銅冶煉工程煙氣脫硫方案比選思路

福建省環境科學研究院 盧 宸

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銅冶煉工程煙氣脫硫方案比選思路

福建省環境科學研究院 盧 宸

該文針對銅冶煉工程冶煉煙氣的特點，結合工程實例論述脫硫措施的比選過程，介紹活性焦干法煙氣脫硫的原理與工藝流程，為銅冶煉建設項目環境影響評價和環保措施設計提供思路，供環保工作者參考和借鑒。

銅冶煉 活性焦 脫硫方案比選 環境影響評價

工業項目是基礎建設的一環，工程的興建拉動了經濟的增長，促進了社會的繁榮，但同時又影響到項目周邊的自然環境與人居環境。如何最大程度地減少工程對環境的破壞，把環境可持續發展工作做得更好，是環保工作的重點目標。在環評與可研階段，提前介入工程環保措施設計，提出符合針對性、具體性、經濟合理性和技術可行性原則的環保措施是環?！叭瑫r”工作的關鍵。本文以筆者參與的紫金銅業年產20萬噸銅冶煉項目脫硫工藝改造工程為例，論述在工程設計初期委托環境影響評價時如何比選脫硫措施的工藝先進性、環境可行性、經濟技術合理性，為項目后續的環保措施工程設計提供有效支撐，也為選擇銅冶煉項目冶煉煙氣的脫硫措施方案提供參考。

1 工程概況

環保措施方案分析包括兩個層次，首先對項目可研報告等文件提供的污染防治措施進行技術先進性、經濟合理性及運行的可靠性評價，若所提措施有的不能滿足環保要求，則需提出切實可行的改進和完善建議。因此應結合工程概況分析其產污環節，了解污染源的分布和強度，切入重點，針對不同的污染因子進行分析，提出適應性的措施方向。

該銅冶煉項目是指銅精礦經“蒸汽干燥—閃速熔煉—PS-轉爐吹煉（+渣選礦）—陽極爐精煉—電解”工藝生產陰極銅的冶煉工程。銅冶煉過程的煙氣包括閃速爐、PS轉爐、陽極爐的煙氣，經動力波稀酸洗滌凈化、兩轉兩吸制酸工藝生產副產品硫酸，尾氣高空排放。另外閃速爐、PS轉爐、陽極爐等設備的放料口等產煙點逸出的環境煙氣亦由吸風罩收集處理。由于銅精礦中含硫率較高（干混合銅精礦含硫31%左右），熔煉過程產生的煙氣中SO2含量較高，煙氣都必須經脫硫處理后方可排放。

2 工藝比選

在明確建設項目產生的污染物特點的基礎上，充分調查同類企業現有環保處理方案的經濟技術運行指標，針對本項目某污染物提出多項環保措施備選方案，并對其合理性、可靠性、經濟性綜合橫向比較，最終選定相對完善的方案。

含硫煙氣脫硫大多采取傳統成熟的濕法脫硫工藝，紫金銅業年產20萬噸銅冶煉工程的原工可方案中，熔煉煙氣與環境集煙煙氣擬分別采用石灰石膏法與MgO法工藝脫硫，而后設計單位又從銅冶煉項目的特殊性出發提出了活性焦干法脫硫工藝方案。

設計與環評過程中從工藝原理、吸收劑、副產品、脫硫效率、操作環境、環境影響、投資等方面綜合分析，比較了濕法脫硫工藝與活性焦干法脫硫工藝的優缺點，最終確定以活性焦干法脫硫工藝為設計方案。方案比選過程與選定理由后文詳述。

2.1 備選脫硫工藝方案（見表1）

表1 備選脫硫工藝方案表

2.2 脫硫工藝簡介

為深入了解選定脫硫工藝的先進性、合理性以及經濟性，應對選定工藝的原理、工藝流程、國內外運行實例、主要技術指標進行闡述。MgO法與石灰石膏法均為十分成熟并應用廣泛的工藝，本文不再詳述其工藝原理。以下對推薦方案活性焦脫硫工藝進行詳述，以便說明選定該方案的理由。

2.2.1活性焦脫硫工藝原理

活性焦干法脫硫技術始于20世紀60年代，20世紀80年代開始工業應用。目前該技術已應用于處理各種工業廢氣，如燃煤鍋爐煙氣、燒結機煙氣和垃圾焚燒煙氣，涉及化工、電力、冶金等多個行業。該技術經過實驗室試驗、中間試驗和工業化應用的檢驗和完善，目前已成功應用于電廠鍋爐、冶煉系統的煙氣治理系統中。

