銅精礦干燥尾氣濕煙羽治理技術

李偉

(中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌330038)

濕煙羽的產生是由于含濕量大的高溫煙氣排放后，在溫度和飽和濕度均較低的環境空氣中凝結成了小液滴。這些凝結水滴對光線產生折射、散射，從而呈現出白色或者灰色[1]。關于濕煙羽的治理技術，在燃煤電廠脫硫設施中已有相關的研究和工程業績，主要包括煙氣加熱技術、煙氣冷凝技術、煙氣冷凝再熱技術等[2]，但在銅冶煉行業中相關的研究還相對較少。

2016年1月29日，上海市發布了《燃煤電廠大氣污染物排放標準》（DB 31/963—2016），要求“燃煤發電鍋爐應采取煙溫控制及其他有效措施消除石膏雨、有色煙羽等現象”。繼上海市之后，浙江、天津等多個省市都將該條文寫入地方環保標準。“煙氣脫白”已經逐漸成為工業企業環保超低排放改造的重要內容之一[3]。

1 項目背景

閃速煉銅工藝中，閃速爐對于入爐銅精礦含水率要求相當嚴苛，銅精礦在入爐前需進行深度干燥。目前，國內外閃速煉銅廠大多采用回轉式蒸汽干燥工藝，將含水率7%～12%的濕精礦干燥至含水率小于0.3%[4]，蒸汽干燥機的尾氣經布袋收塵器凈化處理后通過排氣筒直接向大氣排放，高溫含濕量大的煙氣進入環境空氣中遇冷凝結，即會在廠區內形成白色的濕煙羽。

國內某大型銅冶煉廠共有2臺能力為180 t/h（濕基）的蒸汽干燥機，在經過實際考察之后，選用了濕式冷凝凈化除霧技術對2臺蒸汽干燥機外排煙氣進行深度凈化和水霧消除。本文擬以該工程為例，從工藝流程及原理、工藝設計、設備選型及裝置特性等方面對消除銅精礦干燥尾氣中白色濕煙羽的濕式冷凝深度凈化除霧技術進行系統闡述。

2 煙氣參數

本工藝處理的是來自2臺蒸汽干燥機的外排煙氣，該煙氣的特征是溫度較高、含濕量高，兩臺蒸汽干燥機出口混合煙氣參數見表1。

表1 兩臺蒸汽干燥機出口混合煙氣參數

混合煙氣中的煙塵主要為銅質量分數25%左右的銅精礦粉末，其主要成分見表2。粉塵堆密度為1.6～2.0 t/m3。

表2 煙塵主要成分 %

3 工藝流程及原理

濕式冷凝深度凈化除霧裝置主要包括煙氣冷凝及凈化、混風除霧、粉塵回收、水質凈化共4個單元，其工藝流程見圖1。

圖1 濕式冷凝凈化除霧技術工藝流程

蒸汽干燥機混合煙氣通過引風機引入煙氣冷凝及凈化單元內，與環境冷風（高溫段冷卻）和循環冷卻水（低溫段冷卻）進行快速、高效的熱交換；煙氣中的水蒸汽降溫凝結成水并快速導出，從而形成溫度更低的飽和濕煙氣，進入混風除霧單元，與升溫后的環境冷風充分混合，形成不飽和氣體排放。由于排放煙氣處于不飽和狀態，從而可達到除霧的目的。在煙氣降溫過程中，煙氣中水蒸汽在冷凝模塊膜壁上析出形成水膜，兩者之間充分接觸，煙氣中的煙塵也被水膜吸附脫除，從而達到除塵的目的。

冷凝出的水和粉塵進入儲泥調節水箱中靜置沉淀一段時間，底部沉淀的粉塵排污進入排泥斗內繼續靜置沉淀；排泥斗內的上清液排入污水收集池，剩余底部沉積粉塵作為銅精礦回用。通過兩套加藥裝置向調節水箱中加入含絮凝劑的堿液，以降低回收水重金屬離子含量，提高粉塵的回收率。

儲泥調節水箱上清液通過溢流進入清水箱，清水箱中的上清液一部分通過噴淋泵送至煙氣冷凝及凈化單元作為淋洗水，以防止冷凝單元膜壁積塵；另一部分通過清水泵打入金屬過濾器中過濾水中的粉塵顆粒；底部沉積的污水排入污水收集池內。過濾后的水進入回用水箱，大部分通過回用水泵送至其他工段回用，一小部分作為金屬過濾器的反洗水洗滌過濾器，反洗出水排入污水收集池內。污水收集池主要收集排泥斗、清水箱和金屬過濾器的排污水，并通過潛污泵送回儲泥調節水箱。

4 工藝設計

由于該銅冶煉廠現場場地存在諸多限制，為降低設備占地面積，整套裝置的熱交換選用“氣冷+水冷”的方式，高溫段用空氣冷卻，低溫段用水冷卻；同時在保證凈化除霧效果的前提下，工藝設計不考慮過多的富余能力。

