富氧側(cè)吹熔煉煙氣干法收砷工藝技術(shù)難點研究

張俊峰 于明飛

(1.山東恒邦冶煉股份有限公司， 山東 煙臺 264109； 2.中南大學(xué)， 湖南 長沙 410083)

0 前言

2018年，山東恒邦冶煉股份有限公司(以下簡稱“恒邦”)側(cè)吹爐系統(tǒng)投入生產(chǎn)，經(jīng)過兩年多的生產(chǎn)摸索以及擴能改造后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。富氧側(cè)吹熔煉煙氣干法收砷技術(shù)取得突破，不僅減輕后續(xù)煙氣制酸凈化工序的工作壓力，改善員工的工作環(huán)境，更大幅度地提升了系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。本文針對恒邦富氧側(cè)吹熔煉煙氣干法收砷技術(shù)研究做了相關(guān)介紹。

1 側(cè)吹熔煉干法收砷效果影響因素分析及解決方案

冶煉煙氣干法收砷的原理是利用氣態(tài)As2O3快速冷卻凝華得到固態(tài)As2O3。干法收砷過程中存在兩類問題：一是As2O3生成玻璃砷，堵塞管道，難以清理；二是煙氣露點高，對設(shè)備造成露點腐蝕，酸霧與煙塵結(jié)合粘結(jié)收塵布袋[1]。As2O3在高溫?zé)煔庵幸詺鈶B(tài)形式存在，在溫度175～250 ℃內(nèi)易產(chǎn)生玻璃砷，因此為了防止玻璃砷的生成，高溫?zé)煔鈶?yīng)在降溫過程中迅速降溫至175 ℃以下。煙氣露點的高低受煙氣中三氧化硫濃度的影響較大，三氧化硫濃度與煙氣中氧氣濃度有關(guān)，因此應(yīng)嚴(yán)格控制煙氣中氧氣的含量[2-3]。

1.1 控制煙氣中三氧化硫含量

與富氧底吹熔煉煙氣干法收砷[4]相似，煙氣中三氧化硫含量是影響側(cè)吹熔煉煙氣干法收砷的重要因素之一，決定了驟冷吸收劑的選擇及濃度。郭學(xué)益等[5]對二氧化硫與氧氣生成三氧化硫的反應(yīng)進行了研究，發(fā)現(xiàn)在溫度400 ℃左右時，該反應(yīng)的吉布斯自由能小于0，說明在較低溫度條件下二氧化硫與氧氣能自發(fā)反應(yīng)生成三氧化硫。陳濤等[1]對富氧底吹熔煉煙氣干法收砷工藝進行研究，發(fā)現(xiàn)如果冶煉煙氣中三氧化硫含量過高，煙氣露點溫度會高于干法收砷的溫度(<175 ℃)，若在此條件下進行干法收砷，驟冷塔底部容易出現(xiàn)大量酸性泥漿，導(dǎo)致布袋收砷器粘結(jié)，系統(tǒng)阻力升高，需停車檢修。因此，如何降低煙氣中三氧化硫的含量，進而降低煙氣露點溫度是實現(xiàn)富氧側(cè)吹熔煉冶煉煙氣干法收砷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

富氧側(cè)吹爐電收塵器出口煙氣成分見表1。

表1 富氧側(cè)吹爐電收塵器出口煙氣成分分析

由于二氧化硫與氧氣在400 ℃以下時可自發(fā)反應(yīng)生成三氧化硫，而側(cè)吹爐原料主要是含砷的復(fù)雜金銅精礦，含硫量較高，導(dǎo)致熔煉煙氣中二氧化硫含量較高，因此只能通過降低煙氣中氧氣的含量來抑制三氧化硫的產(chǎn)生。而側(cè)吹爐開車時，為了使物料充分反應(yīng)，需要在爐頂補加二次風(fēng)，導(dǎo)致煙氣中氧含量較高。

為了保證富氧側(cè)吹熔煉煙氣干法收砷系統(tǒng)正常開車，降低煙氣中三氧化硫的含量，經(jīng)過理論計算并結(jié)合同行業(yè)相關(guān)生產(chǎn)實踐，采取了停用二次風(fēng)機，更換為小負荷通風(fēng)機，在環(huán)保煙氣管路中引出少量環(huán)保煙氣作為二次風(fēng)使用的措施。二次風(fēng)量與三氧化硫含量的關(guān)系如圖1所示。

圖1 二次風(fēng)量與三氧化硫含量的關(guān)系

該措施不僅節(jié)省了電能，而且使煙氣中三氧化硫的含量得到了有效地控制。煙氣三氧化硫含量降低后，可以使用清水作為吸收劑，但因為煙氣中殘氧量的控制并不穩(wěn)定，為了保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，最終選擇氫氧化鈣溶液作為吸收劑。

