“雙閃”銅冶煉保溫?zé)煔饷撓跫夹g(shù)方案比選

張冠華，曹龍文，魏 文

（大冶有色金屬有限責(zé)任公司，湖北黃石 435005）

大冶有色金屬有限責(zé)任公司是中國有色礦業(yè)集團(tuán)出資企業(yè)，為響應(yīng)集團(tuán)“抓資源、國際化、走高端”的戰(zhàn)略布局，加快轉(zhuǎn)型升級，擬在湖北陽新新建1套陰極銅冶煉項(xiàng)目。該項(xiàng)目采用世界先進(jìn)的“閃速熔煉+閃速吹煉”銅冶煉工藝，建設(shè)規(guī)模為陰極銅400 kt/a、硫酸1 500 kt/a，計(jì)劃于2021 年年底建成投產(chǎn)。項(xiàng)目建成后，將成為一座環(huán)境優(yōu)美、技術(shù)先進(jìn)、智能環(huán)保的現(xiàn)代化銅冶煉工廠。

閃速熔煉爐和閃速吹煉爐正常生產(chǎn)時(shí)，銅和渣排放口、加料口、溜槽、渣包等部位環(huán)集煙氣經(jīng)除塵脫硫后能實(shí)現(xiàn)煙氣達(dá)標(biāo)排放。但是，當(dāng)閃速熔煉爐和閃速吹煉爐（以下簡稱雙閃爐）由于故障或點(diǎn)檢需要處于保溫工況時(shí)，天然氣燃燒形成的保溫?zé)煔庵笑?NOx)高達(dá)2.5 g/m3且含有一定濃度的SO2。若該部分煙氣全部進(jìn)入制酸系統(tǒng)，易造成成品酸中硝酸鹽含量高，影響產(chǎn)品質(zhì)量，還會(huì)導(dǎo)致制酸裝置尾氣中NOx濃度短時(shí)間超標(biāo)；若該部分煙氣進(jìn)入環(huán)集脫硫系統(tǒng)，將導(dǎo)致環(huán)集煙氣NOx排放超標(biāo)。為此，有必要對這部分保溫?zé)煔膺M(jìn)行脫硝處理，以確保環(huán)集煙氣及制酸系統(tǒng)尾氣達(dá)標(biāo)排放，同時(shí)適應(yīng)遠(yuǎn)期超低排放的要求，真正建成綠色、高效、環(huán)保的現(xiàn)代化銅冶煉工廠。

1 保溫?zé)煔獾臈l件與特點(diǎn)

根據(jù)生產(chǎn)狀態(tài)，雙閃爐保溫工況分為故障保溫和正常保溫，共有鍋爐前故障保溫、鍋爐后故障保溫及正常點(diǎn)檢保溫（電收塵后）3 種煙氣路線。結(jié)合同行業(yè)的生產(chǎn)調(diào)研情況，對雙閃爐保溫?zé)煔膺M(jìn)行計(jì)算分析，保溫?zé)煔饩哂幸韵绿攸c(diǎn)：

1）鍋爐前故障保溫時(shí)，經(jīng)過噴霧冷卻后，閃速熔煉爐和閃速吹煉爐最大煙氣量分別為40 000 m3/h 和31 000 m3/h，溫度350 ℃，ρ(NOx)為2 000 mg/m3，含塵(ρ)100 mg/m3。

2）鍋爐后故障保溫時(shí)，2 臺(tái)閃速爐在保溫開始后30～50 min，保溫?zé)煔庵笑?SO2)從40%遞減至0.05%，ρ(NOx)在2.0～2.5 g/m3，溫度由360 ℃降至270 ℃，含塵(ρ)1.5 g/m3，期間閃速熔煉爐煙氣量為27 000 m3/h，閃速吹煉爐煙氣量為20 000 m3/h。

3）正常點(diǎn)檢保溫（電收塵后）每周1 次，時(shí)長約4 h，2 臺(tái)閃速爐煙氣條件變化同鍋爐后故障保溫時(shí)一樣，但保溫?zé)煔庵泻瑝m(ρ)會(huì)逐步降至50 mg/m3。

