曹龍文，陸 海，張冠華，洪國明，董 冕

（大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司/有色金屬冶金與循環(huán)利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北黃石 435005）

大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司（以下簡稱大冶有色）是中國有色礦業(yè)集團(tuán)部署的重點(diǎn)子公司，為響應(yīng)集團(tuán)“抓資源、國際化、走高端”的戰(zhàn)略布局，加快轉(zhuǎn)型升級(jí)，擬在異地新建1套400 kt/a陰極銅冶煉項(xiàng)目。項(xiàng)目采用“雙閃”冶煉工藝，立足應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)裝備，建成1座安全、節(jié)能、環(huán)保的一流工廠，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 項(xiàng)目建設(shè)選址及規(guī)模

項(xiàng)目落地于湖北省黃石市新港工業(yè)園區(qū)，新港工業(yè)園區(qū)位于黃石市陽新縣，毗鄰長江，園區(qū)配套齊全、交通便利。根據(jù)項(xiàng)目400 kt/a陰極銅計(jì)算，配套制酸裝置規(guī)模為1 500 kt/a，生產(chǎn)w(H2SO4)為98%或93%優(yōu)等品工業(yè)硫酸。

2 工藝技術(shù)方案選擇與思考

2.1 方案選擇的背景

2.1.1 環(huán)保政策

近年來，黨中央加大生態(tài)文明建設(shè)力度，國家和地方加緊出臺(tái)一系列環(huán)保政策、法律、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。2017年2月，國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于劃定并嚴(yán)守生態(tài)保護(hù)紅線的若干意見》，《意見》指出，2020年年底前，全面完成京津冀及長江沿線生態(tài)保護(hù)紅線劃定，基本建立生態(tài)保護(hù)紅線制度。2019年，《長江保護(hù)法》正式出臺(tái)，要求火電行業(yè)新建項(xiàng)目按照超低排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，長江沿岸大保護(hù)成為全國劃定生態(tài)紅線背景下的重要案例和體現(xiàn)。該項(xiàng)目選址離長江較近，故在方案選擇尤其是環(huán)保治理措施上，必須嚴(yán)格響應(yīng)目前的環(huán)保政策，同時(shí)要有前瞻性，以適應(yīng)未來環(huán)保政策的要求。

2.1.2 行業(yè)競爭

近年來，國內(nèi)新增銅產(chǎn)能較多較快，銅冶煉加工費(fèi)波動(dòng)較大，加之原（燃）料價(jià)格和人力成本上漲及環(huán)保投入力度加大，行業(yè)利潤空間進(jìn)一步縮小。另外，作為冶煉副產(chǎn)品，煙氣硫酸既面臨銷路問題，又存在價(jià)格低迷問題?？傊猩袠I(yè)面臨多重壓力和不利因素，新建冶煉廠在方案選擇上必須考慮技術(shù)先進(jìn)性和適應(yīng)性，才能確保在復(fù)雜困難的競爭環(huán)境下的生存和發(fā)展。

2.1.3 工業(yè)自動(dòng)化

物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)通信等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，正深刻改變著傳統(tǒng)制造業(yè)的發(fā)展模式。2015年5月，國務(wù)院總理李克強(qiáng)簽批了《中國制造2025》，標(biāo)志著中國進(jìn)入全面部署推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的第一個(gè)十年。各種軟、硬件的高速發(fā)展和更新?lián)Q代，為銅冶煉企業(yè)操作和管理逐步向智能化方向發(fā)展提供了保障。銅冶煉智能工廠建設(shè)擬遵循“總體規(guī)劃、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、頂層設(shè)計(jì)、分步實(shí)施”的原則，其中煙氣制酸整體自動(dòng)化水平較高，在此基礎(chǔ)上可通過強(qiáng)化集中控制和遠(yuǎn)程操作，從而達(dá)到無人值守、智能化控制的目的。

