銅冶煉環集煙囪有色煙羽成因及控制措施

宋 成，周岳珍，黃文寶，鄭家輝

（浙江江銅富冶和鼎銅業有限公司，浙江 杭州 311400）

1 銅冶煉廠環集煙囪有色煙羽現象及危害

銅冶煉環集煙囪排放的煙氣主要來冶煉主廠房含有SO2、粉塵等污染物的環境空氣，包括熔煉爐渣口、放冰銅口，轉爐、陽極爐環集煙氣、陽極爐爐膛煙氣等。有些冶煉廠陽極爐氧化階段工藝煙氣SO2濃度高，不進入環集系統，進入制酸系統處理。

這些煙氣一般經過各自的除塵設備，匯總進入環集脫硫系統脫硫處理后經環集煙囪排空。

銅冶煉環集煙氣經煙囪排入大氣，因天空背景色和天空光照、觀察角度等原因，視覺上通常為白色、灰色、藍色、黃色等。我國大部分煙氣脫硫采用濕法脫硫工藝，尤其是石灰石～石膏法工藝。

這種工藝可以使煙溫降低到25℃～55℃，這些低溫飽和濕煙氣，直接經煙囪進入大氣環境，遇冷凝結成微小液滴，產生“白色煙羽”。為降低銅冶煉環集煙氣排放污染物對環境的污染，銅冶煉環集煙氣一般經除塵、脫硫設施后達標排放。但時常環集煙囪會出現有色煙羽（不同于白色水蒸氣），帶來視覺污染。增加了附近居民的顧慮，也給冶煉廠的環保工作帶來一定的壓力[1]。也是導致霧霾天氣和酸雨的重要因素之一，嚴重危害環境及人體健康[2]。

2 環保煙囪藍/黃色煙羽成因

與白色煙羽不同，藍/黃色煙羽給附近居民帶來更加嚴重的困擾，環保煙囪冒藍/黃色煙羽的直接原因是煙氣中含有過量的SO3氣溶膠(硫酸霧)。SO3酸霧主要屬于亞微米級霧滴。

煙囪排出的煙氣中亞微米顆粒粉塵的存在，使得H2SO4以亞微米顆粒粉塵作為凝結中心，加強了凝結過程。硫酸氣溶膠的粒徑非常小，對光線產生散射；由于顆粒的尺寸和可見光的波長接近，屬于瑞利散射。因此短波的藍色光線散射要比長波的紅色光線強許多，最終使得煙囪在陽光照射的反射側，排煙的煙羽呈現藍色，而在煙羽的另一側呈現黃褐色。

資料顯示，濕法脫硫系統對SO3酸霧的脫除效率僅為30%～80%，干法脫硫對SO3酸霧的脫除效率高達95%以上[3]。有色煙羽現象多發于應用采用濕法脫硫工藝的銅冶煉廠。SO3酸霧形成及有色煙羽發生過程：

（1）煙氣進入脫硫塔前，部分SO3形成硫酸氣溶膠。煙氣中的SO3極易與H2O結合形成硫酸酸霧。當煙氣溫度低于酸露點時，硫酸酸霧通過均相成核和以顆粒物為凝結核的異相成核作用形成亞微米級的硫酸氣溶膠。按SO3-H2OH2SO4共存的氣態混合體系平衡理論，在煙氣降溫過程中的SO3轉變為硫酸蒸汽的份額不斷增高，煙溫降到110℃以下時SO3已全部轉變為硫酸蒸汽H2SO4，此時所謂煙氣中的SO3實際上都是硫酸霧形態[4]。

（2）煙氣進入濕法脫硫塔后，大量SO3形成硫酸氣溶膠。煙氣溫度被迅速冷卻至酸露點以下，絕大部分硫酸酸霧通過均相成核作用形成亞微米級的硫酸氣溶膠。

（3）脫硫塔對硫酸氣溶膠的脫除效率低。硫酸酸霧可與脫硫漿液發生碰撞而被吸收脫除。而硫酸氣溶膠主要集中在亞微米級，在上行煙氣氣流中跟隨性好，可以繞過脫硫漿液而從脫硫塔中逸出。因此，脫硫漿液對硫酸氣溶膠的脫除作用有限，大部分硫酸氣溶膠(30%～50%)會隨煙氣逸出脫硫塔。

圖1 SO3氣溶膠繞過脫硫漿液逸出示意圖

（4）硫酸氣溶膠呈瑞利散射。硫酸氣溶膠主要集中在亞微米級，顆粒尺寸與可見光波長接近，其對光線的散射屬于瑞利散射。散射形成的短波藍色光線強度高于透射形成的長波紅色光線，從而在光照的反射側觀察煙囪冒煙，呈現藍色煙羽。反之，在光照的透射側觀察煙囪冒煙，呈現黃色煙羽。

（5）煙氣中過量的硫酸氣溶膠導致煙囪冒藍/黃色煙羽。大多數情況下，當排空煙氣中硫酸氣溶膠(包含SO3)濃度超過35.0mg/m3時，煙囪頂部就會出現明顯的藍/黃色煙羽。硫酸氣溶膠的濃度越大，藍/黃色煙羽的顏色越濃、長度越長。同時，當煙囪頂部區域氣象條件，如風速較低、光照較強時，藍/黃色煙羽更為明顯。

