东南铜业冶炼烟气制酸装置试生产回顾

朱智颖，王官华，周桂月，杨晓武

（1. 长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南长沙 410019；2. 中铜东南铜业有限公司，福建宁德352106）

中铜东南铜业阴极铜产能为400 kt/a，硫酸产能为1 460 kt/a，由长沙有色冶金设计研究院有限公司进行总承包建设。该项目从2016 年持续至2019 年完成施工安装、试生产和验收。试生产阶段是系统运行过程暴露问题最多的时期。技术人员对期间出现的难点问题进行梳理和归纳，对今后项目的设计优化、总承包的改进都有积极意义。笔者对涉及到制酸和尾气处理系统出现的问题进行梳理和总结。

1 硫酸净化工序

1.1 一级高效洗涤器出口烟气温度过高

绝热蒸发阶段水蒸气的不饱和状态造成的气液温差不应达到10 ℃以上。一级高效洗涤器出口烟气温度一段时期内高达70～80 ℃，与循环液的温差超过10 ℃，已接近SO2风机联锁跳车的温度[1]。通过对净化废酸的浓度化验分析，推测该现象主要是因为冶炼过程产生的烟气中SO3浓度过高。根据烟气的设计条件，烟气中φ(SO3) 为0.48%～0.62%。如一级高效洗涤器逆喷管后的分离器中有部分SO3被水雾吸收成不同浓度的硫酸，由此计算出SO3[φ(SO3) 以0.48% 计] 吸收水后放热使烟气温度升高的结果，见表1。

由表1 可见：设计烟气中的SO3如有40% 在逆喷管之后形成酸雾，气相温度升高已接近10 ℃，如加上2～3 ℃的气液不饱和温差，烟气温度上升则超过10 ℃。另外，如果进净化工序的烟气φ(SO3)为0.62% 或更高时，即使该过程SO3的吸收率低于40%，烟气温度同样能大幅提升。

为解决上述问题，技术人员采取以下措施：①由于人工测量间隔长，反应滞后，在一级高效洗涤器的废酸排出管上设置流量和硫酸浓度在线检测仪，及时了解烟气中SO3大致含量；②在一级高效洗涤器烟气出口管上除了设置远传电子温度计还要设置现场温度表，以备实时对比；③在一级洗涤器的分离器上部设计循环液喷淋层，加强对SO3吸收的同时进一步平衡气液温差。

表1 SO3吸收水放热烟气温度升高结果 ℃

1.2 烟管石墨过渡段掉砖

当循环泵发生事故而停车时，新水或回流净化废酸未及时补入高位槽，造成一级高效洗涤器的溢流堰出现断流，导致烟管石墨过渡段掉砖。

高位槽液位与新水阀的液位联锁要定期运行维护，防止事故状态下无法补入新水。新水的补入量要满足全部靠新水补入时的量，即不算废酸回流量，高位槽内的液位依然能保持稳定不下降。

1.3 净化压滤机金属管道与接头腐蚀

净化压滤机的水隔膜压滤系统因串入稀酸造成金属管道与接头腐蚀。净化废酸含尘浓度较低或压滤机板框的密封性差是导致稀酸串入压滤系统的直接原因。

厢式压滤机设计选用压缩空气进行压滤，会比水压滤更好地保护压滤水侧的管道和设备。

2 硫酸干吸工序

2.1 碳钢烟道出现腐蚀穿孔

施工期间，二吸塔去脱硫塔的碳钢烟道管道在未完全焊接闭合前，有雨水进入管道，封闭前又未及时排出，投料后烟气中残余SO3与水结合形成稀酸将管道腐蚀，出现穿孔现象。

在烟气管道，特别是碳钢烟道的最低点一定要设置放净口，及时排出水分。

2.2 干燥稀释风阀腐蚀严重

仪表设计人员误以为干燥稀释进风是空气，忽略了烟气中存在的大量SO2会与饱和水反应生成同样具有腐蚀性的亚硫酸，设计时选用碳钢材质的干燥稀释风阀，结果造成短期内阀芯阀瓣严重腐蚀。

技术人员将阀体阀芯更换为玻璃钢、不锈钢或衬塑等非金属材质，解决了阀门的腐蚀问题。

2.3 SO2风机防喘振温度计故障

西门子透平机械设备有限公司（原德国KK&K公司）生产的SO2风机为实现自保护，在风机入口段安装了插入烟气中的防喘振温度计。该温度计是一种测量因喘振造成烟气温度升高的保护性停机装置。如风机前气体中有大量焊渣未清理干净，一旦风速达到一定值，焊渣被吹入风机，就会把温度计探头打坏，造成风机系统保护性停机。在试运行期间，干燥塔及去SO2风机烟道的焊缝渣打坏了SO2风机防喘振温度计。

