銅冶煉廠脫硫系統設計

賽智濤

（云南銅業股份有限公司，云南 昆明 650000）

最近幾年來我國的有色冶煉技術得到了飛躍式的發展，各種各樣的新工藝開始注重對環境的保護，雖然在金屬的冶煉過程當中采取了多種措施對硫化物進行脫離分解，進而防止煙霧的傳播，但是很多流程當中仍然會不可避免地產生一些濃度較低的二氧化硫氣體擴散到周圍的環境當中，使得銅冶煉廠的廠房中存在很多有毒氣體，嚴重地影響了操作人員的生命健康，而且也會影響到周遭的環境和空氣質量。因此，為了能夠進一步滿足環保建設的要求，也為工人的安全提供更有效的保障，銅冶煉廠的環境和脫硫技術以及脫硫系統的設計也越發地受到人們的關注。

1 銅冶煉廠脫硫系統設計分析

在我國，大多銅冶煉廠當中采用的還是較為傳統的冶煉技術和脫硫技術，主要的操作方法就是在冶煉的廠房內部，安插一定的通風系統，然后由通風系統將各個路口所飄散出來的二氧化硫氣體進行收集、匯總，將這些有害氣體集中排放到外界，但是由于這個系統本身對二氧化硫氣體的吸收并不能達到100%，所以還是有部分二氧化硫氣體會飄散在廠房內部被工人所接觸到和吸收到，這對他們的身體健康造成嚴重的損害，甚至有一些冶煉廠中會出現員工大范圍爆發癌癥的現象，這些就是有毒氣體沒有被及時的收集、匯總所引起的。除此之外，在對二氧化硫等有毒氣體進行戶外排放的時候，還會對周邊的空氣和環境造成一定的污染，影響周邊的空氣質量，給周邊人群的生活帶來嚴重的影響。而且隨著近幾年來對環保要求的不斷提高，這種對外排放含硫氣體的方式，也逐漸被禁止，現在很多冶煉廠中所采用的脫硫方法還比較傳統，通常會以石灰石-石膏法、氨法、活性焦法和有機溶劑法來進行脫硫。

2 脫硫工藝的選擇原則

由于銅冶煉廠在冶煉的過程當中會因為溫度的不同和所含雜質的不同，而產生各種各樣的含硫化合物，所以根據實際的操作情況，也需要對相關的工藝進行選擇，如果在不知道冶煉過程當中產生了哪種污染物的情況下，就應該先去調查同類企業現在所使用的環保處理方案，以及所達到的經濟技術運行指標，才能夠真正提出多項對環境友好，對所產生的污染物有效的多項環保措施和預備選擇方案，這樣才能夠通過對比，選擇最為完善的脫硫系統。

而在銅冶煉的不同流程當中所產生的含有硫元素的有害化合物也各不相同，因此需要根據冶煉廠的實際情況，對所產生的有害含硫化合物進行分析，才能選擇最為合適的脫硫工藝。

3 常見脫硫工藝概述

3.1 石灰石-石膏法

目前在全世界范圍內運用較為廣泛，較為常見，較為方便成熟的技術就是石灰石-石膏法，也就是我們常說的濕法脫硫技術。目前在我國很多的火力發電廠當中，都會利用濕法脫硫技術來降低空氣中以及冶煉廠當中含有的硫化物質，而在一些有色金屬的冶煉過程中，濕法脫硫技術也得到了非常廣泛的應用，首先就是由于這個工藝被大多數人所認可，而且比較方便，操作熟悉，所需要使用的原材料可靠，價格相對來說也比較低，所投入的成本也就不多，所以在過去的幾十年里，很多銅冶煉廠當中的脫硫系統設計，總會利用到濕法脫硫技術，但是隨著現代化冶煉技術的發展以及對各種金屬的需求量的不斷增加，這種傳統的技術也受到了一定的限制，一方面由于很多有色金屬例如銅、鐵等在冶煉的過程中所產生的煙氣含有很多的雜質和有害氣體，而在脫硫的過程當中并沒有在前端安插煙氣凈化系統，使得很多爐口渣口處所產生的煙氣和灰塵會直接進入到空氣當中，或者是在后續的脫硫系統當中，影響脫硫工藝，導致最終所產生的石膏不符合規定的標準，這些石膏產品也就難以得到有效的利用。石灰石-石膏法脫硫工藝流程如圖1所示。

