銅冶煉廠脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賽智濤

（云南銅業(yè)股份有限公司，云南 昆明 650000）

最近幾年來我國(guó)的有色冶煉技術(shù)得到了飛躍式的發(fā)展，各種各樣的新工藝開始注重對(duì)環(huán)境的保護(hù)，雖然在金屬的冶煉過程當(dāng)中采取了多種措施對(duì)硫化物進(jìn)行脫離分解，進(jìn)而防止煙霧的傳播，但是很多流程當(dāng)中仍然會(huì)不可避免地產(chǎn)生一些濃度較低的二氧化硫氣體擴(kuò)散到周圍的環(huán)境當(dāng)中，使得銅冶煉廠的廠房中存在很多有毒氣體，嚴(yán)重地影響了操作人員的生命健康，而且也會(huì)影響到周遭的環(huán)境和空氣質(zhì)量。因此，為了能夠進(jìn)一步滿足環(huán)保建設(shè)的要求，也為工人的安全提供更有效的保障，銅冶煉廠的環(huán)境和脫硫技術(shù)以及脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也越發(fā)地受到人們的關(guān)注。

1 銅冶煉廠脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

在我國(guó)，大多銅冶煉廠當(dāng)中采用的還是較為傳統(tǒng)的冶煉技術(shù)和脫硫技術(shù)，主要的操作方法就是在冶煉的廠房?jī)?nèi)部，安插一定的通風(fēng)系統(tǒng)，然后由通風(fēng)系統(tǒng)將各個(gè)路口所飄散出來的二氧化硫氣體進(jìn)行收集、匯總，將這些有害氣體集中排放到外界，但是由于這個(gè)系統(tǒng)本身對(duì)二氧化硫氣體的吸收并不能達(dá)到100%，所以還是有部分二氧化硫氣體會(huì)飄散在廠房?jī)?nèi)部被工人所接觸到和吸收到，這對(duì)他們的身體健康造成嚴(yán)重的損害，甚至有一些冶煉廠中會(huì)出現(xiàn)員工大范圍爆發(fā)癌癥的現(xiàn)象，這些就是有毒氣體沒有被及時(shí)的收集、匯總所引起的。除此之外，在對(duì)二氧化硫等有毒氣體進(jìn)行戶外排放的時(shí)候，還會(huì)對(duì)周邊的空氣和環(huán)境造成一定的污染，影響周邊的空氣質(zhì)量，給周邊人群的生活帶來嚴(yán)重的影響。而且隨著近幾年來對(duì)環(huán)保要求的不斷提高，這種對(duì)外排放含硫氣體的方式，也逐漸被禁止，現(xiàn)在很多冶煉廠中所采用的脫硫方法還比較傳統(tǒng)，通常會(huì)以石灰石-石膏法、氨法、活性焦法和有機(jī)溶劑法來進(jìn)行脫硫。

2 脫硫工藝的選擇原則

由于銅冶煉廠在冶煉的過程當(dāng)中會(huì)因?yàn)闇囟鹊牟煌退s質(zhì)的不同，而產(chǎn)生各種各樣的含硫化合物，所以根據(jù)實(shí)際的操作情況，也需要對(duì)相關(guān)的工藝進(jìn)行選擇，如果在不知道冶煉過程當(dāng)中產(chǎn)生了哪種污染物的情況下，就應(yīng)該先去調(diào)查同類企業(yè)現(xiàn)在所使用的環(huán)保處理方案，以及所達(dá)到的經(jīng)濟(jì)技術(shù)運(yùn)行指標(biāo)，才能夠真正提出多項(xiàng)對(duì)環(huán)境友好，對(duì)所產(chǎn)生的污染物有效的多項(xiàng)環(huán)保措施和預(yù)備選擇方案，這樣才能夠通過對(duì)比，選擇最為完善的脫硫系統(tǒng)。

而在銅冶煉的不同流程當(dāng)中所產(chǎn)生的含有硫元素的有害化合物也各不相同，因此需要根據(jù)冶煉廠的實(shí)際情況，對(duì)所產(chǎn)生的有害含硫化合物進(jìn)行分析，才能選擇最為合適的脫硫工藝。

