淺論硫酸裝置干吸工序串酸流程對尾氣和成品酸的影響

胥 永，甘 宇，杜 龍

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌330031）

在冶煉煙氣制酸、硫鐵礦制酸和硫磺制酸系統(tǒng)干吸工序設計過程中，選擇串酸流程時需考慮系統(tǒng)水平衡、流程合理性以及SO2在濃硫酸中的溶解、脫吸等因素。隨著冶煉過程富氧熔煉技術的發(fā)展，進入制酸系統(tǒng)的冶煉煙氣中SO2濃度越來越高，其中部分銅冶煉煙氣制酸裝置干吸工序的SO2體積分數(shù)更是高達12%～20%[1]。煙氣中SO2濃度越高，溶解在濃硫酸中的SO2含量越高。濃硫酸中的SO2含量直接影響最終吸收塔出口煙氣和成品酸中SO2的濃度。筆者分析比較了幾種不同串酸流程對最終吸收塔出口煙氣和成品酸中SO2濃度的影響。

1 制酸系統(tǒng)干吸工序串酸流程

接觸法制酸工藝中干吸工序通常采用低位高效的干吸工藝，SO2濃度較高的制酸工藝的干吸工序基本采用一級干燥、兩級吸收、循環(huán)泵后冷卻工藝與二轉(zhuǎn)二吸轉(zhuǎn)化工藝相對應。若干吸工序串酸流程設計不當，會導致大量的SO2從最終吸收塔解吸進入尾氣，增加后續(xù)脫硫工序的負擔，同時大量的SO2溶解于成品酸中，會導致酸庫及硫酸的轉(zhuǎn)運環(huán)境惡劣。典型一級干燥、兩級吸收的串酸流程有6種。

1.1 串酸流程Ⅰ

干燥酸直接串至中間吸收塔循環(huán)泵槽，中間吸收塔循環(huán)酸串至最終吸收塔循環(huán)泵槽，由最終吸收塔循環(huán)槽向外產(chǎn)酸。該流程中，溶解在干燥酸中的SO2主要進入中間吸收塔出口氣體中，部分溶解在中間吸收塔循環(huán)酸中的SO2進入最終吸收塔出口氣體，部分溶解在最終吸收塔循環(huán)酸中的SO2進入成 品酸中。串酸流程Ⅰ見圖1。

圖1 串酸流程Ⅰ

1.2 串酸流程Ⅱ

干燥酸直接串至中間吸收塔循環(huán)泵槽，中間吸收塔循環(huán)酸串至最終吸收塔循環(huán)泵槽，由最終吸收塔下酸管向外產(chǎn)酸。該流程中，溶解在干燥酸中的SO2主要進入中間吸收塔出口氣體中，部分溶解在中間吸收塔循環(huán)酸中的SO2進入最終吸收塔出口氣體，極少溶解在最終吸收塔循環(huán)酸中的SO2進入成品酸中。串酸流程Ⅱ見圖2。

圖2 串酸流程Ⅱ

1.3 串酸流程Ⅲ

干燥酸經(jīng)過脫吸后串至中間吸收塔循環(huán)泵槽，中間吸收塔循環(huán)酸串至最終吸收塔循環(huán)泵槽，由最終吸收塔下酸管向外產(chǎn)酸。該流程中，溶解在干燥酸中的SO2少量進入中間吸收塔出口氣體中，少量溶解在中間吸收塔循環(huán)酸中的SO2進入最終吸收塔出口氣體中，極少溶解在最終吸收塔循環(huán)酸中的SO2進入成品酸中。串酸流程Ⅲ見圖3。

圖3 串酸流程Ⅲ

1.4 串酸流程Ⅳ

近年來，隨著冶煉技術的發(fā)展，產(chǎn)生的煙氣中SO2濃度越來越高，且連續(xù)穩(wěn)定，對制酸干吸工序產(chǎn)出的大量低溫位熱進行回收將是一個趨勢。串酸流程Ⅳ為干吸工序設置了低溫位熱回收裝置回收中間吸收塔的熱量用于產(chǎn)蒸汽，為了盡可能多地回收熱量，將一部分干燥酸串至最終吸收塔循環(huán)泵槽，另一部分串至低溫位熱回收塔，低溫位熱回收塔循環(huán)酸串至最終吸收塔循環(huán)泵槽和干燥塔循環(huán)泵槽，由最終吸收塔下酸管向外產(chǎn)酸。該流程中，溶解在干燥酸中的SO2主要進入熱回收塔和最終吸收塔出口氣體中，溶解在熱回收塔循環(huán)酸中的SO2進入最終吸收塔出口氣體中，極少溶解在最終吸收塔循環(huán) 酸中的SO2進入成品酸中。串酸流程Ⅳ見圖4。

