隨著有色金屬冶煉技術(shù)的進(jìn)步,，超高濃度（φ>30%）冶煉煙氣已成為發(fā)展趨勢(shì),。現(xiàn)超高濃度煙氣制酸技術(shù)發(fā)展并不成熟，存在余熱利用率低下,、制酸主體設(shè)備尺寸與建設(shè)投資大幅增加等瓶頸問題,。由于受冶煉煙氣條件的影響，氣濃,、氣量,、含氧量時(shí)時(shí)波動(dòng)，導(dǎo)致吸收酸濃,、酸溫不穩(wěn)定,，致使低溫?zé)崮芑厥绽щy及設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，以及存在熱源不穩(wěn)定、氣-水換熱量波動(dòng)大,，轉(zhuǎn)化熱平衡不穩(wěn)定等技術(shù)難題,。如何充分利用高濃度煙氣的有利條件最大限度提升制酸系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性成為行業(yè)發(fā)展中面臨的重大技術(shù)挑戰(zhàn)。

一是國內(nèi)外低溫位余熱利用現(xiàn)狀,。我國大中型硫酸裝置僅對(duì)生產(chǎn)過程中的高,、中溫位熱能進(jìn)行了回收，占總熱量的75%左右,，而對(duì)于剩下的25%低溫位熱能回收一直處于空白,。2005年4月孟莫克公司(MECS)余熱回收技術(shù)在雙獅(張家港)精細(xì)化工有限公司1000 kt/a硫磺制酸裝置的成功投用，為余熱回收技術(shù)在中國硫酸行業(yè)的應(yīng)用拉開了序幕,，但受冶煉煙氣制酸煙氣條件的影響,，余熱回收技術(shù)在該領(lǐng)域一直處于空白。

在傳統(tǒng)的冶煉煙氣制酸裝置中,，干燥和吸收系統(tǒng)的SO3吸收熱被大量的循環(huán)冷卻水移走而間接排入大氣,，這部分低溫位余熱白白浪費(fèi)，循環(huán)利用能力較低,，制酸系統(tǒng)產(chǎn)品單一,，附加值較低。低溫位余熱回收技術(shù)則將原本浪費(fèi)的熱量加以回收,，生產(chǎn)低壓飽和蒸汽,，不僅減少了制酸過程中對(duì)循環(huán)冷水的消耗，而且大大提高了能源的回收利用率,。

二是低溫位余熱回收工藝流程,。低溫位余熱回收技術(shù)分別采用熱回收塔和鍋爐取代了傳統(tǒng)工藝中的一吸塔和一吸塔酸冷卻器。其工藝流程見圖1,。

來自3B省煤器的煙氣經(jīng)過低壓蒸汽(來自鍋爐并經(jīng)過減壓)噴射后進(jìn)入熱回收塔底部,，向上依次流經(jīng)一級(jí)、二級(jí)填料層,，使SO3分別被高溫ω(H2SO4)99%酸和低溫ω(H2SO4)98%酸吸收,，然后經(jīng)除霧器除霧后排出。

一級(jí),、二級(jí)循環(huán)酸吸收SO3后流入塔底泵槽,，由酸循環(huán)泵輸送至鍋爐，繼續(xù)加熱來自加熱器的鍋爐給水,，生產(chǎn)1.0MPa低壓飽和蒸汽,。經(jīng)過鍋爐冷卻后的濃硫酸進(jìn)入稀釋器，通過加水稀釋到ω(H2SO4)99%,，然后再返回?zé)峄厥账患?jí)分酸器,。由于熱回收塔二級(jí)循環(huán)酸和稀釋器的串酸分別從二吸和干燥系統(tǒng)引入,，再加上熱回收塔內(nèi)吸收三氧化硫所產(chǎn)生的硫酸，所以需要相應(yīng)地將這部分硫酸串出低溫位余熱回收系統(tǒng),。這部分高溫濃硫酸經(jīng)加熱器與鍋爐給水換熱降溫后,，分別送至干燥塔和二吸塔循環(huán)槽。

