我國典型銅冶煉煙氣制酸工藝的能耗比較

胥 永，杜 龍，劉昱瀏

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330031）

2018年全國硫酸總產量為96.86 Mt，其中硫鐵礦制酸產量為16.52 Mt，硫磺制酸產量為44.32 Mt，冶煉煙氣制酸產量為34.96 Mt[1]。目前2019年統計數據尚未發布，預計冶煉酸產量大幅增長。根據銅冶煉行業數據，2018年中國礦銅產精銅量為8.06 Mt，按銅精礦中銅和硫質量分數分別為21%和27%計算，2018年銅冶煉煙氣制酸的產量約31.75 Mt，銅冶煉煙氣制酸占整個冶煉煙氣制酸總產量90.8%，占全國硫酸總產量32.8%。《銅冶煉行業規范條件》（工業和信息化部公告2019年第35號）規定煙氣制酸須采用稀酸洗滌凈化、二轉二吸等先進工藝，煙氣凈化嚴禁采用水洗或熱濃酸洗滌工藝[2]。筆者對符合《銅冶煉行業規范條件》規定且制酸工藝較先進的五家企業進行能耗比較。

煙氣制酸裝置的主要能源動力消耗為電能、新水，配套的儀表需使用壓縮空氣，開工爐需使用天然氣或柴油，也可使用電爐作為開工爐。隨著冶煉過程富氧熔煉技術的發展，進入制酸系統的冶煉煙氣中SO2濃度普遍超過了可以維持轉化過程自熱平衡的濃度，其中部分銅冶制酸裝置轉化工序φ(SO2)高達12%～18%，轉化工序可副產大量中溫位余熱，大中型銅冶煉企業普遍設置了余熱鍋爐以回收轉化工序的中溫位熱能，有效降低了制酸系統能耗。近年來高效洗滌凈化技術、高效換熱技術、電機變頻調速技術、汽輪機驅動風機及泵技術和低壓力分酸器等技術和裝備的應用也使煙氣制酸企業綜合能耗和電耗逐漸降低。

1 銅冶煉煙氣制酸工藝

銅冶煉煙氣制酸采用接觸法制酸工藝，生產裝置主要包括凈化工序、干吸工序和轉化工序。

煙氣凈化工序普遍采用一級動力波+氣體冷卻塔+二級動力波+兩級電除霧器的經典稀酸洗滌凈化流程。該工藝經近三十年的實踐，運行成熟可靠。為達到煙氣制酸凈化指標要求，凈化工序需設置氣體冷卻塔及配套的稀酸冷卻器對經過一級動力波絕熱蒸發后的飽和煙氣進行冷卻，冷卻過程中大量的熱量因溫度和可利用價值低而采用循環水進行冷卻，系統熱量散發至大氣環境中。

干吸工序通常采用低位高效的干吸工藝，采用一級干燥、兩級吸收、循環泵后冷卻工藝與雙接觸轉化工藝相對應。干吸工序是一個產生大量熱量的過程，熱量來源主要有轉化煙氣的顯熱、SO3氣體的冷凝熱、SO3生成硫酸的生成熱及加水過程的稀釋熱和混酸熱等。目前回收干吸工序的熱能方式只有2種：設置低溫熱回收系統副產低壓蒸汽或設置熱水換熱器副產70～90 ℃的熱水。

低溫熱回收產生熱水的系統主要由陽極保護管殼式冷卻器與熱回收板式冷卻器組成，配套閉路水循環系統作為熱量回收載體，在硫酸系統與熱水使用系統閉路循環。熱水在制酸系統被加熱后送至用熱水車間，經換熱器降溫后返回制酸系統。低溫熱回收產蒸汽系統主要由熱回收塔、熱回收鍋爐、混酸器、換熱器、熱回收塔循環泵組成。熱回收塔實質是取代了傳統二轉二吸工藝的一吸塔，含三氧化硫氣體從塔底進入，由塔頂排出。吸收SO3后的硫酸從塔底流入與塔相連的泵槽，然后由熱回收塔酸循環泵送入熱回收鍋爐，生產0.8 MPa飽和蒸汽。

轉化工序采用的工藝主要有常規濃度轉化工藝、“非衡態”高濃度轉化工藝、部分稀釋預轉化高濃度工藝等。這3種工藝在銅冶煉廠煙氣制酸工藝中均得到成功應用。轉化工序是煙氣制酸另一個產生熱量的單元，熱量來源于SO2轉化成SO3的反應熱。進入轉化工序煙氣中SO2濃度超過維持轉化過程自熱平衡的濃度時，多余的熱量經余熱鍋爐回收后產出蒸汽。

