銅冶煉工程煙氣脫硫方案比選思路

福建省環(huán)境科學(xué)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(huán)境科學(xué)研究院 盧 宸

該文針對(duì)銅冶煉工程冶煉煙氣的特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)例論述脫硫措施的比選過(guò)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(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)和環(huán)保措施設(shè)計(jì)提供思路，供環(huán)保工作者參考和借鑒。

銅冶煉 活性焦 脫硫方案比選 環(huán)境影響評(píng)價(jià)

工業(yè)項(xiàng)目是基礎(chǔ)建設(shè)的一環(huán)，工程的興建拉動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，促進(jìn)了社會(huì)的繁榮，但同時(shí)又影響到項(xiàng)目周邊的自然環(huán)境與人居環(huán)境。如何最大程度地減少工程對(duì)環(huán)境的破壞，把環(huán)境可持續(xù)發(fā)展工作做得更好，是環(huán)保工作的重點(diǎn)目標(biāo)。在環(huán)評(píng)與可研階段，提前介入工程環(huán)保措施設(shè)計(jì)，提出符合針對(duì)性、具體性、經(jīng)濟(jì)合理性和技術(shù)可行性原則的環(huán)保措施是環(huán)?！叭瑫r(shí)”工作的關(guān)鍵。本文以筆者參與的紫金銅業(yè)年產(chǎn)20萬(wàn)噸銅冶煉項(xiàng)目脫硫工藝改造工程為例，論述在工程設(shè)計(jì)初期委托環(huán)境影響評(píng)價(jià)時(shí)如何比選脫硫措施的工藝先進(jìn)性、環(huán)境可行性、經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理性，為項(xiàng)目后續(xù)的環(huán)保措施工程設(shè)計(jì)提供有效支撐，也為選擇銅冶煉項(xiàng)目冶煉煙氣的脫硫措施方案提供參考。

1 工程概況

環(huán)保措施方案分析包括兩個(gè)層次，首先對(duì)項(xiàng)目可研報(bào)告等文件提供的污染防治措施進(jìn)行技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)合理性及運(yùn)行的可靠性評(píng)價(jià)，若所提措施有的不能滿(mǎn)足環(huán)保要求，則需提出切實(shí)可行的改進(jìn)和完善建議。因此應(yīng)結(jié)合工程概況分析其產(chǎn)污環(huán)節(jié)，了解污染源的分布和強(qiáng)度，切入重點(diǎn)，針對(duì)不同的污染因子進(jìn)行分析，提出適應(yīng)性的措施方向。

該銅冶煉項(xiàng)目是指銅精礦經(jīng)“蒸汽干燥—閃速熔煉—PS-轉(zhuǎn)爐吹煉（+渣選礦）—陽(yáng)極爐精煉—電解”工藝生產(chǎn)陰極銅的冶煉工程。銅冶煉過(guò)程的煙氣包括閃速爐、PS轉(zhuǎn)爐、陽(yáng)極爐的煙氣，經(jīng)動(dòng)力波稀酸洗滌凈化、兩轉(zhuǎn)兩吸制酸工藝生產(chǎn)副產(chǎn)品硫酸，尾氣高空排放。另外閃速爐、PS轉(zhuǎn)爐、陽(yáng)極爐等設(shè)備的放料口等產(chǎn)煙點(diǎn)逸出的環(huán)境煙氣亦由吸風(fēng)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(guò)程產(chǎn)生的煙氣中SO2含量較高，煙氣都必須經(jīng)脫硫處理后方可排放。

2 工藝比選

在明確建設(shè)項(xiàng)目產(chǎn)生的污染物特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，充分調(diào)查同類(lèi)企業(yè)現(xiàn)有環(huán)保處理方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)運(yùn)行指標(biāo)，針對(duì)本項(xiàng)目某污染物提出多項(xiàng)環(huán)保措施備選方案，并對(duì)其合理性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性綜合橫向比較，最終選定相對(duì)完善的方案。

含硫煙氣脫硫大多采取傳統(tǒng)成熟的濕法脫硫工藝，紫金銅業(yè)年產(chǎn)20萬(wàn)噸銅冶煉工程的原工可方案中，熔煉煙氣與環(huán)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(shè)計(jì)單位又從銅冶煉項(xiàng)目的特殊性出發(fā)提出了活性焦干法脫硫工藝方案。

設(shè)計(jì)與環(huán)評(píng)過(guò)程中從工藝原理、吸收劑、副產(chǎn)品、脫硫效率、操作環(huán)境、環(huán)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(yōu)缺點(diǎn)，最終確定以活性焦干法脫硫工藝為設(shè)計(jì)方案。方案比選過(guò)程與選定理由后文詳述。