圖4 串酸流程Ⅳ

1.5 串酸流程Ⅴ

一部分干燥酸經(jīng)過脫吸后串至最終吸收塔循環(huán)泵槽，另一部分直接串至低溫位熱回收裝置，低溫位熱回收裝置循環(huán)酸串至最終吸收塔循環(huán)泵槽和干燥塔循環(huán)槽，由最終吸收塔下酸管向外產(chǎn)酸。該流程中，溶解在干燥酸中極少量未脫吸干凈的SO2進入最終吸收塔出口氣體中，溶解在干燥酸中的SO2主要進入低溫位熱回收塔出口氣體中，溶解在低溫位熱回收循環(huán)酸中的SO2進入最終吸收塔出口氣體中，極少溶解在最終吸收塔循環(huán)酸中的SO2進入成品酸中。串酸流程Ⅴ見圖5。

圖5 串酸流程Ⅴ

1.6 串酸流程Ⅵ

干燥塔串出酸全部經(jīng)過脫吸后串至低溫位熱回收裝置和最終吸收塔循環(huán)泵槽，低溫位熱回收裝置循環(huán)酸串至最終吸收塔循環(huán)泵槽和干燥塔循環(huán)槽，由最終吸收塔下酸管向外產(chǎn)酸。由于串至低溫位熱回收裝置的酸需要一定壓力，故此流程中需要設置串酸槽和串酸泵。該流程中，溶解在干燥酸中極少量未脫吸干凈的SO2進入低溫位熱回收塔出口氣體中，溶解在低溫位熱回收循環(huán)酸中的SO2進入最終吸收塔出口氣體中，極少溶解在最終吸收塔循環(huán)酸 中的SO2進入成品酸中。串酸流程Ⅵ見圖6。

圖6 串酸流程Ⅵ

2 最終吸收塔出口煙氣和成品酸中SO2濃度計算

為了計算最終吸收塔出口煙氣和成品酸中SO2濃度，以一套產(chǎn)能為750 kt/a銅冶煉煙氣制酸裝置為例進行計算。該裝置為二轉(zhuǎn)二吸，進轉(zhuǎn)化器的煙氣φ（SO2）為15%，φ（O2）為15.18%，一 次 轉(zhuǎn)化率為96.2%，二次轉(zhuǎn)化率為98.42%，總轉(zhuǎn)化率為99.94%，溶解在濃硫酸中的SO2經(jīng)過噴淋塔脫吸率取95%，當?shù)卮髿鈮簽?01 kPa。濃硫酸中SO2的溶解度根據(jù)公式（1）[2]進行近似計算：

式中：KH——溶解度平衡常數(shù)；

p——SO2分壓，mmHg；

C——溶解度，即100 g濃硫酸中溶解的SO2的質(zhì)量，g；

w——硫酸質(zhì)量分數(shù)，%；

T——絕對溫度，K。

分兩種情況討論：

1）未設置低溫位熱回收裝置：干燥塔入口煙氣溫度為40 ℃，壓力為-10.2 kPa，干燥塔循環(huán)酸w（H2SO4）95%，中間吸收塔循環(huán)酸w（H2SO4）98.5%，最終吸收塔循環(huán)酸w（H2SO4）98%，產(chǎn)出成品酸w（H2SO4）98%。串酸流程Ⅰ和串酸流程Ⅱ干吸工序設計參數(shù)及計算結(jié)果見表1；串酸流程Ⅲ干吸工序設計參數(shù)及計算結(jié)果見表2。

表1 干吸工序設計參數(shù)及計算結(jié)果（串酸流程Ⅰ，Ⅱ）

表2 干吸工序設計參數(shù)及計算結(jié)果（串酸流程Ⅲ）

2）設置低溫位熱回收裝置：干燥塔入口煙氣溫度為37 ℃，壓力為-10.2 kPa；干燥塔循環(huán)酸w（H2SO4）95%，低溫位熱回收裝置（下層）循環(huán)酸w（H2SO4）99%，最終吸收塔循環(huán)酸w（H2SO4）98.5%，產(chǎn)出成品酸w（H2SO4）98%。串酸流程Ⅳ～Ⅵ干吸工序設計參數(shù)及計算結(jié)果分別見表3、表4和表5。

表3 干吸工序設計參數(shù)及計算結(jié)果（串酸流程Ⅳ）

表4 干吸工序設計參數(shù)及計算結(jié)果（串酸流程Ⅴ）

表5 干吸工序設計參數(shù)及計算結(jié)果（串酸流程Ⅵ）

3 分析與討論

由表1可知，串酸流程Ⅰ和串酸流程Ⅱ最終吸收塔出口煙氣流量均為112 798 m3/h，SO2流量分別為19.2 m3/h和19.3 m3/h，計算出最終吸收塔出口ρ（SO2）分別為487 mg/m3和488 mg/m3；串酸流程Ⅰ和串酸流程Ⅱ成品酸中溶解的SO2量分別為1.05 kg/h和0.11 kg/h，計算出成品酸中w（SO2）分別為0.001 1%和0.000 11%。2種串酸流程的區(qū)別是產(chǎn)酸流程，前者產(chǎn)酸是從最終吸收塔循環(huán)槽引出，此股酸中溶解的SO2未經(jīng)過脫吸直接外送；后者產(chǎn)酸是從最終吸收塔下酸管道引出，此股酸中溶解的SO2經(jīng)過最終吸收塔脫吸后外送。后者最終吸收塔出口煙氣中SO2質(zhì)量濃度未有明顯變化，成品酸中SO2質(zhì)量分數(shù)降低了90%。