3 環保煙囪藍/黃色煙羽控制

3.1 噴堿性吸收劑

為消除有色煙羽，關鍵是降低煙氣中SO3含量。主要有噴堿性吸收劑，采用化學法吸收煙氣中SO3，常見的堿性吸收 劑 有CaO、Ca(OH)2、Na2CO3、MgO、NH3、Mg(OH)2、NaHSO3、天然堿。例如參考文獻[3-8]中，美國Gavin電廠，采用Mg(OH)2，Mg/SO3摩爾比為7，SO3脫除率達90%。

采用天然堿Na/SO3摩爾比為1.5，SO3脫除率達90%。Codan公司，采用Mg(OH)2NaHSO3，Na/SO3摩爾比為1.5～2.0，SO3脫除率達94%[3]。

3.2 濕式靜電除塵器

濕式靜電除塵器(WESP)是一種用來處理含濕氣體的高壓靜電除塵裝置，其作用原理與干式靜電除塵器相同，都是靠高壓電暈放電使粉塵荷電，荷電后的粉塵在電場力的作用下達到集塵板/管。

WESP主要用于除去含濕氣體中的塵、酸霧、水滴、氣溶膠、PM2.5等。WESP可布置在脫硫塔內，也可布置在煙道內，收集從洗滌塔逃逸出來的細小硫酸霧滴，其對S03的脫除率可達95%，超過80℃后效果明顯下降。但是，設備投資費用較高，需要整體評價其技術經濟性和運行成本[3]。

3.3 降低煙氣溫度

降低煙氣溫度至酸露點以下，使硫酸酸霧冷凝、收集、脫除。可以采用煙氣冷卻器、省煤器等對煙氣進行降溫。對氣量小的煙氣適用，冷卻元件材質要求耐腐蝕，且應設置清洗排污口。

4 可見煙羽控制實例

某銅冶煉廠年礦產粗銅30萬噸，采用富氧側吹爐熔煉、PS轉爐吹煉、回轉式陽極爐精煉的火法冶煉工藝。環集煙氣由側吹爐放銅口、渣口煙氣、轉爐環集煙氣和陽極爐環集煙氣和爐膛工藝煙氣組成。處理工藝為布袋除塵器除塵后，采用石灰石石膏法脫硫工藝。在晴天通視條件良好時，出現“可見煙羽”現象。通過布袋熒光粉檢漏，可以排除布袋除塵器布袋破損造成的煙囪冒煙。且在線監測各污染物排放數據正常。

分別對環集脫硫進出口煙氣進行SO3的含量測量，結果見表1。可見環集煙囪出現的可見煙羽與SO3的含量有直接的關系。

陽極爐因采用稀氧燃燒的方式供熱，燃料為天然氣。轉爐粗銅含硫一般在300ppm，如欠吹粗銅含硫偏高500ppm甚至更高。

陽極爐在氧化階段因粗銅含硫一般控制在200ppm左右。陽極爐在富氧燃燒條件下，SO3發生率高[7]。為防止陽極爐布袋結露，一般控制陽極爐布袋出口溫度在煙氣露點（約150℃）以上運行。但是高的煙氣溫度（≧150℃）與轉爐環集煙氣（約45℃）進行混合時，因轉爐環集煙氣溫度較低，氣量大。

在混合過程中，發生驟冷而迅速霧化。陽極爐工藝煙氣在驟冷條件變化下，形成大量硫酸氣溶膠。硫酸氣溶膠進入石灰石石膏法脫硫系統后，脫除率僅在30%左右。給尾期排放造成影響。

表1 環集煙氣溫度及SO3含量

為降低SO3含量，在陽極爐收塵風機出口增設煙氣降溫設施硫酸氣溶膠捕集塔，使煙氣溫度降至露點以下。降低煙氣溫度后，一是部分SO3已經在捕集塔內凝結而去除，另外進入混氣室后，也不會因溫差較大而大量形成硫酸氣溶膠。給濕法脫硫創造有利條件。

見改造后環集煙氣工藝流程圖2。該廠通過降低陽極爐煙氣SO3含量，使得環集排放煙氣SO3含量降低。有效解決了可見煙羽現象。

圖2 環集煙氣處理工藝流程圖

5 結論

目前銅冶煉環集煙氣執行GB25467-2010《銅鎳鈷工業污染物排放標準》。

SO2和酸霧的排放限值為400mg/m3、45mg/m3，特殊地區執行100mg/m3、20mg/m3排放限值[11]。

在本實例中排煙煙氣SO3含量為5ppm時，羽煙的不透明度增加，出現可見煙羽現場。實踐證明用降低煙氣溫度的方法來降低SO3的排放濃度從而控制有色煙羽現象的發生是行之有效的方法。各銅冶煉廠應針對環集處理的工藝，著重解決SO3排放問題，有些位于城市主城區及環境空氣敏感區的銅冶煉廠應采取有效措施消除有色煙羽等現象。