大冶有色1 500 kt/a煙氣制酸方案的選擇及思考

曹龍文，陸 海，張冠華，洪國明，董 冕

（大冶有色金屬集團控股有限公司/有色金屬冶金與循環利用湖北省重點實驗室，湖北黃石 435005）

大冶有色金屬集團控股有限公司（以下簡稱大冶有色）是中國有色礦業集團部署的重點子公司，為響應集團“抓資源、國際化、走高端”的戰略布局，加快轉型升級，擬在異地新建1套400 kt/a陰極銅冶煉項目。項目采用“雙閃”冶煉工藝，立足應用先進的技術裝備，建成1座安全、節能、環保的一流工廠，以實現企業的可持續發展。

1 項目建設選址及規模

項目落地于湖北省黃石市新港工業園區，新港工業園區位于黃石市陽新縣，毗鄰長江，園區配套齊全、交通便利。根據項目400 kt/a陰極銅計算，配套制酸裝置規模為1 500 kt/a，生產w(H2SO4)為98%或93%優等品工業硫酸。

2 工藝技術方案選擇與思考

2.1 方案選擇的背景

2.1.1 環保政策

近年來，黨中央加大生態文明建設力度，國家和地方加緊出臺一系列環保政策、法律、法規和標準。2017年2月，國務院印發《關于劃定并嚴守生態保護紅線的若干意見》，《意見》指出，2020年年底前，全面完成京津冀及長江沿線生態保護紅線劃定，基本建立生態保護紅線制度。2019年，《長江保護法》正式出臺，要求火電行業新建項目按照超低排放標準執行，長江沿岸大保護成為全國劃定生態紅線背景下的重要案例和體現。該項目選址離長江較近，故在方案選擇尤其是環保治理措施上，必須嚴格響應目前的環保政策，同時要有前瞻性，以適應未來環保政策的要求。

2.1.2 行業競爭

近年來，國內新增銅產能較多較快，銅冶煉加工費波動較大，加之原（燃）料價格和人力成本上漲及環保投入力度加大，行業利潤空間進一步縮小。另外，作為冶煉副產品，煙氣硫酸既面臨銷路問題，又存在價格低迷問題。總之，有色行業面臨多重壓力和不利因素，新建冶煉廠在方案選擇上必須考慮技術先進性和適應性，才能確保在復雜困難的競爭環境下的生存和發展。

2.1.3 工業自動化

物聯網、云計算、大數據、移動通信等新一代信息技術的發展，正深刻改變著傳統制造業的發展模式。2015年5月，國務院總理李克強簽批了《中國制造2025》，標志著中國進入全面部署推進實施制造強國戰略的第一個十年。各種軟、硬件的高速發展和更新換代，為銅冶煉企業操作和管理逐步向智能化方向發展提供了保障。銅冶煉智能工廠建設擬遵循“總體規劃、創新驅動、頂層設計、分步實施”的原則，其中煙氣制酸整體自動化水平較高，在此基礎上可通過強化集中控制和遠程操作，從而達到無人值守、智能化控制的目的。

2.2 項目設計原則和思路

大冶有色與設計院充分溝通，新建煙氣制酸系統將充分吸取和借鑒國內“雙閃”銅冶煉工廠的實踐經驗，按照技術水平高、投資合理、有利于工廠今后發展、穩妥可靠的原則進行設計和建設；同時兼顧安全、環保、節能、智能化，力爭將新項目打造成為國內具有競爭力的現代化工廠。

制酸主體工藝選擇思路立足于成熟可靠，從節約投資、回收能源、降低成本的角度考慮，采用低溫余熱回收、高濃度轉化等技術；環保措施選擇離子液脫硫、臭氧脫硝、強化高效硫化技術；裝備水平立足于國產，部分關鍵設備引進，整體達到國內外先進水平。

2.3 具體方案選擇

2.3.1 整體配置

“雙閃”工藝煙氣SO2濃度較高，氣量較小且穩定，凈化采用成熟的動力波洗滌技術，且轉動設備和易堵塞設備均設置了備用，從實踐看，凈化工序發生故障而影響冶煉系統正常生產的幾率很小。動力波洗滌器可適應50%～100%的氣量變化，對總的凈化效率不產生影響，因此采用單系列凈化系統。

