唐照勇， 瞿尚君， 邵志超， 葉新軍， 秦 茜

(金川集團(tuán)股份有限公司化工廠， 甘肅金昌 737100)

設(shè)備與自動(dòng)化

陽(yáng)極爐煙氣潔凈化治理技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

唐照勇， 瞿尚君， 邵志超， 葉新軍， 秦 茜

(金川集團(tuán)股份有限公司化工廠， 甘肅金昌 737100)

主要介紹了鈉堿法脫硫工藝成功應(yīng)用于陽(yáng)極爐煙氣的潔凈化治理。創(chuàng)新性的應(yīng)用了集成式脫硫塔，將煙氣凈化、降溫、吸收集成于一臺(tái)脫硫塔，在后端設(shè)置尾氣吸收塔作為保安塔，系統(tǒng)脫硫效率能夠保證在96%以上，在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)用了雙介質(zhì)脫硫工藝，使無(wú)水亞硫酸鈉生產(chǎn)過(guò)程中廢液得到充分的利用，通過(guò)強(qiáng)制串液的方式將尾氣吸收塔液堿二次循環(huán)使用，年可節(jié)約新水消耗20 kt，減少液堿消耗400 t，同時(shí)研究了Na2SO4結(jié)晶的臨界控制點(diǎn)，通過(guò)降低吸收液Na2SO4過(guò)飽和度、控制吸收pH值、控制循環(huán)液溫度、優(yōu)化堿液濃度等方式，減少了吸收過(guò)程中結(jié)晶現(xiàn)象。

陽(yáng)極爐 煙氣脫硫 集成式脫硫塔 鈉堿法 結(jié)晶

Abstract: Desulphurization process by sodium alkali method successfully applied to the anode furnace flue gas clean treatment is described. The flue gas purification, cooling, absorption were integrated in a desulphurization tower, becoming an integrated desulphurization tower innovatively. Tail gas absorber set in the back as a security tower, and the desulphurization efficiency of system can be guaranteed more than 96%. In the course of the operation, a dual-media desulphurization process was used to make sure the waste liquid in the Na2SO3production process fully utilized. The way of forcing cross-acid made the liquid alkali secondary cycle, saving the new water consumption of 20 kt and reduce alkali consumption of 400 t per year. The critical control point of Na2SO4crystallization is investigated. By reducing the supersaturation of Na2SO4absorbing liquid, controlling the pH value, controlling the temperature of the circulating liquid, optimizing the alkali concentration, crystallization in absorption process was reduced.

Keywords: anode furnace; flue gas desulphurization; integrated desulphurization tower; sodium alkali method; crystallization

陽(yáng)極爐是火法精煉過(guò)程中的重要工序，主要作用是通過(guò)氧化、還原反應(yīng)將吹煉過(guò)程中產(chǎn)生的粗銅(質(zhì)量分?jǐn)?shù)98.0%～99.3%)進(jìn)一步除雜和精煉，在生產(chǎn)過(guò)程中使用重油作為燃料，煤基固體作為還原劑。其煙氣主要具有以下特點(diǎn)：① 煙氣濃度不穩(wěn)定，SO2體積分?jǐn)?shù)在0.01%～0.3%；② 系統(tǒng)無(wú)收塵設(shè)施，煙氣含塵質(zhì)量濃度最高達(dá)2 g/m3(正常冶煉煙氣含塵質(zhì)量濃度為0.2 g/m3)；③ 陽(yáng)極爐不同作業(yè)周期煙氣氣量、溫度、煙氣濃度、含塵量等參數(shù)均存在較大波動(dòng)。

1 脫硫工藝的選擇

針對(duì)陽(yáng)極爐煙氣特點(diǎn)，通過(guò)運(yùn)行成本和各類技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的對(duì)比，最終選用了鈉堿法脫硫工藝，選擇鈉堿法脫硫吸收工藝有以下的主要優(yōu)勢(shì)：

1) 工藝路線成熟可靠、流程短、初次投資費(fèi)用低，操作簡(jiǎn)便。

2) 公司內(nèi)部生產(chǎn)氫氧化鈉，可以滿足脫硫劑的需求，減少外購(gòu)脫硫劑環(huán)節(jié)。

3) 由于陽(yáng)極爐煙氣條件的不穩(wěn)定性，在不同的生產(chǎn)周期煙氣條件變化明顯，而鈉堿法可以根據(jù)不同的煙氣條件對(duì)運(yùn)行負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和可控性。

4) 可充分利用現(xiàn)有亞硫酸鈉生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的部分堿性水作為系統(tǒng)的補(bǔ)水，減少新水消耗和堿耗，運(yùn)行成本低。