圖1 石灰石-石膏法脫硫工藝流程圖

該工藝主要化學反應：

采用石灰石時：總反應SO2+CaCO3+2H2O→CaSO3+2H2O+CO2

采用石灰時：總反應SO2+CaO+2H2O→CaSO3+2H2O

氧化反應：CaSO3+2H2O+1/2O2→CaSO4+2H2O

3.2 氨法

氨法脫硫技術是一項符合現代化經濟循環要求和環境友好的脫硫技術，而且氨法脫硫技術所產生的副產品是硫酸氨，這些副產品可以用作化肥，對外出售還帶來了另外一層經濟收益，氨法脫硫技術相對而言較為成熟，而且能夠滿足多種工業化應用的需求，它的主要原理就是利用氨氣作為吸收煙氣當中二氧化硫的主體然后在此過程中生成亞硫酸氨，這種方式相對于石灰石-石膏法更加具有現代工藝的氣息，而且能夠實現對原材料和副產品的高效利用，更加符合經濟化的要求。

3.3 鈉堿法

鈉堿法脫硫工藝所采用的原理就是利用氫氧化鈉和碳酸鈉作為脫硫系統當中的吸收劑，對氨氣進行充分的吸收，最終生成無水亞硫酸鈉，這種脫硫方法應用較廣，而且能夠達到有效的脫硫效果。而且利用鈉堿法脫硫工藝所產生的產物多為固態，物體運輸起來比較方便，亞硫酸鈉也被廣泛的應用于造紙行業，需求量比較大，可以給企業帶來更為廣泛的經濟效益。

4 系統設計

在確定采用氨法脫硫技術作為本項目工藝方案后，開展系統設計工作。本項目系統設計的難點主要在三方面：

首先，本項目采用氨水作為脫硫劑，氨水的用量是否能滿足系統穩定運行的需求是關鍵。同時，氨水屬于危險化學品，對它的運輸、管理及使用都必須符合國家相關管理規范。

其次，本工程主要特點為內容點多、面廣，大型物件吊裝及高空作業多，物流通道及作業空間狹窄，冬季嚴寒施工，安全及消防壓力大，同時還要協調項目施工檢修銜接。上述特點決定了本項目需加強管理，采取超常規措施確保順利實施。

最后，根據擬選型設備所處在系統的位置不同，所承載煙氣狀態、溫度、性質不同，需要重點考慮防腐設計。

4.1 工藝流程設計

環保脫硫煙氣經過管道及增壓風機進入洗滌塔洗滌降溫后，進入初級脫硫塔與氨水反應，初步吸收，再進入到脫硫塔進行SO2的吸收，母液反向從脫硫進入洗滌槽，再進入初級脫硫塔，吸收液氧化后輸送至固體硫酸銨工序生產，洗滌凈化塔液體通過煙塵過濾、后循環至含酸量達到一定量后，用泵輸送至制酸區凈化工序處理，根據系統流程，本項目具體可將工藝分為脫硫工序、硫銨工序。脫硫工藝流程圖如圖2所示。

圖2 脫硫工藝流程圖

4.1.1 脫硫工序

從轉爐、電爐出來的環保煙氣經增壓風機引入脫硫塔下段洗滌（濃縮段），與從氨水罐輸送來的硫酸銨飽和溶液接觸，降溫后的煙氣進入吸收段（脫硫段），煙氣中的SO2與噴淋下的吸收液充分接觸反應后被吸收，然后煙氣經過除霧器，凈化后的煙氣優于排放標準，由塔頂煙囪排放。吸收液在塔內被壓縮氧化為硫銨溶液送去過濾。該工序又可分為洗滌降溫、SO2的吸收、吸收液的氧化和事故保護裝置等四個工藝過程。

洗滌降溫。混合煙氣經增壓風機首先送入脫硫裝置吸收氧化塔中部與從上部噴淋下的三級吸收液接觸，混合煙氣在此過程中進行絕熱蒸發、降溫、洗滌，硫酸銨溶液中部分水分蒸發汽化，并使硫銨溶液濃度得到濃縮，當硫銨溶液濃度達到要求的密度時，過濾后由泵送至硫銨工序硫銨溶液貯槽。同時混合煙氣中大部分煙塵被硫酸銨溶液洗滌除去。

SO2的吸收。在上部吸收段，混合煙氣自下而上穿過三級噴淋的吸收液，并與吸收液進行傳質反應，SO2被吸收脫出，凈化的混合煙氣經塔體上部除沫器除霧后，溫度降至41℃由塔頂濕煙囪達標排放。三級吸收液經吸收后一起流入吸收氧化塔下部，根據SO2吸收的基本原理，（NH4）2SO3和NH3對SO2均具有較強的化學吸收作用，因NH3在溶液中的平衡分壓大，而（NH4）2SO3在溶液中的平衡分壓小，在吸收過程中，主要以（NH4）2SO3來吸收SO2，大大降低NH3的逸出，使氨逃逸質量濃度≤10 mg/m3。為保證高的吸收效率和減少NH3逸出，本項目在工藝技術和設備上，主要利用（NH4）2SO3的吸收功能，NH3只作為（NH4）2SO3吸收劑的再生原料來補充。隨著吸收過程的進行，吸收液成分不斷發生改變，使吸收能力降低，為保持吸收效率，需不斷補充新的脫硫劑——氨水，使吸收劑得到再生。