1.2 增加驟冷塔的有效高度

驟冷塔是冶煉煙氣降溫的關(guān)鍵設(shè)備，其有效高度過低或過高都不利于干法收砷。驟冷塔高度過低，煙氣得不到有效降溫，收砷器入口煙氣溫度高，As2O3易產(chǎn)生玻璃砷，粘結(jié)布袋，收砷效率低；驟冷塔高度過高，則增加設(shè)備成本和生產(chǎn)風(fēng)險。富氧側(cè)吹熔煉煙氣收砷系統(tǒng)驟冷塔設(shè)計尺寸為φ5 028 mm×16 000 mm。在2019年初調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，要保證布袋收砷器入口煙氣溫度正常，無論是使用清水還是氫氧化鈣作為吸收劑，驟冷塔底部均有污酸產(chǎn)生，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常作業(yè)。主要原因就是驟冷塔有效高度不足，吸收劑在塔內(nèi)停留時間短，部分發(fā)生霧化，達不到汽化效果，導(dǎo)致驟冷塔底部產(chǎn)生大量污酸。

煙氣在驟冷塔內(nèi)的停留時間為18 s，但在調(diào)試時發(fā)現(xiàn)18 s不足以使吸收劑在驟冷塔內(nèi)霧化并達到汽化。因此，為了保證吸收劑霧化并汽化，且盡可能減少成本投入，在不改變驟冷塔直徑的情況下，塔體有效高度增加6 m，達到21 m，最終煙氣停留時間延長至25 s，吸收劑能夠完全汽化。

1.3 更改驟冷塔噴槍布局

為減少煙氣制酸凈化工段的污酸產(chǎn)量，原設(shè)計在驟冷塔頂部管道設(shè)置一支噴槍，在塔體上部設(shè)置兩支噴槍，為對向分布(圖2)。經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，僅開啟管道噴槍或者僅開啟塔體2支噴槍無法將布袋收砷器入口煙氣溫度降至150～170 ℃，系統(tǒng)無法正常開車；若3支噴槍同時開啟，則噴槍霧化區(qū)域存在重疊現(xiàn)象，驟冷塔底部有污酸產(chǎn)生，導(dǎo)致作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境差，污染嚴(yán)重，增加員工勞動強度。

圖2 原有噴槍布置圖

為保證對經(jīng)過驟冷塔的煙氣有效降溫，且霧化區(qū)域無重疊，取消了驟冷塔頂部管道噴槍，在塔體增加2支噴槍，與原噴槍在同一平面，噴槍總量達到4支，呈90°矩陣分布(圖3)。

圖3 現(xiàn)有噴槍布置圖

1.4 嚴(yán)格控制布袋收砷器入口溫度

要保證布袋收砷器收集到品質(zhì)較高的砷灰并保持較高的收砷效率，需控制好布袋收砷器入口的煙氣溫度。溫度過高(175～200 ℃)時，會產(chǎn)生玻璃砷，玻璃砷會附著在布袋收砷器的側(cè)壁和濾袋上，不易清理，且玻璃砷后續(xù)難處理，品質(zhì)較差，不能作為產(chǎn)品售賣；當(dāng)溫度超過200 ℃以上時，布袋收砷器的濾袋無法承受此溫度，會被燒焦損壞；煙氣經(jīng)過布袋收砷器時，溫度會越來越低，若控制布袋收砷器溫度過低，煙氣中的水蒸氣凝結(jié)成水滴，水滴與三氧化硫氣體反應(yīng)，產(chǎn)生大量稀酸，吸收煙氣中大量煙塵，附著在濾袋上，導(dǎo)致布袋收砷器阻力降過大，二氧化硫風(fēng)機帶不動整個系統(tǒng)負壓，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常開車，只能停車清理。

通過控制驟冷塔噴槍吸收劑的噴灑量，使布袋收砷器入口溫度維持在150～170 ℃，并在噴槍高壓泵出口增加流量計，并增加接地環(huán)。受系統(tǒng)阻力及側(cè)吹爐余熱鍋爐結(jié)焦影響，側(cè)吹爐每次檢修完成后，正常運行周期只有1個月左右，檢修完成后的前10天是側(cè)吹爐運行情況最好的時間。此時，鍋爐降溫效果好，系統(tǒng)阻力小，電收塵器出口溫度約330 ℃，噴槍高壓泵出口流量約為2.5 m3/h。隨著側(cè)吹熔煉系統(tǒng)的運行，余熱鍋爐爐膛內(nèi)結(jié)焦增多，導(dǎo)致鍋爐降溫效果變差，并且管路內(nèi)積灰，導(dǎo)致系統(tǒng)阻力增大，收砷系統(tǒng)負壓也會不足。受這兩方面影響，只能增大吸收劑的噴灑量，同時降低吸收劑濃度，避免吸收劑過量降低砷灰的品質(zhì)；同時需提升二氧化硫風(fēng)機負荷，保證系統(tǒng)負壓穩(wěn)定。