2.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)原則和思路

大冶有色與設(shè)計(jì)院充分溝通，新建煙氣制酸系統(tǒng)將充分吸取和借鑒國內(nèi)“雙閃”銅冶煉工廠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，按照技術(shù)水平高、投資合理、有利于工廠今后發(fā)展、穩(wěn)妥可靠的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)；同時(shí)兼顧安全、環(huán)保、節(jié)能、智能化，力爭將新項(xiàng)目打造成為國內(nèi)具有競爭力的現(xiàn)代化工廠。

制酸主體工藝選擇思路立足于成熟可靠，從節(jié)約投資、回收能源、降低成本的角度考慮，采用低溫余熱回收、高濃度轉(zhuǎn)化等技術(shù)；環(huán)保措施選擇離子液脫硫、臭氧脫硝、強(qiáng)化高效硫化技術(shù)；裝備水平立足于國產(chǎn)，部分關(guān)鍵設(shè)備引進(jìn)，整體達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平。

2.3 具體方案選擇

2.3.1 整體配置

“雙閃”工藝煙氣SO2濃度較高，氣量較小且穩(wěn)定，凈化采用成熟的動(dòng)力波洗滌技術(shù)，且轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備和易堵塞設(shè)備均設(shè)置了備用，從實(shí)踐看，凈化工序發(fā)生故障而影響冶煉系統(tǒng)正常生產(chǎn)的幾率很小。動(dòng)力波洗滌器可適應(yīng)50%～100%的氣量變化，對(duì)總的凈化效率不產(chǎn)生影響，因此采用單系列凈化系統(tǒng)。

制酸系統(tǒng)處理的煙氣主要來源于閃速熔煉爐和閃速吹煉爐，2種煙氣分別約占SO2總量的70%和30%。按目前制造業(yè)發(fā)展和進(jìn)步程度，采用單系列轉(zhuǎn)化干吸方案不存在問題，但適應(yīng)煙氣波動(dòng)的靈活性會(huì)稍差。若采用雙系列干吸轉(zhuǎn)化方案，當(dāng)冶煉系統(tǒng)生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)整或原料中SO2含量向下波動(dòng)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況僅運(yùn)行單系列干吸轉(zhuǎn)化裝置從而降低生產(chǎn)運(yùn)行成本。此外，在單系列干吸轉(zhuǎn)化故障停車時(shí)，冶煉系統(tǒng)仍可連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行。

目前國內(nèi)采用“雙閃”冶煉工藝的400 kt/a銅冶煉廠，多采用“一頭兩尾”的制酸配置，能夠有效滿足整個(gè)冶化系統(tǒng)連續(xù)生產(chǎn)的需求。綜合以上考慮，“1套凈化+2套干吸轉(zhuǎn)化”是較為穩(wěn)妥的制酸系統(tǒng)配置。

2.3.2 凈化工序

凈化工序采用“一級(jí)動(dòng)力波洗滌器—?dú)怏w冷卻塔—二級(jí)動(dòng)力波洗滌器—兩級(jí)電除霧器”屬于標(biāo)準(zhǔn)配置，整體穩(wěn)定可靠，但局部還有值得優(yōu)化的地方。凈化工序常見問題是一級(jí)動(dòng)力波洗滌器逆噴管結(jié)疤、溢流堰堰口分酸不均。造成的原因是多方面的，如溢流堰供液通常采用泵后帶壓上酸，溢流堰內(nèi)液面會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)；同時(shí)因凈化稀酸雜質(zhì)含量普遍較高，易造成溢流堰堰口分酸不均勻、逆噴管內(nèi)壁結(jié)疤，并且在這種液面波動(dòng)的情況下更容易發(fā)生局部堵塞，從而形成局部斷流，不能有效保護(hù)動(dòng)力波洗滌器逆噴管。