制酸系統處理的煙氣主要來源于閃速熔煉爐和閃速吹煉爐，2種煙氣分別約占SO2總量的70%和30%。按目前制造業發展和進步程度，采用單系列轉化干吸方案不存在問題，但適應煙氣波動的靈活性會稍差。若采用雙系列干吸轉化方案，當冶煉系統生產負荷調整或原料中SO2含量向下波動時，可根據實際情況僅運行單系列干吸轉化裝置從而降低生產運行成本。此外，在單系列干吸轉化故障停車時，冶煉系統仍可連續生產運行。

目前國內采用“雙閃”冶煉工藝的400 kt/a銅冶煉廠，多采用“一頭兩尾”的制酸配置，能夠有效滿足整個冶化系統連續生產的需求。綜合以上考慮，“1套凈化+2套干吸轉化”是較為穩妥的制酸系統配置。

2.3.2 凈化工序

凈化工序采用“一級動力波洗滌器—氣體冷卻塔—二級動力波洗滌器—兩級電除霧器”屬于標準配置，整體穩定可靠，但局部還有值得優化的地方。凈化工序常見問題是一級動力波洗滌器逆噴管結疤、溢流堰堰口分酸不均。造成的原因是多方面的，如溢流堰供液通常采用泵后帶壓上酸，溢流堰內液面會產生較大波動；同時因凈化稀酸雜質含量普遍較高，易造成溢流堰堰口分酸不均勻、逆噴管內壁結疤，并且在這種液面波動的情況下更容易發生局部堵塞，從而形成局部斷流，不能有效保護動力波洗滌器逆噴管。

經考察、交流和論證后，可通過2個措施進行優化：①改變溢流堰的供液方式，將固液分離后的上清液通過泵輸送至溢流堰改為送至事故水高位槽，槽內液體靠靜壓勢能自流入溢流堰內以減少液面波動；②改變凈化串酸方式，將氣體冷卻塔串至一級動力波洗滌器本體的稀酸改串至事故水高位槽，可降低溢流堰循環液的固含量。

2.3.3 干吸工序

干吸工藝及設備配置已基本定型，關于是否上低溫余熱回收裝置，多從技術和裝備可靠性、投資、成本、蒸汽用途等方面進行考量。低溫位熱能回收技術最早在國外應用，隨后逐步進入國內市場。美國孟莫克公司低溫余熱回收（HRS）裝置在廣西防城港[1]和河南中原黃金冶煉廠已有5年以上的實踐經驗[2]，運行總體情況穩定。以海陸化工和奧格利公司為代表的國產品牌低溫余熱回收裝置在硫磺制酸領域已應用多年，運行情況良好，2019年海陸化工公司進入冶煉煙氣制酸領域（南國銅業和赤峰云銅冶煉廠）。從目前國內低溫余熱回收裝置運行整體情況來看，無論是進口還是國產裝置都具有很好的經濟效益，蒸汽產出率在0.4 t/t左右，節約了循環水投資和成本。因該項目在電解生產、精礦干燥、脫硫等區域均需要大量蒸汽作為熱源，故考慮采用低溫余熱回收裝置以充分回收系統熱能。

2.3.4 轉化工序

“雙閃”冶煉工藝產生的煙氣φ(SO2)通常高于20%，無法通過常規轉化工藝處理。若通過補加大量空氣將煙氣稀釋至常規轉化的濃度要求，將導致整個轉化、干吸工序所有設備投資、運行及維護費用增加。

目前國內已有3種主流的高濃度轉化工藝應用于實踐，分別為奧圖泰公司的LURECTM工藝[3]、孟莫克公司的預轉化工藝以及銅陵金冠與瑞林公司共同開發的非衡態工藝[4]。3種工藝各有特色，在國內均有多年穩定運行業績，從技術角度上來看均是可行的。綜合考慮投資、運行成本和流程的簡潔性，該項目選用非衡態轉化工藝。

大冶公司與設計院深入討論，認為在部分設計上仍可進一步優化：

1）非衡態轉化器的優化。從國內非衡態轉化工藝的運行情況看，由于采用較少催化劑填裝量來抑制平衡轉化率，一定程度上存在氣流分布不均的現象。該項目設計考慮采用中心筒進氣式轉化器代替傳統轉化器。中心筒進氣在催化劑層進口位置的氣流速度標準偏差稍低，隨著流體在催化劑層中的流動，其速度分布均勻度逐漸提高。中心筒進氣形式已在國內外眾多大型項目中成功運用多年。

2）主轉化器及換熱器的優化。主轉化器也采用中心筒進氣、熱熱換熱器內置的形式，管路配置簡單，降低設備制作成本、管道泄露風險以及系統熱能損失；而冷熱換熱器采用加強型碟環式管殼換熱器（犧牲式）結構形式，能夠有效減輕來自吸收塔低溫煙氣的酸霧腐蝕。