三是高溫吸收工藝中防腐蝕材質(zhì)及主要設(shè)備研究,。低溫位余熱回收系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵是耐酸材質(zhì)的選擇及應(yīng)用,，普通耐酸不銹鋼受酸溫的影響，腐蝕速率過高,，無法滿足低溫為余熱回收技術(shù)的應(yīng)用,。通過對(duì)高溫吸收工藝耐酸材質(zhì)的研究，應(yīng)用了一種新的奧氏體不銹鋼,，耐濃硫酸濃度93%～99%,。根據(jù)酸濃和酸溫不同，該不銹鋼年腐蝕率小于0.025mm,。全面的腐蝕和操作性能良好，運(yùn)行周期長(zhǎng),，裝有該不銹鋼的分配器,、管道、塔等設(shè)備已運(yùn)行6～12個(gè)月或更長(zhǎng)時(shí)間,。

低溫位余熱回收系統(tǒng)由熱回收塔,、酸循環(huán)泵、鍋爐,、稀釋器,、加熱器等設(shè)備組成。熱回收塔的一級(jí),、二級(jí)分酸器及置于塔頂?shù)母咝Юw維除霧器均為MECS的專有產(chǎn)品,，高溫和高酸濃下具有長(zhǎng)久的耐腐蝕能力。酸循環(huán)泵選用較先進(jìn)的Lewis高溫濃硫酸泵,。

鍋爐為臥式帶汽包的列管釜式鍋爐,，殼體主要材料為碳鋼，列管材料為特殊合金鋼,。稀釋器主體采用襯耐酸材料層的合金鋼制作,，內(nèi)設(shè)加水噴頭和自攪拌裝置。加熱器為臥式管殼式換熱器,，殼體為不銹鋼,、列管為特殊合金鋼制作。

四是低溫位余熱回收安全操作技術(shù)研究,。低溫位余熱回收工藝是在較高溫度下操作并且不銹鋼設(shè)備暴露在H2SO4比常規(guī)制酸工藝更多,。因而,，對(duì)工藝干擾更為敏感。低溫位余熱回收工藝的正常硫酸濃度范圍為99.0%-99.7%,，溫度操作范圍為227℃以下,。熱回收塔出口酸濃度應(yīng)低于99.7%以維持塔的有效吸收。為保護(hù)不銹鋼設(shè)備,，熱回收塔第一級(jí)入口處（稀釋器出口）酸濃度一般不允許低于99%,。即使在開車期間，循環(huán)酸濃度也不能低于97%,。

若酸溫超過120℃或濃度小于97%,，必須停車直至新鮮的濃酸與循環(huán)酸進(jìn)行替換；當(dāng)酸溫高于70℃時(shí),，低-低酸濃停車連鎖不能被旁通,；當(dāng)酸濃度下降到97.0%時(shí)，必須停車,。

一是分流控溫平衡轉(zhuǎn)化技術(shù)研究,。廣西金川有色金屬加工項(xiàng)目采用閃速熔煉、閃速吹煉,、陽極爐+電解精煉工藝生產(chǎn)陰極銅,，熔煉煙氣和吹煉煙氣經(jīng)各自收塵后進(jìn)入硫酸廠，當(dāng)熔煉和吹煉同步時(shí)混合煙氣量高達(dá)16萬Nm3/h,，不同步時(shí),，氧氣量低至4.3萬Nm3/h，致使冶煉制酸系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)整,、工藝控制,、操作的難題增大。

