熔煉主廠房環(huán)集煙氣再利用應(yīng)用實踐

熊柳，袁劍平

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330038）

SO2是銅冶煉過程中產(chǎn)生的主要大氣污染物之一。在銅冶煉生產(chǎn)過程中，SO2會隨著熔體倒出爐體時逸散到空氣中。這些冶煉煙氣雜質(zhì)超標、排量龐大，不僅會危害工人的身體健康，還會腐蝕周圍建筑物，對周邊環(huán)境的危害很大。根據(jù)國家環(huán)保要求，冶煉煙氣不能直接排放，須對其進行集中收集處理后達標排放[1-2]。

傳統(tǒng)的SO2煙氣處理方法是將這些煙氣通過環(huán)集系統(tǒng)收集后再送入脫硫系統(tǒng)處理，脫硫技術(shù)主要分為干法脫硫與濕法脫硫兩大類。其中，干法脫硫是指利用活性炭物理吸附或是使廢氣與固體反應(yīng)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而消耗廢氣中的SO2；濕法脫硫是指將含硫廢氣通入堿性溶液，促使發(fā)生酸堿中和反應(yīng)而去除廢氣中的SO2[3]。干法脫硫工藝相對較為簡單，原料來源廣泛，但脫硫效率較低，脫硫后廢氣中的石灰粉末會增加除塵設(shè)備的負荷。濕法脫硫的效率一般可達95%左右，但經(jīng)濕法脫硫后的廢氣濕潤冷卻后，在一定的條件下易產(chǎn)生白煙。盡管白煙的擴散能力相對較低，但依舊可能再次引起污染。此外，還有高煙囪排氣法，即通過提高排氣位置的高度，使有害氣體排入遠離地面的大氣層中，利用自然條件使污染在大氣中彌散、稀釋，從而達到改善鄰近地區(qū)大氣環(huán)境的目的。但這是一種治標不治本的方法，修建高煙囪所帶來的額外建筑成本也不容忽視[4]。由此可見，無論是干法脫硫、濕法脫硫，還是修建高煙囪排氣，都勢必會給企業(yè)帶來大量額外的原料成本與工藝成本，并且由于處理效果不穩(wěn)定，也難以徹底解決廢氣帶來的危害。如何在實現(xiàn)高效脫硫減害的同時，控制額外的成本增加，開發(fā)出新型、低成本、高效的廢氣處理手段成為冶煉廠亟待解決的難題[5-11]。

為了解決上述問題，本次研究基于熔煉爐與吹煉爐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，在充分發(fā)揮廢氣二次價值的同時，減少設(shè)備成本以及運行成本，以期為煉銅工藝的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 環(huán)集煙氣再利用方案思路

1.1 熔煉爐環(huán)集煙氣處理

在熔煉爐作業(yè)過程中，當熔煉渣液面達到一定高度后，需將其排出爐內(nèi)。熔煉爐本體上設(shè)置有熔煉渣口、冰銅虹吸口、一次風(fēng)口、二次風(fēng)口、煙道口及加料口等（圖1），排出的熔煉渣經(jīng)布置于渣口下的溜槽進入渣包內(nèi)，排出的冰銅經(jīng)布置于虹吸口下的溜槽進入吹煉爐。在冰銅和熔煉渣排放過程中，熔煉爐的虹吸口、吹煉爐冰銅加入口、渣口及渣包上方將產(chǎn)生大量煙氣。為此，本次試驗在這4處上方設(shè)置環(huán)集煙罩，環(huán)集煙罩與熔煉環(huán)集風(fēng)機通過管道連接，可有效地將煙氣吸入煙罩內(nèi)，再由管道進入風(fēng)機。風(fēng)機出口與熔煉爐二次風(fēng)口通過管道連接，最后將煙氣送入熔煉爐內(nèi)以作二次風(fēng)使用。熔煉爐環(huán)集煙氣處理系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖1 熔煉爐外形示意