4）2 臺(tái)閃速爐同時(shí)發(fā)生故障停爐的概率極低，最大煙氣量為閃速熔煉爐保溫?zé)煔饬俊?/p>

2 煙氣脫硝技術(shù)

2.1 技術(shù)介紹

2.1.1 選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術(shù)

SNCR 脫硝技術(shù)是在沒有催化劑存在的條件下，利用還原劑將煙氣中的氮氧化物（主要是NO和NO2）還原為無害的氮?dú)夂退囊环N脫硝方法。該方法將含NH3的還原劑噴入爐膛溫度為800～1 000 ℃的區(qū)域，還原劑在高溫下迅速熱分解成NH3，并與煙氣中的NOx進(jìn)行氧化還原反應(yīng)生成N2和水。

2.1.2 選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術(shù)

SCR 脫硝技術(shù)是指在O2和非均相催化劑存在條件下，利用還原劑NH3將煙氣中的氮氧化物（主要是NO 和NO2）還原為無害的氮?dú)夂退?，從而脫除煙氣中氮氧化物的技術(shù)[1]。向溫度280～420 ℃的煙氣中噴入液氨，NH3與煙氣均勻混合后通過填充1～3 層催化劑（V2O5-TiO2）的反應(yīng)器，NOx與NH3在反應(yīng)器中發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成N2和H2O。SCR 脫硝工藝的脫硝效率和工藝成熟度高，催化劑的選取是關(guān)鍵，要求催化劑活性高、壽命長、經(jīng)濟(jì)性好。

2.1.3 氧化法脫硝技術(shù)

氧化法脫硝技術(shù)是通過在堿液吸收塔前噴入強(qiáng)氧化劑，將不易吸收的NO 氧化為容易被堿液吸收的N2O3或N2O5，而后在吸收塔內(nèi)將氮氧化物除去。氧化法可用的氧化劑有臭氧、Fenton 溶液等，其中臭氧法最為成熟、應(yīng)用范圍最廣。

2.2 技術(shù)比較

現(xiàn)就以上3 種脫硝工藝分別從反應(yīng)溫度、脫硝效率、運(yùn)行消耗、投資等方面進(jìn)行比較，具體見表1。

表1 脫硝技術(shù)比較

由表1 可見：SNCR 技術(shù)對反應(yīng)溫度的要求最高，單級脫硝效率低，不適合單獨(dú)處理高濃度NOx煙氣；SCR 技術(shù)和臭氧氧化技術(shù)反應(yīng)溫度較低，適合不同濃度的NOx煙氣處理。雙閃爐保溫工況下，煙氣中氮氧化物濃度較高，單獨(dú)采用SNCR 脫硝工藝其脫硝效率過低，處理后的煙氣難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，另外冶煉系統(tǒng)沒有適合該工藝穩(wěn)定的溫度區(qū)間，SNCR 脫硝技術(shù)用于處理保溫?zé)煔饨?jīng)濟(jì)適用性不強(qiáng)。

3 保溫?zé)煔獾拿撓豕に嚺渲梅桨?/h2>

根據(jù)保溫?zé)煔獾臈l件與特點(diǎn)，結(jié)合SCR 和臭氧脫硝工藝的反應(yīng)溫度區(qū)間，保溫?zé)煔饷撓蹩紤]采用2 種工藝配置方案：①采用SCR 脫硝技術(shù)，將SCR 脫硝裝置設(shè)于電收塵器后部；②采用臭氧氧化脫硝技術(shù)，脫硝裝置設(shè)于制酸裝置尾氣脫硫塔之后。

3.1 SCR脫硝裝置

3.1.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與性能要求

SCR 脫硝裝置設(shè)置于電收塵器后部，僅處理單臺(tái)閃速爐保溫?zé)煔?，以煙氣量相對較大的閃速熔煉爐保溫?zé)煔獾膮?shù)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)煙氣量為27 000 m3/h，φ(SO2)為0.05%，ρ(NOx)在2.0～2.5 g/m3，脫硝后ρ(NOx)≤50 mg/m3。

