姚 亮， 李旭朋

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

有色冶煉煙氣驟冷收砷技術的研究與應用

姚 亮， 李旭朋

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

對煙氣驟冷收砷技術的原理、特點進行分析，結合現(xiàn)場試驗，提出適用于有色冶煉煙氣收砷的優(yōu)化工藝，對噴霧冷卻器等核心設備進行升級，較好地解決了結露、腐蝕、對煙氣波動適應性差等問題。通過對砷煙塵的有效回收，減少了二次污染對環(huán)境和人體的危害。

有色冶煉煙氣；高砷礦; 收砷；三氧化二砷; 煙氣驟冷; 露點

0 前言

目前國內外高品位精礦供應量減少，精礦資源匱乏價格上漲。為了降低生產成本，國內外各大冶煉企業(yè)對價格較低的低品位高砷精礦的需求量增大。一般情況下，精礦含As>0.5%即為高砷礦，國外銅精礦含As>0.2%就是高砷礦，高砷礦冶煉時必須采用合理的方法處理含As煙氣并回收含As2O3煙塵。

目前煙氣中砷的去除(回收)代表技術分為干法和濕法，干法技術是通過冷卻的方式將砷從煙氣中分離并收集，其中驟冷收砷技術采用急冷方式使煙氣溫度迅速通過玻璃砷溫度區(qū)間，解決了采用傳統(tǒng)冷卻煙道緩冷造成的玻璃砷粘結問題。濕法技術，如電熱回轉窯蒸餾法、新住友法，用于處理含砷煙灰或含砷污酸污水，可提取高純度的As2O3，但投資遠大于驟冷收砷技術。

驟冷收砷技術早期用于黃金冶煉項目含砷煙氣的處理，現(xiàn)已應用于銅、鉛冶煉含砷煙氣的處理，煙氣中的As以As2O3煙塵形態(tài)回收，降低了污酸處理系統(tǒng)的負荷，實現(xiàn)危廢渣減量化。

1 工藝及應用

1.1 工藝流程

含砷精礦在爐窯內的砷化學反應如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

煙氣經余熱回收及收塵系統(tǒng)凈化后，所含99%以上的固態(tài)煙塵被收集，并采用蒸發(fā)冷卻器內驟冷的方式，將煙氣溫度在2～4 s內由350 ℃降至～120 ℃，煙氣中氣態(tài)As4O6冷凝為固態(tài)煙塵飽和析出(As4O6為As2O3的二聚體)。As2O3的飽和濃度見表1[1]。

表1 不同溫度下氣體中As2O3的飽和濃度 g/m3

理論上，煙氣溫度降至120 ℃以下后，其中95%以上的As2O3飽和析出，由后續(xù)的布袋收砷器收集，As2O3綜合捕集效率可達99%以上。

固態(tài)As2O3的形成溫度通常和煙氣露點相近，甚至低于煙氣露點，過程中無法達到煙氣溫度高于露點溫度30 ℃的要求，導致設備腐蝕。圖1為工藝流程圖，為了避免各核心設備調試時對系統(tǒng)產生影響，設置煙氣旁路，管路上設置壓力溫度測點用于監(jiān)測和控制調節(jié)。

圖1 驟冷收砷工藝流程圖

1.2 實際應用

驟冷收砷技術已應用于二段焙燒脫硫除砷的黃金冶煉項目中，焙燒爐工況穩(wěn)定，有利于收砷系統(tǒng)穩(wěn)定運行。在銅、鉛等有色金屬冶煉中，其工藝過程決定了煙氣量、溫度等會有一定的波動，在這種條件下，收砷系統(tǒng)運行會出現(xiàn)一些問題。

表2為已完成的采用驟冷收砷工藝工程項目的概況。初期項目運行情況不穩(wěn)定，出現(xiàn)結露、腐蝕、砷塵黏結現(xiàn)象，對設備造成損害，也影響了冶煉生產。通過技術升級完善，后續(xù)銅冶煉項目中取得了良好效果。