2 生產(chǎn)運行狀況

2.1 工藝流程設(shè)計

恒邦原有的二段焙燒、富氧底吹熔煉干法收砷工藝的壓縮空氣流程均為螺桿空壓機→冷干機→儲氣罐→泵站(過濾器)→噴槍；吸收劑流程均為吸收劑高位槽→緩沖槽→泵站→噴槍。通過數(shù)十年的生產(chǎn)摸索發(fā)現(xiàn)，泵站設(shè)備較多，自動連鎖復(fù)雜，故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的開車率。經(jīng)過大膽嘗試，側(cè)吹熔煉干法收砷系統(tǒng)取消了泵站和螺桿空壓機，直接采用4臺高壓泵(一開三備)將吸收劑泵至驟冷塔噴槍，壓縮空氣使用廠區(qū)雜用壓縮空氣，在吸收劑管路和壓縮空氣管路安裝壓力變送器以及自動調(diào)節(jié)閥，在DCS上位機直接控制噴槍壓力，可以達到同樣的效果。

2.2 系統(tǒng)運行情況

經(jīng)過上述生產(chǎn)工藝調(diào)整和設(shè)備改造后，目前側(cè)吹熔煉干法收砷系統(tǒng)運行穩(wěn)定，每日投礦量1 900 t(干基)，投礦砷品位1.5%，每日收集砷灰約23 t，制酸工段凈化稀酸含砷量由18 000 mg/L下降至4 000 mg/L；凈化工序一級高效洗滌器阻力下降2 000 Pa左右，稀酸壓濾渣產(chǎn)量大幅下降，減輕了員工的勞動強度，改善了生產(chǎn)環(huán)境，降低了砷元素回收的生產(chǎn)成本。

2.3 系統(tǒng)運行存在的問題和對策

2.3.1 存在問題

目前系統(tǒng)在運行中主要存在以下問題：

1)系統(tǒng)長時間運行后，布袋收砷器入口的熱電偶被砷灰覆蓋，造成溫度測量結(jié)果偏低，誤導(dǎo)操作人員降低驟冷塔吸收劑用量，最終導(dǎo)致布袋收砷器入口溫度過高，產(chǎn)生玻璃砷或致使濾袋被燒毀。

2)通過控制二次風(fēng)量來降低電收塵器出口殘氧量的效果不理想。雖然該方案可以大幅度降低煙氣中三氧化硫的含量，但是受側(cè)吹爐放渣和放銅锍影響，電收塵器出口殘氧量忽高忽低，煙氣中三氧化硫含量存在波動，對吸收劑用量及濃度有較大影響。

3)系統(tǒng)自動化程度較低。目前吸收劑配制只能通過人工計算配比，由于操作工人文化程度較低，經(jīng)常出現(xiàn)計算錯誤的情況，管理人員需時刻監(jiān)督生產(chǎn)情況，防止對生產(chǎn)造成影響，人員勞動強度大。

2.3.2 對策

1)針對布袋收砷器入口熱電偶溫度測量結(jié)果偏低的問題，計劃下次停車檢修時在熱電偶旁邊增加壓縮風(fēng)吹掃裝置，風(fēng)管斜插進熱電偶所在管路，壓縮風(fēng)管路設(shè)置自動開關(guān)閥，通過編程設(shè)置每2 h進行一次吹掃，吹掃時間1 min。

2)針對煙氣中三氧化硫含量不穩(wěn)定以及系統(tǒng)自動化程度低的問題，計劃對電收塵器出口殘氧量與吸收劑濃度進行連鎖控制，并且在DCS上位機設(shè)置吸收劑配制模擬系統(tǒng)，由系統(tǒng)自動計算吸收劑和水的用量。當(dāng)電收塵器出口殘氧量發(fā)生變化，吸收劑濃度自動調(diào)整，配制模擬系統(tǒng)根據(jù)調(diào)整結(jié)果自動進行吸收劑的配制。

3)根據(jù)陳習(xí)堂等[6]對銅富氧頂吹熔池熔煉過程煙氣中SO3含量控制的研究，在保證產(chǎn)品質(zhì)量和工藝操作不受影響的情況下，計劃適當(dāng)增加入爐物料中鉛、鋅等揮發(fā)性較強的元素比例，因為鉛、鋅等揮發(fā)性較強的金屬在出爐煙氣煙塵中大多以金屬氧化物和金屬硫化物形式存在，其中的金屬氧化物可以與煙氣中的硫酸霧和三氧化硫反應(yīng)生成硫酸鹽，從而消耗煙氣中的酸霧和三氧化硫。

3 結(jié)束語

通過控制側(cè)吹爐二次風(fēng)量、增加驟冷塔有效高度、更改驟冷塔噴槍布局、嚴(yán)格控制布袋收砷器入口溫度，突破了側(cè)吹爐處理高砷金銅礦的瓶頸，縮短了側(cè)吹熔煉中砷的回收流程，降低后續(xù)砷的深加工成產(chǎn)成本，產(chǎn)生巨大的環(huán)保效益。在優(yōu)質(zhì)礦日益減少的今天，該技術(shù)的應(yīng)用為側(cè)吹熔煉處理含砷復(fù)雜礦提供了理論支撐和生產(chǎn)經(jīng)驗。

在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題仍需技術(shù)和生產(chǎn)人員進一步摸索，繼續(xù)優(yōu)化工藝，進一步提升粗砷品位，以創(chuàng)造更大的效益。