2 工藝流程及配置

來(lái)自陽(yáng)極爐的煙氣首先進(jìn)入集成式脫硫塔，在塔內(nèi)與堿性洗滌液逆向接觸，完成煙氣的凈化、洗滌和吸收。凈化后煙氣進(jìn)入電除霧器除去大顆粒液滴和部分塵粒，通過(guò)風(fēng)機(jī)正壓輸送至尾氣吸收塔，對(duì)煙氣中剩余的二氧化硫進(jìn)一步吸收。達(dá)標(biāo)后尾氣通過(guò)吸收塔頂部煙囪排放。堿性介質(zhì)儲(chǔ)罐定期向集成式脫硫塔補(bǔ)充堿性水，保證凈化和吸收效率，部分吸收飽和的廢液定期排放至廢水處理管網(wǎng)。尾氣吸收塔作為煙氣達(dá)標(biāo)排放的保障，通過(guò)強(qiáng)制循環(huán)方式將pH值有所下降的堿液輸送至集成式脫硫塔循環(huán)使用，而尾氣吸收塔液位的下降由對(duì)應(yīng)的堿液儲(chǔ)罐自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)充。陽(yáng)極爐煙氣凈化吸收工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 陽(yáng)極爐煙氣凈化吸收工藝流程

3 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

3.1 集成式脫硫塔

傳統(tǒng)凈化吸收系統(tǒng)設(shè)置3臺(tái)塔，即洗滌塔、冷卻塔和吸收塔，對(duì)處理煙氣進(jìn)行洗滌、降溫和吸收，而根據(jù)陽(yáng)極爐煙氣溫度低、二氧化硫濃度低的特點(diǎn)，創(chuàng)新性的將凈化、降溫、吸收功能集成于一臺(tái)脫硫塔，精簡(jiǎn)了工藝流程，減少了設(shè)備數(shù)量，降低了運(yùn)行費(fèi)用。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，煙氣與集成式脫硫塔逆噴管段高速噴出的堿性循環(huán)液逆向接觸，由于兩者均有相應(yīng)的壓力，因此在接觸面上形成一個(gè)湍動(dòng)層，實(shí)現(xiàn)氣液的充分接觸和傳質(zhì)，煙氣的凈化洗滌、降溫和吸收主要在此區(qū)域內(nèi)完成。集成式脫硫塔通過(guò)pH值控制吸收終點(diǎn)，最終飽和吸收液定期排廢水處理系統(tǒng)，塔內(nèi)液位下降由對(duì)應(yīng)的堿性介質(zhì)儲(chǔ)罐進(jìn)行補(bǔ)充，同時(shí)在脫硫塔頂層設(shè)置相應(yīng)的噴淋和捕沫裝置，實(shí)現(xiàn)氣液分離的功能。

3.2 雙介質(zhì)循環(huán)吸收技術(shù)

在吸收過(guò)程中采用兩種不同的吸收介質(zhì)，即堿性水和低濃度液堿。堿性水來(lái)自于無(wú)水亞硫酸鈉生產(chǎn)過(guò)程。無(wú)水亞硫酸鈉生產(chǎn)采用蒸發(fā)結(jié)晶，在蒸發(fā)過(guò)程的一個(gè)周期內(nèi)，由于物料粘度增加，需要定期進(jìn)行洗效，即在效體內(nèi)部加入新水，采用正常循環(huán)的方式將附著在內(nèi)壁的物料進(jìn)行清洗。隨著洗效次數(shù)的增加，產(chǎn)生大量的洗效水，其中含有亞硫酸鈉、硫酸鈉、氯化鈉等成分，pH值維持在10以上，可作為天然的脫硫劑對(duì)煙氣進(jìn)行吸收。對(duì)堿性水進(jìn)行隨機(jī)取樣分析，其成分統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 堿性水主要成份分析表 g/L

經(jīng)過(guò)初步統(tǒng)計(jì)，無(wú)水亞硫酸鈉生產(chǎn)過(guò)程中每月可產(chǎn)生洗效水約1 500 m3，可全部用于集成式脫硫塔進(jìn)行脫硫，不但降低的堿耗，同時(shí)減少了新水使用量和廢水排放量。