3.1.2 SCR脫硝工藝流程

從電收塵器出來的煙氣溫度為230～270 ℃，經(jīng)加熱爐升溫至320 ℃進(jìn)入脫硝反應(yīng)器。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的氨水作為氨源，氨水蒸發(fā)出的NH3與稀釋風(fēng)混合后進(jìn)入脫硝反應(yīng)器，在催化劑的作用下與煙氣中的NO 發(fā)生催化氧化還原反應(yīng)，將NOx還原成N2和H2O，工藝流程見圖1。

圖1 SCR脫硝工藝流程圖

潔凈空氣由稀釋風(fēng)機(jī)送入換熱器經(jīng)換熱升溫后，進(jìn)入氨水蒸發(fā)器。質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的氨水通過壓縮空氣霧化噴入氨水蒸發(fā)器，形成φ(NH3)小于5%的含氨空氣進(jìn)入脫硝反應(yīng)器入口煙道，在靜態(tài)混合器的擾動(dòng)下氨氣與煙氣充分混合，再經(jīng)整流器整流后進(jìn)入脫硝反應(yīng)器，NH3與煙氣中的NOx在催化劑表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，處理后的煙氣進(jìn)入環(huán)集脫硫系統(tǒng)。

3.1.3 SCR脫硝裝置主要設(shè)備

SCR 脫硝裝置主要設(shè)備的規(guī)格參數(shù)見表2。

表2 SCR脫硝裝置主要設(shè)備

3.1.4 SCR脫硝裝置主要技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

SCR 脫硝裝置主要技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表3。

表3 SCR脫硝裝置主要技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

3.2 臭氧脫硝裝置

3.2.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與性能要求

臭氧脫硝裝置設(shè)置于制酸裝置尾氣脫硫塔后部，參考同行業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，臭氧脫硝裝置的設(shè)計(jì)滿足2 臺(tái)閃速爐同時(shí)保溫的情況。

當(dāng)1 臺(tái)閃速爐故障保溫時(shí)，另外1 臺(tái)閃速爐煙氣正常進(jìn)入制酸系統(tǒng)，故障閃速熔煉爐的保溫?zé)煔鉃?7 000 m3/h，單系列硫酸尾氣量111 680 m3/h，故障閃速爐的保溫?zé)煔夂蛦翁琢蛩嵛矚饣旌蠒r(shí)煙氣量約138 680 m3/h，煙氣ρ(NOx)為540 mg/m3，煙氣溫度為102 ℃。臭氧脫硝裝置設(shè)計(jì)煙氣脫硝后ρ(NOx)≤50 mg/m3，需設(shè)置2 套臭氧發(fā)生量為65 kg/h 的臭氧發(fā)生裝置。

當(dāng)2 臺(tái)閃速爐同時(shí)故障保溫時(shí)，煙氣量為47 000 m3/h，ρ(NOx)在2.0～2.5 g/m3，溫度250～290℃，通過兌入90 000 m3/h的空氣降低溫度至臭氧脫硝允許范圍內(nèi)。兌風(fēng)后煙氣量為137 000 m3/h，ρ(NOx)為686～858 mg/m3，溫度為100 ℃。通過臭氧脫硝使脫硝后煙氣ρ(NOx)≤50 mg/m3，需設(shè)置3套臭氧發(fā)生量為65 kg/h的臭氧發(fā)生裝置。

3.2.2 臭氧脫硝工藝流程

臭氧脫硝工藝流程見圖2。

圖2 臭氧脫硝工藝流程

氧氣經(jīng)臭氧發(fā)生器分解聚合為臭氧，進(jìn)入在堿洗塔入口煙管布置的專用管式反應(yīng)器，氧化煙氣中的氮氧化物，大部分的NO 被快速氧化成 NO2和N2O5。經(jīng)氧化后的煙氣進(jìn)入填料塔形式的堿洗塔，煙氣中的NO2、N2O5被自下而上噴淋的NaOH 溶液吸收脫除后，煙氣送入電除霧器除霧后通過煙囪排放，反應(yīng)生成的含NaNO3、Na2SO3、NaHSO3廢液送去廠區(qū)廢水處理站處理。堿洗塔堿液由堿液制備槽通過堿液添加泵供應(yīng)。

