銅冶煉煙氣制酸系統節能技術研究與應用

吳錦龍，江紅衛

(江西銅業股份有限公司貴溪冶煉廠，江西貴溪 335424)

江西銅業股份有限公司貴溪冶煉廠硫酸車間目前擁有4套制酸裝置、6套廢酸廢水處理裝置、1套三氧化二砷生產裝置及應急處理站廢水處理裝置。主要工藝以銅冶煉煙氣為原料，采用動力波煙氣凈化、低位高效干吸和雙接觸轉化技術，經凈化、轉化、干吸、脫硫等工序生產出w(H2SO4)98.3%的工業硫酸，目前已形成1 900 kt/a的硫酸生產規模。

廢酸廢水處理工藝采用先硫化、后石膏、電化學深度處理的方法，處理之后的廢水部分循環使用，其余達標排放。亞砷酸生產采用加溫加壓氧化浸出工藝，生產質量分數大于或等于99.5%的三氧化二砷。應急處理站主要收集工廠部分超標的廢水并進行處理，是保證工廠外排水達標排放的最后一道屏障。

在冶煉煙氣制酸工藝中，噸酸電耗是煙氣制酸工藝的核心指標，國內同行通常采用“雙閃”（閃速爐熔煉、閃速爐吹煉）+高SO2濃度轉化的先進工藝[1]，以此減少煙氣量、節約能源，實現了噸酸電耗的大幅下降，競爭優勢非常明顯。貴溪冶煉廠采用閃速爐+PS轉爐的冶煉工藝，轉爐漏風量大，生產負荷周期性大幅波動，造成煙氣中SO2濃度低，制酸系統采用傳統工藝，能適應的煙氣φ(SO2)最高為12%，平均在11%左右，系統風量大、SO2風機電耗高。

在廢酸廢水處理工藝中，隨著國家環保要求日趨嚴格，采用電化學廢水深度處理工藝替代傳統的中和鐵鹽法，去除各類重金屬的效果好，但是廢水處理量逐年增大，成分越來越復雜，電化學系統長期滿負荷運行，極板和電能消耗高[2]。

鑒于這些因素，近幾年，貴溪冶煉廠硫酸車間持續開展銅冶煉煙氣制酸系統節能技術研究與應用，包括變頻控制系統在KK&K風機的首次運用、自主研發高SO2濃度轉化數學模型提高制酸系統SO2控制濃度、研究開發一種新的復雜廢水除砷工藝、發明水冷封閉式IGBT“高頻節能電源”降低電化學整流器的電耗和故障率等，取得多項成果并成功應用。

1 變頻控制系統在KK&K SO2風機的首次運用

冶煉煙氣制酸系統中SO2風機是整個系統的核心動力設備，貴溪冶煉廠硫酸車間4套制酸裝置均采用德國進口的KK&K風機，屬于定速風機，通過調節前導葉來控制風量，一直處在工頻運行的電機浪費了大量電能。冶煉系統采用的是閃速爐+PS轉爐的冶煉工藝，轉爐周期性送停風，制酸系統風量周期性大幅波動，頻繁調節風機導葉開度，不僅操作繁瑣，同時風機能耗高。為此，硫酸車間曾邀請KK&K風機廠家研討風機的變頻控制[3]，但是廠家拒絕改造，車間依靠自身力量，聯合廠內冶化設計室，研究KK&K風機特性曲線，設計出1套安全可靠的KK&K風機變頻控制系統，在國內屬于首創，并首次成功運用于制酸四系列的KK&K風機控制。

1.1 研究思路

研究選擇在制酸四系列進行，主要考慮以下原因：

1）由于冶煉煙氣制酸系統受閃速熔煉和轉爐吹煉影響，生產負荷波動大，而KK&K風機為定速風機，依靠風機入口導葉控制負荷，低負荷時導葉開度小，存在大馬拉小車現象，造成較大能耗浪費，制酸四系列尤為明顯。

