⅢⅠ-ⅣⅡ換熱流程，Ⅲ，Ⅰ換熱器提高轉(zhuǎn)化器一段溫度，Ⅳ，Ⅱ換熱器提高轉(zhuǎn)化器四段溫度。對工藝流程、換熱面積和實際溫度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Ⅲ換熱器面積的富裕量直接影響二段進(jìn)口溫度及鍋爐產(chǎn)汽量。

二系統(tǒng)換熱器核算見表2。

表2 二系統(tǒng)換熱器核算

最終實施的改造方案是在Ⅲ換熱器煙氣進(jìn)口到Ⅲ換熱器煙氣出口之間增加1條DN1 000短路管線，手動閥門控制。

4 技改后運(yùn)行情況

改造后，一系統(tǒng)的Ⅲ換熱器殼程阻力約600 Pa，三段溫度達(dá)到工藝指標(biāo)，2#電爐不開，轉(zhuǎn)化率超過99.9%，尾吸塔入口φ(SO2)低于0.015%，用堿量明顯減少。此外，酸冷卻器負(fù)荷顯著降低，可操作范圍擴(kuò)大。Ⅱ換熱器的改造對系統(tǒng)影響更為明顯，三段溫度達(dá)標(biāo)，轉(zhuǎn)化率得以提升。從長遠(yuǎn)看，Ⅲ換熱器的改造使轉(zhuǎn)化系統(tǒng)自熱平衡、干吸熱量及尾吸用堿量得到控制。

改造后的二系統(tǒng)轉(zhuǎn)化工序短路閥開度控制在30%～50%，轉(zhuǎn)化二段進(jìn)口溫度達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，轉(zhuǎn)化率較之前有所提高，干吸多余熱量從轉(zhuǎn)化鍋爐移出，汽量達(dá)到設(shè)計值3 t/h。

5 結(jié)語

制酸系統(tǒng)換熱器一旦出現(xiàn)問題，應(yīng)對整體系統(tǒng)進(jìn)行理論及數(shù)據(jù)分析，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)自熱平衡對干吸系統(tǒng)至關(guān)重要，技改時不能僅局限于其中一部分，應(yīng)追溯根源再進(jìn)行改造，最終使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。