動力波洗滌技術在金隆公司的應用實踐

袁雪生

（金隆銅業有限公司，安徽銅陵 244021）

金隆銅業有限公司（以下簡稱金隆公司）于1997年4月8日建成并投產運行，經過四次技術改造及內部深度挖潛后，至2017年達到了硫酸1 200 kt/a、高純陰極銅460 kt/a的生產能力。目前金隆公司采用“閃速熔煉+轉爐吹煉+陽極爐精煉”銅冶煉工藝，閃速熔煉和轉爐吹煉產生的高濃度SO2煙氣用于制取硫酸產品。與冶煉工藝配套的硫酸裝置采用“3+2”二轉二吸制酸工藝，其中煙氣凈化工序采用動力波洗滌技術。金隆公司硫酸裝置自采用動力波洗滌技術凈化煙氣以來，未出現過因凈化指標差、設備阻力大等原因導致的生產故障，系統運行的穩定性較高。

1 動力波洗滌技術

1.1 動力波洗滌技術原理

動力波洗滌技術是美國杜邦公司在1970年左右研究開發的一項煙氣洗滌技術，當時只在小范圍內用于工業廢氣的處置，應用業績不多。美國孟山都公司認識到這一技術的使用價值，并對其進行了可行性研究，于1989年建成并成功運行了世界上第一臺動力波煙氣洗滌工業裝置[1]。

動力波洗滌技術主要運用泡沫洗滌原理，但又和傳統的泡沫洗滌技術不同。動力波洗滌技術運用流體力學理論，同時利用液流能量和氣流能量[2]，其洗滌原理為：具有一定流量和流速的氣液兩相在動力波反應器的逆噴管中相遇，兩者相互作用，一方面在氣體通道中建立起一個巨大的泡沫層，利用泡沫層氣液接觸面積大、更新速度快的特點，進行高效的傳熱傳質；另一方面，形成的泡沫層漂浮在逆噴管內，隨氣液動量的變化在逆噴管內上下運動，以適應不同煙氣量的變化[3]。動力波洗滌原理示意見圖1。

圖1 動力波洗滌原理示意

1.2 動力波洗滌器的結構

動力波洗滌器主要由過渡段、逆噴管、伸縮節、工作噴嘴、事故噴嘴、集液槽、高溫水槽等部件構成。過渡段的材質為碳鋼內襯耐高溫石墨磚，以避免進入的高溫氣體及自下而上的反噴液造成腐蝕。逆噴管為玻璃鋼材質，耐熱溫度為120 ℃，氣液兩相的傳熱傳質過程在此處完成。為防止高溫氣體對玻璃鋼造成損壞，在逆噴管的上部設有溢流堰，溢流堰流出的液體在逆噴管內表面形成連續的液膜保護玻璃鋼材料。伸縮節的作用是補償逆噴管與固液分離器之間的熱膨脹差。工作噴嘴和事故噴嘴均為聚四氟乙烯材質，工作噴嘴為中心大孔徑，與氣體逆向噴出液體，以達到降溫、洗滌氣體的目的；在工作噴嘴發生無液體或液體量少、進入氣體冷卻塔的氣體溫度高于設定值等事故時，事故噴嘴開始工作，以保護后面的玻璃鋼設備免遭高溫氣體的損壞。集液槽和高位水槽均為玻璃鋼材質，集液槽用于存放洗滌液，高位水槽用于在溢流堰進酸量過小等異常情況下進水保護溢流堰。

2 動力波洗滌技術在金隆公司的應用

2.1 冶煉煙氣凈化工藝的選擇

目前，冶煉煙氣洗滌凈化的方法較多，常用的洗滌設備主要有文丘里裝置、噴淋塔、濕式旋風裝置及動力波洗滌器等[4]。常用冶煉煙氣洗滌凈化工藝比較見表1。

表1 常用冶煉煙氣洗滌凈化工藝比較

由表1可知：相比較于其他幾種煙氣洗滌技術而言，動力波洗滌技術具有除塵效率高、占地面積小、適用范圍廣等優點。

在金隆公司創建之時，廠區面積較小，且轉爐煙氣的SO2濃度及煙氣流量波動較大，在金隆公司應用動力波洗滌技術凈化冶煉煙氣優勢更加明顯。金隆公司根據冶煉煙氣的特點，從除塵效率、設備費用、運行費用、占地面積、適用范圍等方面進行了比較，并結合冶煉煙氣制酸同行業的成功經驗，最終確定采用動力波洗滌技術。