表2 采用驟冷收砷工藝工程概況

2 試驗研究

中國恩菲以某銅冶煉項目為依托，開展研發(fā)工作，以突破技術瓶頸，提升驟冷收砷技術的可靠性。

2.1 試驗工藝流程

在銅熔煉過程中，精礦中的固態(tài)砷多數(shù)以氣態(tài)As2O3的形式進入煙氣，剩余的砷進入冰銅和渣。從頂吹熔煉爐出來的工藝煙氣溫度在～1 100 ℃，經余熱鍋爐降溫至360 ℃后進入高溫電收塵器進行收塵。

來自電收塵器出口的煙氣經蒸發(fā)冷卻器驟冷降溫，溫度在很短時間內降至120 ℃，氣態(tài)砷冷凝為固態(tài)砷煙塵，隨后進入布袋收砷器被捕集，收塵效率可達99%。蒸發(fā)冷卻器入口設置煙氣旁路，在調試和非正常狀況時使用，并參照溫度、壓力等參數(shù)設定值連鎖動作。

2.2 主要設備規(guī)格及性能

本項目收砷系統(tǒng)的主要設備及規(guī)格見表3。

表3 主要設備一覽表

高溫電收塵器用于捕捉含Cu、Pb、Zn等有價金屬煙塵，提高收塵效率可提高所收集As2O3煙塵的純度。電收塵器性能參數(shù)見表4。

表4 電收塵器性能參數(shù)

蒸發(fā)冷卻器的作用是將煙氣在短時間內降至120～170 ℃，避開玻璃態(tài)砷的生成溫度區(qū)間(175～250 ℃)[2]。煙氣在蒸發(fā)冷卻器內停留時間應保證液滴完全蒸發(fā)；噴槍布置合理，噴淋覆蓋面積均勻不能噴淋至塔內壁。蒸發(fā)用冷卻水與壓縮空氣在噴嘴處混合霧化后，產生的液滴平均直徑50～150 μm。噴嘴采用雙流體霧化噴嘴，內管進水，外環(huán)通入霧化壓縮空氣，在出口混合后帶壓噴出。雙流體霧化噴嘴外形見圖2。

圖2 雙流體霧化噴槍

蒸發(fā)冷卻器內噴入水的霧化效果至關重要，在傳熱過程中，霧化的液滴一般是愈細愈有利，效果愈好。理論上，噴霧的液滴平均粒徑可參照式(5)確定[3]：

(5)

噴入冷卻塔的液滴要在出塔前完全被蒸發(fā)，這與蒸發(fā)時間有關，也就是煙氣在塔內的最小停留時間。理論上，蒸發(fā)時間可參考式(6)確定[4]：

(6)

式中:D0為霧滴最初直徑,μm；ρ1為液體密度,g/cm3；ΔT為煙氣與水溫度差；λ為水蒸發(fā)潛熱,kJ/kg；Kd為氣膜傳熱系數(shù)W/(m2·K)。

理論上，粒徑100～150 μm的水滴蒸發(fā)時間為1.5～3.3 s。但考慮到塔內的蒸發(fā)過程復雜，為了保證煙氣在塔內有足夠的反應時間，實際取值應有富裕。

布袋收砷器用于收集冷凝為固態(tài)的As2O3煙塵。由于霧化水形成蒸汽，煙氣中含水量增加，露點提高。布袋收砷器應考慮防腐，濾料應考慮抗酸、抗結露等。

3 調試過程及關鍵參數(shù)

試驗過程中，系統(tǒng)有正常生產狀態(tài)和事故狀態(tài)兩種狀況。正常生產時熔煉爐持續(xù)投料，煙氣中SO2>5%，收塵尾氣送制酸。事故狀態(tài)指加料量<6 t/h工作狀況，煙氣中SO2<3%，收塵尾氣送脫硫處理。

3.1 實測參數(shù)

系統(tǒng)運行時的物料成分及實測參數(shù)見表6。由監(jiān)測數(shù)據(jù)可見，精礦含砷較低，但處于收砷范圍內。在精礦含As 0.17%～0.8%的范圍內，脫砷率已達到上述值。

表5 物料成分 %

表6 實測工況參數(shù)

