銅冶煉煙氣制酸系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用

吳錦龍，江紅衛(wèi)

(江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠，江西貴溪 335424)

江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠硫酸車間目前擁有4套制酸裝置、6套廢酸廢水處理裝置、1套三氧化二砷生產(chǎn)裝置及應(yīng)急處理站廢水處理裝置。主要工藝以銅冶煉煙氣為原料，采用動力波煙氣凈化、低位高效干吸和雙接觸轉(zhuǎn)化技術(shù)，經(jīng)凈化、轉(zhuǎn)化、干吸、脫硫等工序生產(chǎn)出w(H2SO4)98.3%的工業(yè)硫酸，目前已形成1 900 kt/a的硫酸生產(chǎn)規(guī)模。

廢酸廢水處理工藝采用先硫化、后石膏、電化學(xué)深度處理的方法，處理之后的廢水部分循環(huán)使用，其余達(dá)標(biāo)排放。亞砷酸生產(chǎn)采用加溫加壓氧化浸出工藝，生產(chǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于或等于99.5%的三氧化二砷。應(yīng)急處理站主要收集工廠部分超標(biāo)的廢水并進行處理，是保證工廠外排水達(dá)標(biāo)排放的最后一道屏障。

在冶煉煙氣制酸工藝中，噸酸電耗是煙氣制酸工藝的核心指標(biāo)，國內(nèi)同行通常采用“雙閃”（閃速爐熔煉、閃速爐吹煉）+高SO2濃度轉(zhuǎn)化的先進工藝[1]，以此減少煙氣量、節(jié)約能源，實現(xiàn)了噸酸電耗的大幅下降，競爭優(yōu)勢非常明顯。貴溪冶煉廠采用閃速爐+PS轉(zhuǎn)爐的冶煉工藝，轉(zhuǎn)爐漏風(fēng)量大，生產(chǎn)負(fù)荷周期性大幅波動，造成煙氣中SO2濃度低，制酸系統(tǒng)采用傳統(tǒng)工藝，能適應(yīng)的煙氣φ(SO2)最高為12%，平均在11%左右，系統(tǒng)風(fēng)量大、SO2風(fēng)機電耗高。

在廢酸廢水處理工藝中，隨著國家環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，采用電化學(xué)廢水深度處理工藝替代傳統(tǒng)的中和鐵鹽法，去除各類重金屬的效果好，但是廢水處理量逐年增大，成分越來越復(fù)雜，電化學(xué)系統(tǒng)長期滿負(fù)荷運行，極板和電能消耗高[2]。

鑒于這些因素，近幾年，貴溪冶煉廠硫酸車間持續(xù)開展銅冶煉煙氣制酸系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用，包括變頻控制系統(tǒng)在KK&K風(fēng)機的首次運用、自主研發(fā)高SO2濃度轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型提高制酸系統(tǒng)SO2控制濃度、研究開發(fā)一種新的復(fù)雜廢水除砷工藝、發(fā)明水冷封閉式IGBT“高頻節(jié)能電源”降低電化學(xué)整流器的電耗和故障率等，取得多項成果并成功應(yīng)用。

1 變頻控制系統(tǒng)在KK&K SO2風(fēng)機的首次運用

冶煉煙氣制酸系統(tǒng)中SO2風(fēng)機是整個系統(tǒng)的核心動力設(shè)備，貴溪冶煉廠硫酸車間4套制酸裝置均采用德國進口的KK&K風(fēng)機，屬于定速風(fēng)機，通過調(diào)節(jié)前導(dǎo)葉來控制風(fēng)量，一直處在工頻運行的電機浪費了大量電能。冶煉系統(tǒng)采用的是閃速爐+PS轉(zhuǎn)爐的冶煉工藝，轉(zhuǎn)爐周期性送停風(fēng)，制酸系統(tǒng)風(fēng)量周期性大幅波動，頻繁調(diào)節(jié)風(fēng)機導(dǎo)葉開度，不僅操作繁瑣，同時風(fēng)機能耗高。為此，硫酸車間曾邀請KK&K風(fēng)機廠家研討風(fēng)機的變頻控制[3]，但是廠家拒絕改造，車間依靠自身力量，聯(lián)合廠內(nèi)冶化設(shè)計室，研究KK&K風(fēng)機特性曲線，設(shè)計出1套安全可靠的KK&K風(fēng)機變頻控制系統(tǒng)，在國內(nèi)屬于首創(chuàng)，并首次成功運用于制酸四系列的KK&K風(fēng)機控制。

