熊柳，袁劍平

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330038）

SO2是銅冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的主要大氣污染物之一。在銅冶煉生產(chǎn)過(guò)程中，SO2會(huì)隨著熔體倒出爐體時(shí)逸散到空氣中。這些冶煉煙氣雜質(zhì)超標(biāo)、排量龐大，不僅會(huì)危害工人的身體健康，還會(huì)腐蝕周圍建筑物，對(duì)周邊環(huán)境的危害很大。根據(jù)國(guó)家環(huán)保要求，冶煉煙氣不能直接排放，須對(duì)其進(jìn)行集中收集處理后達(dá)標(biāo)排放[1-2]。

傳統(tǒng)的SO2煙氣處理方法是將這些煙氣通過(guò)環(huán)集系統(tǒng)收集后再送入脫硫系統(tǒng)處理，脫硫技術(shù)主要分為干法脫硫與濕法脫硫兩大類。其中，干法脫硫是指利用活性炭物理吸附或是使廢氣與固體反應(yīng)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而消耗廢氣中的SO2；濕法脫硫是指將含硫廢氣通入堿性溶液，促使發(fā)生酸堿中和反應(yīng)而去除廢氣中的SO2[3]。干法脫硫工藝相對(duì)較為簡(jiǎn)單，原料來(lái)源廣泛，但脫硫效率較低，脫硫后廢氣中的石灰粉末會(huì)增加除塵設(shè)備的負(fù)荷。濕法脫硫的效率一般可達(dá)95%左右，但經(jīng)濕法脫硫后的廢氣濕潤(rùn)冷卻后，在一定的條件下易產(chǎn)生白煙。盡管白煙的擴(kuò)散能力相對(duì)較低，但依舊可能再次引起污染。此外，還有高煙囪排氣法，即通過(guò)提高排氣位置的高度，使有害氣體排入遠(yuǎn)離地面的大氣層中，利用自然條件使污染在大氣中彌散、稀釋，從而達(dá)到改善鄰近地區(qū)大氣環(huán)境的目的。但這是一種治標(biāo)不治本的方法，修建高煙囪所帶來(lái)的額外建筑成本也不容忽視[4]。由此可見(jiàn)，無(wú)論是干法脫硫、濕法脫硫，還是修建高煙囪排氣，都勢(shì)必會(huì)給企業(yè)帶來(lái)大量額外的原料成本與工藝成本，并且由于處理效果不穩(wěn)定，也難以徹底解決廢氣帶來(lái)的危害。如何在實(shí)現(xiàn)高效脫硫減害的同時(shí)，控制額外的成本增加，開(kāi)發(fā)出新型、低成本、高效的廢氣處理手段成為冶煉廠亟待解決的難題[5-11]。

為了解決上述問(wèn)題，本次研究基于熔煉爐與吹煉爐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在充分發(fā)揮廢氣二次價(jià)值的同時(shí)，減少設(shè)備成本以及運(yùn)行成本，以期為煉銅工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 環(huán)集煙氣再利用方案思路

1.1 熔煉爐環(huán)集煙氣處理

在熔煉爐作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)熔煉渣液面達(dá)到一定高度后，需將其排出爐內(nèi)。熔煉爐本體上設(shè)置有熔煉渣口、冰銅虹吸口、一次風(fēng)口、二次風(fēng)口、煙道口及加料口等（圖1），排出的熔煉渣經(jīng)布置于渣口下的溜槽進(jìn)入渣包內(nèi)，排出的冰銅經(jīng)布置于虹吸口下的溜槽進(jìn)入吹煉爐。在冰銅和熔煉渣排放過(guò)程中，熔煉爐的虹吸口、吹煉爐冰銅加入口、渣口及渣包上方將產(chǎn)生大量煙氣。為此，本次試驗(yàn)在這4處上方設(shè)置環(huán)集煙罩，環(huán)集煙罩與熔煉環(huán)集風(fēng)機(jī)通過(guò)管道連接，可有效地將煙氣吸入煙罩內(nèi)，再由管道進(jìn)入風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)出口與熔煉爐二次風(fēng)口通過(guò)管道連接，最后將煙氣送入熔煉爐內(nèi)以作二次風(fēng)使用。熔煉爐環(huán)集煙氣處理系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖1 熔煉爐外形示意