3 常見脫硫工藝概述

3.1 石灰石-石膏法

目前在全世界范圍內(nèi)運(yùn)用較為廣泛，較為常見，較為方便成熟的技術(shù)就是石灰石-石膏法，也就是我們常說的濕法脫硫技術(shù)。目前在我國(guó)很多的火力發(fā)電廠當(dāng)中，都會(huì)利用濕法脫硫技術(shù)來降低空氣中以及冶煉廠當(dāng)中含有的硫化物質(zhì)，而在一些有色金屬的冶煉過程中，濕法脫硫技術(shù)也得到了非常廣泛的應(yīng)用，首先就是由于這個(gè)工藝被大多數(shù)人所認(rèn)可，而且比較方便，操作熟悉，所需要使用的原材料可靠，價(jià)格相對(duì)來說也比較低，所投入的成本也就不多，所以在過去的幾十年里，很多銅冶煉廠當(dāng)中的脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)，總會(huì)利用到濕法脫硫技術(shù)，但是隨著現(xiàn)代化冶煉技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)各種金屬的需求量的不斷增加，這種傳統(tǒng)的技術(shù)也受到了一定的限制，一方面由于很多有色金屬例如銅、鐵等在冶煉的過程中所產(chǎn)生的煙氣含有很多的雜質(zhì)和有害氣體，而在脫硫的過程當(dāng)中并沒有在前端安插煙氣凈化系統(tǒng)，使得很多爐口渣口處所產(chǎn)生的煙氣和灰塵會(huì)直接進(jìn)入到空氣當(dāng)中，或者是在后續(xù)的脫硫系統(tǒng)當(dāng)中，影響脫硫工藝，導(dǎo)致最終所產(chǎn)生的石膏不符合規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，這些石膏產(chǎn)品也就難以得到有效的利用。石灰石-石膏法脫硫工藝流程如圖1所示。

圖1 石灰石-石膏法脫硫工藝流程圖

該工藝主要化學(xué)反應(yīng)：

采用石灰石時(shí)：總反應(yīng)SO2+CaCO3+2H2O→CaSO3+2H2O+CO2

采用石灰時(shí)：總反應(yīng)SO2+CaO+2H2O→CaSO3+2H2O

氧化反應(yīng)：CaSO3+2H2O+1/2O2→CaSO4+2H2O

3.2 氨法

氨法脫硫技術(shù)是一項(xiàng)符合現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)循環(huán)要求和環(huán)境友好的脫硫技術(shù)，而且氨法脫硫技術(shù)所產(chǎn)生的副產(chǎn)品是硫酸氨，這些副產(chǎn)品可以用作化肥，對(duì)外出售還帶來了另外一層經(jīng)濟(jì)收益，氨法脫硫技術(shù)相對(duì)而言較為成熟，而且能夠滿足多種工業(yè)化應(yīng)用的需求，它的主要原理就是利用氨氣作為吸收煙氣當(dāng)中二氧化硫的主體然后在此過程中生成亞硫酸氨，這種方式相對(duì)于石灰石-石膏法更加具有現(xiàn)代工藝的氣息，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)原材料和副產(chǎn)品的高效利用，更加符合經(jīng)濟(jì)化的要求。

3.3 鈉堿法

鈉堿法脫硫工藝所采用的原理就是利用氫氧化鈉和碳酸鈉作為脫硫系統(tǒng)當(dāng)中的吸收劑，對(duì)氨氣進(jìn)行充分的吸收，最終生成無水亞硫酸鈉，這種脫硫方法應(yīng)用較廣，而且能夠達(dá)到有效的脫硫效果。而且利用鈉堿法脫硫工藝所產(chǎn)生的產(chǎn)物多為固態(tài)，物體運(yùn)輸起來比較方便，亞硫酸鈉也被廣泛的應(yīng)用于造紙行業(yè)，需求量比較大，可以給企業(yè)帶來更為廣泛的經(jīng)濟(jì)效益。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在確定采用氨法脫硫技術(shù)作為本項(xiàng)目工藝方案后，開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。本項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要在三方面：

首先，本項(xiàng)目采用氨水作為脫硫劑，氨水的用量是否能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的需求是關(guān)鍵。同時(shí)，氨水屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，對(duì)它的運(yùn)輸、管理及使用都必須符合國(guó)家相關(guān)管理規(guī)范。

其次，本工程主要特點(diǎn)為內(nèi)容點(diǎn)多、面廣，大型物件吊裝及高空作業(yè)多，物流通道及作業(yè)空間狹窄，冬季嚴(yán)寒施工，安全及消防壓力大，同時(shí)還要協(xié)調(diào)項(xiàng)目施工檢修銜接。上述特點(diǎn)決定了本項(xiàng)目需加強(qiáng)管理，采取超常規(guī)措施確保順利實(shí)施。

最后，根據(jù)擬選型設(shè)備所處在系統(tǒng)的位置不同，所承載煙氣狀態(tài)、溫度、性質(zhì)不同，需要重點(diǎn)考慮防腐設(shè)計(jì)。

4.1 工藝流程設(shè)計(jì)

