金冠銅業(yè)“雙閃”冶煉升級改造方案研究與應用

汪滿清 ，王 翔

（銅陵有色金屬集團股份有限公司金冠銅業(yè)分公司，安徽銅陵 244000）

銅陵有色金屬集團股份有限公司金冠銅業(yè)分公司（以下簡稱金冠銅業(yè)）“雙閃”廠區(qū)采用閃速爐熔煉（FSF）＋閃速爐吹煉（FCF）＋回轉(zhuǎn)式陽極精煉（RF）的冶煉工藝，是全球第三套“雙閃”工藝銅冶煉廠，也是世界首套一次建設、一次投產(chǎn)的400 kt/a陰極銅“ 雙閃”銅冶煉廠。自2012年12月份投產(chǎn)以來，整個生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)運行平穩(wěn)，各項指標均達到或超過設計值。2020年已實現(xiàn)陰極銅 410 kt/a、硫酸 1 600 kt/a、黃金 8 t/a、白銀265 t/a的生產(chǎn)規(guī)模。

隨著投產(chǎn)幾年來的穩(wěn)定運行，金冠銅業(yè)已在“雙閃”冶煉工藝、“非衡態(tài)”高濃度轉(zhuǎn)化工藝的生產(chǎn)中積累了較豐富的操作、管理經(jīng)驗，具備了實施挖潛升級改造所需的人力資源和技術(shù)保障。為充分發(fā)揮產(chǎn)能規(guī)模的優(yōu)勢，提升部分關(guān)鍵設備的生產(chǎn)潛力，金冠銅業(yè)從技術(shù)、經(jīng)濟和時間點等各方面綜合考慮，經(jīng)反復論證，計劃進行技術(shù)、環(huán)保、節(jié)能等方面的升級改造。

1 硫酸系統(tǒng)原設計工藝與生產(chǎn)狀況

為適應“雙閃”工藝進入硫酸系統(tǒng)的冶煉煙氣量小且穩(wěn)定、SO2濃度高、FSF和FCF可分開各自獨立作業(yè)的生產(chǎn)特點，配套400 kt/a陰極銅冶煉的硫酸系統(tǒng)采用了1套凈化、1套相同裝置規(guī)模的干吸及轉(zhuǎn)化的工藝配置。

“雙閃”煉銅工藝的冶煉煙氣在進入硫酸系統(tǒng)時φ(SO2)達20%～30%，而RF在預氧化和氧化期的煙氣含有一定濃度的SO2，該煙氣進入脫硫系統(tǒng)進行處理時成本相對較高，而進入硫酸系統(tǒng)時可回收其中的硫，因此，選擇了RF在預氧化和氧化期的煙氣進入制酸系統(tǒng)、還原期含硫較低的煙氣進入環(huán)集脫硫系統(tǒng)的生產(chǎn)模式。3臺爐的冶煉煙氣經(jīng)混合后進入制酸系統(tǒng)。原設計進入制酸系統(tǒng)凈化工序的煙氣條件見表1。

表1 進入制酸系統(tǒng)凈化工序的煙氣條件

硫酸系統(tǒng)的凈化工序采用了美國孟莫克公司的動力波洗滌技術(shù)，轉(zhuǎn)化工序采用了全新開發(fā)的“4+1非衡態(tài)”高濃度SO2兩次轉(zhuǎn)化工藝。設計時，為降低新開發(fā)的“非衡態(tài)”工藝的應用風險及最大限度地探索應用空間，最終選擇進轉(zhuǎn)化工序煙氣φ(SO2)分別為13%和15%進行2套系統(tǒng)的催化劑初始裝填，2臺SO2風機按φ(SO2)13%時的氣量為設計基準，轉(zhuǎn)化器催化劑裝填空間和換熱器的換熱能力按φ(SO2)為18%的操作氣體濃度配套，以期最終能適應φ(SO2)為18%的生產(chǎn)能力，以此作為冶煉系統(tǒng)擴產(chǎn)的裕量。