2.2 冶煉煙氣凈化工藝流程

金隆公司采用動力波洗滌技術凈化冶煉煙氣的工藝流程見圖2。

圖2 冶煉煙氣凈化工藝流程

來自閃速爐和轉爐電除塵器的煙氣經過除塵進入混氣室后，從動力波洗滌器頂部進入逆噴管，w(H2SO4)約為9%的稀酸從集液槽底部通過大流量的循環泵以穩定的流量在3個大口徑噴嘴中聚集向上噴射，氣液兩相在逆噴管中部相遇，在形成的泡沫層進行高效的傳熱和傳質，達到除塵除雜和煙氣降溫的目的。當上游的煙氣流量產生波動時，泡沫層的位置會隨之在逆噴管內上下浮動，以適應不同的氣量工況要求。經過除塵除雜的煙氣進入氣體冷卻塔進一步降溫，洗滌后的循環液中各離子濃度會逐步升高，后開路至沉降槽送至廢酸系統進行處理。

2.3 動力波洗滌技術的優勢

動力波洗滌技術運用泡沫洗滌原理，較其他煙氣凈化技術具有許多優點，在金隆公司的應用過程中體現在以下幾方面。

1）適應煙氣流量劇烈波動的能力強。金隆公司在冶煉煙氣凈化工序設計之初，考慮到轉爐作業周期的影響，為使動力波洗滌器對煙氣流量的劇烈波動具有較強的適用性，保證在不同工況下的除塵效率，經過研究，將動力波洗滌器處理的煙氣流量范圍設計為55 000～135 000 m3/h，能夠滿足工藝要求。

2）凈化除塵效率高。在逆噴管中逆流接觸形成的泡沫層表面積大且泡沫更新迅速，煙氣偏流及短路的情況從未發生，動力波洗滌的除塵效率超過95%。

3）對后續工序影響較小。由于動力波洗滌除塵效率高，降低了進入氣體冷卻塔的雜質量，進而降低了系統阻力；由于大口徑噴嘴噴射出的液體霧化程度小，在煙氣洗滌過程中酸霧的產生量較少，后續濕式電除霧器的處理負荷則會降低，從而降低電除霧器的規格尺寸及除霧有效面積，降低后續設備的投資費用。

4）采用聚四氟乙烯材質的大口徑噴嘴，提高了設備的耐腐蝕性和運行穩定性。噴嘴為大口徑，可保證噴嘴在循環液固含量較高的工況下運行而不被堵塞，降低了設備停車檢修的頻次和時間。金隆公司硫酸裝置的動力波洗滌系統循環液固含量(w)最高可達26%，由此說明，該凈化洗滌系統可處理雜質含量較高的煙氣，且能保證較高的除塵效率；循環液固含量較高，排污量則會相應減少，可降低后續廢水處理的成本[5]。

5）設備結構簡單，采用玻璃鋼材質穩定性好、易制作，節約了投資成本。金隆公司動力波洗滌系統的溢流堰管道直徑為1 830 mm，集液槽規格為φ5 490 mm×11 000 mm，占地面積較小。

6）設備運行穩定，維修成本低。動力波洗滌系統的主要設備和管道均為玻璃鋼材質，耐120 ℃高溫，設備運行穩定，維修成本會同步降低。金隆公司采用動力波洗滌技術比傳統的煙氣凈化工藝節省了投資。

7）成品酸質量優。由于動力波洗滌器的除塵效率高，帶入后續干吸系統的雜質較少，從而保證成品酸的合格率較高。據統計，金隆公司自投產至今，硫酸產品從未發生過質量問題。

2.4 動力波洗滌除塵效率的影響因素

2.4.1 電除塵器的除塵效率

金隆公司硫酸裝置在設計之初允許進入煙氣凈化系統的雜質量為6.4 t/d，考慮5%的富余量，允許進入該系統的最大雜質量為6.72 t/d。進入硫酸裝置煙氣凈化系統的雜質量見表2。

表2 進入煙氣凈化系統的雜質量 單位: kg/d

由表2可知，如果電除塵器的除塵效率下降，會導致進入硫酸裝置的雜質量超過設計值，在保證動力波洗滌器除塵效率不變的情況下，進入后端工序的煙塵含量也會增加。

2.4.2 動力波洗滌器的噴嘴壓力及高度

為防止出現煙氣偏流、短路等問題，結合逆噴管的長度，動力波洗滌器的3個噴嘴壓力需維持在100 kPa。實踐表明，噴嘴壓力過高會導致噴液高度增加，噴嘴壓力過低會導致噴液高度偏低，噴液的高度過高或者過低，都不能形成穩定的泡沫層，進而影響到除塵效率。更為重要的是，3個噴嘴的壓力必須保持一定，否則噴液高度不一致，泡沫層產生空洞，會使氣體出現偏流，從而導致除塵效率下降。