經(jīng)考察、交流和論證后，可通過2個(gè)措施進(jìn)行優(yōu)化：①改變溢流堰的供液方式，將固液分離后的上清液通過泵輸送至溢流堰改為送至事故水高位槽，槽內(nèi)液體靠靜壓勢(shì)能自流入溢流堰內(nèi)以減少液面波動(dòng)；②改變凈化串酸方式，將氣體冷卻塔串至一級(jí)動(dòng)力波洗滌器本體的稀酸改串至事故水高位槽，可降低溢流堰循環(huán)液的固含量。

2.3.3 干吸工序

干吸工藝及設(shè)備配置已基本定型，關(guān)于是否上低溫余熱回收裝置，多從技術(shù)和裝備可靠性、投資、成本、蒸汽用途等方面進(jìn)行考量。低溫位熱能回收技術(shù)最早在國外應(yīng)用，隨后逐步進(jìn)入國內(nèi)市場。美國孟莫克公司低溫余熱回收（HRS）裝置在廣西防城港[1]和河南中原黃金冶煉廠已有5年以上的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[2]，運(yùn)行總體情況穩(wěn)定。以海陸化工和奧格利公司為代表的國產(chǎn)品牌低溫余熱回收裝置在硫磺制酸領(lǐng)域已應(yīng)用多年，運(yùn)行情況良好，2019年海陸化工公司進(jìn)入冶煉煙氣制酸領(lǐng)域（南國銅業(yè)和赤峰云銅冶煉廠）。從目前國內(nèi)低溫余熱回收裝置運(yùn)行整體情況來看，無論是進(jìn)口還是國產(chǎn)裝置都具有很好的經(jīng)濟(jì)效益，蒸汽產(chǎn)出率在0.4 t/t左右，節(jié)約了循環(huán)水投資和成本。因該項(xiàng)目在電解生產(chǎn)、精礦干燥、脫硫等區(qū)域均需要大量蒸汽作為熱源，故考慮采用低溫余熱回收裝置以充分回收系統(tǒng)熱能。

2.3.4 轉(zhuǎn)化工序

“雙閃”冶煉工藝產(chǎn)生的煙氣φ(SO2)通常高于20%，無法通過常規(guī)轉(zhuǎn)化工藝處理。若通過補(bǔ)加大量空氣將煙氣稀釋至常規(guī)轉(zhuǎn)化的濃度要求，將導(dǎo)致整個(gè)轉(zhuǎn)化、干吸工序所有設(shè)備投資、運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用增加。

目前國內(nèi)已有3種主流的高濃度轉(zhuǎn)化工藝應(yīng)用于實(shí)踐，分別為奧圖泰公司的LURECTM工藝[3]、孟莫克公司的預(yù)轉(zhuǎn)化工藝以及銅陵金冠與瑞林公司共同開發(fā)的非衡態(tài)工藝[4]。3種工藝各有特色，在國內(nèi)均有多年穩(wěn)定運(yùn)行業(yè)績，從技術(shù)角度上來看均是可行的。綜合考慮投資、運(yùn)行成本和流程的簡潔性，該項(xiàng)目選用非衡態(tài)轉(zhuǎn)化工藝。

大冶公司與設(shè)計(jì)院深入討論，認(rèn)為在部分設(shè)計(jì)上仍可進(jìn)一步優(yōu)化：

1）非衡態(tài)轉(zhuǎn)化器的優(yōu)化。從國內(nèi)非衡態(tài)轉(zhuǎn)化工藝的運(yùn)行情況看，由于采用較少催化劑填裝量來抑制平衡轉(zhuǎn)化率，一定程度上存在氣流分布不均的現(xiàn)象。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)考慮采用中心筒進(jìn)氣式轉(zhuǎn)化器代替?zhèn)鹘y(tǒng)轉(zhuǎn)化器。中心筒進(jìn)氣在催化劑層進(jìn)口位置的氣流速度標(biāo)準(zhǔn)偏差稍低，隨著流體在催化劑層中的流動(dòng)，其速度分布均勻度逐漸提高。中心筒進(jìn)氣形式已在國內(nèi)外眾多大型項(xiàng)目中成功運(yùn)用多年。