2）由于閃速爐點檢、降料等情況，導致制酸四系列KK&K風機頻繁開停，平均每年開停約20次，影響制酸核心設備KK&K風機使用壽命。

3）四系列KK&K風機額定功率為2 050 kW，額定電流230 A，啟動設計采用直接全壓啟動方式，大功率設備頻繁開停加劇機械磨損，影響電機使用壽命。

基于以上原因，為了降低制酸系統能耗，車間自行研究變速與導葉控制技術，實現KK&K風機變頻控制改造，降低風機用電。

1.2 技術方案

1）KK&K風機變頻調速改造。由于制酸系統對連續運行安全性能要求較高，為了便于日常維護及故障應急處理，故采用中壓變頻器外加工頻旁路的方案。利用原電機啟動斷路器柜作為整個系統的總電源柜，整個系統的綜保裝置利用原電源柜的綜保裝置。增加中壓變頻器及變頻器進、出線斷路器柜，柜內不設綜保裝置。開關柜與變頻器一起安裝于風機房內，并為其搭建1間變頻器配電室。運行時房間封閉，內置空調，采用內循環散熱，空調功率約為2臺10匹空調。

2）潤滑油控制系統改造。由于電機的變頻改造，導致原來的潤滑油控制系統無法滿足現在控制要求，車間經過技術攻關，增加1個輔助油箱和2#輔助油泵，正常生產時2#輔助油泵通過變頻調速控制油壓，實現風機調速時油壓的穩定控制，原1#輔助油泵作為應急油泵備用，確保了風機的安全穩定運行，同時實現突然停電時的潤滑油壓穩定，消除風機安全隱患。

3）DCS 改造。DCS具有對新增的開關柜與變頻器的監視與控制功能，由于現有DCS系統允許容量已用完，故對DCS數據庫進行擴容，并增加通訊與輸入輸出模塊。

1.3 實施效果

1）項目實施后，制酸二系統(含制酸三系列和四系列)制酸電耗由原來的83.15 kWh/t下降為73.18 kWh/t，每年可以節省電費約120萬元。四系列風機變頻改造前后電耗統計數據見表1。

表1 四系列風機變頻改造前后電耗統計

從表1中可以看出：風機變頻技術導葉控制改造后，風機本身電耗下降明顯，折合成硫酸電耗下降 8.92 kWh/t。

2）KK&K風機變頻改造，實現了無負荷啟動，也大大降低了風機因熔煉爐內點檢造成的開停次數，由改造前的20次降為5次，(每次30 min左右)減少了電氣和機械故障，簡化了操作。

3）貴溪冶煉廠技術人員對KK&K風機進行自主變頻改造升級，在國內尚屬首次，制酸一系列4 800 kW風機也利用干吸轉化改造項目進行了變頻改造。此次KK&K風機改造也引起了國內同行業的關注，紫金礦業、大冶有色、九江鉛鋅等單位相繼到貴溪冶煉廠進行交流，均準備按該模式對KK&K風機進行改造。

2 自主研發高濃度SO2轉化數學模型提高SO2濃度控制

貴溪冶煉廠煙氣制酸采用傳統工藝來制硫酸，其系統能適應的煙氣φ(SO2)上限在12%左右，平均在11%左右，如果超出上限，轉化工序的熱平衡被打破，特別是轉化器一段床層的熱量富集，催化劑溫度超過上限，容易使催化劑失去活性，設備變形損壞。而且SO2濃度提高，轉化率快速下降，尾氣排放SO2濃度上升。結合貴溪冶煉廠的實際情況，在制酸裝置不可能進行太大的改動，基于傳統制酸工藝，研發了一種高濃度SO2轉化數學模型，通過大量生產數據修正，指導轉化熱平衡的調整。

