基于數(shù)據(jù)分析的有色金屬冶煉多種煙氣脫硫技術(shù)對(duì)比

王立娜

(內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古赤峰 024005)

數(shù)據(jù)分析在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛,基于數(shù)據(jù)分析,更能客觀、全面、系統(tǒng)地加深對(duì)行業(yè)的理解。隨著國家對(duì)環(huán)保治理力度的不斷加大和大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的提高,冶煉煙氣二氧化硫達(dá)標(biāo)排放已成為環(huán)保監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)項(xiàng)目,有色金屬煙氣脫硫技術(shù)是有色金屬火法冶煉中必不可少的環(huán)保處理工序。本文從數(shù)據(jù)分析的角度對(duì)有色金屬冶煉煙氣脫硫技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,希望對(duì)煙氣脫硫技術(shù)的選擇和未來發(fā)展提供思路和見解。

1 有色金屬工業(yè)大氣污染物排放限值

2019年7月,生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合國家發(fā)展和改革委員會(huì)等頒布《工業(yè)爐窯大氣污染綜合治理方案》,要求進(jìn)一步降低工業(yè)行業(yè)二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等污染物排放,重點(diǎn)區(qū)域原則上按照顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放限值分別不高于30 mg/m3、200 mg/m3、300 mg/m3實(shí)施改造[1]。2020年4月生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《排污許可證申請(qǐng)與核發(fā)技術(shù)規(guī)范工業(yè)爐窯》,對(duì)大氣污染物的監(jiān)測(cè)范圍、要求、頻率等具體細(xì)節(jié)進(jìn)行明確要求,重點(diǎn)地區(qū)監(jiān)測(cè)頻次1 次/半年,一般地區(qū)監(jiān)測(cè)頻次為1 次/年[2]。

《鋁工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》《鉛、鋅工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》《銅、鎳、鈷工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》《鎂、鈦工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》《稀土工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》《釩工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》《錫、銻、汞工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》《再生銅、鋁、鉛、鋅工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》均已發(fā)布實(shí)施,對(duì)各個(gè)有色金屬工業(yè)大氣污染物均明確要求特別排放限值,具體大氣污染物排放限制要求對(duì)比見表1。

表1 不同金屬工業(yè)的大氣污染物排放限值對(duì)比 mg/m3

從表1 可以看出,各個(gè)有色金屬工業(yè)大氣污染物排放限值標(biāo)準(zhǔn)一致,顆粒物要求低于10 mg/m3,SO2含量要求低于100 mg/m3,氮氧化物(以NO2計(jì))低于100 mg/m3,比原有一般排放標(biāo)準(zhǔn)要求大幅提高。

2 各種煙氣脫硫工藝技術(shù)對(duì)比

煙氣脫硫的過程是將煙氣中的含硫物質(zhì)通過與脫硫劑(或氧化劑、吸附劑)發(fā)生反應(yīng)從而去除的過程,根據(jù)吸收劑及脫硫產(chǎn)物在脫硫過程中的狀態(tài),煙氣脫硫技術(shù)可分為濕法、干法、半干(半濕)法三種。其中,濕法煙氣脫硫技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用最為廣泛,干法脫硫因效率低、反應(yīng)慢、設(shè)備龐大,市場(chǎng)應(yīng)用次于濕法脫硫。濕法脫硫技術(shù)根據(jù)反應(yīng)機(jī)理不同分三類:一類是酸堿中和反應(yīng)脫硫,如石灰石/石膏法、氧化鋅法、氧化鎂法,常見脫硫劑有石灰石、生石灰、熟石灰、氧化鎂、碳酸鎂、碳酸鈉、液氨、氨水、碳銨等。二類是吸附再生或緩沖機(jī)理回收硫資源,采用的吸附劑有亞硫酸鈉、磷酸氫二鈉、有機(jī)胺、檸檬酸鈉等。三類是采用氧化劑直接將SO2氧化為SO3,轉(zhuǎn)化為稀硫酸,如雙氧水。濕法脫硫技術(shù)情況對(duì)比見表2[3]。

