有色冶煉煙氣驟冷收砷技術(shù)的研究與應(yīng)用

姚 亮， 李旭朋

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

有色冶煉煙氣驟冷收砷技術(shù)的研究與應(yīng)用

姚 亮， 李旭朋

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

對(duì)煙氣驟冷收砷技術(shù)的原理、特點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，提出適用于有色冶煉煙氣收砷的優(yōu)化工藝，對(duì)噴霧冷卻器等核心設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，較好地解決了結(jié)露、腐蝕、對(duì)煙氣波動(dòng)適應(yīng)性差等問題。通過對(duì)砷煙塵的有效回收，減少了二次污染對(duì)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(diǎn)

0 前言

目前國內(nèi)外高品位精礦供應(yīng)量減少，精礦資源匱乏價(jià)格上漲。為了降低生產(chǎn)成本，國內(nèi)外各大冶煉企業(yè)對(duì)價(jià)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(shí)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(shù)分為干法和濕法，干法技術(shù)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(shù)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(jié)問題。濕法技術(shù)，如電熱回轉(zhuǎn)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(yuǎn)大于驟冷收砷技術(shù)。

驟冷收砷技術(shù)早期用于黃金冶煉項(xiàng)目含砷煙氣的處理，現(xiàn)已應(yīng)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(fù)荷，實(shí)現(xiàn)危廢渣減量化。

1 工藝及應(yīng)用

1.1 工藝流程

含砷精礦在爐窯內(nèi)的砷化學(xué)反應(yīng)如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

煙氣經(jīng)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(nèi)驟冷的方式，將煙氣溫度在2～4 s內(nèi)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(dá)99%以上。

固態(tài)As2O3的形成溫度通常和煙氣露點(diǎn)相近，甚至低于煙氣露點(diǎn)，過程中無法達(dá)到煙氣溫度高于露點(diǎn)溫度30 ℃的要求，導(dǎo)致設(shè)備腐蝕。圖1為工藝流程圖，為了避免各核心設(shè)備調(diào)試時(shí)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，設(shè)置煙氣旁路，管路上設(shè)置壓力溫度測(cè)點(diǎn)用于監(jiān)測(cè)和控制調(diào)節(jié)。

圖1 驟冷收砷工藝流程圖

1.2 實(shí)際應(yīng)用

驟冷收砷技術(shù)已應(yīng)用于二段焙燒脫硫除砷的黃金冶煉項(xiàng)目中，焙燒爐工況穩(wěn)定，有利于收砷系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(huì)有一定的波動(dòng)，在這種條件下，收砷系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)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(xiàng)目的概況。初期項(xiàng)目運(yùn)行情況不穩(wěn)定，出現(xiàn)結(jié)露、腐蝕、砷塵黏結(jié)現(xiàn)象，對(duì)設(shè)備造成損害，也影響了冶煉生產(chǎn)。通過技術(shù)升級(jí)完善，后續(xù)銅冶煉項(xiàng)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(yàn)研究

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

2.1 試驗(yàn)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(jìn)入煙氣，剩余的砷進(jìn)入冰銅和渣。從頂吹熔煉爐出來的工藝煙氣溫度在～1 100 ℃，經(jīng)余熱鍋爐降溫至360 ℃后進(jìn)入高溫電收塵器進(jìn)行收塵。

