銅火法精煉煙氣與環(huán)集煙氣混氣方案的研究

郭宏偉

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

銅冶煉火法精煉由于采用富氧技術(shù)，其煙氣流量隨著熔煉周期的變化上下浮動(dòng)，雖然煙氣量不大，但不穩(wěn)定?；鸱ň珶挓煔馓幚淼墓に囃ǔ闊煔饫鋮s—凈化處理—與加料口、 放銅口及放渣口等收集的逸出環(huán)集煙氣匯合—送脫硫系統(tǒng)處理。 由于火法精煉煙氣和環(huán)集煙氣的成分、溫度存在差異，其在輸送管道的材質(zhì)選擇上會(huì)有所不同：1）火法精煉煙氣經(jīng)收塵系統(tǒng)處理后，煙氣溫度一般都在150±20 ℃，考慮到經(jīng)濟(jì)性，火法精煉煙氣管道一般采用碳鋼材質(zhì)。 2）環(huán)集煙氣溫度一般在70~100 ℃左右，與火法精煉煙氣混合后的煙氣含有SO2氣體成分，存在煙氣結(jié)露腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，混合后的輸送管道通常采用玻璃鋼材質(zhì)。然而，普通玻璃鋼材質(zhì)的最大耐溫約為120 ℃，低于火法精煉煙氣溫度。如果火法精煉煙氣和環(huán)集煙氣直接混合，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)燒損玻璃鋼管道的情況。

因此， 如何在確保安全可靠的基礎(chǔ)上對(duì)不同溫度、不同成分的煙氣進(jìn)行混合，并選擇合適的管道材質(zhì)是一個(gè)值得關(guān)注的課題。 本文以國內(nèi)某銅冶煉廠建設(shè)項(xiàng)目為例，對(duì)火法精煉煙氣和環(huán)集煙氣的混合方案進(jìn)行了研究，以期得到一個(gè)較為經(jīng)濟(jì)安全的優(yōu)化方案。

1 基礎(chǔ)條件

1.1 工藝流程

某銅冶煉廠火法精煉煙氣采用的處理流程如圖1 所示。 煙氣先經(jīng)過冷卻、收塵系統(tǒng)處理后，匯入環(huán)集煙氣中，一并送入脫硫系統(tǒng)處理。煙氣經(jīng)脫硫系統(tǒng)處理后，可最終實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

圖1 工藝流程

1.2 煙氣條件

該廠火法精煉煙氣經(jīng)冷卻、 收塵系統(tǒng)處理后出口煙氣條件見表1，環(huán)集煙氣條件見表2。

表1 火法精煉收塵煙氣條件

表2 環(huán)集煙氣條件

由煙氣露點(diǎn)溫度計(jì)算公式[1]可知，火法精煉收塵后煙氣的露點(diǎn)溫度理論值最高為64.8 ℃，煙氣露點(diǎn)溫度與水蒸氣分壓成正比；根據(jù)表2 可知，環(huán)集煙氣成分中，含水量高達(dá)40%，其露點(diǎn)溫度理論值最高為75.1 ℃。 經(jīng)計(jì)算，兩股煙氣匯合后的煙氣溫度約為110 ℃，露點(diǎn)溫度理論值為71.8 ℃，此露點(diǎn)溫度與環(huán)集煙氣最低溫度相近。因此，兩股煙氣混合后很有可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)露。

根據(jù)上述煙氣條件，如果混合煙氣管道采用普通碳鋼材質(zhì)，則會(huì)出現(xiàn)管道腐蝕，且存在安全隱患。而采用不銹鋼材質(zhì)又不經(jīng)濟(jì)。因此，混合煙氣管道采用普通玻璃鋼材質(zhì)更合適。

1.3 常規(guī)管道混氣配置形式

火法精煉煙氣和環(huán)集煙氣混合的常規(guī)管道混氣配置形式如圖2 所示?；鸱ň珶挓煔夤艿罏樘间摴?，環(huán)集煙氣管道為玻璃鋼管，由于材質(zhì)不同，二者需采用法蘭連接。在生產(chǎn)過程中，溫度較高的火法精煉煙氣，經(jīng)碳鋼管道進(jìn)入到玻璃鋼管，將會(huì)先與玻璃鋼管道直接接觸，再和溫度較低的環(huán)集煙氣匯合，即使變徑管改為碳鋼，仍然如此。這對(duì)玻璃鋼管道的耐熱性將是極大的考驗(yàn)，尤其是在法蘭連接處，將可能會(huì)出現(xiàn)玻璃鋼管道燒損情況。因此，必須對(duì)常規(guī)管道混氣方式進(jìn)行優(yōu)化，采取可靠措施，才能避免安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。

