銅冶煉環(huán)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(yè)有限公司，浙江 杭州 311400）

1 銅冶煉廠(chǎng)環(huán)集煙囪有色煙羽現(xiàn)象及危害

銅冶煉環(huán)集煙囪排放的煙氣主要來(lái)冶煉主廠(chǎng)房含有SO2、粉塵等污染物的環(huán)境空氣，包括熔煉爐渣口、放冰銅口，轉(zhuǎn)爐、陽(yáng)極爐環(huán)集煙氣、陽(yáng)極爐爐膛煙氣等。有些冶煉廠(chǎng)陽(yáng)極爐氧化階段工藝煙氣SO2濃度高，不進(jìn)入環(huán)集系統(tǒng)，進(jìn)入制酸系統(tǒng)處理。

這些煙氣一般經(jīng)過(guò)各自的除塵設(shè)備，匯總進(jìn)入環(huán)集脫硫系統(tǒng)脫硫處理后經(jīng)環(huán)集煙囪排空。

銅冶煉環(huán)集煙氣經(jīng)煙囪排入大氣，因天空背景色和天空光照、觀(guān)察角度等原因，視覺(jué)上通常為白色、灰色、藍(lán)色、黃色等。我國(guó)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(jīng)煙囪進(jìn)入大氣環(huán)境，遇冷凝結(jié)成微小液滴，產(chǎn)生“白色煙羽”。為降低銅冶煉環(huán)集煙氣排放污染物對(duì)環(huán)境的污染，銅冶煉環(huán)集煙氣一般經(jīng)除塵、脫硫設(shè)施后達(dá)標(biāo)排放。但時(shí)常環(huán)集煙囪會(huì)出現(xiàn)有色煙羽（不同于白色水蒸氣），帶來(lái)視覺(jué)污染。增加了附近居民的顧慮，也給冶煉廠(chǎng)的環(huán)保工作帶來(lái)一定的壓力[1]。也是導(dǎo)致霧霾天氣和酸雨的重要因素之一，嚴(yán)重危害環(huán)境及人體健康[2]。

2 環(huán)保煙囪藍(lán)/黃色煙羽成因

與白色煙羽不同，藍(lán)/黃色煙羽給附近居民帶來(lái)更加嚴(yán)重的困擾，環(huán)保煙囪冒藍(lán)/黃色煙羽的直接原因是煙氣中含有過(guò)量的SO3氣溶膠(硫酸霧)。SO3酸霧主要屬于亞微米級(jí)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(jié)中心，加強(qiáng)了凝結(jié)過(guò)程。硫酸氣溶膠的粒徑非常小，對(duì)光線(xiàn)產(chǎn)生散射；由于顆粒的尺寸和可見(jiàn)光的波長(zhǎng)接近，屬于瑞利散射。因此短波的藍(lán)色光線(xiàn)散射要比長(zhǎng)波的紅色光線(xiàn)強(qiáng)許多，最終使得煙囪在陽(yáng)光照射的反射側(cè)，排煙的煙羽呈現(xiàn)藍(lán)色，而在煙羽的另一側(cè)呈現(xiàn)黃褐色。

資料顯示，濕法脫硫系統(tǒng)對(duì)SO3酸霧的脫除效率僅為30%～80%，干法脫硫?qū)O3酸霧的脫除效率高達(dá)95%以上[3]。有色煙羽現(xiàn)象多發(fā)于應(yīng)用采用濕法脫硫工藝的銅冶煉廠(chǎng)。SO3酸霧形成及有色煙羽發(fā)生過(guò)程：

（1）煙氣進(jìn)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(jié)合形成硫酸酸霧。當(dāng)煙氣溫度低于酸露點(diǎn)時(shí)，硫酸酸霧通過(guò)均相成核和以顆粒物為凝結(jié)核的異相成核作用形成亞微米級(jí)的硫酸氣溶膠。按SO3-H2OH2SO4共存的氣態(tài)混合體系平衡理論，在煙氣降溫過(guò)程中的SO3轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩嵴羝姆蓊~不斷增高，煙溫降到110℃以下時(shí)SO3已全部轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩嵴羝鸋2SO4，此時(shí)所謂煙氣中的SO3實(shí)際上都是硫酸霧形態(tài)[4]。

（2）煙氣進(jìn)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(diǎn)以下，絕大部分硫酸酸霧通過(guò)均相成核作用形成亞微米級(jí)的硫酸氣溶膠。

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

圖1 SO3氣溶膠繞過(guò)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(jí)，顆粒尺寸與可見(jiàn)光波長(zhǎng)接近，其對(duì)光線(xiàn)的散射屬于瑞利散射。散射形成的短波藍(lán)色光線(xiàn)強(qiáng)度高于透射形成的長(zhǎng)波紅色光線(xiàn)，從而在光照的反射側(cè)觀(guān)察煙囪冒煙，呈現(xiàn)藍(lán)色煙羽。反之，在光照的透射側(cè)觀(guān)察煙囪冒煙，呈現(xiàn)黃色煙羽。