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

2.2 主要設(shè)備規(guī)格及性能

本項(xiàng)目收砷系統(tǒng)的主要設(shè)備及規(guī)格見表3。

表3 主要設(shè)備一覽表

高溫電收塵器用于捕捉含Cu、Pb、Zn等有價(jià)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(shí)間內(nèi)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(nèi)停留時(shí)間應(yīng)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(nèi)壁。蒸發(fā)用冷卻水與壓縮空氣在噴嘴處混合霧化后，產(chǎn)生的液滴平均直徑50～150 μm。噴嘴采用雙流體霧化噴嘴，內(nèi)管進(jìn)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(nèi)噴入水的霧化效果至關(guān)重要，在傳熱過程中，霧化的液滴一般是愈細(xì)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(shí)間有關(guān)，也就是煙氣在塔內(nèi)的最小停留時(shí)間。理論上，蒸發(fā)時(shí)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(shí)間為1.5～3.3 s。但考慮到塔內(nèi)的蒸發(fā)過程復(fù)雜，為了保證煙氣在塔內(nèi)有足夠的反應(yīng)時(shí)間，實(shí)際取值應(yīng)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(diǎn)提高。布袋收砷器應(yīng)考慮防腐，濾料應(yīng)考慮抗酸、抗結(jié)露等。

3 調(diào)試過程及關(guān)鍵參數(shù)

試驗(yàn)過程中，系統(tǒng)有正常生產(chǎn)狀態(tài)和事故狀態(tài)兩種狀況。正常生產(chǎn)時(shí)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(shí)測(cè)參數(shù)

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的物料成分及實(shí)測(cè)參數(shù)見表6。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可見，精礦含砷較低，但處于收砷范圍內(nèi)。在精礦含As 0.17%～0.8%的范圍內(nèi)，脫砷率已達(dá)到上述值。

表5 物料成分 %

表6 實(shí)測(cè)工況參數(shù)

3.2 主要設(shè)備

(1)高效電收塵器。高效電收塵器運(yùn)行正常，表7是電收塵器各個(gè)電場(chǎng)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(duì)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(yàn)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(shè)定溫度進(jìn)行水量調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)參數(shù)關(guān)系曲線見圖3。

圖3 調(diào)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(diǎn)是適用于工況波動(dòng)較大的條件，并且在水量要求較大時(shí)，壓縮空氣量較為節(jié)省。

控制系統(tǒng)采用閥站調(diào)節(jié)，給水調(diào)節(jié)閥與蒸發(fā)冷卻器出口溫度連鎖動(dòng)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(shè)定值±5 ℃的范圍內(nèi)，設(shè)備內(nèi)干燥；在事故情況下，雖冷卻塔入口溫度較高，仍會(huì)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(shí)過量噴水，瞬時(shí)噴水量可達(dá)正常值1.5倍以上；另一原因是由于保溫?zé)煔饬啃?dǎo)致塔內(nèi)氣速降低，傳熱推動(dòng)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(jīng)過局部修改和調(diào)試后，正常生產(chǎn)時(shí)可保持接觸面干燥，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)其他。為了避免主要收砷設(shè)備在非正常生產(chǎn)時(shí)受到損壞，設(shè)置煙氣反饋旁路，可有效處理調(diào)試和事故期的污染物。

4 結(jié)論及建議

驟冷收砷技術(shù)市場(chǎng)前景廣闊，可用于有色冶煉項(xiàng)目、硫鐵礦制酸項(xiàng)目、廢雜金屬回收項(xiàng)目、垃圾焚燒處理項(xiàng)目、含砷燃煤鍋爐尾氣處理等領(lǐng)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(dòng)條件下自動(dòng)運(yùn)行，但當(dāng)波動(dòng)幅度超過60%時(shí)，如停止投料等，需連鎖切換至煙氣旁路，以避免其對(duì)設(shè)備的影響。

(3) 經(jīng)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(diǎn)的制約，設(shè)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(duì)As回收及減少后續(xù)工段危險(xiǎn)廢物總量具有重要的意義。

(4) 實(shí)施驟冷收砷技術(shù)是一個(gè)綜合的系統(tǒng)工程，嚴(yán)格掌握設(shè)計(jì)、設(shè)備、安裝、調(diào)試等各個(gè)環(huán)節(jié)和細(xì)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(yīng)用方向[A].廣西金屬學(xué)會(huì),1992：50-51.

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

[4]K.馬斯托思. 噴霧干燥手冊(cè)[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(jí)工程師，從事有色冶煉煙氣處理技術(shù)及管理工作。

TF805.3

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