袁勝利

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

0 前言

鉛陽(yáng)極泥在火法冶煉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)出含砷銻的渣和煙塵,當(dāng)含砷銻渣和煙塵再繼續(xù)進(jìn)行銻冶煉時(shí),砷、銻都以沸點(diǎn)較低的氧化物揮發(fā)進(jìn)入煙氣,富集形成含砷銻較高的煙塵,即高砷銻煙塵,此類煙塵一般含砷20%～30%、含銻20%～40%。高砷銻煙塵屬于危廢,如果不處理對(duì)環(huán)境有很大危害。另一方面高砷銻煙塵也是銻的二次資源,應(yīng)被合理處理進(jìn)而獲得最大的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。由于砷、銻價(jià)態(tài)多,而且兩種元素為同一主族元素,物理化學(xué)性質(zhì)相近,很難通過(guò)在冶金爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)砷與銻金屬分離。目前一般是采用濕法浸出的工藝進(jìn)行分離,但浸出工藝流程長(zhǎng),而且產(chǎn)生廢水廢渣,本文提出在煙氣中進(jìn)行砷銻分離,即高溫收銻塵、低溫收砷,從而將砷銻分離,并得到Sb2O3和As2O3產(chǎn)品,相比濕法分離,簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程,減少了廢渣產(chǎn)量。

1 含砷銻煙氣煙塵特點(diǎn)

銻熔煉爐一般處理量小,所以煙氣量不大,但煙氣溫度較高,通常爐內(nèi)溫度在1 000 ℃以上,需要冷卻降溫后才能進(jìn)入收塵系統(tǒng)。煙氣含SO2含量不高,但含F(xiàn)、Cl含量較高。

未進(jìn)行砷銻分離的高砷銻煙塵元素成分和物相成分如表1、表2所示。

表1 高砷銻煙塵元素成分表

表2 高砷銻煙塵物相成分表

根據(jù)表1和表2的分析結(jié)果,高砷銻煙塵中的銻和砷分別以三氧化二銻(Sb2O3)和三氧化二砷(As2O3)的物相存在。Sb2O3俗稱銻白,為白色結(jié)晶性粉末,熔點(diǎn)655 ℃,煙氣經(jīng)冷卻降溫后以煙塵的形式存在于煙氣中。As2O3易升華,在高溫時(shí)為氣體狀態(tài),低溫時(shí)凝華成As2O3固體顆粒。不同溫度下氣體中As2O3飽和濃度見(jiàn)表3。從表3可以看出,應(yīng)盡量控制煙氣進(jìn)高溫收塵器的溫度越高越好,以獲得品位高的銻煙塵,但不能高于Sb2O3熔點(diǎn);應(yīng)盡量控制煙氣進(jìn)低溫收塵器的溫度越低越好,以獲得較高的砷回收率,但不能低于煙氣露點(diǎn)。另外,As2O3在170～270 ℃的溫度范圍內(nèi)容易冷凝形成玻璃體,故煙氣降溫一般考慮快速冷卻的方式,避免產(chǎn)生玻璃砷,造成管道粘結(jié)、堵塞并且難以清除。

表3 不同溫度下氣體中As2O3的飽和量

2 煙氣砷銻分離方案

目前,一般有色冶金爐產(chǎn)出的含砷煙氣,先經(jīng)過(guò)煙氣冷卻降溫至350 ℃左右,再采用電收塵回收有價(jià)金屬粉塵,收集的金屬粉塵返回冶煉系統(tǒng)。電收塵凈化后煙塵基本上已脫除,只剩下尚未凝華的氣態(tài)As2O3,煙氣再進(jìn)入驟冷塔,與霧化工藝水或堿液接觸,使水完全氣化,同時(shí)自身被迅速冷卻到150～160 ℃,煙氣中的As2O3驟冷后發(fā)生凝華,形成As2O3固體,As2O3固體顆粒隨煙氣進(jìn)入布袋收塵器被捕集,從而實(shí)現(xiàn)塵砷分離。