2.1 研究思路

1）制酸一系列1985年投產以來，已運行30余年，設備老化嚴重，技術經濟指標下降，能耗上升，無法適應高濃度SO2控制要求。

2）該系統轉化φ(SO2)控制上限為12%，為了控制SO2濃度，需通過補充稀釋風調節，造成制酸系統負荷增大，能耗上升。

3）SO2濃度控制過高時，易導致轉化工序催化劑溫度超過上限，設備運行風險高。同時SO2轉化率下降，尾排SO2上升，脫硫效率下降，排放超標[4]。

基于以上原因，為了解決制酸系統實現高SO2轉化，同時轉化率又不能急劇下降影響尾氣排放的問題，車間自主研發，以制酸一系列為試驗平臺，通過多年的實際生產數據庫為基礎，建立轉化工序SO2轉化率計算模型，輸入溫度、壓力、SO2和O2濃度，自動計算出催化劑溫度、分層轉化率、總轉化率、尾排SO2濃度等理論值，經過不斷修正，縮小與實際值的偏差，從而指導大修期間的催化劑檢修和日常生產控制。

2.2 技術方案

1）建立SO2轉化率計算模型，并通過大量實際數據不斷進行修正，使其能精準符合制酸一系列的運行實際。

2）制酸一系列轉化工序安裝儀表壓力計，數據傳輸入DCS。將壓力、溫度參數引入數模，為生產提供指導。

3）大修期間調整制酸一系列轉化器一段床層、五段床層的低溫銫催化劑密度和一段床層催化劑的裝填量，優化調整制酸一系列的熱平衡，使制酸一系列轉化可承受的φ(SO2)達到13%(小時平均值)以上，全年平均φ(SO2)高于11%。

4）待模型建立，轉化工序能適應的SO2濃度提高后，取消制酸一系列電除霧器清掃風，減少清掃風量10 000 m3/h，減少進入制酸系統的空氣量，提高SO2濃度。

5）對制酸一系列凈化SO2脫卻塔、負壓風管及制酸二系列有機胺再生氣管等進行優化，減少空氣量，進一步提升制酸一系列SO2濃度。

6）通過數模計算，推算出當轉化SO2提升至14%，15%時脫硫入口SO2濃度，為尾氣脫硫改造和進一步提高轉化SO2濃度提供依據。

2.3 實施效果

1）SO2轉化率計算模型研究取得較好效果，2017年大修期間將轉化器一段床層、五段床層催化劑裝填進行調整，增加低溫銫催化劑裝填量。正常生產一段床層入口溫度由400 ℃下調至385 ℃，保證轉化設備運行安全，同時轉化率由99.81%提升至99.83%。成功提高了系統SO2濃度，降低了系統風量，減少風機電耗，節省生產成本。硫酸一系列SO2濃度和硫酸電耗統計數據分別見表2和表3。

從表2和表3可以看出，通過數據模型的運用，φ(SO2)控制月平均值由10.80%提升到11.10%，硫酸電耗由 106.80 kWh/t下降至 101.71 kWh/t，節約用電 3.05×106kWh/a。

2）提升了制酸一系統硫酸的能力，滿足目前冶煉系統能力的需求，節省了采用國外高濃度SO2轉化技術專利費數百萬元。

表2 制酸一系列φ(SO2)數據統計 %

表3 制酸一系列硫酸電耗數據統計 kWh/t

3 研究開發一種新的復雜廢水除砷工藝，提升排放指標

電化學系統是硫酸車間處理全廠廢水的一道關鍵工序。電化學系統給多塊極板加直流電，廢水通過極板時，極板之間形成陰陽極導電，極板被電解，大量亞鐵離子溶入廢水中，與其中的砷形成穩定的絡合物，達到除砷目的，同時發生其他氧化還原反應去除重金屬。鐵離子本身作為優良的凝聚劑，能夠通過凝聚作用，去除廢水中其他的雜質。

硫酸車間技術人員深入研究電化學工作原理，創新開發一種新的復雜廢水除砷工藝，在廢酸廢水系統中采用前端提高鐵離子濃度，提升廢水前端除砷能力，從而降低電化學系統進水中的砷離子濃度，降低電化學系統負荷，最終優化排放水水質。

