轉(zhuǎn)爐SO2產(chǎn)生量的波動性分析及在制酸系統(tǒng)設(shè)計中的實踐

丁治元，劉振宇

（浙江江銅富冶和鼎銅業(yè)有限公司，浙江杭州310000）

對于帶轉(zhuǎn)爐的銅冶煉生產(chǎn)系統(tǒng)，由于轉(zhuǎn)爐的周期性作業(yè)、溶劑與冷料的添加，以及轉(zhuǎn)爐送風(fēng)量及送風(fēng)含氧量的調(diào)節(jié)，使得轉(zhuǎn)爐SO2的產(chǎn)生量存在較大的波動。冶煉系統(tǒng)設(shè)計時，對于轉(zhuǎn)爐各作業(yè)期內(nèi)SO2的產(chǎn)生量，僅以各作業(yè)期內(nèi)SO2釋放總量除以作業(yè)期時長進行計算，以此計算出的轉(zhuǎn)爐各期SO2釋放量和SO2濃度基本為定值，其反映的是轉(zhuǎn)爐各作業(yè)期內(nèi)的平均SO2釋放情況，無法反應(yīng)轉(zhuǎn)爐SO2產(chǎn)生量的波動及最大SO2產(chǎn)生量的情況。以此數(shù)據(jù)設(shè)計出來的制酸系統(tǒng)，往往存在部分時間段實際最大SO2進入量大幅超過設(shè)計最大SO2進入量，造成進轉(zhuǎn)化工序SO2濃度過高，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)頻繁超溫等不利現(xiàn)象。

為準(zhǔn)確認(rèn)識轉(zhuǎn)爐煙氣SO2產(chǎn)生量的變化規(guī)律，提高銅冶煉煙氣制酸系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，筆者以浙江江銅富冶和鼎銅業(yè)有限公司（以下簡稱和鼎銅業(yè)）一期銅冶煉系統(tǒng)作為研究對象，分析轉(zhuǎn)爐SO2產(chǎn)生機理及變化規(guī)律，以此對設(shè)計院提供的和鼎銅業(yè)二期設(shè)計參數(shù)進行修正，確定將修正后的進制酸系統(tǒng)煙氣條件作為二期制酸系統(tǒng)的設(shè)計條件。

1 轉(zhuǎn)爐吹煉SO2產(chǎn)生量的波動性分析

1.1 轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉SO2產(chǎn)生機理

轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉的目的是把銅锍中的鐵和硫脫除，得到粗銅[1]。轉(zhuǎn)爐吹煉是周期性作業(yè)，分為造渣期（含S1期、S2期）和造銅期（B期）。

造渣期：吹煉過程中向轉(zhuǎn)爐內(nèi)鼓入空氣或富氧空氣 [一般φ（O2）為 22%～25%]，使銅锍中的硫化物氧化成為氧化物。其中FeS最先氧化成FeO，并迅速與加入的溶劑反應(yīng)造渣。反應(yīng)方程式如下：

造銅期：吹煉過程中，當(dāng)銅锍中的w（Fe）低于1%時，Cu2S開始氧化為Cu2O，并與Cu2S交互反應(yīng)生成粗銅。反應(yīng)方程式如下：

由于轉(zhuǎn)爐吹煉為周期性作業(yè)，操作過程中牽涉到銅锍的升溫、溶劑添加、冷料的添加等一系列操作，為了維持爐溫的相對穩(wěn)定，需要適時調(diào)整送風(fēng)量及送風(fēng)含氧量，因此，轉(zhuǎn)爐的SO2釋放具有一定的波動性。

1.2 轉(zhuǎn)爐吹煉SO2波動性分析

為準(zhǔn)確描述轉(zhuǎn)爐SO2產(chǎn)生的波動性，尤其是各作業(yè)期（S1期、S2期、B期）內(nèi)各時刻SO2產(chǎn)生量與平均產(chǎn)生量的關(guān)系，筆者根據(jù)對和鼎銅業(yè)一期轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)SO2產(chǎn)生量的統(tǒng)計分析，繪制出單轉(zhuǎn)爐各周期SO2產(chǎn)生量的波動性曲線?？紤]到各作業(yè)期平均SO2產(chǎn)生量可通過轉(zhuǎn)爐物料衡算得出，筆者在繪制曲線時，主要以轉(zhuǎn)爐各時刻SO2釋放量與對應(yīng)作業(yè)期中轉(zhuǎn)爐的小時平均SO2產(chǎn)生量的系數(shù)關(guān)系，來表征轉(zhuǎn)爐SO2產(chǎn)生量的波動。定義比例系數(shù)K，其代表的意義為當(dāng)前時刻轉(zhuǎn)爐SO2釋放量與對應(yīng)作業(yè)期平均SO2產(chǎn)生量的倍數(shù)關(guān)系。據(jù)此，作出轉(zhuǎn)爐各作業(yè)期SO2產(chǎn)生量的波動性曲線。