1.1 研究思路

研究選擇在制酸四系列進行，主要考慮以下原因：

1）由于冶煉煙氣制酸系統(tǒng)受閃速熔煉和轉(zhuǎn)爐吹煉影響，生產(chǎn)負(fù)荷波動大，而KK&K風(fēng)機為定速風(fēng)機，依靠風(fēng)機入口導(dǎo)葉控制負(fù)荷，低負(fù)荷時導(dǎo)葉開度小，存在大馬拉小車現(xiàn)象，造成較大能耗浪費，制酸四系列尤為明顯。

2）由于閃速爐點檢、降料等情況，導(dǎo)致制酸四系列KK&K風(fēng)機頻繁開停，平均每年開停約20次，影響制酸核心設(shè)備KK&K風(fēng)機使用壽命。

3）四系列KK&K風(fēng)機額定功率為2 050 kW，額定電流230 A，啟動設(shè)計采用直接全壓啟動方式，大功率設(shè)備頻繁開停加劇機械磨損，影響電機使用壽命。

基于以上原因，為了降低制酸系統(tǒng)能耗，車間自行研究變速與導(dǎo)葉控制技術(shù)，實現(xiàn)KK&K風(fēng)機變頻控制改造，降低風(fēng)機用電。

1.2 技術(shù)方案

1）KK&K風(fēng)機變頻調(diào)速改造。由于制酸系統(tǒng)對連續(xù)運行安全性能要求較高，為了便于日常維護及故障應(yīng)急處理，故采用中壓變頻器外加工頻旁路的方案。利用原電機啟動斷路器柜作為整個系統(tǒng)的總電源柜，整個系統(tǒng)的綜保裝置利用原電源柜的綜保裝置。增加中壓變頻器及變頻器進、出線斷路器柜，柜內(nèi)不設(shè)綜保裝置。開關(guān)柜與變頻器一起安裝于風(fēng)機房內(nèi)，并為其搭建1間變頻器配電室。運行時房間封閉，內(nèi)置空調(diào)，采用內(nèi)循環(huán)散熱，空調(diào)功率約為2臺10匹空調(diào)。

2）潤滑油控制系統(tǒng)改造。由于電機的變頻改造，導(dǎo)致原來的潤滑油控制系統(tǒng)無法滿足現(xiàn)在控制要求，車間經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，增加1個輔助油箱和2#輔助油泵，正常生產(chǎn)時2#輔助油泵通過變頻調(diào)速控制油壓，實現(xiàn)風(fēng)機調(diào)速時油壓的穩(wěn)定控制，原1#輔助油泵作為應(yīng)急油泵備用，確保了風(fēng)機的安全穩(wěn)定運行，同時實現(xiàn)突然停電時的潤滑油壓穩(wěn)定，消除風(fēng)機安全隱患。

3）DCS 改造。DCS具有對新增的開關(guān)柜與變頻器的監(jiān)視與控制功能，由于現(xiàn)有DCS系統(tǒng)允許容量已用完，故對DCS數(shù)據(jù)庫進行擴容，并增加通訊與輸入輸出模塊。

1.3 實施效果

1）項目實施后，制酸二系統(tǒng)(含制酸三系列和四系列)制酸電耗由原來的83.15 kWh/t下降為73.18 kWh/t，每年可以節(jié)省電費約120萬元。四系列風(fēng)機變頻改造前后電耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 四系列風(fēng)機變頻改造前后電耗統(tǒng)計

從表1中可以看出：風(fēng)機變頻技術(shù)導(dǎo)葉控制改造后，風(fēng)機本身電耗下降明顯，折合成硫酸電耗下降 8.92 kWh/t。

2）KK&K風(fēng)機變頻改造，實現(xiàn)了無負(fù)荷啟動，也大大降低了風(fēng)機因熔煉爐內(nèi)點檢造成的開停次數(shù)，由改造前的20次降為5次，(每次30 min左右)減少了電氣和機械故障，簡化了操作。