活性焦煙氣脫硫是一種可資源化的干法煙氣凈化技術。該技術利用具有獨特吸附性能的活性焦對煙氣中的SO2進行選擇性吸附，吸附態的SO2在煙氣中氧氣和水蒸氣存在的條件下被氧化為H2SO4，并被儲存在活性焦孔隙內；同時活性焦吸附層相當于高效顆粒層過濾器，在慣性碰撞和攔截效應作用下，煙氣中的大部分粉塵顆粒在床層內部不同部位被捕集，完成煙氣脫硫除塵凈化。吸附SO2后的活性焦，在加熱情況下，其所吸附的H2SO4與C（活性焦）反應被還原為SO2，同時活性焦恢復吸附性能，循環使用；活性焦的加熱再生反應相當于對活性焦進行再次活化。吸附和催化活性不但不會降低，還會有一定程度的提高。

反應原理化學方程式如下：

吸附反應：SO2＋1/2O2＋H2O＝H2SO4

解吸反應：2H2SO4＋C＝2SO2+CO2+2H2O

表2列出了部分國內外工業企業利用活性焦脫硫技術的工程實踐情況。

表2 活性焦脫硫工藝工程成功實踐案例一覽表

注:空缺表示數據未收集到。

2.2.2活性焦脫硫工藝方法及主要設計指標

活性焦脫硫工藝系統主要由SO2吸附脫除工序、活性焦再生工序和除塵工序組成。

2.2.2.1 SO2吸附脫除工序

SO2吸附脫除是脫硫裝置的核心部件，包括脫硫塔及相關管路，脫硫塔由一個進氣室，兩列吸附床以及兩個出氣室組成，煙氣經煙道系統送入脫硫塔的進氣室，在吸附床（活性焦）阻礙作用下，煙氣在進氣室內均勻流向兩側吸附層，吸附床由上至下分為儲料布料段、吸附段和排料段，儲料布料段位于吸附床頂部，堆積一定的料層，以確保吸附段的有效空間，同時起到在吸附床頂部進料部位對煙氣的過濾作用。煙氣與自上向下靠重力緩慢移動的活性焦錯流接觸（煙氣流向與活性焦移動方向成90度角），脫除絕大部分煙塵和SO2。凈化后的煙氣穿過出氣面格柵流入出氣室，再由出氣室排入煙道系統。煙氣流過脫硫塔所需的壓頭由主裝置系統升壓風機提供。吸附了SO2的活性焦由吸附層下部錐斗排出，靠重力自行流入再生塔進行活性焦再生處理。

2.2.2.2 活性焦再生工序

再生塔由上至下分為進料段、加熱段、抽氣段、冷卻段和排料段。再生塔內活性焦的流動速度通過安裝在再生塔出料口的斜進料星形卸料器控制，與脫硫塔的脫硫效率聯鎖，即：脫硫效率不滿足要求時，加快再生塔排料速度，反之，脫硫效率超過上限值時，減慢再生塔排料速度。為了確保設備運行安全可靠，活性焦預熱、加熱、冷卻的換熱介質均為氮氣?；钚越乖诩訜岫伪桓邷氐獨庥?0℃左右加熱到370℃，同時高溫氮氣被冷卻；換熱風機抽出加熱段排出的氮氣（160℃左右）經水冷換熱器換熱，維持送入再生塔冷卻段的氮氣溫度恒定（80℃左右），再生后的活性焦被低溫氮氣冷卻至120℃左右，同時低溫氮氣被高溫活性焦加熱至中溫狀態（300℃左右）；采用電加熱器將中溫氮氣再加熱至高溫狀態后送入加熱段，閉路循環使用?；钚越乖偕a出的再生氣由SO2風機經抽氣管抽出，送硫酸車間制酸，再生后的活性焦經物料循環系統返回脫硫塔使用。

物料循環系統由集料輸送機械、篩分機械、儲料設備、布料溜管構成，包括兩臺再生塔排出活性焦的收集、提升；篩除粒度小于1.5mm左右的不合格碎焦及煙塵；合格活性焦提升至脫硫塔頂部；將提升至脫硫塔頂部的活性焦均勻分配加入脫硫塔。

2.2.2.3 除塵工序

對LD鏈斗提機、布料皮帶機、振動篩以及料倉產生的含活性焦粉塵的收集后采用布袋除塵器處理，除塵后的氣體通過高排氣筒排空。收集的焦粉排入煙塵罐，作為轉爐燃料加以利用。

活性焦脫硫工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

2.3 備選脫硫方案綜合比選

備選的濕法脫硫工藝與活性焦干法脫硫工藝從各方面進行綜合比較，列表對比能更加直觀地分析各備選方案的優缺點以及與擬建項目的適用性。

表3 脫硫工藝綜合對比

2.4 活性焦法脫硫對銅冶煉項目的適用性

方案一選定MgO法與石灰石—石膏法分別處理環境集煙煙氣與制酸陽極爐煙氣。方案二則均采取活性焦干法脫硫措施。三種脫硫工藝各有特點，且在國內外都有成熟的工程運行實例。

活性焦干法煙氣脫硫和石灰石—石膏濕法煙氣脫硫工藝相比，劣勢在于：①初期投資和日常運行脫硫成本較高。②除水耗很低外，電耗等其余指標均高于另兩種脫硫工藝。但紫金銅業年產20萬噸銅冶煉項目仍推薦選擇活性焦脫硫工藝，主要基于以下幾個方面分析：