1.2.1 單轉(zhuǎn)爐S1期SO2波動曲線

S1期持續(xù)時間約0.95 h，單轉(zhuǎn)爐S1期SO2產(chǎn)生量波動曲線見圖1，不同比例系數(shù)K的時間占比情況見表1。

圖1 單轉(zhuǎn)爐S1期SO2產(chǎn)生量波動曲線

表1 不同比例系數(shù)K的時間占比情況

1.2.2 單轉(zhuǎn)爐S2期SO2波動曲線

S2期持續(xù)時間約0.78 h，單轉(zhuǎn)爐S2期SO2產(chǎn)生量波動曲線見圖2，不同比例系數(shù)K的時間占比情況見表2。

圖2 單轉(zhuǎn)爐S2期SO2產(chǎn)生量波動曲線

表2 不同比例系數(shù)K的時間占比情況

1.2.3 單轉(zhuǎn)爐B期SO2波動曲線

B期持續(xù)時間約3.6 h，單轉(zhuǎn)爐B期SO2產(chǎn)生量波動曲線見圖3，不同比例系數(shù)K的時間占比情況見表3。

圖3 單轉(zhuǎn)爐B期SO2產(chǎn)生量波動曲線

表3 不同比例系數(shù)K的時間占比情況

1.2.4 曲線的可靠性分析

由于轉(zhuǎn)爐吹煉各階段過程中，最大SO2產(chǎn)生量均遠(yuǎn)高于本階段折算小時平均SO2產(chǎn)生量，尤其以轉(zhuǎn)爐B期產(chǎn)生的SO2量最大，為進一步確認(rèn)高值SO2產(chǎn)生的可能性，筆者從轉(zhuǎn)爐SO2產(chǎn)生機理與轉(zhuǎn)爐送風(fēng)量進行可靠性分析。

在造銅期，熔體成分接近于Cu2S，反應(yīng)方程式 （3）、（4）合并得 ：

式 （5）中，消耗 1 mol O2生成 1 mol SO2，反應(yīng)消耗的氧氣量等于產(chǎn)生的SO2量。

以和鼎銅業(yè)某次轉(zhuǎn)爐B期作業(yè)為例，該次造銅期平均SO2產(chǎn)生量約為6 800 m3/h，轉(zhuǎn)爐最大送風(fēng)量為 36 300 m3/h，配風(fēng)后φ（O2）最高約為 25% 計，氧氣最大配入量為1 938 m3/h，配氧后實際入爐氧氣量為 ：36 300×0.21+1 938=9 561（m3/h）。

因此，從產(chǎn)生機理的可能性分析，該次造銅期各時刻的最大 SO2產(chǎn)生量約為 9 561 m3/h。

同時，根據(jù)單轉(zhuǎn)爐B期SO2產(chǎn)生量波動曲線，B期高硫工況下轉(zhuǎn)爐最大SO2產(chǎn)生量約為平均SO2產(chǎn)生量的 1.4 倍，即為 6 800×1.4=9 520（m3/h）。

由上述可知，根據(jù)單轉(zhuǎn)爐B期SO2波動曲線和B期平均SO2產(chǎn)生量估算得出的該B期最大SO2產(chǎn)生量，與采用理論計算方式得出的最大SO2產(chǎn)生量相差不大，因此轉(zhuǎn)爐B期最大SO2產(chǎn)生量是合理的。

2 轉(zhuǎn)爐吹煉SO2產(chǎn)生量波動曲線在二期制酸系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

在和鼎銅業(yè)二期制酸系統(tǒng)建設(shè)中，為避免設(shè)計過程中由于冶煉專業(yè)提供的煙氣條件的偏差，造成制酸系統(tǒng)設(shè)計SO2處理能力過低，進轉(zhuǎn)化器的SO2濃度無法控制，以及一段催化劑床層底部溫度超溫等情況的發(fā)生，筆者在和鼎銅業(yè)二期制酸系統(tǒng)設(shè)計時，采用轉(zhuǎn)爐SO2產(chǎn)生量波動曲線對進制酸系統(tǒng)設(shè)計煙氣條件進行了修正。

2.1 二期進制酸系統(tǒng)煙氣條件

設(shè)計院提供二期進制酸系統(tǒng)煙氣條件見表4。

表4 設(shè)計院提供二期進制酸煙氣條件

二期建成后，4臺轉(zhuǎn)爐采取3H2B操作（4臺轉(zhuǎn)爐中1臺冷備，最多2臺同時送風(fēng)），硫酸總產(chǎn)量約為 1 300 kt/a[以 w（H2SO4）100% 計 ][2]。組合后進制酸系統(tǒng)最大煙氣條件工況為：“2臺熔煉爐+S1+B”（2臺轉(zhuǎn)爐1臺處于S1期，1臺處于B期）。