從表2 可以看出,酸堿中和類技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于工藝簡(jiǎn)單、投資和運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低,吸附再生類和直接氧化類的優(yōu)勢(shì)在于處理煙氣以后幾乎不產(chǎn)生廢渣和廢液,但運(yùn)行費(fèi)用較高,比如直接氧化類所用氧化劑多為雙氧水,雙氧水是一種強(qiáng)氧化劑,運(yùn)輸和存儲(chǔ)的要求很高,吸附再生類技術(shù)所用吸附劑檸檬酸鈉,對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重,綜合考慮設(shè)備投資、運(yùn)行成本及風(fēng)險(xiǎn),酸堿中和類技術(shù)相對(duì)更具優(yōu)勢(shì),是目前較實(shí)用的脫硫處理技術(shù)。

表2 濕法脫硫技術(shù)情況對(duì)比

3 當(dāng)前有色金屬冶煉脫硫工藝應(yīng)用情況數(shù)據(jù)對(duì)比

針對(duì)不同金屬的火法冶煉工藝,煙氣中的SO2含量差別較大,各有色金屬冶煉煙氣中SO2的大概含量見表3。

從表3 可以看出,銅冶煉過程中的環(huán)集煙氣SO2含量波動(dòng)較大,在1～10 g/m3,鉛、鋅、鉬、錫、銻、鈷等有色金屬冶煉煙氣量SO2含量在2%以下,但往往含有重金屬粉塵、砷、氟、氮氧化物等有害物質(zhì)。

表3 各有色金屬冶煉煙氣中SO2含量對(duì)比

在銅、鎳、鉛、鋅等有色金屬冶煉工藝中高濃度的SO2煙氣(7%～28%)直接回收用于制酸,低濃度的煙氣需要經(jīng)過脫硫處理才能達(dá)標(biāo)排放。各有色金屬煙氣脫硫工藝亦有較大差異[4],具體工藝和應(yīng)用情況對(duì)比分別見表4、表5。

從表4、表5 可以看出,銅、鎳冶煉環(huán)集煙氣脫硫多采用活性焦法、可再生有機(jī)胺法、石灰/石灰石-石膏法和鈉堿法,主要是由于這幾種工藝的環(huán)保投入較低,技術(shù)成熟可靠,副產(chǎn)品也利于回收利用和處置。石灰/石灰石-石膏法、雙堿法、氧化鋅法是鉛鋅冶煉煙氣脫硫工藝的主流工藝,其中氧化鋅法應(yīng)用更為廣泛,這個(gè)與鉛鋅冶煉廠的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)息息相關(guān),氧化鋅脫硫劑易得且脫硫副產(chǎn)品硫酸鋅易處理。稀貴有色金屬冶煉煙氣量大,且氣濃波動(dòng)大,采用鈉堿法、雙堿法工藝回收亞硫酸鈉或者副產(chǎn)脫硫石膏拋棄處理更穩(wěn)妥[5-6]。