2.1 備選脫硫工藝方案（見(jiàn)表1）

表1 備選脫硫工藝方案表

2.2 脫硫工藝簡(jiǎn)介

為深入了解選定脫硫工藝的先進(jìn)性、合理性以及經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)對(duì)選定工藝的原理、工藝流程、國(guó)內(nèi)外運(yùn)行實(shí)例、主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行闡述。MgO法與石灰石膏法均為十分成熟并應(yīng)用廣泛的工藝，本文不再詳述其工藝原理。以下對(duì)推薦方案活性焦脫硫工藝進(jìn)行詳述，以便說(shuō)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(shù)始于20世紀(jì)60年代，20世紀(jì)80年代開(kāi)始工業(yè)應(yīng)用。目前該技術(shù)已應(yīng)用于處理各種工業(yè)廢氣，如燃煤鍋爐煙氣、燒結(jié)機(jī)煙氣和垃圾焚燒煙氣，涉及化工、電力、冶金等多個(gè)行業(yè)。該技術(shù)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、中間試驗(yàn)和工業(yè)化應(yīng)用的檢驗(yàn)和完善，目前已成功應(yīng)用于電廠(chǎng)鍋爐、冶煉系統(tǒng)的煙氣治理系統(tǒng)中。

活性焦煙氣脫硫是一種可資源化的干法煙氣凈化技術(shù)。該技術(shù)利用具有獨(dú)特吸附性能的活性焦對(duì)煙氣中的SO2進(jìn)行選擇性吸附，吸附態(tài)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(chǔ)存在活性焦孔隙內(nèi)；同時(shí)活性焦吸附層相當(dāng)于高效顆粒層過(guò)濾器，在慣性碰撞和攔截效應(yīng)作用下，煙氣中的大部分粉塵顆粒在床層內(nèi)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(yīng)被還原為SO2，同時(shí)活性焦恢復(fù)吸附性能，循環(huán)使用；活性焦的加熱再生反應(yīng)相當(dāng)于對(duì)活性焦進(jìn)行再次活化。吸附和催化活性不但不會(huì)降低，還會(huì)有一定程度的提高。

反應(yīng)原理化學(xué)方程式如下：

吸附反應(yīng)：SO2＋1/2O2＋H2O＝H2SO4

解吸反應(yīng)：2H2SO4＋C＝2SO2+CO2+2H2O

表2列出了部分國(guó)內(nèi)外工業(yè)企業(yè)利用活性焦脫硫技術(shù)的工程實(shí)踐情況。

表2 活性焦脫硫工藝工程成功實(shí)踐案例一覽表

注:空缺表示數(shù)據(jù)未收集到。

2.2.2活性焦脫硫工藝方法及主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

活性焦脫硫工藝系統(tǒng)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(guān)管路，脫硫塔由一個(gè)進(jìn)氣室，兩列吸附床以及兩個(gè)出氣室組成，煙氣經(jīng)煙道系統(tǒng)送入脫硫塔的進(jìn)氣室，在吸附床（活性焦）阻礙作用下，煙氣在進(jìn)氣室內(nèi)均勻流向兩側(cè)吸附層，吸附床由上至下分為儲(chǔ)料布料段、吸附段和排料段，儲(chǔ)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(shí)起到在吸附床頂部進(jìn)料部位對(duì)煙氣的過(guò)濾作用。煙氣與自上向下靠重力緩慢移動(dòng)的活性焦錯(cuò)流接觸（煙氣流向與活性焦移動(dòng)方向成90度角），脫除絕大部分煙塵和SO2。凈化后的煙氣穿過(guò)出氣面格柵流入出氣室，再由出氣室排入煙道系統(tǒng)。煙氣流過(guò)脫硫塔所需的壓頭由主裝置系統(tǒng)升壓風(fēng)機(jī)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(jìn)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(jìn)料段、加熱段、抽氣段、冷卻段和排料段。再生塔內(nèi)活性焦的流動(dòng)速度通過(guò)安裝在再生塔出料口的斜進(jìn)料星形卸料器控制，與脫硫塔的脫硫效率聯(lián)鎖，即：脫硫效率不滿(mǎn)足要求時(shí)，加快再生塔排料速度，反之，脫硫效率超過(guò)上限值時(shí)，減慢再生塔排料速度。為了確保設(shè)備運(yùn)行安全可靠，活性焦預(yù)熱、加熱、冷卻的換熱介質(zhì)均為氮?dú)??；钚越乖诩訜岫伪桓邷氐獨(dú)庥?0℃左右加熱到370℃，同時(shí)高溫氮?dú)獗焕鋮s；換熱風(fēng)機(jī)抽出加熱段排出的氮?dú)猓?60℃左右）經(jīng)水冷換熱器換熱，維持送入再生塔冷卻段的氮?dú)鉁囟群愣ǎ?0℃左右），再生后的活性焦被低溫氮?dú)饫鋮s至120℃左右，同時(shí)低溫氮?dú)獗桓邷鼗钚越辜訜嶂林袦貭顟B(tài)（300℃左右）；采用電加熱器將中溫氮?dú)庠偌訜嶂粮邷貭顟B(tài)后送入加熱段，閉路循環(huán)使用?；钚越乖偕a(chǎn)出的再生氣由SO2風(fēng)機(jī)經(jīng)抽氣管抽出，送硫酸車(chē)間制酸，再生后的活性焦經(jīng)物料循環(huán)系統(tǒng)返回脫硫塔使用。