環(huán)保脫硫煙氣經(jīng)過管道及增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)入洗滌塔洗滌降溫后，進(jìn)入初級(jí)脫硫塔與氨水反應(yīng)，初步吸收，再進(jìn)入到脫硫塔進(jìn)行SO2的吸收，母液反向從脫硫進(jìn)入洗滌槽，再進(jìn)入初級(jí)脫硫塔，吸收液氧化后輸送至固體硫酸銨工序生產(chǎn)，洗滌凈化塔液體通過煙塵過濾、后循環(huán)至含酸量達(dá)到一定量后，用泵輸送至制酸區(qū)凈化工序處理，根據(jù)系統(tǒng)流程，本項(xiàng)目具體可將工藝分為脫硫工序、硫銨工序。脫硫工藝流程圖如圖2所示。

圖2 脫硫工藝流程圖

4.1.1 脫硫工序

從轉(zhuǎn)爐、電爐出來的環(huán)保煙氣經(jīng)增壓風(fēng)機(jī)引入脫硫塔下段洗滌（濃縮段），與從氨水罐輸送來的硫酸銨飽和溶液接觸，降溫后的煙氣進(jìn)入吸收段（脫硫段），煙氣中的SO2與噴淋下的吸收液充分接觸反應(yīng)后被吸收，然后煙氣經(jīng)過除霧器，凈化后的煙氣優(yōu)于排放標(biāo)準(zhǔn)，由塔頂煙囪排放。吸收液在塔內(nèi)被壓縮氧化為硫銨溶液送去過濾。該工序又可分為洗滌降溫、SO2的吸收、吸收液的氧化和事故保護(hù)裝置等四個(gè)工藝過程。

洗滌降溫?；旌蠠煔饨?jīng)增壓風(fēng)機(jī)首先送入脫硫裝置吸收氧化塔中部與從上部噴淋下的三級(jí)吸收液接觸，混合煙氣在此過程中進(jìn)行絕熱蒸發(fā)、降溫、洗滌，硫酸銨溶液中部分水分蒸發(fā)汽化，并使硫銨溶液濃度得到濃縮，當(dāng)硫銨溶液濃度達(dá)到要求的密度時(shí)，過濾后由泵送至硫銨工序硫銨溶液貯槽。同時(shí)混合煙氣中大部分煙塵被硫酸銨溶液洗滌除去。

SO2的吸收。在上部吸收段，混合煙氣自下而上穿過三級(jí)噴淋的吸收液，并與吸收液進(jìn)行傳質(zhì)反應(yīng)，SO2被吸收脫出，凈化的混合煙氣經(jīng)塔體上部除沫器除霧后，溫度降至41℃由塔頂濕煙囪達(dá)標(biāo)排放。三級(jí)吸收液經(jīng)吸收后一起流入吸收氧化塔下部，根據(jù)SO2吸收的基本原理，（NH4）2SO3和NH3對(duì)SO2均具有較強(qiáng)的化學(xué)吸收作用，因NH3在溶液中的平衡分壓大，而（NH4）2SO3在溶液中的平衡分壓小，在吸收過程中，主要以（NH4）2SO3來吸收SO2，大大降低NH3的逸出，使氨逃逸質(zhì)量濃度≤10 mg/m3。為保證高的吸收效率和減少NH3逸出，本項(xiàng)目在工藝技術(shù)和設(shè)備上，主要利用（NH4）2SO3的吸收功能，NH3只作為（NH4）2SO3吸收劑的再生原料來補(bǔ)充。隨著吸收過程的進(jìn)行，吸收液成分不斷發(fā)生改變，使吸收能力降低，為保持吸收效率，需不斷補(bǔ)充新的脫硫劑——氨水，使吸收劑得到再生。

吸收液的氧化。吸收氧化塔下部的吸收液，通過塔內(nèi)設(shè)置的曝氣裝置，從塔底通入氧化壓縮空氣，在過量空氣的作用下，吸收液中的亞硫酸銨在氧化塔內(nèi)被氧化為硫酸銨，氧化率可達(dá)98.5%以上。

事故保護(hù)。為保證脫硫吸收系統(tǒng)在故障停運(yùn)或停電時(shí)不影響廠區(qū)主體裝置的正常運(yùn)行，避免高溫?zé)煔鈱?duì)脫硫吸收系統(tǒng)造成損害，同時(shí)避免高溫?zé)焿m進(jìn)入脫硫吸收系統(tǒng)而影響硫銨產(chǎn)品達(dá)到一級(jí)品的質(zhì)量要求，本項(xiàng)目在進(jìn)脫硫裝置前的煙道上和去廠區(qū)主煙囪的煙道上設(shè)置閥門以及在進(jìn)吸收氧化塔進(jìn)口設(shè)置事故噴淋水裝置。當(dāng)脫硫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，去廠區(qū)主煙囪進(jìn)口煙道上的電動(dòng)蝶閥門關(guān)閉，進(jìn)脫硫裝置前的煙道上的鐘罩閥門打開，混合煙氣經(jīng)增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)入脫硫塔。由于洗滌吸收塔為碳鋼襯玻璃鱗片，熱膨脹系數(shù)不同，為防止局部溫度過高，在洗滌氧化塔進(jìn)口處設(shè)置降溫裝置和事故噴淋。當(dāng)突然停電或吸收泵發(fā)生故障導(dǎo)致溫度過高時(shí)，事故噴嘴會(huì)自動(dòng)噴淋工藝水降溫并報(bào)警。