根據生產規模的不同，硫酸系統的配置方式也不同，有的企業采取“一頭兩尾”配置方式，即一套凈化工序、兩套干吸工序、兩套轉化工序；有的采取“一頭一尾”配置方式，即一套凈化工序+一套干吸工序+一套轉化工序。這是不同企業硫酸系統能耗差異的原因之一。

典型大型銅冶煉煙氣制酸工藝和產量見表1。

表1 典型大型銅冶煉煙氣制酸工藝和產量情況

2 工業硫酸單位產品能源消耗限額

銅冶煉行業規范條件明確規定銅冶煉項目須符合節能法律法規和政策，其中硫酸生產過程中的能耗執行GB 29141—2012《工業硫酸單位產品能源消耗限額》[3]。該標準規定的以銅冶煉煙氣為原料的新建工業硫酸裝置單元的能耗準入值、先進值見表2。

表2 新建工業硫酸裝置單位產品能耗準入值和先進值

3 銅冶煉煙氣制酸能耗比較

按照GB 29141—2012《工業硫酸單位產品能源消耗限額》要求，重點計算了開工爐能耗、硫酸裝置的水耗和電耗，估算了壓縮空氣消耗。綜合能耗計算時扣除了蒸汽和熱水綜合利用所對應的標煤，同時也納入了配套的廢酸廢水處理和脫硫設施的能耗。水、電、壓縮空氣、天然氣或柴油的折標準煤系數從GB/T 2589—2008《綜合能耗計算通則》[4]取值，計算結果見表3。

表3 典型銅冶煉煙氣制酸企業單位產品能耗[5-7]

由表3可見：典型銅冶煉煙氣制酸裝置的單位產品綜合能耗均低于GB 29141—2012《工業硫酸單位產品能源消耗限額》中的準入值，紫金銅業、白銀有色、銅陵金冠、廣西金川、南國銅業單位產品綜合能耗分別低于準入值9.8，46.0，19.3，73.8，77.8 kgce/t；噸酸電耗均低于 GB 29141—2012《工業硫酸單位產品能源消耗限額》中的先進值，紫金銅業、白銀有色、銅陵金冠、廣西金川、南國銅業噸酸電耗分別是先進值的85.0%，99.4%，66.4%，65.0%，58.0%；同時設置有低溫位熱回收裝置和中溫位熱回收裝置的單位產品綜合能耗均低于GB 29141—2012《工業硫酸單位產品能源消耗限額》中的先進值，白銀有色、廣西金川和南國銅業單位產品綜合能耗分別低于先進值13.0，40.8，44.8 kgce/t。

從單位產品綜合能耗角度結合表3可知：

1）未配置低溫位熱回收裝置的紫金銅業和銅陵金冠，其單位產品綜合能耗明顯高于配置了低溫位熱回收裝置的白銀有色、廣西金川和南國銅業。這充分說明了低溫位熱回收在節能方面的有效性和必要性。

2）銅陵金冠和紫金銅業均未配置低溫位熱回收裝置，采用了高濃度轉化工藝的銅陵金冠單位產品綜合能耗明顯低于采用常規濃度轉化工藝的紫金銅業。這充分顯現了高濃度轉化工藝的節能優勢。

3）白銀有色、廣西金川和南國銅業均配置了低溫位熱回收裝置和中溫位熱回收裝置，采用了高濃度轉化工藝的廣西金川、南國銅業單位產品綜合能耗明顯低于采用常規濃度轉化工藝的白銀有色，同樣顯現了高濃度轉化工藝的節能優勢。