3.1 研究思路

1）由于廢水處理工藝鐵離子濃度低，除砷效率下降，造成電化學系統進水中的砷濃度上升幅度較大，為保證排放水指標，電化學系統負荷過大，長期保持 2 800 A 的運行電流 (上限 3 000 A)，電耗和極板消耗大。

2）電化學整流機組故障率高，該機組2016年5—8月的故障次數分別為11次、13次、15次、9次 ，嚴重影響了設備的運行。

基于以上原因，硫酸車間首先對工藝進行改進，優化除雜藥劑鐵離子在廢水處理工藝中的協同作用。即在電化學系統前端處理工藝中提高鐵離子的濃度，提升去除重金屬的能力。同時改進電化學硅整流電源，減少故障率和能耗，從而降低電化學運行電流和極板消耗，減少運行成本。

3.2 技術方案

在廢酸廢水系統中采用2種方式提高鐵離子濃度，提升系統除重金屬效率，優化排放水指標。改進電化學硅整流電源，自主設計IGBT“高頻節能電源”。

1）廢鐵加酸溶解：制作若干個廢鐵溶解槽，將電化學反應槽換下的殘極板和廠區內收集的廢鐵置于槽內，把成分簡單、酸度較高的脫銅廢酸從槽底引入，由下至上通過廢鐵溶解區，利用稀硫酸快速溶解廢鐵，提高液相中的鐵離子濃度，產生的廢氣通過負壓系統抽入環集系統中和處理排空，富鐵液體進入后續工序[5]。

2）電化學富鐵底泥加酸溶解再利用：電化學澄清器中的底泥含有大量的固體Fe(OH)3，以前只是簡單地將其返回pH調節槽，作為補充鐵鹽濃度和結晶晶種。但是因為大部分Fe呈固態，對于廢水中的重金屬去除效果不佳。采用弱酸性的電解車間廢水溶解電化學富鐵底泥，將部分Fe溶解成離子態，提高重金屬的去除效率。

3）將敞開式風冷結構“硅整流電源”改為車間自主設計的IGBT“高頻節能電源”(專利號：ZL201721548272.0)。將敞開式電源拆除，在原位置安裝封閉式水冷型一體式高頻節能電源。取消原來的風冷風扇，采用銅質蛇管換熱器+循環水來冷卻整流器產生的熱量。利用三極晶體管的導電選擇性原理，將外部銅排軟連接的機械換向裝置改成電子換向裝置，改造后每臺電源可節約用電5.4×104kWh/a。

3.3 實施效果

1）電化學廢水處理節能技術應用后，廢水處理石膏工序中石膏濾液中鐵離子質量濃度明顯上升，由 66.36 mg/L 提升到 214.59 mg/L，大幅提升了電化學系統前端的除雜效果，達到了預期目的。石膏濾液中鐵離子質量濃度數據見表4。

表4 石膏濾液鐵離子質量濃度 mg/L

2）通過改造，排放水中重金屬離子濃度下降，具體數據見表5。

表5 排放水重金屬離子質量濃度 mg/L

3）通過改造，風冷改為水冷，機械換向改為晶體管電子換向，車間共10臺電化學電源每年節約用電 5.4×105kWh。

4）電化學前端鐵離子濃度大幅提升后除雜效果好，大大降低了電化學進水中的重金屬元素濃度，從而為降低電化學運行負荷提供了條件。經過改造，目前電化學系統只運行50%的反應器即可達到排放指標，電化學極板更換、檢修費用大幅下降。

4 結語

江西銅業股份有限公司貴溪冶煉廠近幾年提出了“打造世界最好煉銅工廠”的目標，其中核心就是通過對標、創標管理和技術改進，大幅提升關鍵技術經濟指標。硫酸車間通過新技術的研究開發與應用，實現了煙氣制酸系統噸酸電耗的較大幅度的下降，優化了排放水的水質指標，對冶煉煙氣制酸行業的節能減排科技進步具有較大的推動和示范作用。