朱启保 李 忠

(金川集团股份有限公司， 甘肃 金昌 737100)

0 前言

镍铜冶炼烟气在生产硫酸过程中会产生大量的中低温余热，包括烟气降温热、二氧化硫转化热以及三氧化硫吸收热等，据测算，生产1 t硫酸可副产0.5～0.7t蒸汽。目前国内大部分工厂都是通过循环冷却水和风机将这部分热量移出系统，不仅造成热能和水资源的极大浪费，而且还会造成环境污染。随着国家节能减排力度的加大和资源综合利用水平的不断提高，镍铜冶炼烟气制酸过程中产生的中低温余热回收利用势在必行。热管锅炉可以回收三氧化硫烟气在转化过程中产生的中低温余热，并将进行有效利用，因具有传热效率高、流体阻损小、有利于控制露点腐蚀等优点，目前已广泛应用于冶金、化工、炼油等工业领域。

1 某铜冶炼厂硫酸系统的生产现状

某铜冶炼厂70万t/a硫酸系统采用双转双吸生产工艺，一次转化后的烟气进行一次吸收，二次转化后进行二次吸收，转化率、吸收率分别为99.5%、99.99%，二吸塔出口烟气经碱液吸收后达标排放。为了获得较好的吸收效率，同时避免烟气结露，一般进入吸收塔前，利用常温空气换走SO3气体中的热量，并将温度控制在170～190 ℃。改造前，该硫酸生产系统SO2转化热通过风机冷却外排大气中，造成资源浪费和环境污染。某铜冶炼厂决定依托现有70万t/a硫酸系统的DCS系统，采用成熟、可靠的热管锅炉技术——分离型循环管式蒸发器作为余热回收装置进行扩能改造。

2 分离型热管锅炉

热管是一种具有极高导热性能的传热元件，通过在全封闭真空管内工质的蒸发与冷凝来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可调控、可远距离传热、可控制温度等一系列优点[1-2]。应用热管原理及其优点，将热管作为传热元件，可以做成各种热管换热器，将其做成热管蒸发器时，即为所谓的热管锅炉[3]。热管锅炉具有结构紧凑、重量轻、传热效率高、无运动部件、维护简单、运行可靠等优点，特别适宜于中、低温余热的回收。

2.1 分离型热管的优点

分离型热管的蒸汽上升和工作液体的返回，分别通过蒸汽上升管及液体回流管完成，汽、液分别在各自的管内流动。其除具有热管的基本特性外，还具备如下优点：

1) 蒸汽和冷凝液体是同向流动、分管而行，不存在携带传热极限。

2) 真空度是通过排放不凝性气体获得的，不需要抽真空。

3) 冷、热流体的分箱结构可防止其间的相互泄漏。

4) 可实现多种流体间的换热。

2.2 分离型热管锅炉的工作原理

分离型循环管式热管锅炉由热管加热段、上下联箱、外联管(热管上升管和热管下降管)、热管放热段及汽包等部分构成[4]，如图1所示。

热管受热段置于热流体风道内，热流体横向冲刷热管受热段；热管元件冷却段设置在汽包内，汽、水系统的受热和热源分离，独立存在于热流体的通道之外，汽、水系统不受热流体的冲刷。热管元件(包括吸热段、放热段、上升管、下降管)内的工质密闭循环，汽包内的汽、水不参与循环，烟气侧与汽、水侧实现真正意义上的完全分隔。上下联箱通过外联管路与汽包内的热管元件冷侧连接，降低了制造难度。

图1 分离型循环管式热管锅炉的工作原理

3 余热利用的改造方案

某铜冶炼厂在现有70万t/a硫酸系统的DCS系统基础上，配套2台热管余热锅炉系统，利用SO2转化产生的中温位余热生产蒸汽进行扩能改造。

3.1 余热回收系统的工艺流程

在转化工段转化器东侧空地处建设热管余热锅炉，1#热管余热锅炉建设在1#SO3冷却风机的北侧空地，2#热管余热锅炉建设在2#SO3冷却器东侧(干吸和转化之间的空地)。2套热管锅炉余热装置的控制系统如图2所示。

图2 余热回收系统的工艺流程

1)1#、2#热管余热锅炉入口烟气均引自2台SO3冷却器管程入口管道，出口烟道并入SO3冷却器管程出口烟道。

2)原有SO3冷却器及烟道作为旁路，并在3#、4#外热交出口至SO3冷却器之间，分别靠冷却器一侧增加1台电动调节阀，该阀作为吸收塔入口烟气温度或余热锅炉故障切换调节使用。

3.2 采用双层Y型并联进气，实现高效传热

2套余热回收装置均由除氧器、汽包、蒸发器和烟气通道组成。处理烟气量较大，分别为258 192.4 Nm3/h和236 581.7 Nm3/h，入口烟气温度分别为280 ℃和255 ℃，锅炉入口烟道直径为DN2 800 mm。若烟气全部径直进入蒸发器，烟气流速大，一方面会造成阻力增大；另一方面高温烟气与锅炉蒸发器内盘管接触时间短，会造成换热效率低，且烟气垂直方向冲向盘管，会增加盘管的磨损。为此，对烟气流向及烟道接入方式进行了技术研究。

1)烟气流动的控制方程适合采用低马赫数形式的三维非稳态Navier-Stokes方程的近似形式，气体状态方程为：

p=ρRT

(1)

式中：p——压强，Pa;

ρ——密度，g/m3；

R——理想气体常数；

T——热力学温度，K。

由式(1)可知，斜插、分层、增大蒸发器口径有利于减小阻力、减轻垂直碰撞磨损、传递热量。

2)传热的基本方程式：

Q=KFΔt

(2)