2.3.5 脫硫工序

常用的脫硫技術有鈉堿法、石灰（石）法、離子液法和雙氧水法等。該項目環集脫硫煙氣氣量大，煙氣SO2濃度較高，綜合考慮選擇離子液工藝。制酸尾氣氣量較小，煙氣雜質少，采用石膏法、雙氧水法和離子液法均可行。石膏法投資和運行成本最省，但占地大，石膏需要考慮出路；雙氧水法脫硫投資不高，主要消耗是雙氧水，產生的稀硫酸可作為干吸工序補水用，目前應用比較普遍；離子液法投資較高，主要消耗是蒸汽，一般適用于氣量大、SO2濃度高的煙氣。該項目副產蒸汽量大，從集中操作和管理角度考慮，尾氣脫硫也選擇離子液工藝，兩者共用1套離子液再生系統。

2.3.6 脫硝工序

該項目氮氧化物實行限值排放[ρ(NOx)≤100 mg/m3]要求。根據調研，“雙閃”火法冶煉系統在正常生產時的氮氧化物可達限值排放要求，而在非正常生產狀態（開停爐、爐體保溫時）存在超標的可能性。常用的脫硝工藝有SCR、SNCR、臭氧等工藝，臭氧脫硝工藝有較好的適應性和較高的效率，綜合考慮采用臭氧脫硝工藝。該項目將臭氧反應器設置在尾氣脫硫塔之后，非正常生產狀態下的爐氣通過風機引至尾氣洗滌塔，按照“尾氣洗滌塔—尾氣脫硫塔—臭氧反應器—堿洗塔—電除霧器”配置，從而實現一體化脫硫脫硝，能滿足目前環保要求及今后的大氣污染物超低排放要求。

2.3.7 廢酸處理工序

目前污酸處理可供選擇的工藝不多，主要有石灰-鐵鹽法和硫化法。石灰-鐵鹽法產生的渣量太大，危廢填埋場的選址困難、建設投資大、后續處理維護風險高，故項目選擇硫化工藝。

傳統的硫化工藝加入硫化劑反應會帶入大量鈉鹽，硫化后液含砷也較高，原液含砷波動易造成石膏含砷超標，增加了后續工序的運行成本和處理難度。近幾年，針對傳統硫化法開展相關研究并開發了硫化氫作為硫化劑的污酸硫化新工藝。硫化氫的制備通常有3種：一是通過電解水產生的氫氣與熔融態硫磺反應；二是通過氨（或甲醇）裂解產生的氫氣與熔融態硫磺反應；三是通過稀硫酸與硫化劑反應。該項目選擇采用稀硫酸與硫氫化鈉反應制取硫化氫，再通入污酸中進行高效硫化。相比傳統硫化法，新工藝可以有效避免鈉鹽進入后續水體，有利于酸性廢水處理和回用；對砷的富集率更高，有利于砷渣減量化；硫化后出水指標更穩定，有利于石膏的品質。

2.3.8 廢水處理工序

根據工信部最新發布的《銅冶煉行業規范條件》，要求利用銅精礦的銅冶煉企業的水循環利用率應達到98%以上。該項目為滿足規范和環評要求，考慮清污分流、一水多用和串級使用的原則，注重各類水的有效收集、分類處置和分質回用。其中，廠區酸性廢水、初期雨水分別利用膜處理技術深度處理后全部回用不外排；一般性生產廢水經處理后部分回用，剩余部分排入生產園區管網系統。最終達到減少排放、高標準排放和提高水循環利用率的目的。

2.3.9 自動化、智能化控制

通過與設計院及專業廠家交流，認為目前在3個方面可進行重點優化：一是做實自動化控制，通過加入現場感知設備，提高系統自動調節能力；二是采用先進的控制技術和數字通訊技術，實現高精度、智能化的物流管理和數據管理；三是通過系統大數據自動采集分析，給管理者提供設備、能源、安全、環保和危化品等多方面管理支持。

3 結語

大冶有色400 kt/a高純陰極銅清潔生產項目經過充分的技術交流與考察論證，大冶有色和設計院共同完成了項目主體方案的選擇，為施工圖設計和項目建設打下良好的基礎。在設計院和同行的大力支持下，依靠煙氣制酸技術進步和設備制造能力的提高，大冶有色有信心建成“環保一流、成本一流、技術一流、管理一流”的現代化銅冶煉廠。