我國典型銅冶煉煙氣制酸工藝的能耗比較

胥 永，杜 龍，劉昱瀏

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330031）

2018年全國硫酸總產(chǎn)量為96.86 Mt，其中硫鐵礦制酸產(chǎn)量為16.52 Mt，硫磺制酸產(chǎn)量為44.32 Mt，冶煉煙氣制酸產(chǎn)量為34.96 Mt[1]。目前2019年統(tǒng)計數(shù)據(jù)尚未發(fā)布，預計冶煉酸產(chǎn)量大幅增長。根據(jù)銅冶煉行業(yè)數(shù)據(jù)，2018年中國礦銅產(chǎn)精銅量為8.06 Mt，按銅精礦中銅和硫質(zhì)量分數(shù)分別為21%和27%計算，2018年銅冶煉煙氣制酸的產(chǎn)量約31.75 Mt，銅冶煉煙氣制酸占整個冶煉煙氣制酸總產(chǎn)量90.8%，占全國硫酸總產(chǎn)量32.8%?！躲~冶煉行業(yè)規(guī)范條件》（工業(yè)和信息化部公告2019年第35號）規(guī)定煙氣制酸須采用稀酸洗滌凈化、二轉(zhuǎn)二吸等先進工藝，煙氣凈化嚴禁采用水洗或熱濃酸洗滌工藝[2]。筆者對符合《銅冶煉行業(yè)規(guī)范條件》規(guī)定且制酸工藝較先進的五家企業(yè)進行能耗比較。

煙氣制酸裝置的主要能源動力消耗為電能、新水，配套的儀表需使用壓縮空氣，開工爐需使用天然氣或柴油，也可使用電爐作為開工爐。隨著冶煉過程富氧熔煉技術(shù)的發(fā)展，進入制酸系統(tǒng)的冶煉煙氣中SO2濃度普遍超過了可以維持轉(zhuǎn)化過程自熱平衡的濃度，其中部分銅冶制酸裝置轉(zhuǎn)化工序φ(SO2)高達12%～18%，轉(zhuǎn)化工序可副產(chǎn)大量中溫位余熱，大中型銅冶煉企業(yè)普遍設(shè)置了余熱鍋爐以回收轉(zhuǎn)化工序的中溫位熱能，有效降低了制酸系統(tǒng)能耗。近年來高效洗滌凈化技術(shù)、高效換熱技術(shù)、電機變頻調(diào)速技術(shù)、汽輪機驅(qū)動風機及泵技術(shù)和低壓力分酸器等技術(shù)和裝備的應(yīng)用也使煙氣制酸企業(yè)綜合能耗和電耗逐漸降低。

1 銅冶煉煙氣制酸工藝

銅冶煉煙氣制酸采用接觸法制酸工藝，生產(chǎn)裝置主要包括凈化工序、干吸工序和轉(zhuǎn)化工序。

煙氣凈化工序普遍采用一級動力波+氣體冷卻塔+二級動力波+兩級電除霧器的經(jīng)典稀酸洗滌凈化流程。該工藝經(jīng)近三十年的實踐，運行成熟可靠。為達到煙氣制酸凈化指標要求，凈化工序需設(shè)置氣體冷卻塔及配套的稀酸冷卻器對經(jīng)過一級動力波絕熱蒸發(fā)后的飽和煙氣進行冷卻，冷卻過程中大量的熱量因溫度和可利用價值低而采用循環(huán)水進行冷卻，系統(tǒng)熱量散發(fā)至大氣環(huán)境中。

干吸工序通常采用低位高效的干吸工藝，采用一級干燥、兩級吸收、循環(huán)泵后冷卻工藝與雙接觸轉(zhuǎn)化工藝相對應(yīng)。干吸工序是一個產(chǎn)生大量熱量的過程，熱量來源主要有轉(zhuǎn)化煙氣的顯熱、SO3氣體的冷凝熱、SO3生成硫酸的生成熱及加水過程的稀釋熱和混酸熱等。目前回收干吸工序的熱能方式只有2種：設(shè)置低溫熱回收系統(tǒng)副產(chǎn)低壓蒸汽或設(shè)置熱水換熱器副產(chǎn)70～90 ℃的熱水。