3）貴溪冶煉廠技術(shù)人員對KK&K風(fēng)機進行自主變頻改造升級，在國內(nèi)尚屬首次，制酸一系列4 800 kW風(fēng)機也利用干吸轉(zhuǎn)化改造項目進行了變頻改造。此次KK&K風(fēng)機改造也引起了國內(nèi)同行業(yè)的關(guān)注，紫金礦業(yè)、大冶有色、九江鉛鋅等單位相繼到貴溪冶煉廠進行交流，均準(zhǔn)備按該模式對KK&K風(fēng)機進行改造。

2 自主研發(fā)高濃度SO2轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型提高SO2濃度控制

貴溪冶煉廠煙氣制酸采用傳統(tǒng)工藝來制硫酸，其系統(tǒng)能適應(yīng)的煙氣φ(SO2)上限在12%左右，平均在11%左右，如果超出上限，轉(zhuǎn)化工序的熱平衡被打破，特別是轉(zhuǎn)化器一段床層的熱量富集，催化劑溫度超過上限，容易使催化劑失去活性，設(shè)備變形損壞。而且SO2濃度提高，轉(zhuǎn)化率快速下降，尾氣排放SO2濃度上升。結(jié)合貴溪冶煉廠的實際情況，在制酸裝置不可能進行太大的改動，基于傳統(tǒng)制酸工藝，研發(fā)了一種高濃度SO2轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型，通過大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)修正，指導(dǎo)轉(zhuǎn)化熱平衡的調(diào)整。

2.1 研究思路

1）制酸一系列1985年投產(chǎn)以來，已運行30余年，設(shè)備老化嚴(yán)重，技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)下降，能耗上升，無法適應(yīng)高濃度SO2控制要求。

2）該系統(tǒng)轉(zhuǎn)化φ(SO2)控制上限為12%，為了控制SO2濃度，需通過補充稀釋風(fēng)調(diào)節(jié)，造成制酸系統(tǒng)負(fù)荷增大，能耗上升。

3）SO2濃度控制過高時，易導(dǎo)致轉(zhuǎn)化工序催化劑溫度超過上限，設(shè)備運行風(fēng)險高。同時SO2轉(zhuǎn)化率下降，尾排SO2上升，脫硫效率下降，排放超標(biāo)[4]。

基于以上原因，為了解決制酸系統(tǒng)實現(xiàn)高SO2轉(zhuǎn)化，同時轉(zhuǎn)化率又不能急劇下降影響尾氣排放的問題，車間自主研發(fā)，以制酸一系列為試驗平臺，通過多年的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，建立轉(zhuǎn)化工序SO2轉(zhuǎn)化率計算模型，輸入溫度、壓力、SO2和O2濃度，自動計算出催化劑溫度、分層轉(zhuǎn)化率、總轉(zhuǎn)化率、尾排SO2濃度等理論值，經(jīng)過不斷修正，縮小與實際值的偏差，從而指導(dǎo)大修期間的催化劑檢修和日常生產(chǎn)控制。

2.2 技術(shù)方案

1）建立SO2轉(zhuǎn)化率計算模型，并通過大量實際數(shù)據(jù)不斷進行修正，使其能精準(zhǔn)符合制酸一系列的運行實際。

2）制酸一系列轉(zhuǎn)化工序安裝儀表壓力計，數(shù)據(jù)傳輸入DCS。將壓力、溫度參數(shù)引入數(shù)模，為生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

3）大修期間調(diào)整制酸一系列轉(zhuǎn)化器一段床層、五段床層的低溫銫催化劑密度和一段床層催化劑的裝填量，優(yōu)化調(diào)整制酸一系列的熱平衡，使制酸一系列轉(zhuǎn)化可承受的φ(SO2)達(dá)到13%(小時平均值)以上，全年平均φ(SO2)高于11%。