表4 冶煉煙氣脫硫工藝對(duì)比

表5 各個(gè)有色金屬冶煉煙氣脫硫工藝應(yīng)用情況對(duì)比

隨著各脫硫工藝的持續(xù)應(yīng)用和排放標(biāo)準(zhǔn)的提高,設(shè)備的脫硫效果往往達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)限值,并且存在脫硫劑消耗量大、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題。不少生產(chǎn)企業(yè)結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行了技術(shù)改造,脫硫技術(shù)各具特點(diǎn)。劉皙皙等[7]提出氨法煙氣脫硫結(jié)合臭氧氧化工藝,利用鼓泡反應(yīng)催化氧化煙氣進(jìn)行脫硫,仿真實(shí)驗(yàn)表明,脫硫率能夠穩(wěn)定達(dá)到99%以上。某銻冶煉廠對(duì)3 臺(tái)煙氣脫硫塔進(jìn)行改造,通過將塔內(nèi)循環(huán)池移至塔外、增加攪拌及曝氣裝置、在石灰乳噴淋管的下方增設(shè)分液裝置、循環(huán)池內(nèi)增設(shè)通氣管等改造措施穩(wěn)定脫硫效果,脫硫劑單耗下降40%以上,二氧化硫排放指標(biāo)穩(wěn)定[8]。武育剛等[9]采用石灰法脫硫+濕法除霧技術(shù)對(duì)某國有大型“底吹爐-側(cè)吹還原爐-煙化爐”的“三聯(lián)爐”鉛鋅聯(lián)合冶煉工藝煙氣進(jìn)行脫硫,處理后尾氣各項(xiàng)指標(biāo)滿足環(huán)保要求,排放氣體中SO2含量＜50 mg/m3。某錫廠采用石灰石-石膏煙氣脫硫系統(tǒng)處理反射爐、電爐、回轉(zhuǎn)窯及煙化爐的含硫煙氣,采用氣動(dòng)乳化脫硫系統(tǒng)對(duì)原煙氣脫硫系統(tǒng)噴淋塔進(jìn)行改造,將廠區(qū)含硫煙氣分兩部分進(jìn)行處理,解決了煙化爐煙氣難以脫硫的難題,節(jié)省投資的同時(shí)提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性,運(yùn)行后排放煙氣SO2含量≤200 mg/m3,未來指標(biāo)還可進(jìn)一步優(yōu)化[10]。

當(dāng)前研究開發(fā)的脫硫脫硝技術(shù)大體分為兩類:一類是分步脫除,主要針對(duì)在已有的脫硫設(shè)備上再增加一套脫硝設(shè)備,這種設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜、投資運(yùn)行費(fèi)用高、占地面積大;另一類是一體化脫除,該類工藝脫硫脫硝過程在同一個(gè)設(shè)備進(jìn)行,工業(yè)化應(yīng)用尚未成熟,存在NOX的處理不穩(wěn)定及其他雜質(zhì)物質(zhì)仍需處理等問題。目前,國家鼓勵(lì)發(fā)展一體化的環(huán)境保護(hù)技術(shù)[11],此類技術(shù)已經(jīng)成為煙氣凈化的發(fā)展趨勢(shì)。

4 某廠煙氣脫硫工藝比選例

某廠銅冶煉項(xiàng)目采用“閃速熔煉+PS 轉(zhuǎn)爐吹煉+陽極爐精煉+電解”工藝生產(chǎn)陰極銅。整個(gè)冶煉過程中的煙氣主要包括制酸煙氣和環(huán)境集煙煙氣。該廠擬選兩種方案處理環(huán)境集煙煙氣和制酸陽極爐煙氣:方案一采用MgO 法和石灰石-石膏法對(duì)兩處煙氣分別處理;方案二采取活性焦干法對(duì)兩處煙氣進(jìn)行脫硫。兩種方案的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見表6[11]。

從表6 可以看出,在不考慮投資費(fèi)用的情況下,計(jì)算并對(duì)比設(shè)備年運(yùn)行費(fèi)用:方案一年運(yùn)行費(fèi)用405.7 萬元(環(huán)境集煙煙氣和制酸煙氣合計(jì),并折算副產(chǎn)品收益以后),方案二年運(yùn)行費(fèi)用165 萬元(折算副產(chǎn)品收益后)。對(duì)比計(jì)算結(jié)果,采用方案二可比方案一節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用240.7 萬元,最后選用活性焦干法脫硫。

表6 某廠脫硫工藝綜合對(duì)比

5 總結(jié)

1)各種煙氣脫硫技術(shù)均存在優(yōu)勢(shì)和缺陷,很難找到一種完美的脫硫技術(shù)。

2)各種脫硫工藝各有千秋,有不同的適用環(huán)境。有色冶煉煙氣處理應(yīng)本著保護(hù)環(huán)境、綜合利用的原則,結(jié)合煙氣特點(diǎn)及周邊環(huán)境來選擇合適的脫硫工藝。

3)煙氣脫硫工藝技術(shù)的選擇需綜合考慮設(shè)備的投資費(fèi)用、設(shè)施占地、脫硫劑的費(fèi)用和供給穩(wěn)定性、副產(chǎn)品處置和收益等,計(jì)算技術(shù)成本和運(yùn)營成本,應(yīng)選用性價(jià)比最為合適的脫硫工藝。