圖2 常規(guī)管道混氣配置示意

2 優(yōu)化混氣方案

為了使火法精煉煙氣和環(huán)集煙氣能正常匯合，確保不發(fā)生燒損環(huán)集煙氣玻璃鋼管道的安全生產(chǎn)事故， 分別從在進(jìn)入環(huán)集煙氣管道前提前對(duì)煙氣降溫和改變煙氣管道結(jié)構(gòu)與材質(zhì)兩個(gè)方面出發(fā)， 優(yōu)化兩股煙氣的混氣形式，具體提出了兌空氣降溫、噴霧冷卻和煙氣管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化3 種方案。

2.1 兌空氣降溫方案

此方案是在圖2 所示的法蘭接口附近的火法精煉煙氣管道上增加兌空氣支管和調(diào)節(jié)閥門，并在降溫后的煙氣管道上增設(shè)溫度測(cè)點(diǎn)；同時(shí)，在控制系統(tǒng)中，設(shè)置溫度信號(hào)與調(diào)節(jié)閥開度之間的聯(lián)鎖關(guān)系，使降溫后的煙氣溫度根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要可調(diào)， 具體形式如圖3 所示。在不影響安裝的前提下，圖中測(cè)溫點(diǎn)離法蘭接口的距離L 應(yīng)盡量短。

圖3 兌空氣降溫管道配置示意

為了使玻璃鋼管與煙氣接觸時(shí)，不會(huì)發(fā)生過熱燒損， 降溫后的煙氣溫度需控制在120 ℃以下。 因此，兌入空氣時(shí)須考慮將煙氣降溫至100 ℃。計(jì)算所得煙氣條件見表3。

表3 兌空氣降溫后的煙氣條件

由表3 可知，當(dāng)煙氣溫度降至100 ℃時(shí)，所需兌入的空氣量幾乎與原火法精煉煙氣量相當(dāng)，降溫后的煙氣體積增大了96.75%，而由于兌入空氣的稀釋，煙氣中含水率隨之降低2.52%，對(duì)應(yīng)的煙氣露點(diǎn)溫度也會(huì)降低。

該方案需要在煙氣管道內(nèi)部負(fù)壓的作用下自然地將空氣吸入煙氣管道內(nèi)， 或設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)向管道內(nèi)鼓入冷空氣。然而由表1 可知，收塵系統(tǒng)出口的煙氣壓力是正壓，雖然由于克服管道阻力加上脫硫系統(tǒng)排風(fēng)機(jī)的抽排，生產(chǎn)時(shí)的火法精煉煙氣管道內(nèi)會(huì)呈一定的負(fù)壓，但銅冶煉火法精煉生產(chǎn)屬于分期作業(yè)[2-3]，煙氣并不穩(wěn)定，火法精煉收塵煙氣管道內(nèi)的負(fù)壓也是不穩(wěn)定的。如果采用鼓風(fēng)機(jī)向管道內(nèi)鼓入冷空氣，鼓入的正壓空氣會(huì)影響系統(tǒng)壓力平衡。這給此方案的可行性帶來了很大的不確定性。

2.2 噴霧冷卻方案

該方案是在圖2 所示的火法精煉煙氣管道上增設(shè)噴槍噴水，并配套設(shè)置噴霧泵、水管等，在降溫后的煙氣管道上（法蘭連接處附近）增設(shè)溫度測(cè)點(diǎn)；同時(shí)，在控制系統(tǒng)中，設(shè)置溫度信號(hào)與噴霧泵流量之間聯(lián)鎖關(guān)系，使降溫后的煙氣溫度根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要可調(diào)，具體形式如圖4 所示。 在不影響安裝的前提下，圖中測(cè)溫點(diǎn)離法蘭接口的距離L1應(yīng)盡量短。 此外，此方案采用的是液態(tài)水氣化吸熱的原理，來達(dá)到煙氣降溫的效果。 為了使霧化水滴在與高溫?zé)煔饨佑|后能完全氣化，需要保證二者2~4 s 的接觸時(shí)間，因此噴霧槍的設(shè)置位置，即L2需要根據(jù)管道內(nèi)煙氣流速確定。

圖4 噴霧冷卻管道配置示意

為了進(jìn)行直觀比較， 同樣考慮煙氣通過噴霧冷卻降溫至100 ℃，計(jì)算得煙氣條件見表4。

表4 噴霧冷卻后的煙氣條件

由表4 可知，為了使煙氣溫度降至100 ℃，所需噴入的水量較兌空氣冷卻需兌入的空氣量（見表3）要小很多，降溫后的煙氣體積只增大了4.59%，但由于噴入了水，煙氣含水率提高了4.05%，對(duì)應(yīng)的煙氣露點(diǎn)溫度也將會(huì)升高。