4.1.2 硫銨工序

經(jīng)過脫硫工序，獲得硫酸銨濃縮液。在此工序中，借助三個(gè)具體工藝（蒸發(fā)結(jié)晶、分離干燥、包裝），得到硫酸銨產(chǎn)品。

硫銨蒸發(fā)結(jié)晶。改造后硫銨蒸發(fā)結(jié)晶為4臺(tái)，硫銨生產(chǎn)采用四班二運(yùn)轉(zhuǎn)，每班生產(chǎn)12 h，硫酸銨為間隙生產(chǎn)，每次蒸發(fā)時(shí)間16 h，邊蒸發(fā)邊補(bǔ)料，其余時(shí)間為物料周轉(zhuǎn)時(shí)間。借助硫銨溶液輸送泵，硫銨溶液被輸送至硫銨蒸發(fā)結(jié)晶器。加熱后者蒸汽盤管，使溶液蒸發(fā)，之后，借助蒸發(fā)結(jié)晶器，在蒸發(fā)同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)料，受到蒸發(fā)作用影響，硫酸銨溶液發(fā)生濃縮，濃度慢慢加大，上升至飽和后，得到硫銨晶粒最終產(chǎn)物。若結(jié)晶含量符合規(guī)定工藝指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)借助晶漿輸送泵，被輸送至硫銨高位槽（中間槽）。

硫銨晶粒的離心分離?；诿芏仍?，在高位槽中，晶粒（位于硫銨晶粒懸浮液中）發(fā)生自然下沉，都集中在底部，之后被放入離心機(jī)，實(shí)施固液分離，借助螺旋輸送機(jī)，將分離得到濕硫銨結(jié)晶顆粒輸送至沸騰爐干燥裝置，其中顆粒含水量在5%之下。

硫銨晶粒的干燥。含水率≤5%濕硫銨結(jié)晶顆粒在沸騰爐中，由送風(fēng)機(jī)送入熱空氣進(jìn)行沸騰干燥，得到含水率≤0.3%的固體硫銨成品。從沸騰爐出來的成品直接落入硫銨儲(chǔ)斗，再經(jīng)定量包裝機(jī)稱量、包裝后，送倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存、出售。

硫銨粉塵回收。硫銨干燥過程中夾帶粉塵的干燥空氣在引風(fēng)機(jī)的作用下，經(jīng)旋風(fēng)除塵器除塵后排入大氣。旋風(fēng)除塵器捕集的粉塵落入硫銨儲(chǔ)斗。

4.2 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

本氨法脫硫技術(shù)是低濃度SO2煙氣吸收氧化利用一體化技術(shù)。煙氣在脫硫塔洗滌吸收段經(jīng)洗滌降溫后進(jìn)入吸收段，煙氣在吸收段完成脫硫過程。含硫煙氣經(jīng)脫硫后達(dá)標(biāo)排放。煙氣中的二氧化硫的吸收過程按下列反應(yīng)式進(jìn)行：

上述反應(yīng)式表明，在吸收塔內(nèi)煙氣中的SO2被吸收，生成亞硫酸氫銨或亞硫酸銨；為有利于吸收反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，需在吸收液中注入氨氣使吸收液再生。其再生反應(yīng)如下：

當(dāng)部分吸收液流經(jīng)氧化段，鼓入氧化空氣使亞硫酸銨氧化成硫酸銨：

生成的硫酸銨溶液在脫硫塔洗滌段洗滌煙氣中煙塵的同時(shí)，絕熱蒸發(fā)使高溫?zé)煔饨禍兀涣蛩徜@溶液在此過程中也因水分蒸發(fā)而濃縮，達(dá)到一定工藝指標(biāo)送入硫銨工段。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在現(xiàn)代化的銅冶煉廠當(dāng)中，必須要加強(qiáng)對(duì)于脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，才能夠進(jìn)一步在保證冶煉質(zhì)量和冶煉效率的同時(shí)加強(qiáng)與環(huán)境之間的和諧發(fā)展。