根據(jù)煙氣濃度低和波動(dòng)大的特性，在爐窯保溫或低負(fù)荷作業(yè)時(shí)，在集成式脫硫塔內(nèi)全部采用堿性水，即能夠滿足煙氣脫硫的要求。在正常生產(chǎn)過(guò)程中，為確保兩級(jí)吸收的效率，在集成式脫硫塔內(nèi)補(bǔ)入少量尾氣吸收塔內(nèi)pH值略有降低的的堿液，從而提高兩級(jí)吸收整體的脫硫效率。通過(guò)以上兩種吸收介質(zhì)根據(jù)爐窯生產(chǎn)負(fù)荷可以進(jìn)行及時(shí)切換，在減少液堿和新水消耗的同時(shí)，保證了尾氣達(dá)標(biāo)排放。

3.3 逆流串聯(lián)脫硫吸收過(guò)程自動(dòng)化控制

傳統(tǒng)凈化系統(tǒng)串液方式通過(guò)兩塔之間的平衡管實(shí)現(xiàn)，串液具有連續(xù)性，且兩塔的液位相互影響。而在該脫硫工藝中，集成式脫硫塔和尾氣吸收塔是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過(guò)程，因此采用強(qiáng)制串液的方式。從圖1中可以看出，堿性介質(zhì)儲(chǔ)罐和堿液儲(chǔ)罐底部均設(shè)有自動(dòng)閥門，與集成式脫硫塔和尾氣吸收塔液位聯(lián)鎖，當(dāng)兩塔液位下降至設(shè)定液位時(shí)，自動(dòng)閥門聯(lián)鎖開(kāi)啟自動(dòng)進(jìn)料；當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定高限時(shí)，閥門聯(lián)鎖關(guān)閉。同時(shí)在尾氣吸收塔循環(huán)泵出口設(shè)置強(qiáng)制串液閥，定期將pH下降的堿液輸送至集成式脫硫循環(huán)使用，提高了吸收劑的使用效率，通過(guò)串液方式可以對(duì)尾氣吸收塔吸收時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成結(jié)晶問(wèn)題有所改善。采用以上工藝后，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化程度高，操作速度快的特點(diǎn)，極大地減輕了職工勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.4 旋流擾動(dòng)防沉降技術(shù)

由于冶煉煙氣的復(fù)雜的特性，煙氣中含塵量極不穩(wěn)定，煙氣在洗滌過(guò)程中，隨著循環(huán)液循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，大部分洗滌的煙塵進(jìn)入沉降槽進(jìn)行沉降，但少量懸浮狀態(tài)的顆粒物隨中心筒進(jìn)入循環(huán)槽底部，在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)。隨著時(shí)間的增加，循環(huán)槽底部積泥較為嚴(yán)重，每次檢修過(guò)程中清理難度較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞入口的部分管道。改造前后中心筒進(jìn)液方式見(jiàn)圖2。

改造前 改造后

傳統(tǒng)的中心筒主要依靠底部四個(gè)拱形開(kāi)孔進(jìn)行進(jìn)液，循環(huán)液通過(guò)自身的重力由中心筒底部向四個(gè)方向流動(dòng)，在此過(guò)程中中心筒的周圍四個(gè)方向以外的區(qū)域形成死區(qū)，隨著吸收時(shí)間的增加，必然會(huì)導(dǎo)致塔內(nèi)沉降。

根據(jù)離心沉降的機(jī)理，如果循環(huán)液在底部形成離心的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，循環(huán)液將不會(huì)沉積，根據(jù)塔內(nèi)中心管的特性，改變了原有的重力自然沉降方式，在中心筒底部設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流裝置，使循環(huán)液的流向發(fā)生改變，塔內(nèi)形成渦流狀態(tài)。集成式脫硫塔創(chuàng)新性的在中心筒底部加裝弧形導(dǎo)流板，使循環(huán)液的流動(dòng)方向發(fā)生改變，在離心力的作用下沿中心筒切線方向向外旋轉(zhuǎn)，在重力的作用下，循環(huán)液在循環(huán)槽底部形成的渦流狀態(tài)，避免的循環(huán)液中懸浮顆粒的沉積，在循環(huán)過(guò)程中，底部積泥始終處于流動(dòng)狀態(tài)，因此塔內(nèi)懸浮顆粒不會(huì)沉積在底部。

4 運(yùn)行過(guò)程控制

4.1 循環(huán)液pH控制

吸收過(guò)程主要對(duì)循環(huán)液pH值進(jìn)行即時(shí)監(jiān)控，將飽和的吸收液定期的排除塔外，同時(shí)保證尾氣吸收塔內(nèi)pH值始終保持在8.0以上，確保能夠應(yīng)對(duì)瞬時(shí)濃度高峰值，使尾氣能夠達(dá)標(biāo)排放。集成式脫硫塔與尾氣吸收塔內(nèi)pH值變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。