為解決轉(zhuǎn)化熱量不平衡的問題,，研究采用分流控溫平衡轉(zhuǎn)化加常規(guī)“3+2”流程,。通過單獨(dú)設(shè)置空氣風(fēng)機(jī)，根據(jù)SO2風(fēng)機(jī)出口SO2濃度和氣量來調(diào)節(jié)稀釋空氣量,，以控制主轉(zhuǎn)化器一次轉(zhuǎn)化的氧硫比,。電除霧器出來的φ（SO2）30%氣體進(jìn)SO2干燥塔由濃硫酸干燥，再由SO2風(fēng)機(jī)分2路分別送入分流控溫平衡轉(zhuǎn)化器和主轉(zhuǎn)化器第一段,。

稀釋空氣進(jìn)入空氣干燥塔用濃硫酸干燥,，該塔出口干空氣設(shè)置1臺(tái)空氣風(fēng)機(jī)來提供壓頭?？諝怙L(fēng)機(jī)出口干空氣與SO2風(fēng)機(jī)來的小部分SO2氣體混合經(jīng)換熱升溫后進(jìn)入分流控溫平衡轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化,，轉(zhuǎn)化后的氣體與大部分φ（SO2）30%氣體混合經(jīng)換熱升溫后進(jìn)入主轉(zhuǎn)化器第一段反應(yīng)。工藝流程圖如圖2所示：

通過分流轉(zhuǎn)化,，實(shí)現(xiàn)一層出口溫度可控,，規(guī)避了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)化反應(yīng)熱過剩對(duì)總轉(zhuǎn)化率抑制問題,。分流后，各層轉(zhuǎn)化操作線趨于平衡,，總轉(zhuǎn)化率提高,。

二是余熱回收設(shè)備研究。由于冶煉煙氣制備硫酸生產(chǎn)過程中,，煙氣帶有大量的SO2,、SO3等酸性氣體，對(duì)換熱器的材質(zhì)以及換熱方式要求較苛刻,。160萬噸制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化工序中溫位余熱回收裝置通過對(duì)熱管式余熱回收器,、間壁式換熱器、蓄熱式換熱器等余熱回收設(shè)備的工作原理,、優(yōu)缺點(diǎn)的研究與對(duì)比,，最終采用熱管式余熱回收裝置。熱管換熱器與傳統(tǒng)換熱器相比,，具有不易被腐蝕,、導(dǎo)熱性高、溫度可控等優(yōu)點(diǎn),。

熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件,，通過在全封閉真空管內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量。由于是相變傳熱,，管內(nèi)熱阻小，能以較小的溫差獲得較大的傳熱率,。根據(jù)煙氣流量及煙氣進(jìn)出熱管鍋爐的溫度,，可以將熱管鍋爐（熱管蒸發(fā)器）做成一體式或分體式。一體式熱管鍋爐的熱管冷側(cè)直接插入汽包內(nèi),；分體式的熱管與汽包分開設(shè)置,，通過上升管與下降管連接汽水側(cè)。其分體式熱管鍋爐又分為分離套管式熱管鍋爐與分離型循環(huán)管式熱管鍋爐兩種類型,。

（1）分離套管式熱管鍋爐

分離式熱管換熱器的熱側(cè)壁溫可調(diào),，可有效防止煙氣結(jié)露；煙氣側(cè)與汽水側(cè)分開,，消除汽水側(cè)泄漏的危害,；自然循環(huán)鍋爐，不需額外消耗動(dòng)力,；每支熱管元件獨(dú)立工作,，單支熱管的損壞不影響其它的熱管。但在運(yùn)行中存在以下缺陷：①水—碳鋼熱管因碳鋼與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng),，產(chǎn)生的氫氣將占據(jù)熱管工質(zhì)的空間,，導(dǎo)致熱管效率下降,。②汽水側(cè)夾套管壁溫與熱管壁溫不一致，與上,、下聯(lián)箱之間的焊縫存在一定的溫差應(yīng)力,，焊縫會(huì)發(fā)生泄漏。③熱管元件緊密排布,，若焊縫發(fā)生泄漏后,，維修難度大。