低溫熱回收產(chǎn)生熱水的系統(tǒng)主要由陽極保護管殼式冷卻器與熱回收板式冷卻器組成，配套閉路水循環(huán)系統(tǒng)作為熱量回收載體，在硫酸系統(tǒng)與熱水使用系統(tǒng)閉路循環(huán)。熱水在制酸系統(tǒng)被加熱后送至用熱水車間，經(jīng)換熱器降溫后返回制酸系統(tǒng)。低溫熱回收產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)主要由熱回收塔、熱回收鍋爐、混酸器、換熱器、熱回收塔循環(huán)泵組成。熱回收塔實質(zhì)是取代了傳統(tǒng)二轉(zhuǎn)二吸工藝的一吸塔，含三氧化硫氣體從塔底進入，由塔頂排出。吸收SO3后的硫酸從塔底流入與塔相連的泵槽，然后由熱回收塔酸循環(huán)泵送入熱回收鍋爐，生產(chǎn)0.8 MPa飽和蒸汽。

轉(zhuǎn)化工序采用的工藝主要有常規(guī)濃度轉(zhuǎn)化工藝、“非衡態(tài)”高濃度轉(zhuǎn)化工藝、部分稀釋預轉(zhuǎn)化高濃度工藝等。這3種工藝在銅冶煉廠煙氣制酸工藝中均得到成功應(yīng)用。轉(zhuǎn)化工序是煙氣制酸另一個產(chǎn)生熱量的單元，熱量來源于SO2轉(zhuǎn)化成SO3的反應(yīng)熱。進入轉(zhuǎn)化工序煙氣中SO2濃度超過維持轉(zhuǎn)化過程自熱平衡的濃度時，多余的熱量經(jīng)余熱鍋爐回收后產(chǎn)出蒸汽。

根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模的不同，硫酸系統(tǒng)的配置方式也不同，有的企業(yè)采取“一頭兩尾”配置方式，即一套凈化工序、兩套干吸工序、兩套轉(zhuǎn)化工序；有的采取“一頭一尾”配置方式，即一套凈化工序+一套干吸工序+一套轉(zhuǎn)化工序。這是不同企業(yè)硫酸系統(tǒng)能耗差異的原因之一。

典型大型銅冶煉煙氣制酸工藝和產(chǎn)量見表1。

表1 典型大型銅冶煉煙氣制酸工藝和產(chǎn)量情況

2 工業(yè)硫酸單位產(chǎn)品能源消耗限額

銅冶煉行業(yè)規(guī)范條件明確規(guī)定銅冶煉項目須符合節(jié)能法律法規(guī)和政策，其中硫酸生產(chǎn)過程中的能耗執(zhí)行GB 29141—2012《工業(yè)硫酸單位產(chǎn)品能源消耗限額》[3]。該標準規(guī)定的以銅冶煉煙氣為原料的新建工業(yè)硫酸裝置單元的能耗準入值、先進值見表2。

表2 新建工業(yè)硫酸裝置單位產(chǎn)品能耗準入值和先進值

3 銅冶煉煙氣制酸能耗比較

按照GB 29141—2012《工業(yè)硫酸單位產(chǎn)品能源消耗限額》要求，重點計算了開工爐能耗、硫酸裝置的水耗和電耗，估算了壓縮空氣消耗。綜合能耗計算時扣除了蒸汽和熱水綜合利用所對應(yīng)的標煤，同時也納入了配套的廢酸廢水處理和脫硫設(shè)施的能耗。水、電、壓縮空氣、天然氣或柴油的折標準煤系數(shù)從GB/T 2589—2008《綜合能耗計算通則》[4]取值，計算結(jié)果見表3。

表3 典型銅冶煉煙氣制酸企業(yè)單位產(chǎn)品能耗[5-7]