式中：Q——传热量，W;

K——传热系数，W/m2·℃；

F——传热面积，m2；

Δt——热流体与冷流体间的温差，℃。

由式(2)可知，翅片结构有利于增大传热面积，进而增加传热量。与斜插原理相结合，改进传热管结构，蒸发器内光管包裹工质通道，外端设计翅片结构，翅片切斜、与烟气入口方向垂直，提高传热效率，如图3所示。

3.3 采用热管- 低温- 预热多级双层控热技术

转化1#、2#余热锅炉的入口烟气温度分别为280 ℃和255 ℃，从多产蒸汽的角度分析，出口烟气温度控制得越低越好；从获得尽可能高的吸收效率角度分析，出口烟气温度应该控制得适宜；从保护设备设施角度分析，出口烟气温度应该控制得越高越好。综合以上三点，余热锅炉出口烟气最佳温度为：露点温度以上，尽量低。因此，从转化设备设施腐蚀机理、温度调节方式等方面展开研究，结合热量计算，采用了热管- 低温- 预热多级双层控热技术。

图3 双层Y型并联进气示意图

3.3.1 余热回收装置腐蚀机理

目前制酸系统余热回收装置的腐蚀问题是制约余热回收的瓶颈，无论是何种余热回收装置，都避免不了SO3冷凝对余热回收装置气室的腐蚀影响，余热回收装置的腐蚀主要集中在受热面(气室)的硫酸腐蚀，因为尾部受热面区的烟气和管壁温度较低，所以称为低温腐蚀。冶炼烟气制酸系统的SO2烟气在催化剂的作用下进一步氧化生成SO3，而SO3与烟气中的水蒸气生成硫酸蒸气[5-6]。硫酸蒸气的存在使烟气的露点温度显著升高，当SO3烟气温度较低时，即会产生冷凝对换热管及气室本体的腐蚀，影响余热回收装置的安全稳定运行。根据以下公式对SO3气体的露点温度进行计算：

1)弗霍夫露点计算公式

1 000/T=2.276-0.029 4ln(PH2O)-
0.085 8ln(PSO3)+0.006 2ln(PH2O·PSO3)

(3)

2)卢钦斯基相平衡数据回归露点计算公式

当PH2O>1.102PSO3，C≤98.3% 时，

1 000/T=2.281 19-0.066 2(PH2O)-
0.048 77ln(PSO3)；

(4)

当PH2O<1.102PSO3，C≥100% 时，

1 000/T=2.494 78-0.088 8ln(PH2O)-
0.032 04ln(PSO3)

(5)

式中：PH2O——气相中水的分压，mmHg；

PSO3——气相中三氧化硫的分压, mmHg；

C——露点时液相中硫酸质量浓度，%；

T——露点温度，K。

根据公式(3)、(4)和(5)，推算转化Ⅲ、Ⅳ热交换器出口SO3烟气的露点温度为156.3 ℃。

3.3.2 旁通温度调节

根据余热回收装置露点温度的计算，进入装置气室烟气温度高于160 ℃，即可满足余热回收装置的安全性，因此根据锅炉整体配置，在2台气室进出口分别增设一条旁通烟道，并设计调节阀门。正常锅炉操作时，可将全部烟气引入气室与换热管进行换热，保证余热回收装置的合理生产负荷；当余热回收装置故障条件下，装置孤立，气室烟气温度逐步下降，为了防止烟气温度低于160 ℃的临界温度条件，可将部分烟气通过调节引入装置，以提升装置气室内的烟气温度，满足装置腐蚀临界点的要求。

3.3.3 余热装置“伴热防露”调节

转化系统中进入余热装置的SO3浓度较高，一般达到10%以上，而且冶炼系统烟气浓度、气量波动较大，对转化SO3的温度变化会引起大幅度波动。为了确保余热回收装置能够安全稳定运行且不受烟气波动的影响，在转化系统余热回收装置过热器的底部增加了伴热管。在烟气SO2浓度过低、系统停炉及冬季停车时，为防止装置低温腐蚀、热管内工质冻结，采用锅炉出口的蒸汽进行伴热，保证温度在露点温度以上，实现设备的安全运行。

3.4 主要设备及辅助设施

新增2台热管锅炉的余热回收系统的主要设备、辅助设施、工艺管道见表1。

4 余热回收装置的应用效果

改造前，某铜冶炼厂70万t/a硫酸生产系统二氧化硫转化热通过风机冷却全部外排大气中，资源浪费和环境污染严重；改造后将风机冷却外排热量全部回收。按镍冶炼富氧顶吹炉设计投料计,进入70万t/a硫酸系统的烟气量为220 000～250 000 Nm3/h，烟气二氧化硫浓度为7.5%～9%，2台热管余热锅炉平均蒸汽产量合计为16 t/h，年回收余热蒸汽量达12.8万t。回收余热的同时节约了电和烧碱的消耗，优化了系统工艺指标，改善了现场作业环境，对制酸系统节能增效、降低生产成本具有重要意义。

表1 主要设备及工艺管道

5 结束语

冶炼烟气制酸过程的转化工段属于放热化学反应过程，大量的化学能转变为热能释出，必须采用科学的方法将余热回收并加以利用。目前，硫酸系统匹配热管余热锅炉已经成为硫酸热能综合利用的趋势，充分利用较为稳定的烟气条件，通过在转化工段增加中温位热管余热锅炉，将此部分长期外排热风中的热能充分回收利用，生产副产价值更高的蒸汽，不仅避免了系统热能资源的损失，创造一定的经济效益，降低硫酸生产成本；而且对企业的技术进步、节能降耗、提高经济和社会效益具有重要意义。