（2）分離型循環(huán)管式熱管鍋爐

與夾套管式熱管鍋爐相比較,，分離型循環(huán)管式熱管鍋爐除具有夾套管式熱管鍋爐的優(yōu)點(diǎn)外,，還具有一些獨(dú)特的特點(diǎn)：①煙氣側(cè)與汽水側(cè)真正徹底分離，杜絕重大事故,。②設(shè)置外聯(lián)管路上的真空閥,，使熱管再生，熱管元件性能穩(wěn)定,。③設(shè)計(jì)合理,，熱管元件冷側(cè)與熱側(cè)均處于自由膨脹狀態(tài)，無熱應(yīng)力,。④每組熱管元件集成后與煙道殼體焊接,，熱管元件與煙道殼體的焊縫數(shù)量大大減少，各焊縫之間均保持合理的維修空間,。

三是余熱鍋爐系統(tǒng)工藝流程,。分流控溫平衡轉(zhuǎn)化器出口和主轉(zhuǎn)化器一段出口是整個(gè)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)煙氣溫度最高的部位（分流控溫平衡轉(zhuǎn)化器出口煙氣溫度634℃，主轉(zhuǎn)化器出口煙氣溫度593℃）,。綜合考慮轉(zhuǎn)化系統(tǒng)整體熱量平衡,、蒸汽品質(zhì)和設(shè)備投資等因素，為了回收轉(zhuǎn)化反應(yīng)中溫位熱能,，在分流轉(zhuǎn)化器出口,、主轉(zhuǎn)化器一段出口分別設(shè)置了分離型循環(huán)管式熱管回收裝置。

裝置由鍋殼,、汽包,、進(jìn)出口煙箱和管系四大部件組成。鍋殼由前,、后管板,、筒體、煙管組成,。前,、后管板采用薄管板理論設(shè)計(jì)，保證熱膨脹引起的應(yīng)力得到有效釋放,。管板與煙管的連接采用定位脹-焊接-貼脹方式,，保證煙管與管板的零間隙,，防止間隙腐蝕。煙氣由進(jìn)口煙箱分流,，縱向沖刷煙管,，在出口煙箱內(nèi)匯流引出至轉(zhuǎn)化器。為避免高溫?zé)煔鉀_刷鍋殼的前管板,，在前管板表面澆筑耐高溫的耐火保護(hù)層,，并在煙管進(jìn)口處安裝了耐高溫的保護(hù)套管。

汽包由封頭,、筒體,、接管及內(nèi)部裝置等組成。汽包設(shè)置安全閥接口,、壓力表接口,、水位計(jì)接口、加藥接口,、排污接口,、緊急放水接口等。

汽包位于鍋殼上方,，由三根上升管和四根下降管支撐,。爐水通過下降管進(jìn)入鍋殼的殼程空間，受熱后再通過上升管進(jìn)入汽包進(jìn)行汽水分離,，在汽包內(nèi)設(shè)有汽水分離裝置進(jìn)行汽水分離,。內(nèi)部裝置設(shè)置汽水一次擋板分離裝置及二次絲網(wǎng)除沫分離裝置。

高濃度冶煉煙氣制酸過程采用蒸汽噴射-兩級(jí)吸收技術(shù)有效解決了熱回收與高吸收率的矛盾,，進(jìn)而利用高達(dá)193℃的99%硫酸吸收SO3,，并將吸收后227℃吸收酸通過鍋爐回收熱量，每套制酸裝置可生產(chǎn)1.0 MPa低壓飽和蒸汽0.55t/t酸,。其技術(shù)的應(yīng)用成為國內(nèi)冶煉煙氣制酸領(lǐng)域干吸工序低溫位熱能回收的示范工程。中溫位熱能技術(shù)的使用,，有效地減小了鍋爐換熱面積,，減少了鍋爐設(shè)備投資，并可提高蒸汽壓力等級(jí),，保證了后端蒸汽發(fā)電的品質(zhì)要求,。同時(shí)副產(chǎn)5.6MPa蒸汽0.23t/t酸。