由表3可見：典型銅冶煉煙氣制酸裝置的單位產(chǎn)品綜合能耗均低于GB 29141—2012《工業(yè)硫酸單位產(chǎn)品能源消耗限額》中的準入值，紫金銅業(yè)、白銀有色、銅陵金冠、廣西金川、南國銅業(yè)單位產(chǎn)品綜合能耗分別低于準入值9.8，46.0，19.3，73.8，77.8 kgce/t；噸酸電耗均低于 GB 29141—2012《工業(yè)硫酸單位產(chǎn)品能源消耗限額》中的先進值，紫金銅業(yè)、白銀有色、銅陵金冠、廣西金川、南國銅業(yè)噸酸電耗分別是先進值的85.0%，99.4%，66.4%，65.0%，58.0%；同時設(shè)置有低溫位熱回收裝置和中溫位熱回收裝置的單位產(chǎn)品綜合能耗均低于GB 29141—2012《工業(yè)硫酸單位產(chǎn)品能源消耗限額》中的先進值，白銀有色、廣西金川和南國銅業(yè)單位產(chǎn)品綜合能耗分別低于先進值13.0，40.8，44.8 kgce/t。

從單位產(chǎn)品綜合能耗角度結(jié)合表3可知：

1）未配置低溫位熱回收裝置的紫金銅業(yè)和銅陵金冠，其單位產(chǎn)品綜合能耗明顯高于配置了低溫位熱回收裝置的白銀有色、廣西金川和南國銅業(yè)。這充分說明了低溫位熱回收在節(jié)能方面的有效性和必要性。

2）銅陵金冠和紫金銅業(yè)均未配置低溫位熱回收裝置，采用了高濃度轉(zhuǎn)化工藝的銅陵金冠單位產(chǎn)品綜合能耗明顯低于采用常規(guī)濃度轉(zhuǎn)化工藝的紫金銅業(yè)。這充分顯現(xiàn)了高濃度轉(zhuǎn)化工藝的節(jié)能優(yōu)勢。

3）白銀有色、廣西金川和南國銅業(yè)均配置了低溫位熱回收裝置和中溫位熱回收裝置，采用了高濃度轉(zhuǎn)化工藝的廣西金川、南國銅業(yè)單位產(chǎn)品綜合能耗明顯低于采用常規(guī)濃度轉(zhuǎn)化工藝的白銀有色，同樣顯現(xiàn)了高濃度轉(zhuǎn)化工藝的節(jié)能優(yōu)勢。

4）南國銅業(yè)單位產(chǎn)品綜合能耗低于廣西金川，表明“非衡態(tài)”高濃度轉(zhuǎn)化工藝更節(jié)能。這是因為廣西金川所采用的部分稀釋預轉(zhuǎn)化工藝，其實質(zhì)是將一小部分高濃度SO2稀釋到φ(SO2)為12%左右進行預轉(zhuǎn)化，再與未經(jīng)預轉(zhuǎn)化的煙氣混合進入轉(zhuǎn)化器，從而實現(xiàn)控制轉(zhuǎn)化器一段出口溫度的目的。該工藝進轉(zhuǎn)化器的φ(SO2)相當于16%左右。該工藝需增設(shè)1臺空氣干燥塔和1臺空氣干燥風機，另轉(zhuǎn)化器催化劑層共6層，流程相應(yīng)較長。南國銅業(yè)轉(zhuǎn)化工藝采用中國瑞林與銅陵有色共同開發(fā)的“非衡態(tài)”高濃度轉(zhuǎn)化工藝，其核心是控制轉(zhuǎn)化器一段的SO2轉(zhuǎn)化率，使煙氣在達到SO2平衡轉(zhuǎn)化率前的某預設(shè)轉(zhuǎn)化率時離開催化劑層，經(jīng)換熱器冷卻后進入轉(zhuǎn)化器二段，設(shè)備數(shù)量比部分稀釋預轉(zhuǎn)化工藝少，流程短，因此南國銅業(yè)的綜合能耗略低于廣西金川。另一方面，廣西金川采用了“一頭兩尾”配置方式，即配置了一套凈化+兩套干吸+兩套轉(zhuǎn)化。與其配置不同，南國銅業(yè)采用“一頭一尾”配置方式，即配置了一套凈化+一套干吸+一套轉(zhuǎn)化，設(shè)備數(shù)量少，單套系統(tǒng)規(guī)模大，規(guī)模效應(yīng)凸顯。

從噸酸電耗角度結(jié)合表3可知：

1）采用了高濃度轉(zhuǎn)化工藝的銅陵金冠、廣西金川、南國銅業(yè)制酸系統(tǒng)噸酸電耗明顯低于采用常規(guī)轉(zhuǎn)化工藝的紫金銅業(yè)和白銀有色。和常規(guī)濃度轉(zhuǎn)化技術(shù)相比，高濃度SO2煙氣轉(zhuǎn)化技術(shù)的應(yīng)用使系統(tǒng)的煙氣量大幅減小、設(shè)備規(guī)格減小，風機和干吸泵功率相應(yīng)降低。