2.4.3 循環泵流量的穩定性

金隆公司在硫酸裝置動力波洗滌系統設計之初，依據當時的煙氣流量，確定的氣液比（體積比）在50～130。氣液比過低，則氣量偏小，循環泵流量過大，會造成用電成本增加；氣液比過高，則氣量偏大，循環泵流量過小，會導致動力波洗滌器的除塵效率下降，影響工藝指標的控制。為保證循環泵流量的穩定，采用泵電流和泵出口壓力聯鎖的方式對泵的運行情況進行實時監控，一旦由于循環泵出現故障導致聯鎖發生，會開啟備用泵運行。

2.4.4 煙氣流量的波動

金隆公司的動力波洗滌系統處理的煙氣流量為55 000～135 000 m3/h，在泵量保持穩定的情況下，如果煙氣流量出現劇烈波動，超出上述范圍，動力波洗滌的氣液比會發生變化，會影響動力波洗滌的除塵效率。最為明顯的是，在閃速爐爐內點檢、電除塵系統停運或轉爐開始氣交換的工況下，進入硫酸裝置的煙氣流量會大幅下降，造成動力波洗滌的除塵效率下降。

2.4.5 循環液中的離子濃度

循環液中的離子濃度過高，會導致動力波洗滌的除塵效率下降；循環液濃度過低，雖然能保證較高的除塵效率，但會增加廢酸處理系統的成本。一般情況下，該動力波洗滌系統會根據各離子濃度的分析數據適時進行調整。若循環液濃度過高，會加大廢酸引出量，增加凈化系統的補水量，使得循環液中的離子濃度控制在合理范圍后，再進一步對操作工藝指標進行調整。

3 運行情況

3.1 性能指標檢測

對動力波洗滌系統的除塵效率及其他主要技術指標進行檢測，數據見表3。

表3 動力波洗滌系統性能指標檢測數據

由表3可知，經過長時間的實際運行，動力波洗滌系統的除塵效率為92.7%，遠高于設計值85%，其凈化煙氣中的氟含量、一級動力波的入口壓力、運行阻力及進出口的煙氣溫度等指標均優于設計值，動力波洗滌系統的性能指標檢測合格。

3.2 綜合能力

因為動力波洗滌系統的除塵效率會影響到后續工序的指標變化，因此動力波洗滌系統的除塵凈化能力是一個綜合性指標，不僅體現在性能指標方面。以一個大修年份（2年）為周期進行分析，從以下四個方面說明該動力波洗滌系統的綜合能力。

1）凈化阻力不會明顯升高。以2年為周期進行分析，氣體冷卻塔的填料層阻力最多增加1 kPa，這說明從一級動力波洗滌器帶入的塵含量較低。

2）電除霧器出口煙氣的酸霧含量低。通過化驗分析可知，硫酸轉化風機出口處的酸霧含量能夠達到指標要求；通過電除霧器的視鏡觀察，一級電除霧器中的酸霧較少，二級電除霧器內基本看不到酸霧；電除霧器的沖洗排污液濁度也較小。

3）轉化器催化劑床層阻力增長緩慢，催化劑活性無明顯下降。排除因催化劑的使用年限較長和篩分等因素導致的催化劑床層阻力上升外，轉化器催化劑床層的阻力上升速度較慢，能夠滿足一個大修周期對阻力的要求。催化劑的活性無明顯下降，轉化率最多降低0.15個百分點，遠低于其他傳統煙氣凈化工藝。

4）成品酸質量優。金隆公司的硫酸裝置運行至今，成品酸未出現過任何質量問題，其灰分含量、透明度、色度及鐵砷鉛等雜質元素含量均優于國家標準優等品的要求。

綜上所述，金隆公司的動力波洗滌系統不管是在性能指標還是凈化能力上，均能滿足工藝要求，且設備穩定運行多年，運行可靠性高，對生產的影響較小。

4 結語

金隆公司硫酸裝置動力波洗滌系統自1997年投入運行以來，未出現過因凈化指標差、設備阻力大等原因導致的生產故障，且對公司整套生產系統的影響小，可靠性和穩定性較高。動力波洗滌技術處理復雜成分煙氣的能力較強，對煙氣流量波動的適應性也較強，除塵效率高達92%以上，能夠滿足金隆公司的實際生產工藝需求。動力波洗滌技術在金隆公司的成功運用，證明了動力波洗滌技術的強大優勢及工業實用價值，為冶煉煙氣的凈化提供了有力的技術保障。