圖2 熔煉爐環(huán)集煙氣處理系統(tǒng)工作原理

1.2 吹煉爐環(huán)集煙氣處理

在吹煉爐作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)吹煉渣液面達(dá)到一定高度后，需將其排出爐內(nèi)。吹煉爐本體上設(shè)置有吹煉渣口、粗銅虹吸口、冰銅加料口、殘極加料口、噴槍口和冷料加料口等（圖3），排出的吹煉渣經(jīng)布置于渣口下的溜槽進(jìn)入風(fēng)淬系統(tǒng)，排出的粗銅經(jīng)布置于虹吸口下的溜槽進(jìn)入陽(yáng)極爐。在粗銅、吹煉渣排放的過(guò)程中，虹吸口、渣口將產(chǎn)生大量煙氣；粗銅加入陽(yáng)極爐時(shí)，在陽(yáng)極爐進(jìn)料口處也將會(huì)逸散出含硫煙氣。除此之外，吹煉爐爐頂設(shè)置有殘極加料口及冷料加料口，這些位置在加料過(guò)程中同樣會(huì)逸散出含硫煙氣。為此，本試驗(yàn)在渣口、虹吸口、殘極加料口、冷料加料口及陽(yáng)極爐粗銅加料口上方均設(shè)置了環(huán)集煙罩，通過(guò)將環(huán)集煙罩與吹煉環(huán)集風(fēng)機(jī)通過(guò)管道相連，可有效地將煙氣吸入煙罩內(nèi)，再由管道進(jìn)入風(fēng)機(jī)。隨后，煙氣將由風(fēng)機(jī)出口與陽(yáng)極爐煙罩之間的連接，最終被送入陽(yáng)極爐煙罩內(nèi)作稀釋風(fēng)用。吹煉爐環(huán)集煙氣系統(tǒng)工作原理如圖4所示。

圖3 吹煉爐外形示意

圖4 吹煉爐環(huán)集煙氣系統(tǒng)工作原理

2 方案比較

本研究所采用的環(huán)集煙氣再利用處理方式其主要特點(diǎn)是將煙氣分別送入熔煉爐及陽(yáng)極爐煙罩。與將煙氣收集后直接送入后續(xù)脫硫系統(tǒng)的傳統(tǒng)處理方式相比較，不需要設(shè)置二次風(fēng)機(jī)以及稀釋風(fēng)機(jī)，這將大幅減少相關(guān)的成本費(fèi)用。兩種方法對(duì)比如表1所示。

表1 傳統(tǒng)處理方式與應(yīng)用實(shí)踐處理方式對(duì)比

3 工程實(shí)例

上述環(huán)集煙氣再利用方案思路，在廣西南國(guó)銅業(yè)有限責(zé)任公司150 kt/a銅冶煉工程項(xiàng)目上進(jìn)行了應(yīng)用。該項(xiàng)目工藝流程為側(cè)吹熔煉→頂吹吹煉→陽(yáng)極爐精煉→圓盤澆鑄，詳見(jiàn)圖5。

圖5 煉銅工藝流程

3.1 側(cè)吹爐環(huán)集煙氣系統(tǒng)設(shè)置

側(cè)吹爐一側(cè)端部渣室設(shè)置2個(gè)渣口，在每個(gè)渣口上方設(shè)置1個(gè)放渣口—環(huán)集煙罩，如圖6所示。該環(huán)集煙罩可將整個(gè)渣口覆蓋，上方設(shè)置出煙口，通過(guò)管道與環(huán)集總管連接。

圖6 放銅放渣口—環(huán)集煙罩外形

每個(gè)渣口外接渣溜槽將熔煉渣引至渣包上方，渣溜槽末端設(shè)置翻轉(zhuǎn)溜槽，翻轉(zhuǎn)溜槽兩端各對(duì)應(yīng)1個(gè)12 m3的渣包，每個(gè)渣包正上方設(shè)置1個(gè)φ3 600 mm的熔煉渣包—環(huán)集煙罩，如圖7所示。熔煉渣包—環(huán)集煙罩與渣包上沿的間隙僅為50~100 mm，每個(gè)環(huán)集煙罩上部設(shè)置出煙口，再通過(guò)管道連接至環(huán)集總管。

圖7 熔煉渣包—環(huán)集煙罩外形

側(cè)吹爐另一側(cè)端部設(shè)置排銅虹吸口，在其上方設(shè)置放渣口—環(huán)集煙罩，將整個(gè)虹吸口覆蓋，上方設(shè)置出煙口，通過(guò)管道與環(huán)集總管連接。

環(huán)集總管連接至側(cè)吹爐環(huán)集風(fēng)機(jī)，通過(guò)風(fēng)機(jī)使各個(gè)煙罩內(nèi)形成負(fù)壓，從而將逸散出來(lái)的含硫煙氣吸入環(huán)集煙罩內(nèi)。在側(cè)吹爐的煙氣區(qū)爐墻兩側(cè)總共設(shè)置了56個(gè)二次風(fēng)口，每個(gè)風(fēng)口通過(guò)管道與側(cè)吹爐兩側(cè)的總管連接，總管又與側(cè)吹爐的環(huán)集風(fēng)機(jī)出口連接，從而將環(huán)集煙氣送入側(cè)吹爐煙氣區(qū)。這種設(shè)置有效地解決了側(cè)吹爐各個(gè)逸散點(diǎn)處的環(huán)集情況，同時(shí)充分利用了環(huán)集煙氣。將這些環(huán)集煙氣送入側(cè)吹爐內(nèi)，使其中未完全反應(yīng)的單質(zhì)硫等雜質(zhì)燃燒，減輕了后續(xù)脫硫工序的負(fù)荷。