（5）煙氣中過(guò)量的硫酸氣溶膠導(dǎo)致煙囪冒藍(lán)/黃色煙羽。大多數(shù)情況下，當(dāng)排空煙氣中硫酸氣溶膠(包含SO3)濃度超過(guò)35.0mg/m3時(shí)，煙囪頂部就會(huì)出現(xiàn)明顯的藍(lán)/黃色煙羽。硫酸氣溶膠的濃度越大，藍(lán)/黃色煙羽的顏色越濃、長(zhǎng)度越長(zhǎng)。同時(shí)，當(dāng)煙囪頂部區(qū)域氣象條件，如風(fēng)速較低、光照較強(qiáng)時(shí)，藍(lán)/黃色煙羽更為明顯。

3 環(huán)保煙囪藍(lán)/黃色煙羽控制

3.1 噴堿性吸收劑

為消除有色煙羽，關(guān)鍵是降低煙氣中SO3含量。主要有噴堿性吸收劑，采用化學(xué)法吸收煙氣中SO3，常見(jiàn)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(xiàn)[3-8]中，美國(guó)Gavin電廠(chǎng)，采用Mg(OH)2，Mg/SO3摩爾比為7，SO3脫除率達(dá)90%。

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

3.2 濕式靜電除塵器

濕式靜電除塵器(WESP)是一種用來(lái)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(chǎng)力的作用下達(dá)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(nèi)，也可布置在煙道內(nèi)，收集從洗滌塔逃逸出來(lái)的細(xì)小硫酸霧滴，其對(duì)S03的脫除率可達(dá)95%，超過(guò)80℃后效果明顯下降。但是，設(shè)備投資費(fèi)用較高，需要整體評(píng)價(jià)其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行成本[3]。

3.3 降低煙氣溫度

降低煙氣溫度至酸露點(diǎn)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(duì)煙氣進(jìn)行降溫。對(duì)氣量小的煙氣適用，冷卻元件材質(zhì)要求耐腐蝕，且應(yīng)設(shè)置清洗排污口。

4 可見(jiàn)煙羽控制實(shí)例

某銅冶煉廠(chǎng)年礦產(chǎn)粗銅30萬(wàn)噸，采用富氧側(cè)吹爐熔煉、PS轉(zhuǎn)爐吹煉、回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐精煉的火法冶煉工藝。環(huán)集煙氣由側(cè)吹爐放銅口、渣口煙氣、轉(zhuǎn)爐環(huán)集煙氣和陽(yáng)極爐環(huán)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(shí)，出現(xiàn)“可見(jiàn)煙羽”現(xiàn)象。通過(guò)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(xiàn)監(jiān)測(cè)各污染物排放數(shù)據(jù)正常。

分別對(duì)環(huán)集脫硫進(jìn)出口煙氣進(jìn)行SO3的含量測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn)環(huán)集煙囪出現(xiàn)的可見(jiàn)煙羽與SO3的含量有直接的關(guān)系。

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

陽(yáng)極爐在氧化階段因粗銅含硫一般控制在200ppm左右。陽(yáng)極爐在富氧燃燒條件下，SO3發(fā)生率高[7]。為防止陽(yáng)極爐布袋結(jié)露，一般控制陽(yáng)極爐布袋出口溫度在煙氣露點(diǎn)（約150℃）以上運(yùn)行。但是高的煙氣溫度（≧150℃）與轉(zhuǎn)爐環(huán)集煙氣（約45℃）進(jìn)行混合時(shí)，因轉(zhuǎn)爐環(huán)集煙氣溫度較低，氣量大。

在混合過(guò)程中，發(fā)生驟冷而迅速霧化。陽(yáng)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(jìn)入石灰石石膏法脫硫系統(tǒng)后，脫除率僅在30%左右。給尾期排放造成影響。

表1 環(huán)集煙氣溫度及SO3含量

為降低SO3含量，在陽(yáng)極爐收塵風(fēng)機(jī)出口增設(shè)煙氣降溫設(shè)施硫酸氣溶膠捕集塔，使煙氣溫度降至露點(diǎn)以下。降低煙氣溫度后，一是部分SO3已經(jīng)在捕集塔內(nèi)凝結(jié)而去除，另外進(jìn)入混氣室后，也不會(huì)因溫差較大而大量形成硫酸氣溶膠。給濕法脫硫創(chuàng)造有利條件。

見(jiàn)改造后環(huán)集煙氣工藝流程圖2。該廠(chǎng)通過(guò)降低陽(yáng)極爐煙氣SO3含量，使得環(huán)集排放煙氣SO3含量降低。有效解決了可見(jiàn)煙羽現(xiàn)象。

圖2 環(huán)集煙氣處理工藝流程圖

5 結(jié)論

目前銅冶煉環(huán)集煙氣執(zhí)行GB25467-2010《銅鎳鈷工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。

SO2和酸霧的排放限值為400mg/m3、45mg/m3，特殊地區(qū)執(zhí)行100mg/m3、20mg/m3排放限值[11]。

在本實(shí)例中排煙煙氣SO3含量為5ppm時(shí)，羽煙的不透明度增加，出現(xiàn)可見(jiàn)煙羽現(xiàn)場(chǎng)。實(shí)踐證明用降低煙氣溫度的方法來(lái)降低SO3的排放濃度從而控制有色煙羽現(xiàn)象的發(fā)生是行之有效的方法。各銅冶煉廠(chǎng)應(yīng)針對(duì)環(huán)集處理的工藝，著重解決SO3排放問(wèn)題，有些位于城市主城區(qū)及環(huán)境空氣敏感區(qū)的銅冶煉廠(chǎng)應(yīng)采取有效措施消除有色煙羽等現(xiàn)象。