因此，濕式冷凝深度凈化除霧裝置的最大處理能力按煙氣量120 000 m3/h、含水量30 %設計選型，環境空氣溫度按春冬兩個季節的平均氣溫考慮（“濕煙羽”現象主要出現在這兩個季節）。該銅冶煉廠所在地的氣象參數見表3。工藝設計設定的參數見表4。

表3 當地氣象參數

表4 工藝設定參數

根據熱傳遞基本公式可以計算得到，高溫段冷卻風用量為627 613 m3/h，所需冷卻面積為2 125 m2；低溫段循環冷卻水用量為110 t/h，所需冷卻面積為1 080 m2。經濕式冷凝凈化除霧裝置處理后，外排煙氣參數見表5。

表5 外排煙氣參數

根據水的飽和蒸汽壓公式，約55℃時空氣中飽和含水量為15.56%，此時外排煙氣的相對濕度為18.9%，基本達到了消霧的目的。同時，按照理論計算，可以得知煙氣處理后的冷凝水量為16.66 t/h，回收率為57.6%，實現了水的回收再利用。

5 設備選型及特性

5.1 設備布置

濕式冷凝凈化除霧裝置的簡要布置見圖2。

圖2 濕式冷凝深度凈化除霧裝置簡要布置

濕式冷凝凈化除霧裝置外形類似于循環冷卻塔，整套系統沿高度方向布置，煙氣冷凝及凈化、混風除霧單元布置在上方，粉塵回收、水質凈化單元布置在正下方，以減少排水管道的水平段及彎頭，防止沉積堵塞。污水收集池設置在除霧裝置的正下方，收集的水通過池內的潛污泵定期返回儲泥調節水箱。

5.2 設備性能參數及特性

1）煙氣冷凝及凈化單元。煙氣冷凝及凈化單元為整套裝置的核心組成，而其中的關鍵部件是由特殊材料制作的具有特殊結構的冷凝模塊。冷凝模塊采用合成熱導新材料（S30408+復合金屬材料）制作，內部采用長距離、小通道S形變截面結構，大大提高了膜面接觸率，具備降溫、凝水、聚水、疏水等集成功能，總換熱面積為3 205 m2，其中空冷換熱面積為2 125 m2，水冷換熱面積為1 080 m2。其工作原理見圖3。該單元采用軸流風機風量為650 000 m3/h，電機功率為45 kW。

圖3 冷凝模塊工作原理示意

2）粉塵回收單元。粉塵回收單元主要包括儲泥調節水箱、清水箱、排泥斗、加藥裝置、潛污泵等：（1）儲泥調節水箱設置接觸沉淀和攪拌排泥兩個分區，有效容積為20 m3。（2）清水箱有效容積為10 m3。（3）排泥斗有效容積為3.5 m3，一用一備。（4）加藥裝置共2套，儲藥箱有效容積為2.0 m3，材質為PE。藥劑采用NaOH溶液+絮凝劑（PAM+PAC），pH值為6.5～7.5；每套加藥裝置配備加藥泵2臺，流量為100 L/h，揚程為10 m，一用一備。（5）潛污泵流量為20 m3/h，揚程H=25 m。

3）水質凈化單元。水質凈化單元包括清水泵、金屬過濾器、回用水箱、回用水泵、噴淋泵等：（1）清水泵流量為32 m3/h，揚程H=60 m，一用一備。（2）金屬過濾器的金屬膜濾芯耐腐蝕、耐高溫、強度大，能形成深層過濾，納污量大，壽命長，且能夠反洗再生，適用于各種腐蝕性介質的過濾。此次選用的金屬過濾器處理能力為30 m3/h，設計壓力為0.6 MPa，過濾精度為5μm，過濾壓力降為0.02 MPa，濾芯材質為S30408，一用一備。（3）回用水箱有效容積為10 m3。（4）回用水泵流量為32 m3/h，揚程H=40 m，一用一備。（5）噴淋泵流量為32 m3/h，揚程H=81 m。

6 處理效果

本套裝置建成并投入運行半年后，實現的處理效果如下：1）冬季和春季2臺蒸汽干燥機外排尾氣中基本觀察不到白色濕煙羽的現象；2）根據現場測試，外排煙氣含塵質量濃度能夠控制在2 mg/m3以下，在考慮冷卻風的稀釋作用后，該裝置的粉塵回收率可以達到60%左右；3）冷凝水平均回收量達到10～13 t/h（與設計值之間的偏差主要是由煙氣量及煙氣含水量的波動引起的），冷凝水可以返回其他工段做回用處理。該濕式冷凝深度凈化除霧裝置的成功運行經驗，可以為國內同類型冶煉廠今后的“煙氣脫白”環保改造提供借鑒。