該方案水通過噴霧泵被帶壓送至噴槍， 經(jīng)噴槍霧化后，霧化水滴與煙氣接觸氣化吸熱，進(jìn)而達(dá)到使煙氣降溫的效果。該方案需消耗大量的水，且對(duì)于環(huán)集脫硫系統(tǒng)而言，需要提高排風(fēng)機(jī)的能力。因此，該方案在運(yùn)行成本上不經(jīng)濟(jì)。

2.3 煙氣管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

該方案的優(yōu)化方式如圖5 所示，在火法精煉煙氣管道后增設(shè)1 段不銹鋼管道，采用盲板法蘭形式與環(huán)集玻璃鋼管道連接，增設(shè)的不銹鋼管道伸入環(huán)集煙氣管道內(nèi)至與環(huán)集煙氣匯合處。該方案可以使火法精煉煙氣被環(huán)集煙氣所包裹，而不會(huì)直接與玻璃鋼管道接觸，同時(shí)環(huán)集煙氣對(duì)火法精煉煙氣和管道進(jìn)行冷卻降溫，進(jìn)而避免了燒損玻璃鋼管的可能,而且伸入段管道采用不銹鋼材質(zhì)， 也可以避免兩股煙氣混合后，由溫度降低引起的結(jié)露對(duì)煙氣管道的腐蝕。

圖5 煙氣管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化道配置示意

該方案火法精煉煙氣在進(jìn)入環(huán)集煙氣管道前，未采用輔助措施使煙氣降溫，因此煙氣條件不變。

3 方案比選

3.1 投資估算

以上3 個(gè)方案都是對(duì)常規(guī)管道混氣方案的優(yōu)化，各方案投資估算對(duì)比如表5 所示。

表5 各方案投資估算比較

由表5 可知，從增加項(xiàng)目來看，煙氣管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的增加內(nèi)容是最少的， 只需增加一些不銹鋼材料，而噴霧冷卻方案的增加內(nèi)容最多。從費(fèi)用上來看，兌空氣降溫方案投資最少，噴霧冷卻方案投資最多，而煙氣管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的投資與兌空氣降溫方案相當(dāng)。 另外，考慮到運(yùn)行成本，兌空氣降溫和噴霧冷卻方案都會(huì)增加運(yùn)行成本，而煙氣管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案不增加運(yùn)行成本。 因此，相較而言，煙氣管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的性價(jià)比更高。

3.2 對(duì)前后工序的影響

3 個(gè)方案中，兌空氣降溫和噴霧冷卻兩個(gè)方案都是采用輔助手段，使火法精煉煙氣提前降溫，因此方案的可行性需要考慮對(duì)前后工序的影響。 表6 列出了采用3 個(gè)優(yōu)化方案分別對(duì)前置工序（火法精煉收塵系統(tǒng)）和后置工序（環(huán)集脫硫系統(tǒng)）的影響。

表6 各方案對(duì)前后工序影響比較

由表6 可知，噴霧冷卻方案對(duì)前置工序和后置工序都會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響，而兌空氣降溫方案則對(duì)后置工序（環(huán)集脫硫系統(tǒng)）影響非常大。 由于煙氣量增大將近一倍，對(duì)應(yīng)環(huán)集脫硫系統(tǒng)的處理能力也需要擴(kuò)容。相較而言，煙氣管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案對(duì)前置工序和后置工序均無影響，最為可取。

4 結(jié)論

綜上所述， 為了防止因高溫?zé)煔鉄龘p環(huán)集煙氣管道的安全生產(chǎn)事故的發(fā)生， 分別從使煙氣提前降溫和煙氣管道結(jié)構(gòu)與材質(zhì)優(yōu)化兩個(gè)方面出發(fā)， 提出了3 個(gè)優(yōu)化方案。 通過對(duì)3 個(gè)方案的分析和比較可知， 煙氣管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案在不改變煙氣狀態(tài)的情況下，通過對(duì)煙氣管道的構(gòu)造形式和材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，使火法精煉收塵后的工藝煙氣能順利地與環(huán)集煙氣匯合降溫，而不會(huì)燒損環(huán)集煙氣管道，能有效地避免安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。對(duì)于新建項(xiàng)目而言，為最優(yōu)方案。最終，此方案成功應(yīng)用到了該銅冶煉廠建設(shè)項(xiàng)目中，得到了業(yè)主的肯定。