由表2可知，串酸流程Ⅲ最終吸收塔出口煙氣流量為112 684 m3/h，SO2流量為17.8 m3/h，成品酸中溶解的SO2量為0.097 kg/h，計算出最終吸收塔出口ρ（SO2）為450 mg/m3，成品酸中w（SO2）為0.000 10%。串酸流程Ⅲ和串酸流程Ⅱ的區(qū)別在于從干燥塔串出的酸是否經(jīng)過脫吸塔脫吸，串酸流程Ⅱ未經(jīng)過脫吸，串酸流程Ⅲ經(jīng)過了脫吸，相比未經(jīng)過脫吸最終吸收塔出口SO2質(zhì)量濃度降低了7.8%，成品酸中SO2質(zhì)量分數(shù)降低了9.1%。

由表3可知，串酸流程Ⅳ最終吸收塔出口煙氣流量為112 754 m3/h，SO2流量為55.5 m3/h，成品酸中溶解的SO2量為0.083 2 kg/h，計算出最終吸收塔出口ρ（SO2）為1 408 mg/m3，成品酸中w（SO2）為0.000 087%。

由表4可知，串酸流程Ⅴ最終吸收塔出口煙氣流量為112 683 m3/h，SO2流量為16 m3/h，成品酸中溶解的SO2量為0.083 7 kg/h，計算出最終吸收塔出口ρ（SO2）為405.4 mg/m3，成品酸中w（SO2）為0.000 088%。串酸流程Ⅴ和串酸流程Ⅳ的區(qū)別在于從干燥塔串至最終吸收塔的酸是否經(jīng)過脫吸，串酸流程Ⅳ未經(jīng)過脫吸，串酸流程Ⅴ經(jīng)過了脫吸塔脫吸，流程Ⅴ相比流程Ⅳ最終吸收塔出口SO2質(zhì)量濃度降低了71.2%，成品酸中SO2質(zhì)量分數(shù)未有明顯變化。

由表5可知，串酸流程Ⅵ最終吸收塔出口煙氣流量為112 676 m3/h，SO2流量為13.5 m3/h，成品酸中溶解的SO2量為0.079 7 kg/h，計算出最終吸收塔出口ρ（SO2）為342 mg/m3，成品酸中w（SO2）為0.000 083%。串酸流程Ⅵ和串酸流程Ⅴ的區(qū)別在于從干燥塔串至最終吸收塔和熱回收塔的酸是否經(jīng)過脫吸塔脫吸，串酸流程Ⅴ只脫吸了串至最終吸收塔的酸，串至熱回收塔的酸未經(jīng)過脫吸，串酸流程Ⅵ兩股酸均經(jīng)過了脫吸，流程Ⅵ相比流程Ⅴ最終吸收塔出口SO2質(zhì)量濃度降低了15.6%，成品酸中SO2質(zhì)量分數(shù)降低了5.7%。

6種串酸流程計算結(jié)果比較見表6。

表6 6種串酸流程計算結(jié)果比較

根據(jù)上述計算可知：

1）未設置低溫位熱回收裝置，最終吸收塔出口SO2質(zhì)量濃度：串酸流程Ⅰ與串酸流程Ⅱ相當，大于串酸流程Ⅲ；成品酸中SO2質(zhì)量分數(shù)從大到小依次是：串酸流程Ⅰ，串酸流程Ⅱ，串酸流程Ⅲ。

2）設置低溫位熱回收裝置，最終吸收塔出口SO2質(zhì)量濃度從大到小依次是：串酸流程Ⅳ，串酸流程Ⅴ，串酸流程Ⅵ；成品酸中SO2質(zhì)量分數(shù)：串酸流程Ⅳ與串酸流程Ⅴ相當，大于串酸流程Ⅵ。

4 結(jié)語

鑒于環(huán)保標準越來越嚴格，工藝設計在追求轉(zhuǎn)化率和吸收率的基礎上，有必要充分認識溶解在硫酸中的SO2及串酸流程對最終吸收塔出口煙氣和成品酸中SO2濃度的影響，從而盡可能降低尾氣排放SO2的濃度。

根據(jù)計算和比較可以得出：對于高濃度煙氣制酸系統(tǒng)，設置脫吸塔脫吸干燥工序串至吸收系統(tǒng)的濃硫酸，最終吸收塔出口煙氣SO2濃度明顯低于未設置脫吸塔的情況；從最終吸收塔下酸管道上產(chǎn)酸，成品酸中的SO2濃度明顯低于在最終吸收塔循環(huán)泵槽產(chǎn)酸，也可以在最終吸收塔循環(huán)泵槽后另設置1臺脫吸塔，同樣可以起到降低成品酸中SO2濃度的效果。