4）待模型建立，轉(zhuǎn)化工序能適應(yīng)的SO2濃度提高后，取消制酸一系列電除霧器清掃風(fēng)，減少清掃風(fēng)量10 000 m3/h，減少進入制酸系統(tǒng)的空氣量，提高SO2濃度。

5）對制酸一系列凈化SO2脫卻塔、負(fù)壓風(fēng)管及制酸二系列有機胺再生氣管等進行優(yōu)化，減少空氣量，進一步提升制酸一系列SO2濃度。

6）通過數(shù)模計算，推算出當(dāng)轉(zhuǎn)化SO2提升至14%，15%時脫硫入口SO2濃度，為尾氣脫硫改造和進一步提高轉(zhuǎn)化SO2濃度提供依據(jù)。

2.3 實施效果

1）SO2轉(zhuǎn)化率計算模型研究取得較好效果，2017年大修期間將轉(zhuǎn)化器一段床層、五段床層催化劑裝填進行調(diào)整，增加低溫銫催化劑裝填量。正常生產(chǎn)一段床層入口溫度由400 ℃下調(diào)至385 ℃，保證轉(zhuǎn)化設(shè)備運行安全，同時轉(zhuǎn)化率由99.81%提升至99.83%。成功提高了系統(tǒng)SO2濃度，降低了系統(tǒng)風(fēng)量，減少風(fēng)機電耗，節(jié)省生產(chǎn)成本。硫酸一系列SO2濃度和硫酸電耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)分別見表2和表3。

從表2和表3可以看出，通過數(shù)據(jù)模型的運用，φ(SO2)控制月平均值由10.80%提升到11.10%，硫酸電耗由 106.80 kWh/t下降至 101.71 kWh/t，節(jié)約用電 3.05×106kWh/a。

2）提升了制酸一系統(tǒng)硫酸的能力，滿足目前冶煉系統(tǒng)能力的需求，節(jié)省了采用國外高濃度SO2轉(zhuǎn)化技術(shù)專利費數(shù)百萬元。

表2 制酸一系列φ(SO2)數(shù)據(jù)統(tǒng)計 %

表3 制酸一系列硫酸電耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計 kWh/t

3 研究開發(fā)一種新的復(fù)雜廢水除砷工藝，提升排放指標(biāo)

電化學(xué)系統(tǒng)是硫酸車間處理全廠廢水的一道關(guān)鍵工序。電化學(xué)系統(tǒng)給多塊極板加直流電，廢水通過極板時，極板之間形成陰陽極導(dǎo)電，極板被電解，大量亞鐵離子溶入廢水中，與其中的砷形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，達(dá)到除砷目的，同時發(fā)生其他氧化還原反應(yīng)去除重金屬。鐵離子本身作為優(yōu)良的凝聚劑，能夠通過凝聚作用，去除廢水中其他的雜質(zhì)。

硫酸車間技術(shù)人員深入研究電化學(xué)工作原理，創(chuàng)新開發(fā)一種新的復(fù)雜廢水除砷工藝，在廢酸廢水系統(tǒng)中采用前端提高鐵離子濃度，提升廢水前端除砷能力，從而降低電化學(xué)系統(tǒng)進水中的砷離子濃度，降低電化學(xué)系統(tǒng)負(fù)荷，最終優(yōu)化排放水水質(zhì)。

3.1 研究思路

1）由于廢水處理工藝鐵離子濃度低，除砷效率下降，造成電化學(xué)系統(tǒng)進水中的砷濃度上升幅度較大，為保證排放水指標(biāo)，電化學(xué)系統(tǒng)負(fù)荷過大，長期保持 2 800 A 的運行電流 (上限 3 000 A)，電耗和極板消耗大。

2）電化學(xué)整流機組故障率高，該機組2016年5—8月的故障次數(shù)分別為11次、13次、15次、9次 ，嚴(yán)重影響了設(shè)備的運行。

基于以上原因，硫酸車間首先對工藝進行改進，優(yōu)化除雜藥劑鐵離子在廢水處理工藝中的協(xié)同作用。即在電化學(xué)系統(tǒng)前端處理工藝中提高鐵離子的濃度，提升去除重金屬的能力。同時改進電化學(xué)硅整流電源，減少故障率和能耗，從而降低電化學(xué)運行電流和極板消耗，減少運行成本。