現(xiàn)行的方法缺點(diǎn):(1)金屬粉塵回收采用電收塵器,相比過(guò)濾式收塵,收塵效率低,不僅導(dǎo)致后續(xù)產(chǎn)品砷品位低,而且損失了有價(jià)金屬,降低金屬的回收率;(2)采用噴水冷卻,噴水增加了煙氣的腐蝕性,容易引起煙氣結(jié)露,必須提高設(shè)備的防腐等級(jí),增加了費(fèi)用,收砷布袋也易板結(jié)。(3)也有的項(xiàng)目在驟冷塔內(nèi)加入堿性藥劑,可以將煙氣中的大部分SO3脫除,使煙氣露點(diǎn)溫度低于布袋出口溫度。采用這種措施,基本能保證收砷系統(tǒng)干態(tài)運(yùn)行,但帶來(lái)一些新問(wèn)題:消耗了大量的堿,增加了運(yùn)行成本;加入的堿性藥劑又轉(zhuǎn)化為大量的含砷危廢物。

根據(jù)本項(xiàng)目的煙氣煙塵特點(diǎn)以及要求,試驗(yàn)選用高溫過(guò)濾收塵器和空氣急冷裝置,采用高溫過(guò)濾收塵器,能提高Sb2O3煙塵的回收率,為后續(xù)As2O3品位的提高創(chuàng)造有利條件;煙氣冷卻采用空氣或環(huán)集煙氣直接冷卻,降低煙氣的腐蝕性,降低了設(shè)備投資。處理流程如圖1所示。

圖1 煙氣砷銻分離處理流程圖

從銻冶金爐產(chǎn)出的煙氣首先經(jīng)降溫裝置降溫至350 ℃左右,在該溫度范圍內(nèi),煙氣中As2O3處于不飽和狀態(tài),仍以氣態(tài)的形式存在;然后煙氣進(jìn)入高溫過(guò)濾器,高溫過(guò)濾器將其中的Sb2O3煙塵收集,過(guò)濾式收塵的效率高,后續(xù)產(chǎn)品中As2O3的品質(zhì)更優(yōu),Sb2O3的回收率也更高。之后,煙氣進(jìn)入急冷塔中,由于在170～270 ℃的溫度范圍內(nèi)As2O3容易冷凝形成玻璃體,造成管道粘結(jié)、堵塞并且難以清除,采用急冷的方式快速冷卻通過(guò)此溫度段,避免形成玻璃砷。急冷塔利用空氣對(duì)其直接快速冷卻,由此避免了引入水霧而增大煙氣腐蝕性的問(wèn)題,采用空氣冷卻,煙氣的腐蝕性更低。在急冷塔出口設(shè)溫度檢測(cè),根據(jù)出口溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)空氣流量,以滿足控制溫度的要求。煙氣驟冷后,凝華后的As2O3隨煙氣進(jìn)入袋式收塵器并被袋式收塵器過(guò)濾收集,從而達(dá)到了Sb2O3和As2O3分離的目的。布袋采用常規(guī)布袋收塵器,但需控制布袋進(jìn)、出口溫度差,溫差不能過(guò)大,由于煙氣中As2O3含量是飽和的,煙氣有溫度降,就會(huì)有As2O3在濾料內(nèi)凝華結(jié)晶,粘結(jié)布袋,使系統(tǒng)阻力上升。系統(tǒng)對(duì)溫度控制要求較高,正常生產(chǎn)時(shí)系統(tǒng)溫度控制條件如表4所示。