物料循環(huán)系統(tǒng)由集料輸送機(jī)械、篩分機(jī)械、儲(chǔ)料設(shè)備、布料溜管構(gòu)成，包括兩臺(tái)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(duì)LD鏈斗提機(jī)、布料皮帶機(jī)、振動(dòng)篩以及料倉(cāng)產(chǎn)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(guò)高排氣筒排空。收集的焦粉排入煙塵罐，作為轉(zhuǎn)爐燃料加以利用。

活性焦脫硫工藝流程見(jiàn)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(jìn)行綜合比較，列表對(duì)比能更加直觀(guān)地分析各備選方案的優(yōu)缺點(diǎn)以及與擬建項(xiàng)目的適用性。

表3 脫硫工藝綜合對(duì)比

2.4 活性焦法脫硫?qū)︺~冶煉項(xiàng)目的適用性

方案一選定MgO法與石灰石—石膏法分別處理環(huán)境集煙煙氣與制酸陽(yáng)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(diǎn)，且在國(guó)內(nèi)外都有成熟的工程運(yùn)行實(shí)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(shì)在于：①初期投資和日常運(yùn)行脫硫成本較高。②除水耗很低外，電耗等其余指標(biāo)均高于另兩種脫硫工藝。但紫金銅業(yè)年產(chǎn)20萬(wàn)噸銅冶煉項(xiàng)目仍推薦選擇活性焦脫硫工藝，主要基于以下幾個(gè)方面分析：

2.4.1節(jié)水

脫硫過(guò)程幾乎不耗水，無(wú)廢水產(chǎn)生，這些特點(diǎn)是其他工藝不具備的。結(jié)合擬建項(xiàng)目廠(chǎng)址周邊水資源不豐富，此工藝恰好解決了這個(gè)矛盾，有利于系統(tǒng)的正常運(yùn)行，保護(hù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境質(zhì)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(wèn)題，活性焦干法脫硫基本無(wú)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(yè)

考慮到有色冶煉行業(yè)煙氣量波動(dòng)大而且頻繁的特點(diǎn)，活性焦干法煙氣脫硫?qū)ω?fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)，可以隨時(shí)調(diào)整最佳的凈化效果。

2.4.4運(yùn)行可靠、管理便利

煙氣排煙溫度高，無(wú)需再熱，減輕設(shè)備腐蝕，脫硫系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。從設(shè)備日常運(yùn)行管理來(lái)看，傳動(dòng)設(shè)備少，維護(hù)工作量小，便于實(shí)現(xiàn)全廠(chǎng)統(tǒng)一管理和維護(hù)。主要運(yùn)行成本在于活性焦的添置費(fèi)用，較濕法脫硫大大減少了人工成本，減少了更多的管理環(huán)節(jié)。

