國潤銅業銅冶煉環保節能技術改造項目回顧與展望

陳小龍 呂克新 張均杰

(1.煙臺國潤銅業有限公司，山東 煙臺 264002；2.江銅國興(煙臺)銅業有限公司，山東 煙臺 264002)

0 前言

煙臺國潤銅業有限公司(以下簡稱“國潤銅業”)是一家銅冶煉企業，生產原料為銅精礦，主要產品包括陰極銅、硫酸、黃金和白銀等?！躲~冶煉行業規范條件》(工業和信息化部公告2014 年第29號)要求:新建和改造利用銅精礦和含銅二次資源的銅冶煉企業，冶煉能力須在10 萬t/a 及以上。而國潤銅業冶煉能力為6 萬t/a，不符合《銅冶煉行業規范條件》中生產規模的要求。因此，國潤銅業決定按冶煉能力10 萬t/a 的要求進行技術改造。

2017 年，中國恩菲工程技術有限公司與國潤銅業聯合開發了“富氧側吹熔煉+多槍頂吹連續吹煉+火法陽極精煉”熱態三連爐連續煉銅生產工藝。該工藝于當年下半年投入工業生產，粗銅設計產能為100 kt/a，配套設置硫酸凈化系統1 套，干吸、轉化系統2 套，硫酸系統設計能力為370 kt/a。

在采用三連爐連續煉銅工藝進行工藝改造的同時，對環保設施進行了升級改造。本文介紹了冶煉、環集煙氣、制酸、制氧噪聲等系統的技術改造情況。

1 冶煉系統的改造

1.1 熔煉工段

原富氧側吹爐采用氧含量為60%的富氧熔煉，冶煉能力小，產出水碎棄渣外銷，銅的損失量大。

通過采用富氧側吹熔池熔煉工藝，改造后使用氧含量為85% 的富氧，產出高品位銅锍(品位達73%)，銅锍通過溜槽直接進入吹煉爐，取消了原有的電爐沉降工序，產生的爐渣用于選礦。原側吹爐水碎棄渣的含銅品位為0.6%～0.7%，改造后的尾礦含銅品位低于0.25%。

1.2 吹煉工段

原采用2 臺吹煉爐處理側吹爐產出的銅锍，生產粗銅，用空氣熔煉，生產周期分為加料、造渣、造銅、出銅。造銅期二氧化硫濃度高，出銅期煙氣量小，二氧化硫濃度低。由于煙氣量及二氧化硫濃度的波動，二氧化硫轉化率易產生波動，對制酸的生產造成影響。

改造后，采用1 臺多槍頂吹爐代替原有的2 臺吹煉爐，富氧濃度為35%，產出的煙氣量及二氧化硫濃度相對穩定，有利于制酸的生產操作，保證制酸各項指標的穩定。同時，在處理熱態銅锍的同時可處理銅米冷料，降低了能耗。

1.3 精煉工段

原液態粗銅放到銅模中冷卻成塊狀銅，用叉車倒運到加料平臺，由加料機加入陽極爐中精煉。

改造后，吹煉粗銅通過溜槽直接流入陽極爐，改變了原來精煉處理冷粗銅的模式，改善了車間作業環境，實現了三連爐生產連續加料連續出銅的作業模式，降低了運輸費用，節省了粗銅由固態到液態消耗的能源。

1.4 清潔能源

改造前，陽極爐使用煤焦油，側吹爐使用煤為燃料，這兩種燃料都不是清潔能源，燃燒后的煙氣會對大氣造成污染。

陽極爐燃料現改為天然氣，側吹爐燃料由煤改為蘭炭。陽極爐、側吹爐和頂吹爐的煙氣都經過制酸處理后才排放。改變燃料后，煙氣中的顆粒物含量、二氧化硫含量基本不變，但對CO2、NOx有明顯的減排效果[1]。

冶煉改造的創新點是側吹爐、頂吹爐、陽極爐之間通過溜槽連接，實現連續送風和連續煉銅，流程縮短，環集煙氣量降低，出爐煙氣的二氧化硫濃度提高20%～30%，為環集煙氣處理和制酸創造了有利的條件。

2 環集煙氣處理系統的改造

環集煙氣處理系統處理環集煙氣以及加料期、還原期的精煉煙氣，其中環集煙氣產生于三連爐(熔煉爐、吹煉爐、陽極爐)的銅口、渣口、加料口、溜槽、渣包等部位。改造前，煙氣采用表冷器、布袋收塵器、脫硫塔等設備處理，采用碳酸鈉作為脫硫劑，脫硫污水送到制酸污水站處理。環集煙氣處理系統進行的主要改造如下:

2.1 合理分配煙氣走向

改造前，陽極爐燃燒空氣，產生的煙氣量大，煙氣處理費用高，能耗高。

冶煉系統包含2 臺陽極爐、2 套XRQ 純氧燃燒裝置，燃料為天然氣，以氧含量為85%的富氧空氣代替空氣進行生產，單臺陽極爐產生的煙氣量由空氣熔煉的19 000～20 000 m3/h 降為富氧熔煉的5 000～7 000 m3/h，降低了約70%[2]。陽極爐氧化期的二氧化硫濃度可以達到2%～3%，增加一條連接制酸凈化入口的煙氣管線，將氧化期煙氣送入制酸系統。頂吹爐渣口的放渣為正壓操作，與其他渣口相比，該渣口的二氧化硫濃度最高，因此將該渣口的煙氣送入側吹爐出口煙道中，作為二次風使用。

2.2 改造煙氣脫硫系統

原煙氣脫硫系統為一級脫硫塔，煙氣經一個脫硫塔處理后排放，存在處理效率低、脫硫塔噴頭易堵塞、顆粒物排放量高、尾氣冒大煙的問題。

為解決上述問題，煙氣處理系統新增了二級脫硫塔、沉降槽、濕式電除霧器等設備。其中新增一臺規格為Φ6 000 mm×15 500 mm 的脫硫塔，與原有脫硫塔串聯使用，一級塔改為稀酸洗滌凈化塔，二級塔為堿洗脫硫塔。一級脫硫塔增設1 臺斜管沉降槽及配套的壓濾機，抽出一部分循環液進行固液分離，壓濾機上清液定期排污到制酸沉降槽，濾渣則返回側吹爐用于配料。二級塔出口增加1 臺型號為WESP300-276 的濕式電除霧器，其管束內切圓直徑為300 mm，長度為6 m，陰極線采用龍骨鉛銻合金，用于脫硫后的煙氣的深度處理。

改造后，脫硫煙氣實現了二氧化硫、顆粒物的超低排放，且處理費用及環保投資降低。

2.3 增加環集污水處理系統

原采用的鈉堿法脫硫工藝簡單，投資低，所用脫硫劑成本低，但該工藝產生廢水、廢渣，需要進行后續處理。改造前，鈉堿法脫硫工藝產生的污水送至制酸污水站處理，制酸中水回用選礦廠，其中鈉離子含量高達10 g/L 以上，影響了渣緩冷的效果。

為解決該問題，參照雙堿法脫硫工藝，在環集煙氣場地新建污水處理系統，脫硫劑采用碳酸鈉，脫硫廢液用石灰粉中和，產生的中和渣經氧化后變成石膏渣，石膏渣經壓濾機脫水后用作水泥生產的原料，而中和出水回用到二級脫硫塔，形成閉路循環。

2.4 優化煙氣收塵

稀氧燃燒技術投入使用后，精煉收塵煙氣產生較多冷凝酸，導致煙道及表冷器腐蝕漏氣，漏氣后煙氣溫度變得更低，形成了惡性循環，產生更多稀酸，致使收塵器的布袋腐蝕漏氣或產生煙塵堵塞，影響生產。后來將2 臺布袋收塵器全部更換，將布袋材質改為具有耐酸性能的P84 +PTFE 材質，但仍出現同樣問題。

分析其原因，是因為采用稀氧燃燒技術后，燃燒反應產生了較多三氧化硫，造成煙氣露點溫度升高。露點計算采用弗霍夫公式[3]:

式中:T——露點溫度，℃；

p——氣體分壓，MPa。

計算表明，隨著三氧化硫的分壓升高，煙氣露點溫度也升高。后經考察同行業的其他廠家，在2018年陽極爐修爐期間，取消了2 臺布袋收塵器及表冷器，轉而采用重力收塵器。改造后至今，重力收塵器運行良好。

進行上述改造后，目前的環集煙氣處理工藝流程如圖1 所示。經驗證，“干法重力除塵+稀酸洗滌除塵+雙堿法脫硫+濕式電除霧器+污水處理”的環集煙氣和陽極爐煙氣處理工藝適合于三氧化硫含量較高的煙氣處理。