3.2.3 臭氧脫硝裝置主要設(shè)備

臭氧脫硝裝置主要設(shè)備規(guī)格參數(shù)見表4。

表4 臭氧脫硝裝置主要設(shè)備

3.2.4 主要技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

臭氧脫硝裝置的主要技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表5。

表5 臭氧脫硝裝置主要技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

3.3 SCR和臭氧脫硝工藝配置方案對比

3.3.1 投資估算

從設(shè)備采購、設(shè)備安裝及土建施工等方面估算，SCR 脫硝裝置約950 萬元，臭氧脫硝裝置約1 300萬元，臭氧脫硝裝置投資高于SCR 脫硝裝置。

3.3.2 運(yùn)行費(fèi)用

運(yùn)行時(shí)間按408 h、氧氣按0.22 元/m3、電價(jià)按0.6 元/kWh、氫氧化鈉按3 000 元/t、氨水按1 000 元/t、SCR 催化劑按30 000 元/m3計(jì)，催化劑每3 年更換1 次、廢液處置費(fèi)100 元/t 測算，SCR脫硝裝置運(yùn)行費(fèi)用為50.64 萬元/a，臭氧脫硝裝置運(yùn)行費(fèi)用為62.78 萬元/a，臭氧脫硝裝置運(yùn)行費(fèi)用稍高于 SCR 脫硝裝置，但由于全年運(yùn)行時(shí)間較短，差距不大。

3.3.3 操作靈活性

SCR 技術(shù)要求反應(yīng)溫度在320 ℃以上，需要對煙氣進(jìn)行補(bǔ)熱，操作略復(fù)雜；另外煙氣中含有的重金屬易使催化劑中毒，縮短催化劑的使用壽命。而臭氧脫硝生成的含鹽廢液需要處理，但相比而言，其操作更加簡單、安全，且能處理故障發(fā)生時(shí)的保溫?zé)煔狻?/p>

3.3.4 遠(yuǎn)期適應(yīng)性

從目前同行業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐情況看，極少情況下會(huì)發(fā)生2 臺(tái)閃速爐同時(shí)故障需要保溫。如果2臺(tái)閃速爐同時(shí)故障，對于SCR 方案，需要新建1套脫硝系統(tǒng)來處理保溫?zé)煔?，而對于臭氧方案，則不需要考慮煙氣量的變化，僅需要增加1 套臭氧發(fā)生裝置來提高臭氧機(jī)組的處理能力，裝置改造難度小，投資費(fèi)用比SCR 方案要少。另外，考慮到目前制酸裝置尾氣脫硫后的煙氣ρ(NOx)一般在50～70 mg/m3，為了適應(yīng)遠(yuǎn)期更嚴(yán)格的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管力度，在雙閃爐保溫?zé)煔馀c單系列制酸尾氣混合后設(shè)置臭氧工藝的方案，更利于兼顧多種煙氣的脫硝處理、削減污染物排放總量和適應(yīng)更低的排放要求。

綜合考慮，該項(xiàng)目采用臭氧脫硝技術(shù)處理銅冶煉雙閃爐保溫?zé)煔飧鼮楹线m。

4 結(jié)語

近年來，隨著氣體排放標(biāo)準(zhǔn)的日益提高，各銅冶煉企業(yè)愈加重視煙氣的脫硝治理工作。400 kt/a高純陰極銅清潔生產(chǎn)項(xiàng)目從設(shè)計(jì)之初，經(jīng)多方交流、調(diào)研，對不同脫硝工藝及方案進(jìn)行充分的分析論證，選擇最適宜的脫硝方案，確保項(xiàng)目建成后煙氣達(dá)標(biāo)排放，并能夠適應(yīng)未來超低排放的要求，打造出綠色、高效、環(huán)保的現(xiàn)代化銅冶煉工廠。