2.4.1節水

脫硫過程幾乎不耗水，無廢水產生，這些特點是其他工藝不具備的。結合擬建項目廠址周邊水資源不豐富，此工藝恰好解決了這個矛盾，有利于系統的正常運行，保護當地環境質量。

2.4.2二次污染小

濕法脫硫和半干法脫硫均存在二次污染——脫硫石膏的堆放問題，活性焦干法脫硫基本無二次污染，難以造成新的地表破壞。

2.4.3適合有色冶煉行業

考慮到有色冶煉行業煙氣量波動大而且頻繁的特點，活性焦干法煙氣脫硫對負荷變化適應性強，可以隨時調整最佳的凈化效果。

2.4.4運行可靠、管理便利

煙氣排煙溫度高，無需再熱，減輕設備腐蝕，脫硫系統運行穩定可靠。從設備日常運行管理來看，傳動設備少，維護工作量小，便于實現全廠統一管理和維護。主要運行成本在于活性焦的添置費用，較濕法脫硫大大減少了人工成本，減少了更多的管理環節。

2.4.5脫硫劑來源

脫硫劑活性焦可再生循環利用，以煤炭為原料生產，適合我國煤炭資源豐富的國情。

2.4.6副產品收益大

該工程的特點是銅精礦中含有大量的S，冶煉過程產生的煙氣中SO2產生量很大，如采取濕法脫硫將S轉化為硫酸鎂渣與脫硫石膏，并不是實現S資源綜合利用與回收的最佳途徑。而通過對廢活性焦的脫附與再生過程，能解析出大量處于封閉管路中可控狀態的SO2，能夠很方便地利用制酸車間制備硫酸。副產品硫酸是用途廣泛的工業原料，副產品的效益遠高于濕法脫硫工藝的硫酸鎂渣與脫硫石膏。

因此在考慮副產品收益的條件下，再次計算環保設施的年運行費用可得出以下結果：①采用原設計的濕法脫硫工藝情況下，環境集煙煙氣MgO法脫硫工藝年運行費用108.3萬元（已折算72萬元副產品收益）、制酸尾氣石灰石—石膏法工藝年運行費用297.4萬元（已折算31.3萬元副產品收益），合計405.7萬元；②環境集煙煙氣與制酸尾氣均采用活性焦干法脫硫工藝年運行費用165萬元（已折算762.4萬元副產品收益）。二者對比后，采用活性焦干法脫硫，全廠可節省年運行費用240.7萬元。

3 環境可行性分析

選定的環保措施是否合理，可從環保措施的排污達標性與外環境的可行性二者相結合加以驗證。

3.1 脫硫裝置排放數據分析

紫金銅業年產20萬噸銅冶煉項目于2012年9月開展了工程竣工環境保護驗收工作。驗收監測期間，平均生產負荷為87.7%，滿足建設項目竣工環境保護驗收監測對工況達到75%以上生產負荷的要求，因此驗收監測期間的監測數據可以作為該工程采取活性焦干法脫硫環境可行性的有效依據。

制酸廢氣與環境集煙廢氣進出口的SO2監測統計結果表明，采取活性焦干法脫硫措施后的制酸尾氣與環境集煙煙氣排放數據均能夠達到《銅、鎳、鈷工業污染物排放標準》（GB25467-2010）中的標準限值要求，也達到了項目批復的污染物排放總量控制要求。具體數據見表4。

表4 工程竣工環境保護驗收監測結果（SO2）

3.2 外環境可行性分析

引用項目環評報告的環境空氣預測結果，對比環境空氣質量二級標準，SO2小時最大落地濃度疊加背景值后為0.2483mg/m3（占標率49.7%），SO2最大日均濃度疊加背景值后為0.0256mg/m3（占標率17.1%），SO2平均濃度最大貢獻值為1.544ug/m3（占標率2.6%），全年逐時逐日SO2影響預測結果均可滿足標準要求。

項目竣工環境保護驗收監測報告中，工程試運行期間周邊環境敏感目標的SO2調查值（小時均值最大占標率73.6%、日均值最大占標率29.3%）亦驗證了外環境中SO2濃度能夠達到環境空氣質量二級標準的可行性。

3.3 環境可行性小結

綜上所述，從本項目SO2排放影響逐日逐時的預測結果與項目竣工環境保護驗收監測結果分析，采取活性焦干法脫硫工藝從大氣環境保護角度考慮是可行的。

4 結論

銅冶煉項目采用活性焦脫硫工藝方案的最主要理由是該方法可以硫酸形式回收硫資源，具有明顯的環境效益和資源效益，是循環經濟和可持續發展的具體體現。在環評與可研階段提前介入工程環保措施設計，綜合對比各種可行方案，并選定最具針對性、經濟合理性和技術可行性的環保措施是環?！叭瑫r”工作的關鍵。本文可為環保工作者們在選擇銅冶煉項目冶煉煙氣脫硫方式時碰到的類似問題提供借鑒。

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