圖1 環集煙氣處理工藝流程圖

3 制酸系統的技術改造

原制酸系統設計產能為20 萬t/a，對應的粗銅產能為6 萬t/a。熔煉系統改造后，粗銅能力提高為10 萬t/a，對應制酸能力為37 萬t/a。原制酸系統的收塵系統、干吸系統、轉化系統處理能力偏小。

為配合熔煉系統的改造，對原有制酸一系統進行了改造。原制酸系統的設計規模為20 萬t/a，處理煙氣量為60 000 Nm3/h。舊制酸系統的凈化系統仍然采用稀酸洗滌工藝，新增加的系統轉化工序采用“3 +1”兩轉兩吸工藝，尾氣經脫硫塔深度處理后排放。

3.1 吹煉電收塵系統

原吹煉電收塵系統為2 臺電收塵器，出口含塵量小于0.6 g/m3。因技改后煙氣量基本不變，但煙氣含塵量增加幅度較大，如不提高電收塵系統的處理能力，出口煙氣會堵塞制酸凈化設備，且煙塵進入污酸處理系統，造成有價金屬損失。

為此，新增加1 臺流通面積為35 m2的電收塵器用于吹煉收塵。為應對露點腐蝕，新增電收塵器的第一電場采用九五瓷支撐管，第二、第三電場采用石英支撐管；所有絕緣箱、第三電場灰斗采用316L 不銹鋼材質，絕緣箱開孔處四周鑲貼150 mm 寬的316L 不銹鋼板。

改造后，電收塵煙氣出口含塵量保持不變，保證了制酸的凈化指標。

3.2 接力風機及煙道

熔煉、吹煉電收塵出口煙氣管道各增加了一臺接力風機，且風機采用變頻調速。更換了電收塵器與凈化系統入口之間的鋼制煙道，并在更換后的煙道內搗打膠泥用于隔熱。試生產期間，電收塵器出口與凈化系統入口之間的煙道的膠泥防護層產生裂紋或部分脫落，造成煙道腐蝕嚴重。

在2018 年12 月大修期間，將電收塵器出口與凈化系統入口之間的煙道全部更換為襯磚煙道，將煙氣蝶閥改為鐘罩閥，將熔煉煙道放灰方式改為星型卸灰閥密封放灰。改造后至今，煙道狀況良好。

3.3 干燥與吸收工序

由于熔煉系統擴產，原有干燥與吸收系統處理能力低，需重新增加一套系統，與熔煉系統配套。

干燥與吸收工序采用一級干燥、兩次吸收、循環酸泵后冷卻的流程。干吸采用DCS 控制，自動串酸。為減少成品酸中的二氧化硫含量，干燥酸不再向二吸循環槽串酸，二吸酸的濃度控制采用二吸循環槽加水的辦法。塔內分酸器采用管式分酸器，干燥塔采用國產絲網除沫器，吸收塔采用國產纖維除霧器；塔底出酸管及各塔的上酸管采用鋼襯四氟管道。

改造后，干燥與吸收系統可以全部處理冶煉系統的高濃度煙氣，保證了冶煉生產。

3.4 轉化工序

圖2 制酸系統工藝流程圖

采用技術成熟的“3 +1”兩次轉化工藝，即“Ⅲ、Ⅰ～Ⅳ、Ⅱ”、“Ⅳ、Ⅰ～Ⅲ、Ⅱ”兩轉兩吸制酸工藝[4]，工藝流程如圖2 所示。轉化器設計處理SO2濃度為12%。工藝全部采用進口VK38 催化劑，總裝填量為87.4 m3。各段進口溫度設計如下:一段為405 ℃，二段為445 ℃，三段為440 ℃，四段為410 ℃。為應對高溫煙氣對設備、管道造成的影響，一段轉化器材質選用不銹鋼，其余各段轉化器材質為碳鋼且全部內襯耐火磚；一段、二段煙氣出口的管線采用304 不銹鋼材質。

3.5 脫硫系統

在線監測采樣過程中，原來鈉堿法脫硫反應產生的硫酸鈉、亞硫酸鈉及其他硫酸鹽等氣溶膠會被一并捕集下來，導致顆粒物含量出現正偏差，達不到環保的要求[5]。

為解決這個問題，制酸尾氣吸收塔利用原有的無填料的吸收塔，吸收劑由氫氧化鈉溶液改為質量濃度為27.5%的雙氧水，產生的稀酸回用于干吸配酸。與鈉堿法比較，雙氧水脫硫無副產物的產生，避免造成二次污染，但雙氧水與二氧化硫反應的效率較低，熔煉系統的開車和停車受制于脫硫系統，熔煉工藝提負荷的速度較慢，對冶煉生產造成了一定的影響。2020 年大修期間進行了加裝填料的改造，改造后熔煉系統從投料到滿負荷生產的時間縮短了一半，取得了較好的效果。