硫酸系統(tǒng)自投產(chǎn)以來運行穩(wěn)定，日常生產(chǎn)中，進轉(zhuǎn)化工序煙氣φ(SO2)按15%～16%進行操作。目前，已實現(xiàn)硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)的電單耗年滾動值約65 kWh/t[以w(H2SO4)100%計]、綜合能耗（標煤）年滾動值約5.8 kgce/t[以w(H2SO4)100%計]，硫酸生產(chǎn)成本少于100元/t，且轉(zhuǎn)化工序設備的富余量仍較大。

2 挖潛升級改造的思考

近幾年來，銅冶煉行業(yè)多家企業(yè)新建項目以及在原有產(chǎn)能基礎(chǔ)上進行改擴建，銅冶煉行業(yè)的競爭愈演愈烈，加之銅冶煉加工費波動大、原材料與燃料價格上漲、國家對環(huán)保要求的大幅提升而出現(xiàn)的環(huán)保設施的大幅投入，行業(yè)利潤空間進一步縮小。競爭激烈，既是挑戰(zhàn)也是機遇，金冠銅業(yè)面臨不進則退的情況，只有瞄準更高更新的目標不斷努力，才能繼續(xù)保持在銅冶煉行業(yè)的優(yōu)勢。

金冠銅業(yè)憑借在“雙閃”冶煉工藝、“非衡態(tài)”高濃度轉(zhuǎn)化工藝的生產(chǎn)中積累的豐富的操作、管理經(jīng)驗，綜合分析設備現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)主要生產(chǎn)設備和輔助設施具有一定的增產(chǎn)潛力，尤其是冶煉系統(tǒng)FSF、FCF、RF三大爐的本體和硫酸系統(tǒng)的裝置潛力較大。本著主體裝置不作大幅改動、項目投入產(chǎn)出比最佳的原則確定挖潛規(guī)模，同時，兼顧采用先進的節(jié)能技術(shù)與設備，從而使工廠能源單耗進一步下降，降低生產(chǎn)運行成本。經(jīng)反復論證，最終決定在現(xiàn)有400 kt/a陰極銅的基礎(chǔ)上再挖潛80 kt/a礦產(chǎn)陽極銅，硫酸系統(tǒng)同步新建干吸工序的低溫位熱能回收裝置（HRS系統(tǒng)）。

3 具體改造方案

3.1 凈化工序

冶煉系統(tǒng)挖潛80 kt/a礦產(chǎn)陽極銅，即FSF投料量由原來的265 t/h增加至305 t/h、FCF投料量由原來的85 t/h增加至100 t/h。隨著冶煉產(chǎn)能的提升，冶煉煙氣量將進一步增加，但硫酸系統(tǒng)凈化工序已經(jīng)滿負荷，因此，決定將2臺陽極爐各周期的煙氣全部進入環(huán)集脫硫系統(tǒng)，從而不增加進入凈化工序的冶煉煙氣量。最終進入凈化工序的冶煉煙氣量及成分見表2。

表2 進入凈化工序的冶煉煙氣量及成分

為配合干吸工序新增HRS系統(tǒng)，進行了稀酸板式換熱器的核算與改造，將原設計的二級電除霧器出口煙氣溫度由42 ℃下降至37 ℃，從而優(yōu)化HRS系統(tǒng)的產(chǎn)汽率。

生產(chǎn)中，原一級動力波洗滌器溢流堰有局部堰口結(jié)疤，導致逆噴管側(cè)壁溫度高、溢流堰進酸管易出現(xiàn)結(jié)垢堵塞，需不定期停車清理而影響生產(chǎn)。為解決上述問題，新增了凈化工序的斜板沉降槽進行稀酸沉降，沉降后的上清液與氣體冷卻塔串酸來的較清潔的稀酸混合，混合后的稀酸再用泵送至事故高位槽、重力自流至溢流堰，以期通過大幅降低稀酸的固含量來解決溢流堰堵塞的問題。

3.2 新增HRS系統(tǒng)

挖潛項目改造后，設計進轉(zhuǎn)化工序煙氣φ(SO2)已達到17%，鑒于“雙閃”冶煉煙氣具有煙氣量小且穩(wěn)定的特點，已經(jīng)完全具備回收硫酸系統(tǒng)中低位余熱的條件，而且，近幾年來，國產(chǎn)冶煉煙氣制酸的低溫位余熱回收的技術(shù)已趨成熟，投資已有大幅下降且運行較穩(wěn)定，具有很好的經(jīng)濟效益。因此，硫酸2套系統(tǒng)均新建HRS系統(tǒng)。