圖2 熔煉爐環(huán)集煙氣處理系統(tǒng)工作原理

1.2 吹煉爐環(huán)集煙氣處理

在吹煉爐作業(yè)過程中，當吹煉渣液面達到一定高度后，需將其排出爐內(nèi)。吹煉爐本體上設(shè)置有吹煉渣口、粗銅虹吸口、冰銅加料口、殘極加料口、噴槍口和冷料加料口等（圖3），排出的吹煉渣經(jīng)布置于渣口下的溜槽進入風(fēng)淬系統(tǒng)，排出的粗銅經(jīng)布置于虹吸口下的溜槽進入陽極爐。在粗銅、吹煉渣排放的過程中，虹吸口、渣口將產(chǎn)生大量煙氣；粗銅加入陽極爐時，在陽極爐進料口處也將會逸散出含硫煙氣。除此之外，吹煉爐爐頂設(shè)置有殘極加料口及冷料加料口，這些位置在加料過程中同樣會逸散出含硫煙氣。為此，本試驗在渣口、虹吸口、殘極加料口、冷料加料口及陽極爐粗銅加料口上方均設(shè)置了環(huán)集煙罩，通過將環(huán)集煙罩與吹煉環(huán)集風(fēng)機通過管道相連，可有效地將煙氣吸入煙罩內(nèi)，再由管道進入風(fēng)機。隨后，煙氣將由風(fēng)機出口與陽極爐煙罩之間的連接，最終被送入陽極爐煙罩內(nèi)作稀釋風(fēng)用。吹煉爐環(huán)集煙氣系統(tǒng)工作原理如圖4所示。

圖3 吹煉爐外形示意

圖4 吹煉爐環(huán)集煙氣系統(tǒng)工作原理

2 方案比較

本研究所采用的環(huán)集煙氣再利用處理方式其主要特點是將煙氣分別送入熔煉爐及陽極爐煙罩。與將煙氣收集后直接送入后續(xù)脫硫系統(tǒng)的傳統(tǒng)處理方式相比較，不需要設(shè)置二次風(fēng)機以及稀釋風(fēng)機，這將大幅減少相關(guān)的成本費用。兩種方法對比如表1所示。

表1 傳統(tǒng)處理方式與應(yīng)用實踐處理方式對比

3 工程實例

上述環(huán)集煙氣再利用方案思路，在廣西南國銅業(yè)有限責(zé)任公司150 kt/a銅冶煉工程項目上進行了應(yīng)用。該項目工藝流程為側(cè)吹熔煉→頂吹吹煉→陽極爐精煉→圓盤澆鑄，詳見圖5。

圖5 煉銅工藝流程

3.1 側(cè)吹爐環(huán)集煙氣系統(tǒng)設(shè)置

側(cè)吹爐一側(cè)端部渣室設(shè)置2個渣口，在每個渣口上方設(shè)置1個放渣口—環(huán)集煙罩，如圖6所示。該環(huán)集煙罩可將整個渣口覆蓋，上方設(shè)置出煙口，通過管道與環(huán)集總管連接。

圖6 放銅放渣口—環(huán)集煙罩外形

每個渣口外接渣溜槽將熔煉渣引至渣包上方，渣溜槽末端設(shè)置翻轉(zhuǎn)溜槽，翻轉(zhuǎn)溜槽兩端各對應(yīng)1個12 m3的渣包，每個渣包正上方設(shè)置1個φ3 600 mm的熔煉渣包—環(huán)集煙罩，如圖7所示。熔煉渣包—環(huán)集煙罩與渣包上沿的間隙僅為50~100 mm，每個環(huán)集煙罩上部設(shè)置出煙口，再通過管道連接至環(huán)集總管。

圖7 熔煉渣包—環(huán)集煙罩外形

側(cè)吹爐另一側(cè)端部設(shè)置排銅虹吸口，在其上方設(shè)置放渣口—環(huán)集煙罩，將整個虹吸口覆蓋，上方設(shè)置出煙口，通過管道與環(huán)集總管連接。

環(huán)集總管連接至側(cè)吹爐環(huán)集風(fēng)機，通過風(fēng)機使各個煙罩內(nèi)形成負壓，從而將逸散出來的含硫煙氣吸入環(huán)集煙罩內(nèi)。在側(cè)吹爐的煙氣區(qū)爐墻兩側(cè)總共設(shè)置了56個二次風(fēng)口，每個風(fēng)口通過管道與側(cè)吹爐兩側(cè)的總管連接，總管又與側(cè)吹爐的環(huán)集風(fēng)機出口連接，從而將環(huán)集煙氣送入側(cè)吹爐煙氣區(qū)。這種設(shè)置有效地解決了側(cè)吹爐各個逸散點處的環(huán)集情況，同時充分利用了環(huán)集煙氣。將這些環(huán)集煙氣送入側(cè)吹爐內(nèi)，使其中未完全反應(yīng)的單質(zhì)硫等雜質(zhì)燃燒，減輕了后續(xù)脫硫工序的負荷。