3.2 頂吹吹煉爐環(huán)集煙氣系統(tǒng)設(shè)置

頂吹吹煉爐冰銅入口上方設(shè)置冰銅加料口—環(huán)集煙罩，將整個(gè)冰銅入口覆蓋，煙罩上方設(shè)置出煙口，通過(guò)管道與環(huán)集總管連接。

在頂吹吹煉爐側(cè)墻設(shè)置溢流型排渣口，其上方設(shè)置放渣口—環(huán)集煙罩，將整個(gè)排渣口覆蓋，環(huán)集煙罩上方設(shè)置出煙口，通過(guò)管道與環(huán)集總管連接。

在頂吹吹煉爐末端側(cè)墻處分別設(shè)置2個(gè)虹吸排銅口和1個(gè)溢流型底排口，在每個(gè)放銅口上方各設(shè)置1個(gè)放銅口—環(huán)集煙罩，將整個(gè)虹吸口及底排口覆蓋，煙罩上方設(shè)置出煙口，通過(guò)管道與環(huán)集總管連接。

在頂吹吹煉爐頂部分別設(shè)置殘極加料口1個(gè)、冷料加入口1個(gè)，每個(gè)加料口上方都設(shè)置環(huán)集煙罩，分別將整個(gè)殘極加料口及冷料加入口覆蓋，煙罩上方設(shè)置出煙口，通過(guò)管道與環(huán)集總管連接。

環(huán)集總管連接至頂吹吹煉爐環(huán)集風(fēng)機(jī)，通過(guò)風(fēng)機(jī)使各個(gè)煙罩內(nèi)形成負(fù)壓，從而將逸散出來(lái)的含硫煙氣吸入環(huán)集煙罩內(nèi)。在陽(yáng)極爐煙罩的側(cè)面分別設(shè)置2個(gè)DN500的稀釋風(fēng)口，再通過(guò)管道與頂吹吹煉爐環(huán)集風(fēng)機(jī)相連，即可將環(huán)集煙氣送入陽(yáng)極爐煙罩內(nèi)，鼓入的環(huán)集風(fēng)可以將陽(yáng)極爐出口的高溫?zé)煔庥? 250℃稀釋至350~650℃，滿足后續(xù)設(shè)備選型要求。

4 應(yīng)用效果

廣西南國(guó)銅業(yè)有限責(zé)任公司150 kt/a銅冶煉工程項(xiàng)目采用本工藝之后，在建設(shè)投資、能耗及運(yùn)行成本上效果顯著。熔煉爐環(huán)集風(fēng)做二次風(fēng)回用可為后續(xù)環(huán)集脫硫減輕27 000 m3/h風(fēng)量的負(fù)荷，吹煉爐環(huán)集風(fēng)做陽(yáng)極爐稀釋風(fēng)可為后續(xù)環(huán)集脫硫減輕23 000 m3/h風(fēng)量的負(fù)荷。目前，該項(xiàng)目脫硫風(fēng)機(jī)風(fēng)量為300 000 m3/h，總的環(huán)集風(fēng)回用可減輕風(fēng)機(jī)負(fù)荷的16.7%。由于脫硫系統(tǒng)的負(fù)荷減少，脫硫系統(tǒng)方面的投資可節(jié)約800萬(wàn)元，每小時(shí)電耗可減少300 kWh；由于環(huán)集風(fēng)作回用，減少了2臺(tái)二次風(fēng)機(jī)和2臺(tái)稀釋風(fēng)機(jī)，可節(jié)約投資400萬(wàn)元，每小時(shí)可減少400 kWh。總節(jié)約投資1 200萬(wàn)元，年耗電量減少5.544×106kWh，折合標(biāo)煤680 tce。

5 結(jié)語(yǔ)

在節(jié)能和環(huán)保形勢(shì)日益嚴(yán)峻的形勢(shì)下，銅冶煉環(huán)集煙氣回收再利用技術(shù)亟需進(jìn)一步發(fā)展，銅冶煉行業(yè)也需要逐漸向低碳環(huán)保的方向靠攏，積極推動(dòng)低碳冶金工程的技術(shù)發(fā)展，明確冶金工程項(xiàng)目節(jié)能減排的要求，在全世界范圍內(nèi)資源持續(xù)減少的大背景下努力達(dá)到國(guó)家相關(guān)環(huán)保目標(biāo)，滿足國(guó)家與社會(huì)的環(huán)保需求。本次研究通過(guò)優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了銅冶煉工藝過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)集煙氣的回收再利用，充分利用環(huán)集煙氣，節(jié)約能源，降低了能耗，實(shí)現(xiàn)了變廢為寶，為推進(jìn)冶金行業(yè)節(jié)能減排和資源化利用提供了借鑒。