针对上述问题，技术人员应重视风机前金属管道（较短，其余均为净化玻璃钢材质）和干燥塔的焊接质量，每条焊缝最好都是双面焊。如不能保证双面焊需在开机前把焊渣、焊瘤全部敲下来并清扫掉。

3 SO2 风机

3.1 SO2风机开机困难或高温停机

因SO2风机需要的冷却循环水量小，一般为42 m3/h，设计时易与净化或干吸循环水系统合并在一起；硫酸循环水泵功率大，未加变频装置；运行初期管道中有大量空气未排出，系统很难调节到合适流量使风机循环水量达到设计流量，从而造成润滑油站高温报警，SO2风机开机困难。

技术人员将SO2风机循环水的进水管接一路新水，试车或投产前先以新水灌满循环管路，再开硫酸循环水；或短期不开硫酸循环水系统，以新水单独冷却风机，如此可不受净化干吸循环水系统的影响。

3.2 风机控制系统冗余滞后或因线路干扰酿成事故

大风机或电机系统启动过程比小机泵或风机电气系统复杂。虽然硫酸DCS 系统也能实现该功能，但风机与控制柜之间电缆过多、过长，加大了运行功耗和安装接线维修的难度，出错的几率更大，加大了开车危险性。硫酸DCS 系统本身带动的电气设备就很多，再加上风机控制系统，容易冗余滞后或直接因线路干扰酿成事故。

风机控制系统一定要设置独立的PLC 系统进行自动控制。每台风机需就近设置单独的PLC系统，再接入DCS 系统进行可调控制。为安全和运行过程更保险，可在综合控制室等处设置硬接线急停按钮，便于在控制室发现紧急情况后急停风机。

3.3 风机电机的防浪涌保护装置

风机厂家出于对电机自身的保护，在大功率电机上一般会有意设置防浪涌（防雷击）保护装置。如果电机不以变频而采用软启动方式开机，瞬时反向高压电流会击穿自身未带保护的软启动设备的部分晶闸管，数次（3～4 次）开机后会造成电机缺相启动，电压不平衡带不动电机，30 s 左右逐步烧毁电机线圈，严重时会产生爆炸，波及周围人员生命。

对不同的风机，一定要向风机厂家了解清楚其电机是否设有防浪涌（防雷击）保护装置，并与电气专业对接明确。进口风机更应重视该问题，高压软启动柜的选取一定要采用自我防浪涌保护装置，以抵消电流的反向冲击。

4 硫酸转化工序

4.1 热风炉预热管道的盲板安装困难

热风炉同时预热两次转化催化剂床层。为简化预热管路，热风炉预热转化工序时采用加热一股一次转化气，再分成两股气分别预热一次转化和二次转化催化剂床层。正常通烟气运行后，为防止串气，在两股分气烟管间采用双阀加设置盲板的方式进行隔断，以确保一次和二次转化SO2烟气完全隔绝。由于阀门难以做到100% 密封，安装盲板变得十分必要。然而直径1.2 m 的盲板需要在400 ℃以上的高温条件下安装，且安装过程因阀门密封不严还存在SO2泄漏的问题，高温与毒性气体泄漏把盲板安装难度一下提升了数个等级。多人全套防护，利用吊车整整花了1 天才将盲板装好，而升温3 天后又要拆下盲板。实际生产中反复作业，问题长期存在。

为解决盲板安装困难的问题，将热风炉预热管道分成独立的管路，分别加热一次和二次转化段。把热风炉后的升温预热器做成2 个独立的设备形式（也可以上、下放置，合二为一），对一次和二次转化段的烟气分别进行升温预热，由于系统总的热需求量基本不变，所以总换热面积并未增加多少。两者彻底不相串，也就不存在装盲板的需要。也可以把热风炉改成分置的电炉加热方案。

4.2 热风炉天然气消耗量大

开车升温或硫酸系统保温时，热风炉燃烧燃料间接加热烟气后的热空气直接排空，剩余的高温热量未进行任何回收利用即被排放，升温时间一长，燃料消耗量较大，操作费用高。

在满足燃烧氧气浓度的前提下，把热风炉换热器出口的部分热空气回流至稀释风进口管，可有效提高热利用率，减少燃料消耗。

4.3 冶炼和制酸产能提升受限

设计时转化工序未留富余，在达到设计烟气量和SO2浓度下，SO2风机已达最大工作压力60 kPa，在SO2浓度不能提升的前提下，烟气量也无法再提升，冶金系统矿中硫含量稍微有波动，净化工序入口就有可能呈正压，冶金系统投料量受限。