2）盡管均采用常規(guī)濃度轉(zhuǎn)化制酸工藝，紫金銅業(yè)噸酸電耗小于白銀有色，主要是因為白銀有色地處我國西北地區(qū)，大氣壓小，設(shè)備規(guī)格比紫金銅業(yè)大，電耗更高所導致。

3）均采用高濃度轉(zhuǎn)化制酸工藝，南國銅業(yè)噸酸電耗低于廣西金川，原因和南國銅業(yè)單位產(chǎn)品綜合能耗低于廣西金川相同。

4）均采用“非衡態(tài)”高濃度轉(zhuǎn)化制酸工藝，銅陵金冠噸酸電耗高于南國銅業(yè)，原因主要是銅陵金冠采用了“一頭兩尾”配置方式；同時其制酸系統(tǒng)設(shè)備選型時考慮了將來擴產(chǎn)的適應(yīng)性，設(shè)備規(guī)格和用電設(shè)備配套的電機偏大，因此電耗相對更大。

從噸酸新水消耗角度結(jié)合表3可知：

1）白銀有色、廣西金川、南國銅業(yè)噸酸新水消耗明顯低于紫金銅業(yè)和銅陵金冠。主要原因是前者（白銀有色、廣西金川、南國銅業(yè)）制酸系統(tǒng)配有低溫位熱回收裝置，減少了循環(huán)水耗量，而制酸系統(tǒng)新水消耗大部分是對循環(huán)水的補充；因此前者噸酸新水消耗明顯低于后者（紫金銅業(yè)和銅陵金冠）。

2）銅陵金冠和紫金銅業(yè)均未配置低溫位熱回收裝置，而銅陵金冠噸酸新水消耗低于紫金銅業(yè)。主要原因是進入制酸系統(tǒng)煙氣中水量[折1 tw(H2SO4)硫酸，下同]不同，銅陵金冠進入制酸系統(tǒng)煙氣中水量小于紫金銅業(yè)，即工藝煙氣中水含量“閃速熔煉+閃速吹煉”小于“閃速熔煉+轉(zhuǎn)爐吹煉”。這導致銅陵金冠制酸系統(tǒng)需要的循環(huán)水量小于紫金銅業(yè)，噸酸新水消耗順序類同，這是前端冶煉工藝的特點決定的。

3）白銀有色、廣西金川和南國銅業(yè)均配置了低溫位熱回收裝置，噸酸新水消耗順序為廣西金川＜白銀有色＜南國銅業(yè)。主要原因也是進入制酸系統(tǒng)煙氣中水量的不同，煙氣中水量排序為廣西金川＜白銀有色＜南國銅業(yè)，即工藝煙氣中水含量排序為“閃速熔煉+閃速吹煉”＜“閃速熔煉+轉(zhuǎn)爐吹煉”＜“側(cè)吹熔煉+頂吹吹煉”，也是前端冶煉工藝的特點所致。當然，白銀有色噸酸新水消耗小于南國銅業(yè)還有一個原因就是白銀有色地處西北，環(huán)境溫度低于地處廣西的南國銅業(yè)，導致循環(huán)水損耗稍低。

4 結(jié)語

1）典型銅冶煉煙氣制酸的單位產(chǎn)品綜合能耗均低于GB 29141—2012《工業(yè)硫酸單位產(chǎn)品能源消耗限額》中準入值；噸酸電耗均低于GB 29141—2012《工業(yè)硫酸單位產(chǎn)品能源消耗限額》中先進值。

2）設(shè)置低溫位熱回收系統(tǒng)、中溫位熱回收系統(tǒng)及高濃度SO2煙氣轉(zhuǎn)化技術(shù)的應(yīng)用和推廣是部分銅冶煉煙氣制酸企業(yè)綜合能耗遠低于GB 29141—2012《工業(yè)硫酸單位產(chǎn)品能源消耗限額》中先進值的根本原因。

3）從節(jié)能角度判斷，低溫位熱回收裝置及高濃度SO2煙氣轉(zhuǎn)化技術(shù)值得推廣。