4）南國銅業單位產品綜合能耗低于廣西金川，表明“非衡態”高濃度轉化工藝更節能。這是因為廣西金川所采用的部分稀釋預轉化工藝，其實質是將一小部分高濃度SO2稀釋到φ(SO2)為12%左右進行預轉化，再與未經預轉化的煙氣混合進入轉化器，從而實現控制轉化器一段出口溫度的目的。該工藝進轉化器的φ(SO2)相當于16%左右。該工藝需增設1臺空氣干燥塔和1臺空氣干燥風機，另轉化器催化劑層共6層，流程相應較長。南國銅業轉化工藝采用中國瑞林與銅陵有色共同開發的“非衡態”高濃度轉化工藝，其核心是控制轉化器一段的SO2轉化率，使煙氣在達到SO2平衡轉化率前的某預設轉化率時離開催化劑層，經換熱器冷卻后進入轉化器二段，設備數量比部分稀釋預轉化工藝少，流程短，因此南國銅業的綜合能耗略低于廣西金川。另一方面，廣西金川采用了“一頭兩尾”配置方式，即配置了一套凈化+兩套干吸+兩套轉化。與其配置不同，南國銅業采用“一頭一尾”配置方式，即配置了一套凈化+一套干吸+一套轉化，設備數量少，單套系統規模大，規模效應凸顯。

從噸酸電耗角度結合表3可知：

1）采用了高濃度轉化工藝的銅陵金冠、廣西金川、南國銅業制酸系統噸酸電耗明顯低于采用常規轉化工藝的紫金銅業和白銀有色。和常規濃度轉化技術相比，高濃度SO2煙氣轉化技術的應用使系統的煙氣量大幅減小、設備規格減小，風機和干吸泵功率相應降低。

2）盡管均采用常規濃度轉化制酸工藝，紫金銅業噸酸電耗小于白銀有色，主要是因為白銀有色地處我國西北地區，大氣壓小，設備規格比紫金銅業大，電耗更高所導致。

3）均采用高濃度轉化制酸工藝，南國銅業噸酸電耗低于廣西金川，原因和南國銅業單位產品綜合能耗低于廣西金川相同。

4）均采用“非衡態”高濃度轉化制酸工藝，銅陵金冠噸酸電耗高于南國銅業，原因主要是銅陵金冠采用了“一頭兩尾”配置方式；同時其制酸系統設備選型時考慮了將來擴產的適應性，設備規格和用電設備配套的電機偏大，因此電耗相對更大。

從噸酸新水消耗角度結合表3可知：

1）白銀有色、廣西金川、南國銅業噸酸新水消耗明顯低于紫金銅業和銅陵金冠。主要原因是前者（白銀有色、廣西金川、南國銅業）制酸系統配有低溫位熱回收裝置，減少了循環水耗量，而制酸系統新水消耗大部分是對循環水的補充；因此前者噸酸新水消耗明顯低于后者（紫金銅業和銅陵金冠）。

2）銅陵金冠和紫金銅業均未配置低溫位熱回收裝置，而銅陵金冠噸酸新水消耗低于紫金銅業。主要原因是進入制酸系統煙氣中水量[折1 tw(H2SO4)硫酸，下同]不同，銅陵金冠進入制酸系統煙氣中水量小于紫金銅業，即工藝煙氣中水含量“閃速熔煉+閃速吹煉”小于“閃速熔煉+轉爐吹煉”。這導致銅陵金冠制酸系統需要的循環水量小于紫金銅業，噸酸新水消耗順序類同，這是前端冶煉工藝的特點決定的。

3）白銀有色、廣西金川和南國銅業均配置了低溫位熱回收裝置，噸酸新水消耗順序為廣西金川＜白銀有色＜南國銅業。主要原因也是進入制酸系統煙氣中水量的不同，煙氣中水量排序為廣西金川＜白銀有色＜南國銅業，即工藝煙氣中水含量排序為“閃速熔煉+閃速吹煉”＜“閃速熔煉+轉爐吹煉”＜“側吹熔煉+頂吹吹煉”，也是前端冶煉工藝的特點所致。當然，白銀有色噸酸新水消耗小于南國銅業還有一個原因就是白銀有色地處西北，環境溫度低于地處廣西的南國銅業，導致循環水損耗稍低。

4 結語

1）典型銅冶煉煙氣制酸的單位產品綜合能耗均低于GB 29141—2012《工業硫酸單位產品能源消耗限額》中準入值；噸酸電耗均低于GB 29141—2012《工業硫酸單位產品能源消耗限額》中先進值。

2）設置低溫位熱回收系統、中溫位熱回收系統及高濃度SO2煙氣轉化技術的應用和推廣是部分銅冶煉煙氣制酸企業綜合能耗遠低于GB 29141—2012《工業硫酸單位產品能源消耗限額》中先進值的根本原因。

3）從節能角度判斷，低溫位熱回收裝置及高濃度SO2煙氣轉化技術值得推廣。