表4 收塵系統(tǒng)溫度控制要求表

3 高溫金屬濾料收塵器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)濾料的選擇

高溫氣體除塵或收塵是指260 ℃以上氣體的直接氣固分離,從而實(shí)現(xiàn)氣體凈化的技術(shù)。這種技術(shù)可以最大程度的利用氣體顯熱、潛熱和動(dòng)能,與普通濾料相比,可降低下游設(shè)備因煙氣降溫結(jié)露造成的堵塞和結(jié)垢幾率,能夠有效避免降溫過(guò)程中的凝結(jié)和液化現(xiàn)象,煙氣直接通過(guò)高溫濾料收塵器進(jìn)行治理無(wú)需增設(shè)降溫設(shè)備節(jié)約場(chǎng)地面積,材料耐溫性能高適應(yīng)煙氣大幅波動(dòng)等特點(diǎn)。根據(jù)煙氣的溫度范圍,一般將濾料分為中低溫濾料(90～140 ℃),中高溫濾料(140～200 ℃),高溫濾料(200～300 ℃)及超高溫濾料(>300 ℃)。而在工業(yè)上將260 ℃以上的氣固直接分離濾料稱為高溫除塵濾料。

由于運(yùn)行溫度高,高溫?zé)煔鈱?duì)其濾料的機(jī)械性能、熱和化學(xué)穩(wěn)定性提出了很高的要求。目前高溫濾料根據(jù)材質(zhì)不同分為兩大類,一類是陶瓷類,另一類是金屬纖濾料,陶瓷類又分為陶瓷纖維和高密度陶瓷濾料。陶瓷類維濾料具有強(qiáng)度高、抗熱沖擊性好、耐化學(xué)腐蝕等特點(diǎn),是理想的高溫過(guò)濾材料。陶瓷濾料的主要缺點(diǎn)是價(jià)格較高,而且不能用于處理含HF(濃度限值100ppm)的煙氣。由于試驗(yàn)原料含F(xiàn)較高,故不能選用陶瓷濾料。

金屬纖維濾料一般由316L、304等不銹鋼和鐵鉻鋁等金屬纖維絲制成。制作工藝分為兩種,一種是利用金屬纖維絲編織成金屬濾網(wǎng)后制作成過(guò)濾元件,另一種是通過(guò)燒結(jié)使金屬纖維互相粘結(jié)在一起形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)后,制成不同孔隙率的符合金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)濾料。金屬纖維絲具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、耐溶劑性、耐酸堿性和耐腐蝕性,易于加工焊接。本項(xiàng)目選用的濾料濾料以304不銹鋼為基材,燒結(jié)涂覆鐵鋁、鈦鋁等金屬間化合物,金屬間化合物多孔材料具有金屬鍵和共價(jià)鍵的混鍵結(jié)構(gòu),其具備抗氧化性能好,耐酸、堿性能好,耐溫、強(qiáng)度高,線膨脹系數(shù)低,可加工、可焊接連接,抗熱振性能好。金屬間化合物還具有良好的基體橋接能力,具有優(yōu)異的透氣性,優(yōu)異的力學(xué)性能,良好的耐磨性能,良好的抗疲勞性能,具有低的熱膨脹系數(shù),優(yōu)異的抗熱振性能等特點(diǎn)。具體的性能參數(shù)如下:(1)耐高溫:長(zhǎng)期可承受450 ℃的高溫,短時(shí)可耐600 ℃;(2)抗腐蝕:可耐H2S、SO2、SO3等腐蝕;(3)過(guò)濾精度高:過(guò)濾精度達(dá)0.1 μm,收塵器出口后含塵濃度可穩(wěn)定控制小于10 mg/Nm3;(4)易清灰:根據(jù)制造工藝,該濾料厚度較薄,為0.3～0.5 mm,具備一定柔性,反吹清灰更容易;(5)導(dǎo)電性好,過(guò)濾過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生靜電;(6)通量大:過(guò)濾氣體通量≥500 m3/(m2·kPa·h);(7)壽命長(zhǎng):四年及以上。

本文選用的金屬濾料主要規(guī)格參數(shù)如表5所示。

表5 金屬濾料主要規(guī)格參數(shù)表

(2)過(guò)濾風(fēng)速與過(guò)濾面積

過(guò)濾風(fēng)速是決定高溫過(guò)濾除塵器性能的一個(gè)重要參數(shù),是指被過(guò)濾的氣體流量與濾管過(guò)濾面積的比值,單位是m/min。過(guò)濾風(fēng)速的選擇與使用工況條件和濾料相關(guān),金屬濾料一般不大于1 m/min。