3.2 頂吹吹煉爐環(huán)集煙氣系統(tǒng)設(shè)置

頂吹吹煉爐冰銅入口上方設(shè)置冰銅加料口—環(huán)集煙罩，將整個冰銅入口覆蓋，煙罩上方設(shè)置出煙口，通過管道與環(huán)集總管連接。

在頂吹吹煉爐側(cè)墻設(shè)置溢流型排渣口，其上方設(shè)置放渣口—環(huán)集煙罩，將整個排渣口覆蓋，環(huán)集煙罩上方設(shè)置出煙口，通過管道與環(huán)集總管連接。

在頂吹吹煉爐末端側(cè)墻處分別設(shè)置2個虹吸排銅口和1個溢流型底排口，在每個放銅口上方各設(shè)置1個放銅口—環(huán)集煙罩，將整個虹吸口及底排口覆蓋，煙罩上方設(shè)置出煙口，通過管道與環(huán)集總管連接。

在頂吹吹煉爐頂部分別設(shè)置殘極加料口1個、冷料加入口1個，每個加料口上方都設(shè)置環(huán)集煙罩，分別將整個殘極加料口及冷料加入口覆蓋，煙罩上方設(shè)置出煙口，通過管道與環(huán)集總管連接。

環(huán)集總管連接至頂吹吹煉爐環(huán)集風(fēng)機，通過風(fēng)機使各個煙罩內(nèi)形成負壓，從而將逸散出來的含硫煙氣吸入環(huán)集煙罩內(nèi)。在陽極爐煙罩的側(cè)面分別設(shè)置2個DN500的稀釋風(fēng)口，再通過管道與頂吹吹煉爐環(huán)集風(fēng)機相連，即可將環(huán)集煙氣送入陽極爐煙罩內(nèi)，鼓入的環(huán)集風(fēng)可以將陽極爐出口的高溫?zé)煔庥? 250℃稀釋至350~650℃，滿足后續(xù)設(shè)備選型要求。

4 應(yīng)用效果

廣西南國銅業(yè)有限責(zé)任公司150 kt/a銅冶煉工程項目采用本工藝之后，在建設(shè)投資、能耗及運行成本上效果顯著。熔煉爐環(huán)集風(fēng)做二次風(fēng)回用可為后續(xù)環(huán)集脫硫減輕27 000 m3/h風(fēng)量的負荷，吹煉爐環(huán)集風(fēng)做陽極爐稀釋風(fēng)可為后續(xù)環(huán)集脫硫減輕23 000 m3/h風(fēng)量的負荷。目前，該項目脫硫風(fēng)機風(fēng)量為300 000 m3/h，總的環(huán)集風(fēng)回用可減輕風(fēng)機負荷的16.7%。由于脫硫系統(tǒng)的負荷減少，脫硫系統(tǒng)方面的投資可節(jié)約800萬元，每小時電耗可減少300 kWh；由于環(huán)集風(fēng)作回用，減少了2臺二次風(fēng)機和2臺稀釋風(fēng)機，可節(jié)約投資400萬元，每小時可減少400 kWh?？偣?jié)約投資1 200萬元，年耗電量減少5.544×106kWh，折合標煤680 tce。

5 結(jié)語

在節(jié)能和環(huán)保形勢日益嚴峻的形勢下，銅冶煉環(huán)集煙氣回收再利用技術(shù)亟需進一步發(fā)展，銅冶煉行業(yè)也需要逐漸向低碳環(huán)保的方向靠攏，積極推動低碳冶金工程的技術(shù)發(fā)展，明確冶金工程項目節(jié)能減排的要求，在全世界范圍內(nèi)資源持續(xù)減少的大背景下努力達到國家相關(guān)環(huán)保目標，滿足國家與社會的環(huán)保需求。本次研究通過優(yōu)化工藝設(shè)計，實現(xiàn)了銅冶煉工藝過程中產(chǎn)生的環(huán)集煙氣的回收再利用，充分利用環(huán)集煙氣，節(jié)約能源，降低了能耗，實現(xiàn)了變廢為寶，為推進冶金行業(yè)節(jié)能減排和資源化利用提供了借鑒。