設計補充稀釋風后，干燥塔進口的煙氣條件見表3。

表3 補充稀釋風后干燥塔進口的煙氣條件

HRS系統(tǒng)產(chǎn)出1.0 MPa低壓蒸汽的性能保證值為大于或等于0.46 t/t（以100%硫酸計），產(chǎn)出的低壓蒸汽用于余熱發(fā)電，配套新建1套低壓飽和蒸汽凝汽機組。

配套進行了干吸酸冷卻器的改造，將原有的干燥酸冷卻器移用作二吸酸冷卻器，同時新增干燥酸冷卻器和成品酸冷卻器。HRS系統(tǒng)投入運行后，原有硫酸循環(huán)水系統(tǒng)富余約7 000 m3/h處理能力，可以供應給新建的低壓飽和蒸汽凝汽發(fā)電機組使用，從而節(jié)省了改造費用。

3.3 脫硫裝置改造

硫酸系統(tǒng)現(xiàn)有2套鈉堿法脫硫裝置，均采用液體NaOH為脫硫劑，尾氣脫硫的脫硫塔為動力波洗滌器，環(huán)集脫硫的脫硫塔為空塔。2套制酸系統(tǒng)在正常生產(chǎn)時轉(zhuǎn)化率可達到99.96%、二吸塔出口煙氣φ(SO2)維持在0.01% 左右，環(huán)集脫硫系統(tǒng)入口煙氣φ(SO2)平均值約為0.05%，投產(chǎn)以來，2套脫硫系統(tǒng)運行成本較低且穩(wěn)定。鈉堿法脫硫工藝存在回用水系統(tǒng)鈉鹽富集問題，回用水反復循環(huán)使用后易出現(xiàn)管道結(jié)晶、現(xiàn)場白色污染，不符合當前的環(huán)保和5S管理要求。

新建HRS系統(tǒng)導致系統(tǒng)阻力增加1～2 kPa，為滿足SO2風機壓頭的需要并回收制酸尾氣中殘余的硫，決定將尾氣脫硫系統(tǒng)改為雙氧水脫硫工藝，將動力波洗滌器的脫硫塔改為填料塔，脫硫生成的w(H2SO4)約 25% 的稀硫酸（1 547 kg/h）加入干吸工序作為工藝補充水，預計增加產(chǎn)出硫酸約3 100 t/a[以 w(H2SO4)100% 計 ]。

環(huán)集脫硫系統(tǒng)原設計是用于處理2臺閃速爐各放銅口、放渣口收集的環(huán)集煙氣，以及豎爐保溫爐和兩陽極爐還原期的煙氣。此次挖潛改造將2臺陽極爐各周期的煙氣全部進入環(huán)集脫硫系統(tǒng)，使得環(huán)集煙氣SO2濃度升高，為降低運行成本、緩解回用水鈉鹽富集問題，新建1套石灰石鈣法脫硫裝置，現(xiàn)有的鈉堿法脫硫裝置作為保安段與新增的鈣法脫硫裝置串聯(lián)運行。

為滿足煙囪超低排放的環(huán)保指標并遠離紅線，2套脫硫裝置均配套建設了濕式電除霧器。

4 改造的效益測算

挖潛升級改造項目已進入現(xiàn)場建設階段，計劃于2022年3月份的停產(chǎn)檢修期間對接入生產(chǎn)系統(tǒng)。據(jù)測算，改造后，陰極銅成本下降約94元/t，硫酸加工成本由當前約100元/t大幅下降至約80元/t，下降幅度達約20%。隨著2套脫硫系統(tǒng)的改造和脫硫電除霧器的投入運行，回用水系統(tǒng)鈉鹽富裕的問題將大幅緩解、煙囪排放指標將遠離超低排放的紅線值。

5 結(jié)語

挖潛升級改造項目投入運行后，生產(chǎn)綜合能耗將大幅下降，實現(xiàn)增產(chǎn)不增污和節(jié)能減排降耗的目的，為企業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。