3.2 主要設備

(1)高效電收塵器。高效電收塵器運行正常，表7是電收塵器各個電場煙灰成分。

表7 電收塵器煙灰成分 %

余熱鍋爐煙灰含Cu最高，絕對量大，電收塵器煙灰中Cu、As元素的分布符合規(guī)律。

(2) 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)。 本試驗蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)采用恒流操作，即保持霧化用壓縮空氣的流量不變，根據(jù)設定溫度進行水量調節(jié)，調節(jié)參數(shù)關系曲線見圖3。

圖3 調節(jié)參數(shù)曲線

隨著噴入水量的增大，噴嘴出口的壓力增大，但液滴直徑基本不變。恒流操作的優(yōu)點是適用于工況波動較大的條件，并且在水量要求較大時，壓縮空氣量較為節(jié)省。

控制系統(tǒng)采用閥站調節(jié)，給水調節(jié)閥與蒸發(fā)冷卻器出口溫度連鎖動作。正常工況下的蒸發(fā)冷卻效果較為理想，可控制出口煙氣溫度在設定值±5 ℃的范圍內，設備內干燥；在事故情況下，雖冷卻塔入口溫度較高，仍會出現(xiàn)淌水現(xiàn)象。造成該現(xiàn)象的主要原因之一是工況過渡時過量噴水，瞬時噴水量可達正常值1.5倍以上；另一原因是由于保溫煙氣量小導致塔內氣速降低，傳熱推動力減小，煙氣和蒸發(fā)水接觸后傳熱不充分,未蒸發(fā)的霧滴與塔壁接觸后匯聚排出。經過局部修改和調試后，正常生產時可保持接觸面干燥，滿足設計要求。

(3)其他。為了避免主要收砷設備在非正常生產時受到損壞，設置煙氣反饋旁路，可有效處理調試和事故期的污染物。

4 結論及建議

驟冷收砷技術市場前景廣闊，可用于有色冶煉項目、硫鐵礦制酸項目、廢雜金屬回收項目、垃圾焚燒處理項目、含砷燃煤鍋爐尾氣處理等領域。

(1) As的去除最基本的要求是As可以從原料中揮發(fā)至入煙氣，雖然As在部分冶煉過程中的分布有據(jù)可依，但需完善不同冶煉工況下的砷平衡。

(2) 驟冷收砷系統(tǒng)可在工藝煙氣波動條件下自動運行，但當波動幅度超過60%時，如停止投料等，需連鎖切換至煙氣旁路，以避免其對設備的影響。

(3) 經收砷系統(tǒng)凈化后煙氣含砷可降至50 mg/m3以下，但受煙氣露點的制約，設定溫度略高，使得凈化后煙氣中As含量提高。不斷提高綜合收砷率，對As回收及減少后續(xù)工段危險廢物總量具有重要的意義。

(4) 實施驟冷收砷技術是一個綜合的系統(tǒng)工程，嚴格掌握設計、設備、安裝、調試等各個環(huán)節(jié)和細節(jié)，才能使其發(fā)揮作用。

[1]徐潔書.高砷硫金礦焙燒煙氣中砷的回收[J].硫酸工業(yè),2009，(4):28-29.

[2]肖若珀.砷的提取、環(huán)保和應用方向[A].廣西金屬學會,1992：50-51.

[3]劉少武.硫酸工作手冊[M].南京：東南大學出版社,2001: 436-437.

[4]K.馬斯托思. 噴霧干燥手冊[M].北京： 中國建筑工業(yè)出版社,1983:260-263.

Research&applicationofquencharseniccollectiontechnologyfornonferrousmetallurgyoff-gastreatment

YAO Liang, LI Xu-peng

The principle and characteristics of technology of recovering arsenic by quenching flue gas were analyzed. Combined with the insite trials, the optimized technology that is suit to arsenic collection from non-ferrous metallurgy off-gas was proposed. The core equipments like evaporative cooler was upgraded, and the problems of moisture condensation, corrosion and poor adaptability to off-gas fluctuation were solved. The arsenic dust was recycled effectively in order to reduce the damage to environment and operator.

non-ferrous metallurgy off-gas; high-arsenic concentrate; arsenic collection; arsenic trioxide; off-gas quench; dew-point

姚亮(1980—)，新疆石河子人，碩士，高級工程師，從事有色冶煉煙氣處理技術及管理工作。

TF805.3

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