圖3 集成式脫硫塔與尾氣吸收塔內(nèi)pH值變化趨勢(shì)

從圖3可見(jiàn)：脫硫塔內(nèi)循環(huán)液pH值隨時(shí)間變化整體呈下降趨勢(shì)，并且與爐窯作業(yè)周期具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，而尾氣吸收塔pH至基本能夠保持在一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的范圍，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了煙氣脫硫過(guò)程主要是在集成式脫硫塔內(nèi)完成。在吸收過(guò)程中，將集成式脫硫塔內(nèi)pH值控制在5.0～6.0，當(dāng)尾氣吸收塔pH值下降至8.0左右時(shí)，將此部分堿液輸送至前端脫硫塔繼續(xù)使用，同時(shí)為尾氣吸收塔補(bǔ)充新鮮堿液，從而保證系統(tǒng)能夠承受二氧化硫峰值，使尾氣實(shí)現(xiàn)全時(shí)段達(dá)標(biāo)。

4.2 運(yùn)行負(fù)荷與陽(yáng)極爐生產(chǎn)過(guò)程匹配化運(yùn)行

正常生產(chǎn)過(guò)程中，陽(yáng)極爐在不同的作業(yè)時(shí)段內(nèi)煙氣量波動(dòng)較大，因此脫硫系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)機(jī)負(fù)荷根據(jù)不同的作業(yè)周期進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，并將操作模式進(jìn)行固化，從而保證風(fēng)機(jī)處于高效、節(jié)能的運(yùn)行負(fù)荷。

4.3 減少吸收過(guò)程結(jié)晶

結(jié)晶過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的傳質(zhì)、傳熱過(guò)程，其推動(dòng)力主要來(lái)自于結(jié)晶體系在熱力學(xué)上的非平衡特性，與循環(huán)液溫度、金屬催化作用、雜質(zhì)含量、pH值等具有密切的關(guān)系。經(jīng)過(guò)分析和實(shí)際運(yùn)行中指標(biāo)控制，在源頭控制液堿中NaCl雜質(zhì)的含量，避免雜質(zhì)促進(jìn)晶核形成，通過(guò)查閱資料，硫酸鈉溶解度的拐點(diǎn)溫度為34 ℃，當(dāng)溫度低于34 ℃時(shí)，溶解度隨溫度的升高而變大；當(dāng)繼續(xù)升溫高于34 ℃時(shí)，溶解度呈緩慢下降趨勢(shì)。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于陽(yáng)極爐煙氣溫度低，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)溫度的自平衡，在一定程度上減緩了硫酸鈉的結(jié)晶，同時(shí)由于在吸收過(guò)程中定期將吸收飽和溶液排除系統(tǒng)外，從而降低了循環(huán)液中硫酸鈉的過(guò)飽和度，從而減少了結(jié)晶現(xiàn)象。

5 效果效益分析

5.1 環(huán)保效益

陽(yáng)極爐煙氣潔凈化治理技術(shù)的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了煙氣的達(dá)標(biāo)治理，使無(wú)水亞鈉生產(chǎn)過(guò)程中堿性廢液得到充分資源化利用，集成式脫硫塔脫硫效率能夠保證在96%以上，每年可減排二氧化硫約1 900 t。集成式脫硫塔運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 集成式脫硫塔運(yùn)行數(shù)據(jù)

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

采用雙介質(zhì)循環(huán)吸收工藝后，年可節(jié)約堿耗約400 t，按照目前液堿價(jià)格1 700元/t計(jì)算，年可節(jié)約費(fèi)用68萬(wàn)元。年減少新水消耗20 kt，按照新水價(jià)格3元/t計(jì)算，每年可節(jié)約費(fèi)用6萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

6 結(jié)語(yǔ)

陽(yáng)極爐煙氣潔凈化治理方式成功應(yīng)用于銅冶煉系統(tǒng)低濃度煙氣的治理，實(shí)現(xiàn)煙氣達(dá)標(biāo)排放，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新使運(yùn)行成本得到明顯降低，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保達(dá)標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益雙贏。

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Applicationpracticeofcleangastreatmenttechnologyforanodefurnace

TANGZhaoyong,ZHAIShangjun,SHAOZhichao,YEXinjun,QINQian

(Chemical plant, Jinchuan Group Co., Ltd., Jinchang, Gansu, 737100, China)

TQ111.16

B

1002-1507(2017)08-0055-04

2017-06-17。

唐照勇，男，金川集團(tuán)股份有限公司化工廠化工工程師，現(xiàn)從事低濃度煙氣脫硫工作。電話：0935-8828378；E-mail：tangzhaoyong@jnmc.com。