2.4.5脫硫劑來(lái)源

脫硫劑活性焦可再生循環(huán)利用，以煤炭為原料生產(chǎn)，適合我國(guó)煤炭資源豐富的國(guó)情。

2.4.6副產(chǎn)品收益大

該工程的特點(diǎn)是銅精礦中含有大量的S，冶煉過(guò)程產(chǎn)生的煙氣中SO2產(chǎn)生量很大，如采取濕法脫硫?qū)轉(zhuǎn)化為硫酸鎂渣與脫硫石膏，并不是實(shí)現(xiàn)S資源綜合利用與回收的最佳途徑。而通過(guò)對(duì)廢活性焦的脫附與再生過(guò)程，能解析出大量處于封閉管路中可控狀態(tài)的SO2，能夠很方便地利用制酸車(chē)間制備硫酸。副產(chǎn)品硫酸是用途廣泛的工業(yè)原料，副產(chǎn)品的效益遠(yuǎn)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(chǎn)品收益的條件下，再次計(jì)算環(huán)保設(shè)施的年運(yùn)行費(fèi)用可得出以下結(jié)果：①采用原設(shè)計(jì)的濕法脫硫工藝情況下，環(huán)境集煙煙氣MgO法脫硫工藝年運(yùn)行費(fèi)用108.3萬(wàn)元（已折算72萬(wàn)元副產(chǎn)品收益）、制酸尾氣石灰石—石膏法工藝年運(yùn)行費(fèi)用297.4萬(wàn)元（已折算31.3萬(wàn)元副產(chǎn)品收益），合計(jì)405.7萬(wàn)元；②環(huán)境集煙煙氣與制酸尾氣均采用活性焦干法脫硫工藝年運(yùn)行費(fèi)用165萬(wàn)元（已折算762.4萬(wàn)元副產(chǎn)品收益）。二者對(duì)比后，采用活性焦干法脫硫，全廠(chǎng)可節(jié)省年運(yùn)行費(fèi)用240.7萬(wàn)元。

3 環(huán)境可行性分析

選定的環(huán)保措施是否合理，可從環(huán)保措施的排污達(dá)標(biāo)性與外環(huán)境的可行性二者相結(jié)合加以驗(yàn)證。

3.1 脫硫裝置排放數(shù)據(jù)分析

紫金銅業(yè)年產(chǎn)20萬(wàn)噸銅冶煉項(xiàng)目于2012年9月開(kāi)展了工程竣工環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收工作。驗(yàn)收監(jiān)測(cè)期間，平均生產(chǎn)負(fù)荷為87.7%，滿(mǎn)足建設(shè)項(xiàng)目竣工環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收監(jiān)測(cè)對(duì)工況達(dá)到75%以上生產(chǎn)負(fù)荷的要求，因此驗(yàn)收監(jiān)測(cè)期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以作為該工程采取活性焦干法脫硫環(huán)境可行性的有效依據(jù)。

制酸廢氣與環(huán)境集煙廢氣進(jìn)出口的SO2監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，采取活性焦干法脫硫措施后的制酸尾氣與環(huán)境集煙煙氣排放數(shù)據(jù)均能夠達(dá)到《銅、鎳、鈷工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB25467-2010）中的標(biāo)準(zhǔn)限值要求，也達(dá)到了項(xiàng)目批復(fù)的污染物排放總量控制要求。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 工程竣工環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收監(jiān)測(cè)結(jié)果（SO2）

3.2 外環(huán)境可行性分析

引用項(xiàng)目環(huán)評(píng)報(bào)告的環(huán)境空氣預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)比環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，SO2小時(shí)最大落地濃度疊加背景值后為0.2483mg/m3（占標(biāo)率49.7%），SO2最大日均濃度疊加背景值后為0.0256mg/m3（占標(biāo)率17.1%），SO2平均濃度最大貢獻(xiàn)值為1.544ug/m3（占標(biāo)率2.6%），全年逐時(shí)逐日SO2影響預(yù)測(cè)結(jié)果均可滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

項(xiàng)目竣工環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收監(jiān)測(cè)報(bào)告中，工程試運(yùn)行期間周邊環(huán)境敏感目標(biāo)的SO2調(diào)查值（小時(shí)均值最大占標(biāo)率73.6%、日均值最大占標(biāo)率29.3%）亦驗(yàn)證了外環(huán)境中SO2濃度能夠達(dá)到環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的可行性。

3.3 環(huán)境可行性小結(jié)

綜上所述，從本項(xiàng)目SO2排放影響逐日逐時(shí)的預(yù)測(cè)結(jié)果與項(xiàng)目竣工環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，采取活性焦干法脫硫工藝從大氣環(huán)境保護(hù)角度考慮是可行的。

4 結(jié)論

銅冶煉項(xiàng)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(huán)境效益和資源效益，是循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的具體體現(xiàn)。在環(huán)評(píng)與可研階段提前介入工程環(huán)保措施設(shè)計(jì)，綜合對(duì)比各種可行方案，并選定最具針對(duì)性、經(jīng)濟(jì)合理性和技術(shù)可行性的環(huán)保措施是環(huán)?！叭瑫r(shí)”工作的關(guān)鍵。本文可為環(huán)保工作者們?cè)谶x擇銅冶煉項(xiàng)目冶煉煙氣脫硫方式時(shí)碰到的類(lèi)似問(wèn)題提供借鑒。

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