通過上述改造，制酸系統(含收塵及接力風機)電單耗達到了65 kWh/t(100%H2SO4)，二氧化硫轉化率大于99.90%，兩套制酸系統生產穩定。

4 其他改進

4.1 廢水廢氣處理的改進

4.1.1 廢酸處理

原廢酸處理工藝采用的脫硫劑為固體硫化鈉，需人工配制，且有效成分硫的含量低，工人勞動強度大，生產成本高；處理后的中水外排，雖達標排放，但對環境造成了一定的影響。

改造后，雖然廢酸處理仍采用常規的硫化中和工藝，但原系統使用的硫化鈉固體改為硫氫化鈉液體，減輕了工人的勞動強度，降低了砷渣總量。新增加中水池及配套設施，廢酸處理后產生的中水一部分回用到凈化工段，一部分回用到選礦車間用于渣緩冷，實現了生產污水“零排放”。

4.1.2 硫化氫吸收塔

原廢氣處理采用一臺吸收塔進行一級吸收，吸收效率低。因污酸含砷量波動，硫化反應產生的硫化氫濃度波動大，一臺吸收塔不能很好適應硫化氫濃度的波動。

硫化反應產生的硫化氫氣體由一級塔吸收改為兩級塔吸收。一級吸收塔采用廢酸原液吸收，二級吸收塔采用氫氧化鈉溶液吸收，大大提高了吸收率，外排廢氣達到了《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—93)的要求。

4.2 噪聲冶理

技改后深冷制氧機離南廠界只有8 m 的距離，噪聲達到90 dB。因南廠界臨近鐵路，須執行《聲環境質量標準》(GB 3096—2008)中4b 的要求，環境噪聲限值執行晝間70 dB、夜間60 dB 的標準。制氧噪聲由多種噪聲疊加組成，包括齒輪傳動的機械噪聲、蝸殼及氣體換熱器的氣流沖擊噪聲等，且高頻、中頻、低頻噪聲同時存在。

通過對制氧空壓機房內外的噪聲進行監測，發現室外空壓機二級壓縮進空冷塔、空壓機三級壓縮進主換熱器的管道噪聲達到110～120 dB，是噪聲的主要來源。為了降低噪聲，對此部分管道依次外包250 mm 厚的硅酸鋁隔音棉、玻璃絲布和鋁皮，廠房窗戶及進口過濾器加裝50 mm 厚的棉門簾用于隔音。采取上述措施后，經環保部門監測，噪聲達標。

5 結束語

進行技術改造后，制酸系統及環集煙氣系統外排廢氣的含塵量、二氧化硫含量、NOx含量分別低于10 mg/m3、30 mg/m3、50 mg/m3，滿足山東省《區域性大氣污染物綜合排放標準》(DB 37/2376—2019)中重點控制區的排放要求，實現了超低排放。2019年，銅冶煉綜合能耗達到296 kgce/t，低于《銅冶煉企業單位產品能源消耗限額》(GB 21248—2014)中規定的準入值300 kgce/t；硫酸綜合能耗達到8 kgce/t，低于《工業硫酸單位產品能源消耗限額》(GB 29141—2012)中規定的單位產品綜合能耗限定值16 kgce/t。

“富氧側吹熔煉+多槍頂吹連續吹煉+火法陽極精煉”熱態三連爐連續煉銅生產系統的達產達標使國潤銅業成為年產10 萬t 的連續煉銅示范工廠。國潤銅業通過近幾年不斷的技術改造，以技術提升實現環保提升，提高企業抗風險能力，降低工人勞動強度，改善工作環境，實現了經濟效益和社會效益的雙豐收。但目前國潤銅業的生產設備、工藝與同行業先進水平相比，還有差距，如制酸凈化系統仍沿用幾十年前的“空塔+填料塔+間冷器”傳統工藝，電解仍采用傳統方法，存在工人勞動強度大、生產效率低等問題。在今后的工作中，可基于上述問題對生產工藝和設備進行改造優化。