3.2 技術(shù)方案

在廢酸廢水系統(tǒng)中采用2種方式提高鐵離子濃度，提升系統(tǒng)除重金屬效率，優(yōu)化排放水指標(biāo)。改進電化學(xué)硅整流電源，自主設(shè)計IGBT“高頻節(jié)能電源”。

1）廢鐵加酸溶解：制作若干個廢鐵溶解槽，將電化學(xué)反應(yīng)槽換下的殘極板和廠區(qū)內(nèi)收集的廢鐵置于槽內(nèi)，把成分簡單、酸度較高的脫銅廢酸從槽底引入，由下至上通過廢鐵溶解區(qū)，利用稀硫酸快速溶解廢鐵，提高液相中的鐵離子濃度，產(chǎn)生的廢氣通過負(fù)壓系統(tǒng)抽入環(huán)集系統(tǒng)中和處理排空，富鐵液體進入后續(xù)工序[5]。

2）電化學(xué)富鐵底泥加酸溶解再利用：電化學(xué)澄清器中的底泥含有大量的固體Fe(OH)3，以前只是簡單地將其返回pH調(diào)節(jié)槽，作為補充鐵鹽濃度和結(jié)晶晶種。但是因為大部分Fe呈固態(tài)，對于廢水中的重金屬去除效果不佳。采用弱酸性的電解車間廢水溶解電化學(xué)富鐵底泥，將部分Fe溶解成離子態(tài)，提高重金屬的去除效率。

3）將敞開式風(fēng)冷結(jié)構(gòu)“硅整流電源”改為車間自主設(shè)計的IGBT“高頻節(jié)能電源”(專利號：ZL201721548272.0)。將敞開式電源拆除，在原位置安裝封閉式水冷型一體式高頻節(jié)能電源。取消原來的風(fēng)冷風(fēng)扇，采用銅質(zhì)蛇管換熱器+循環(huán)水來冷卻整流器產(chǎn)生的熱量。利用三極晶體管的導(dǎo)電選擇性原理，將外部銅排軟連接的機械換向裝置改成電子換向裝置，改造后每臺電源可節(jié)約用電5.4×104kWh/a。

3.3 實施效果

1）電化學(xué)廢水處理節(jié)能技術(shù)應(yīng)用后，廢水處理石膏工序中石膏濾液中鐵離子質(zhì)量濃度明顯上升，由 66.36 mg/L 提升到 214.59 mg/L，大幅提升了電化學(xué)系統(tǒng)前端的除雜效果，達(dá)到了預(yù)期目的。石膏濾液中鐵離子質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)見表4。

表4 石膏濾液鐵離子質(zhì)量濃度 mg/L

2）通過改造，排放水中重金屬離子濃度下降，具體數(shù)據(jù)見表5。

表5 排放水重金屬離子質(zhì)量濃度 mg/L

3）通過改造，風(fēng)冷改為水冷，機械換向改為晶體管電子換向，車間共10臺電化學(xué)電源每年節(jié)約用電 5.4×105kWh。

4）電化學(xué)前端鐵離子濃度大幅提升后除雜效果好，大大降低了電化學(xué)進水中的重金屬元素濃度，從而為降低電化學(xué)運行負(fù)荷提供了條件。經(jīng)過改造，目前電化學(xué)系統(tǒng)只運行50%的反應(yīng)器即可達(dá)到排放指標(biāo)，電化學(xué)極板更換、檢修費用大幅下降。

4 結(jié)語

江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠近幾年提出了“打造世界最好煉銅工廠”的目標(biāo)，其中核心就是通過對標(biāo)、創(chuàng)標(biāo)管理和技術(shù)改進，大幅提升關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。硫酸車間通過新技術(shù)的研究開發(fā)與應(yīng)用，實現(xiàn)了煙氣制酸系統(tǒng)噸酸電耗的較大幅度的下降，優(yōu)化了排放水的水質(zhì)指標(biāo)，對冶煉煙氣制酸行業(yè)的節(jié)能減排科技進步具有較大的推動和示范作用。