(3)清灰系統(tǒng)

一般清灰用的壓縮空氣溫度較低,當(dāng)凈化的煙氣溫度較高,當(dāng)壓縮空氣通過(guò)噴吹管噴入濾袋時(shí),壓縮空氣突然釋放,袋口周圍溫度急速下降,為了防止煙氣中As2O3遇冷空氣結(jié)晶堵塞濾料,清灰用壓縮空氣需要加熱到200 ℃以上。但同時(shí)脈沖閥最高只能承受220 ℃的高溫,為了防止400多度高溫?zé)煔鈸p壞脈沖閥,需要加長(zhǎng)噴吹外管,并在外管上加散熱翹片,以防高溫?zé)煔鈱?duì)脈沖閥的損壞。金屬濾料宜采用中壓噴吹,噴吹壓力宜為0.4～0.5 MPa,脈沖寬度宜為200～250 ms。

4 實(shí)際運(yùn)行效果

經(jīng)過(guò)調(diào)試和運(yùn)行,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,使用效果良好。試驗(yàn)證明,砷銻分離的效果與進(jìn)入高溫金屬過(guò)濾收塵器的煙氣溫度密切相關(guān),溫度越高,砷銻分離效果就越好。實(shí)驗(yàn)中保持煙氣溫度高于300 ℃以上,金屬過(guò)濾收塵器收集銻煙塵中Sb2O3含量大于95%,As2O3煙塵中含As2O3大于99%,取得了砷銻分離的預(yù)期效果。這是由于As2O3易升華,在300 ℃時(shí)的飽和濃度較大,可以使煙氣中的As2O3保持為氣態(tài),在進(jìn)入高溫過(guò)濾收塵器不被過(guò)濾下來(lái),這就提高了收集銻煙塵的品位,同時(shí)由于金屬過(guò)濾收塵器收塵效率高,也減少了進(jìn)入高溫過(guò)濾后As2O3煙氣中的雜質(zhì),可獲得高品質(zhì)的As2O3產(chǎn)品?？梢宰C明,只要將Sb2O3、As2O3揮發(fā)到煙氣中并保持300 ℃以上的煙氣溫度,采用的煙氣砷銻分離方案和高溫收塵設(shè)備就能取得理想砷銻分離效果。

5 現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題及解決

在調(diào)試初期,由于控制溫度較低,進(jìn)入高溫金屬過(guò)濾收塵器的煙氣溫度較低,大量As2O3在高溫金屬過(guò)濾收塵器內(nèi)凝華,不僅導(dǎo)致銻煙塵中含砷高,沒(méi)有達(dá)到分離效果,而且嚴(yán)重的堵塞了濾料,濾料板結(jié)嚴(yán)重,一度難以運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)分析清楚原因后,增加了煙管保溫,也提高了煙氣溫度,同時(shí)加強(qiáng)操作管理,嚴(yán)格控制煙氣溫度,最終解決了此問(wèn)題。

6 結(jié)論

高砷銻煙塵中砷的脫除及無(wú)害化處理和有價(jià)金屬綜合回收是冶煉廠面臨的一大難題。傳統(tǒng)的火法脫砷工藝存在砷、銻分離不徹底,砷揮發(fā)產(chǎn)物難處理,環(huán)境潛在危害大等問(wèn)題;濕法脫砷工藝流程冗長(zhǎng),總體試劑消耗量大。通過(guò)金屬濾料收塵器在煙氣砷銻分離中的應(yīng)用試驗(yàn),本文選用的煙氣砷銻分離流程能滿足砷銻分離的要求,高溫過(guò)濾收塵器設(shè)備在處理高溫?zé)煔鈺r(shí)運(yùn)行正常,說(shuō)明設(shè)計(jì)中采取的各項(xiàng)參數(shù)和措施是有效可行的,為同類項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供了參考。