2.2 進制酸系統(tǒng)煙氣條件的修正

為準(zhǔn)確測算進制酸系統(tǒng)真實的SO2變化情況，尤其是制酸系統(tǒng)的最大SO2進入量，采用轉(zhuǎn)爐SO2產(chǎn)生量波動曲線對轉(zhuǎn)爐進制酸系統(tǒng)煙氣條件修正的方式為：以設(shè)計院提供的轉(zhuǎn)爐各作業(yè)期SO2產(chǎn)生量作為該作業(yè)期轉(zhuǎn)爐平均SO2產(chǎn)生量，平均SO2產(chǎn)生量乘以對應(yīng)時間點的比例系數(shù)即為各時間點SO2產(chǎn)生量。

修正前進制酸系統(tǒng)煙氣條件（不考慮2臺轉(zhuǎn)爐同時B期作業(yè)）見表5。

表5 修正前進制酸系統(tǒng)煙氣條件

從表5可知，進制酸系統(tǒng)最大SO2量為“2臺熔煉爐+S1+B”工況下，進制酸系統(tǒng)SO2流量：13 822+13 820+5 850+7 663=41 155（m3/h）。

根據(jù)轉(zhuǎn)爐SO2產(chǎn)生量波動曲線，轉(zhuǎn)爐S1期最大比例系數(shù)Kmax約為1.25，轉(zhuǎn)爐B期最大比例系數(shù)Kmax約為1.4。轉(zhuǎn)爐S1期最大SO2產(chǎn)生量約為平均值的 1.25 倍，即 5 850×1.25=7 313 （m3/h）；轉(zhuǎn)爐B期最大SO2產(chǎn)生量約為平均值的1.4倍，即7 663×1.4=10 728 （m3/h）。修正后實際進制酸系統(tǒng)最大SO2流量見表6。

表6 修正后實際進制酸系統(tǒng)最大SO2流量

根據(jù)表6，修正后進制酸系統(tǒng)的最大SO2流量為 13 822+13 820+7 313+10 728=45 683 （m3/h）。

根據(jù)以上修正，和鼎銅業(yè)二期制酸系統(tǒng)按實際最大 SO2處理量 45 683 m3/h 進行設(shè)計。

2.3 二期制酸系統(tǒng)的運行實踐

和鼎銅業(yè)二期系統(tǒng)投運后，進制酸系統(tǒng)的SO2流量波動情況基本接近修正后的預(yù)估值，未出現(xiàn)由于無法控制而造成的轉(zhuǎn)化一段催化劑床層底部超溫、轉(zhuǎn)化器進口SO2濃度過高等異?，F(xiàn)象。相同產(chǎn)能情況下，實際進制酸系統(tǒng)最大SO2流量與修正值基本吻合。2021年10月29日進制酸系統(tǒng)最大SO2流量見表7。

表7 2021年10月29日進制酸系統(tǒng)最大SO2流量

3 結(jié)語

筆者通過對和鼎銅業(yè)一期項目運行情況進行分析，繪制出轉(zhuǎn)爐SO2產(chǎn)生量波動曲線，并將該曲線在和鼎銅業(yè)二期制酸系統(tǒng)設(shè)計中進行了應(yīng)用實踐。通過實踐，驗證了轉(zhuǎn)爐SO2產(chǎn)生量波動曲線的合理性，避免了由于設(shè)計條件偏差，設(shè)計制酸系統(tǒng)SO2處理能力小于冶煉系統(tǒng)最大SO2釋放量而造成限產(chǎn)現(xiàn)象的發(fā)生。經(jīng)測算，通過轉(zhuǎn)爐SO2產(chǎn)生量波動曲線對二期制酸系統(tǒng)設(shè)計煙氣條件的修正，將進制酸系統(tǒng)最大SO2處理量由原設(shè)計條件的41 155 m3/h，修正至45 683 m3/h，避免了后期生產(chǎn)中由于實際進制酸系統(tǒng)SO2流量大于設(shè)計進制酸系統(tǒng)最大SO2處理量時，而不得不進行的熔煉下礦量的縮減。按設(shè)計院提供的二期礦產(chǎn)粗銅300 kt/a，硫酸1 300 kt/a，熔煉爐SO2產(chǎn)生量27 642 m3/h（1#、2#熔煉爐合計），修正的SO2處理量可避免冶煉系統(tǒng)49 143 t/a的銅產(chǎn)能和212 951 t/a硫酸產(chǎn)能的損失。按陰極銅6萬元/t，硫酸300元/t計，年挽回陰極銅產(chǎn)值294 856萬元，硫酸產(chǎn)值6 389萬元。