设备管道增大已不现实，转化器入口烟气φ(SO2) 几乎已达最大值16%，将目前串联的设备设法并联，达到R总=R大R小/(R大+R小) ∈[R小/2，min(R小，R 大/2)] 的效果。如将换热器的串联侧进行并联，或将换热器与余热锅炉由串联改成并联。但由此改变了换热器或余热锅炉的热负荷参数，需重新校核设备满足工况后，采取增加阀门和副线管的方式以保证改变工况后设备正常运行。当系统阻力减小后，风量得以增加，同时，一段转化器内气流分布更均匀，进一步提升了进转化器SO2气体的浓度。这样达到气量和浓度齐增的效果，能有效提高硫酸产量和冶炼产能。

值得一提的是，设备串联改为并联后，应把原串联管道以阀门或盲板形式进行彻底断开，才能真正实现设备并联，阻力减小的效果更明显。

4.4 转化器入口SO2浓度受限

转化器直径较大，烟气出口位置未在转化器中心，使接近出口处的烟气流速快，远离出口处的烟气流速慢；一段转化器的出口温度分布不均，流速慢的位置反应更充分，温度更高。SO2浓度高时，最高温度容易超过设计温度，而平均温度远未达到设计温度。因此，要以最高温度控制入口的SO2浓度。

为解决上述问题，可采取的措施有：①对转化器出口流道进行改进，使气体尽量从靠近中心处出去；②改进烟气入口气流分布板，增加扰流效果，使气体分布更均匀；③减少一段催化剂的装填量，使转化率进一步降低，达到入口SO2浓度提升、出口温度稳定不上升的效果。

5 环集烟气脱硫系统

环集烟气脱硫系统主要处理熔炉吹炼环集烟气、冰铜风淬烟气、吹炼渣风淬烟气和精炼炉烟气。所有烟气进入1 套环集烟气脱硫系统。脱硫系统没有备用，更没有旁路。冶炼正常生产时脱硫系统不能停车；冶炼热修要接保温烟气，脱硫系统也不能停。这导致环集脱硫装置成了全厂连续运行时间最长的系统，过载承受力较弱，出现一点波动都将造成环保排放超标。

5.1 烟气中尘含量升高，尾气SO2含量超标

源头烟气中含尘量较大的主要有吹炼渣风淬和冰铜风淬烟气。这两股烟气基本未经收尘就送入环集脱硫系统。烟气净化效果不好，导致烟尘进入离子液脱硫系统形成热稳定性盐，从而降低离子液脱硫效果。

技术人员可设置1 套净化系统对源头烟气中含尘量较大的烟气进行单独洗涤后，再进入脱硫系统；或对其设计独立的净化脱硫系统，处理达标后直接排放；还可以对冰铜风淬和吹炼渣风淬烟气合并洗涤净化后，再经双氧水脱硫达标后直接排放。

5.2 脱硫塔布液装置影响脱硫效果

离子液脱硫塔液体喷淋量较小，只有烟气量的0.4‰左右，脱硫塔布液装置液体下流分布不均，直接影响SO2脱除效果。流量小时出现布液点断流，最大量时出现持液层液泛现象，由此引起气相短路，SO2脱除不充分等问题。

布液器的选型和安装要充分考虑理论最小流量和最大流量，避免发生断流或液泛现象。另外，上、中、下每层规整填料层的选型要合适，整个填料段都应满足气流与液流面的充分接触。

5.3 负压再生影响解吸效果

设计未明晰离子液解吸过程的主要推动力是温度，类比制盐负压蒸发罐，以负压再生离子液，结果解吸温度低于100 ℃，严重影响离子液解吸效果。事实上，解吸需在102 ℃以上进行，温度对SO2与阳离子间的成键作用远大于水气的携带作用。理论上讲，当温度更低，例如解吸温度接近吸收温度时，采用大负压应该也能分离出溶液中SO2，这样几乎可以不耗蒸汽，而事实却刚好相反。所以，保证SO2与阳离子溶液的断键温度是解吸的必要条件。

另外，由于设计没有充分考虑必要的蒸汽量，102 ℃离子液解吸时需18 t/h，设计以94 ℃解吸却只要10 t/h，导致蒸汽和冷凝水管径偏小。实际加大蒸汽量后，冷凝水侧管路阻力明显增长（因回锅炉房管道很长），靠蒸汽自身压力已无法将冷凝水送回锅炉房。

