轉爐SO2產生量的波動性分析及在制酸系統設計中的實踐

丁治元，劉振宇

（浙江江銅富冶和鼎銅業有限公司，浙江杭州310000）

對于帶轉爐的銅冶煉生產系統，由于轉爐的周期性作業、溶劑與冷料的添加，以及轉爐送風量及送風含氧量的調節，使得轉爐SO2的產生量存在較大的波動。冶煉系統設計時，對于轉爐各作業期內SO2的產生量，僅以各作業期內SO2釋放總量除以作業期時長進行計算，以此計算出的轉爐各期SO2釋放量和SO2濃度基本為定值，其反映的是轉爐各作業期內的平均SO2釋放情況，無法反應轉爐SO2產生量的波動及最大SO2產生量的情況。以此數據設計出來的制酸系統，往往存在部分時間段實際最大SO2進入量大幅超過設計最大SO2進入量，造成進轉化工序SO2濃度過高，轉化系統頻繁超溫等不利現象。

為準確認識轉爐煙氣SO2產生量的變化規律，提高銅冶煉煙氣制酸系統設計數據的準確性，筆者以浙江江銅富冶和鼎銅業有限公司（以下簡稱和鼎銅業）一期銅冶煉系統作為研究對象，分析轉爐SO2產生機理及變化規律，以此對設計院提供的和鼎銅業二期設計參數進行修正，確定將修正后的進制酸系統煙氣條件作為二期制酸系統的設計條件。

1 轉爐吹煉SO2產生量的波動性分析

1.1 轉爐銅锍吹煉SO2產生機理

轉爐銅锍吹煉的目的是把銅锍中的鐵和硫脫除，得到粗銅[1]。轉爐吹煉是周期性作業，分為造渣期（含S1期、S2期）和造銅期（B期）。

造渣期：吹煉過程中向轉爐內鼓入空氣或富氧空氣 [一般φ（O2）為 22%～25%]，使銅锍中的硫化物氧化成為氧化物。其中FeS最先氧化成FeO，并迅速與加入的溶劑反應造渣。反應方程式如下：

造銅期：吹煉過程中，當銅锍中的w（Fe）低于1%時，Cu2S開始氧化為Cu2O，并與Cu2S交互反應生成粗銅。反應方程式如下：

由于轉爐吹煉為周期性作業，操作過程中牽涉到銅锍的升溫、溶劑添加、冷料的添加等一系列操作，為了維持爐溫的相對穩定，需要適時調整送風量及送風含氧量，因此，轉爐的SO2釋放具有一定的波動性。

1.2 轉爐吹煉SO2波動性分析

為準確描述轉爐SO2產生的波動性，尤其是各作業期（S1期、S2期、B期）內各時刻SO2產生量與平均產生量的關系，筆者根據對和鼎銅業一期轉爐系統SO2產生量的統計分析，繪制出單轉爐各周期SO2產生量的波動性曲線。考慮到各作業期平均SO2產生量可通過轉爐物料衡算得出，筆者在繪制曲線時，主要以轉爐各時刻SO2釋放量與對應作業期中轉爐的小時平均SO2產生量的系數關系，來表征轉爐SO2產生量的波動。定義比例系數K，其代表的意義為當前時刻轉爐SO2釋放量與對應作業期平均SO2產生量的倍數關系。據此，作出轉爐各作業期SO2產生量的波動性曲線。

1.2.1 單轉爐S1期SO2波動曲線

S1期持續時間約0.95 h，單轉爐S1期SO2產生量波動曲線見圖1，不同比例系數K的時間占比情況見表1。

圖1 單轉爐S1期SO2產生量波動曲線

表1 不同比例系數K的時間占比情況

1.2.2 單轉爐S2期SO2波動曲線

S2期持續時間約0.78 h，單轉爐S2期SO2產生量波動曲線見圖2，不同比例系數K的時間占比情況見表2。

圖2 單轉爐S2期SO2產生量波動曲線

表2 不同比例系數K的時間占比情況

1.2.3 單轉爐B期SO2波動曲線

B期持續時間約3.6 h，單轉爐B期SO2產生量波動曲線見圖3，不同比例系數K的時間占比情況見表3。

圖3 單轉爐B期SO2產生量波動曲線

表3 不同比例系數K的時間占比情況

1.2.4 曲線的可靠性分析

由于轉爐吹煉各階段過程中，最大SO2產生量均遠高于本階段折算小時平均SO2產生量，尤其以轉爐B期產生的SO2量最大，為進一步確認高值SO2產生的可能性，筆者從轉爐SO2產生機理與轉爐送風量進行可靠性分析。

在造銅期，熔體成分接近于Cu2S，反應方程式 （3）、（4）合并得 ：

式 （5）中，消耗 1 mol O2生成 1 mol SO2，反應消耗的氧氣量等于產生的SO2量。

以和鼎銅業某次轉爐B期作業為例，該次造銅期平均SO2產生量約為6 800 m3/h，轉爐最大送風量為 36 300 m3/h，配風后φ（O2）最高約為 25% 計，氧氣最大配入量為1 938 m3/h，配氧后實際入爐氧氣量為 ：36 300×0.21+1 938=9 561（m3/h）。