吸收液的氧化。吸收氧化塔下部的吸收液，通過塔內設置的曝氣裝置，從塔底通入氧化壓縮空氣，在過量空氣的作用下，吸收液中的亞硫酸銨在氧化塔內被氧化為硫酸銨，氧化率可達98.5%以上。

事故保護。為保證脫硫吸收系統在故障停運或停電時不影響廠區主體裝置的正常運行，避免高溫煙氣對脫硫吸收系統造成損害，同時避免高溫煙塵進入脫硫吸收系統而影響硫銨產品達到一級品的質量要求，本項目在進脫硫裝置前的煙道上和去廠區主煙囪的煙道上設置閥門以及在進吸收氧化塔進口設置事故噴淋水裝置。當脫硫系統運行時，去廠區主煙囪進口煙道上的電動蝶閥門關閉，進脫硫裝置前的煙道上的鐘罩閥門打開，混合煙氣經增壓風機進入脫硫塔。由于洗滌吸收塔為碳鋼襯玻璃鱗片，熱膨脹系數不同，為防止局部溫度過高，在洗滌氧化塔進口處設置降溫裝置和事故噴淋。當突然停電或吸收泵發生故障導致溫度過高時，事故噴嘴會自動噴淋工藝水降溫并報警。

4.1.2 硫銨工序

經過脫硫工序，獲得硫酸銨濃縮液。在此工序中，借助三個具體工藝（蒸發結晶、分離干燥、包裝），得到硫酸銨產品。

硫銨蒸發結晶。改造后硫銨蒸發結晶為4臺，硫銨生產采用四班二運轉，每班生產12 h，硫酸銨為間隙生產，每次蒸發時間16 h，邊蒸發邊補料，其余時間為物料周轉時間。借助硫銨溶液輸送泵，硫銨溶液被輸送至硫銨蒸發結晶器。加熱后者蒸汽盤管，使溶液蒸發，之后，借助蒸發結晶器，在蒸發同時進行補料，受到蒸發作用影響，硫酸銨溶液發生濃縮，濃度慢慢加大，上升至飽和后，得到硫銨晶粒最終產物。若結晶含量符合規定工藝指標標準，會借助晶漿輸送泵，被輸送至硫銨高位槽（中間槽）。

硫銨晶粒的離心分離。基于密度原因，在高位槽中，晶粒（位于硫銨晶粒懸浮液中）發生自然下沉，都集中在底部，之后被放入離心機，實施固液分離，借助螺旋輸送機，將分離得到濕硫銨結晶顆粒輸送至沸騰爐干燥裝置，其中顆粒含水量在5%之下。

硫銨晶粒的干燥。含水率≤5%濕硫銨結晶顆粒在沸騰爐中，由送風機送入熱空氣進行沸騰干燥，得到含水率≤0.3%的固體硫銨成品。從沸騰爐出來的成品直接落入硫銨儲斗，再經定量包裝機稱量、包裝后，送倉庫儲存、出售。

硫銨粉塵回收。硫銨干燥過程中夾帶粉塵的干燥空氣在引風機的作用下，經旋風除塵器除塵后排入大氣。旋風除塵器捕集的粉塵落入硫銨儲斗。

4.2 化學反應機理

本氨法脫硫技術是低濃度SO2煙氣吸收氧化利用一體化技術。煙氣在脫硫塔洗滌吸收段經洗滌降溫后進入吸收段，煙氣在吸收段完成脫硫過程。含硫煙氣經脫硫后達標排放。煙氣中的二氧化硫的吸收過程按下列反應式進行：

上述反應式表明，在吸收塔內煙氣中的SO2被吸收，生成亞硫酸氫銨或亞硫酸銨；為有利于吸收反應持續進行，需在吸收液中注入氨氣使吸收液再生。其再生反應如下：

當部分吸收液流經氧化段，鼓入氧化空氣使亞硫酸銨氧化成硫酸銨：

生成的硫酸銨溶液在脫硫塔洗滌段洗滌煙氣中煙塵的同時，絕熱蒸發使高溫煙氣降溫；硫酸銨溶液在此過程中也因水分蒸發而濃縮，達到一定工藝指標送入硫銨工段。

5 結束語

綜上所述，在現代化的銅冶煉廠當中，必須要加強對于脫硫系統的設計和應用，才能夠進一步在保證冶煉質量和冶煉效率的同時加強與環境之間的和諧發展。