通过采取以下措施可解决上述问题：①取消负压再生，改为温度高于102 ℃的微正压解吸；②提高蒸汽源的压力等级，满足将冷凝水压回锅炉房的条件；如蒸汽压力无法提高，则增设1 台增压泵提高冷凝水输送压力，确保回水顺畅。

5.4 不能确保处理高浓度SO2烟气时尾气达标排放

脱硫塔仅设1 层喷淋层，处理SO2浓度不高[ρ(SO2) ＜2.5 g/m3] 的烟气时，能满足尾气达标排放。一旦冶炼系统打开多个放铜口、放渣口，阳极炉也处于氧化期操作，烟气中SO2浓度大幅超过设计值。脱硫系统没有应急装置确保尾气达标，仅靠补加新鲜离子液来维持较强的脱硫效果。这样大大增加了每年离子液的补加量。经统计，离子液补加量为26 t/a（设计为12.4 t/a），占装填量（64 t）的40%。

在脱硫喷淋层后设置溶液回收段或设置碱洗保安段（或保安塔），提高SO2总脱除率。溶液回收段利用捕沫器捕收烟气夹带的离子液，以循环洗涤的方式再次脱除烟气中SO2，确保尾气SO2排放达标。碱液保安塔是增设脱硫塔对尾气再次以碱液脱硫，保证SO2达标排放。碱液可利用脱盐系统的阴离子再生废碱为原料。碱洗脱硫后，再将Na2SO4中性溶液排至废水处理站。

6 烟气脱硝工序

6.1 环集烟气脱硫系统NOx超标

GB 25467—2010《铜、镍、钴工业污染物排放标准》规定大气污染物中ρ(NOx) 的特别排放限值为100 mg/m3。该项目总体设计时忽略了烟气中NOx的排放问题，认为任何工况下尾气中的ρ(NOx)都不会超过80 mg/m3。实际上，为防止阳极炉在进冷料（残极）或取样时正压冒气，采取了开大引风机保证炉体微负压操作，致使空气进入炉膛产生热力型NOx；熔炼炉、吹炼炉在每周停炉保温几小时内，燃烧天然气使用的空气也同样会产生热力型NOx，致使环集烟气脱硫系统NOx超标。

针对炉子短期、间断地产生NOx，且总量不大的特点，设计采取在脱硫之后以臭氧脱硝工艺进行NOx的脱除。设计处理烟气量为450 000 m3/h，ρ(NOx) 为250 mg/m3，脱硝后尾气达标排放。实际选用2 台60 kg/h 臭氧发生装置，每台发生器负荷可调范围为30%～100%。以脱硫保安塔为脱硝塔，利用NaOH 溶液脱除NOx，含硝酸钠的脱硝污水去废水处理工序。

选用臭氧脱硝应注意以下几点：

1）臭氧喷入的反应烟道要有1 s 左右的停留时间，以保证氧化效率。

2）可设置静态混合器加强臭氧与烟气的混合。

3）脱硝塔的碱液循环量应有富余，保证NOx的脱除率。

4）臭氧发生器运行后，会在电极玻璃管的内外侧出现黑色附着物。这是不锈钢电极在高浓臭氧环境生成的氧化物在高压电场作用下持续定向迁移的特征现象，而非氧气源本身可能夹带的少量金属微尘颗粒，黑色氧化物积累到一定程度后需要对玻璃管更换或清理。

5）臭氧发生器的电极单元数要与臭氧产量相匹配，且适量的富余能减少电极表面金属粒子的氧化迁移效应及玻璃管发黑的程度。

6.2 成品酸出现变色现象

冶炼过程的二次复燃风或盐化风会产生NOx，使硫酸尾气中ρ(NOx) 为20～50 mg/m3。NOx可在干吸工序与部分硫酸反应生成亚硝酰硫酸。该物质破坏部分氧化膜后形成Fe3+，再发生反应生产Fe2+。Fe2+再与H2SO4形成FeSO4白色沉淀，由此成品酸会出现变红或变白的现象。

因尾气中ρ(NOx) 一直未超标，故暂不做脱硝处理，今后可考虑在硫酸系统采用脱硝工艺。

7 结 语

通过对中铜东南铜业冶炼烟气制酸装置试生产过程出现的问题进行分析，并提出和落实针对性的解决方案，试生产中出现的问题基本都得到解决或改善。这些问题大多是因设计考虑不周或被设计忽视而出现的，生产却因此不得不减产或停修，造成了经济和时间双重损失。因此，把好设计关，重视生产的意见，及时调整、增加当前和今后的设计关注点，才能不断完善工艺和减少棘手问题的出现。