因此，從產生機理的可能性分析，該次造銅期各時刻的最大 SO2產生量約為 9 561 m3/h。

同時，根據單轉爐B期SO2產生量波動曲線，B期高硫工況下轉爐最大SO2產生量約為平均SO2產生量的 1.4 倍，即為 6 800×1.4=9 520（m3/h）。

由上述可知，根據單轉爐B期SO2波動曲線和B期平均SO2產生量估算得出的該B期最大SO2產生量，與采用理論計算方式得出的最大SO2產生量相差不大，因此轉爐B期最大SO2產生量是合理的。

2 轉爐吹煉SO2產生量波動曲線在二期制酸系統設計中的應用

在和鼎銅業二期制酸系統建設中，為避免設計過程中由于冶煉專業提供的煙氣條件的偏差，造成制酸系統設計SO2處理能力過低，進轉化器的SO2濃度無法控制，以及一段催化劑床層底部溫度超溫等情況的發生，筆者在和鼎銅業二期制酸系統設計時，采用轉爐SO2產生量波動曲線對進制酸系統設計煙氣條件進行了修正。

2.1 二期進制酸系統煙氣條件

設計院提供二期進制酸系統煙氣條件見表4。

表4 設計院提供二期進制酸煙氣條件

二期建成后，4臺轉爐采取3H2B操作（4臺轉爐中1臺冷備，最多2臺同時送風），硫酸總產量約為 1 300 kt/a[以 w（H2SO4）100% 計 ][2]。組合后進制酸系統最大煙氣條件工況為：“2臺熔煉爐+S1+B”（2臺轉爐1臺處于S1期，1臺處于B期）。

2.2 進制酸系統煙氣條件的修正

為準確測算進制酸系統真實的SO2變化情況，尤其是制酸系統的最大SO2進入量，采用轉爐SO2產生量波動曲線對轉爐進制酸系統煙氣條件修正的方式為：以設計院提供的轉爐各作業期SO2產生量作為該作業期轉爐平均SO2產生量，平均SO2產生量乘以對應時間點的比例系數即為各時間點SO2產生量。

修正前進制酸系統煙氣條件（不考慮2臺轉爐同時B期作業）見表5。

表5 修正前進制酸系統煙氣條件

從表5可知，進制酸系統最大SO2量為“2臺熔煉爐+S1+B”工況下，進制酸系統SO2流量：13 822+13 820+5 850+7 663=41 155（m3/h）。

根據轉爐SO2產生量波動曲線，轉爐S1期最大比例系數Kmax約為1.25，轉爐B期最大比例系數Kmax約為1.4。轉爐S1期最大SO2產生量約為平均值的 1.25 倍，即 5 850×1.25=7 313 （m3/h）；轉爐B期最大SO2產生量約為平均值的1.4倍，即7 663×1.4=10 728 （m3/h）。修正后實際進制酸系統最大SO2流量見表6。

表6 修正后實際進制酸系統最大SO2流量

根據表6，修正后進制酸系統的最大SO2流量為 13 822+13 820+7 313+10 728=45 683 （m3/h）。

根據以上修正，和鼎銅業二期制酸系統按實際最大 SO2處理量 45 683 m3/h 進行設計。

2.3 二期制酸系統的運行實踐

和鼎銅業二期系統投運后，進制酸系統的SO2流量波動情況基本接近修正后的預估值，未出現由于無法控制而造成的轉化一段催化劑床層底部超溫、轉化器進口SO2濃度過高等異常現象。相同產能情況下，實際進制酸系統最大SO2流量與修正值基本吻合。2021年10月29日進制酸系統最大SO2流量見表7。

表7 2021年10月29日進制酸系統最大SO2流量

3 結語

筆者通過對和鼎銅業一期項目運行情況進行分析，繪制出轉爐SO2產生量波動曲線，并將該曲線在和鼎銅業二期制酸系統設計中進行了應用實踐。通過實踐，驗證了轉爐SO2產生量波動曲線的合理性，避免了由于設計條件偏差，設計制酸系統SO2處理能力小于冶煉系統最大SO2釋放量而造成限產現象的發生。經測算，通過轉爐SO2產生量波動曲線對二期制酸系統設計煙氣條件的修正，將進制酸系統最大SO2處理量由原設計條件的41 155 m3/h，修正至45 683 m3/h，避免了后期生產中由于實際進制酸系統SO2流量大于設計進制酸系統最大SO2處理量時，而不得不進行的熔煉下礦量的縮減。按設計院提供的二期礦產粗銅300 kt/a，硫酸1 300 kt/a，熔煉爐SO2產生量27 642 m3/h（1#、2#熔煉爐合計），修正的SO2處理量可避免冶煉系統49 143 t/a的銅產能和212 951 t/a硫酸產能的損失。按陰極銅6萬元/t，硫酸300元/t計，年挽回陰極銅產值294 856萬元，硫酸產值6 389萬元。