2）主轉(zhuǎn)化器及換熱器的優(yōu)化。主轉(zhuǎn)化器也采用中心筒進(jìn)氣、熱熱換熱器內(nèi)置的形式，管路配置簡單，降低設(shè)備制作成本、管道泄露風(fēng)險(xiǎn)以及系統(tǒng)熱能損失；而冷熱換熱器采用加強(qiáng)型碟環(huán)式管殼換熱器（犧牲式）結(jié)構(gòu)形式，能夠有效減輕來自吸收塔低溫?zé)煔獾乃犰F腐蝕。

2.3.5 脫硫工序

常用的脫硫技術(shù)有鈉堿法、石灰（石）法、離子液法和雙氧水法等。該項(xiàng)目環(huán)集脫硫煙氣氣量大，煙氣SO2濃度較高，綜合考慮選擇離子液工藝。制酸尾氣氣量較小，煙氣雜質(zhì)少，采用石膏法、雙氧水法和離子液法均可行。石膏法投資和運(yùn)行成本最省，但占地大，石膏需要考慮出路；雙氧水法脫硫投資不高，主要消耗是雙氧水，產(chǎn)生的稀硫酸可作為干吸工序補(bǔ)水用，目前應(yīng)用比較普遍；離子液法投資較高，主要消耗是蒸汽，一般適用于氣量大、SO2濃度高的煙氣。該項(xiàng)目副產(chǎn)蒸汽量大，從集中操作和管理角度考慮，尾氣脫硫也選擇離子液工藝，兩者共用1套離子液再生系統(tǒng)。

2.3.6 脫硝工序

該項(xiàng)目氮氧化物實(shí)行限值排放[ρ(NOx)≤100 mg/m3]要求。根據(jù)調(diào)研，“雙閃”火法冶煉系統(tǒng)在正常生產(chǎn)時(shí)的氮氧化物可達(dá)限值排放要求，而在非正常生產(chǎn)狀態(tài)（開停爐、爐體保溫時(shí)）存在超標(biāo)的可能性。常用的脫硝工藝有SCR、SNCR、臭氧等工藝，臭氧脫硝工藝有較好的適應(yīng)性和較高的效率，綜合考慮采用臭氧脫硝工藝。該項(xiàng)目將臭氧反應(yīng)器設(shè)置在尾氣脫硫塔之后，非正常生產(chǎn)狀態(tài)下的爐氣通過風(fēng)機(jī)引至尾氣洗滌塔，按照“尾氣洗滌塔—尾氣脫硫塔—臭氧反應(yīng)器—堿洗塔—電除霧器”配置，從而實(shí)現(xiàn)一體化脫硫脫硝，能滿足目前環(huán)保要求及今后的大氣污染物超低排放要求。

2.3.7 廢酸處理工序

目前污酸處理可供選擇的工藝不多，主要有石灰-鐵鹽法和硫化法。石灰-鐵鹽法產(chǎn)生的渣量太大，危廢填埋場的選址困難、建設(shè)投資大、后續(xù)處理維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)高，故項(xiàng)目選擇硫化工藝。

傳統(tǒng)的硫化工藝加入硫化劑反應(yīng)會(huì)帶入大量鈉鹽，硫化后液含砷也較高，原液含砷波動(dòng)易造成石膏含砷超標(biāo)，增加了后續(xù)工序的運(yùn)行成本和處理難度。近幾年，針對(duì)傳統(tǒng)硫化法開展相關(guān)研究并開發(fā)了硫化氫作為硫化劑的污酸硫化新工藝。硫化氫的制備通常有3種：一是通過電解水產(chǎn)生的氫氣與熔融態(tài)硫磺反應(yīng)；二是通過氨（或甲醇）裂解產(chǎn)生的氫氣與熔融態(tài)硫磺反應(yīng)；三是通過稀硫酸與硫化劑反應(yīng)。該項(xiàng)目選擇采用稀硫酸與硫氫化鈉反應(yīng)制取硫化氫，再通入污酸中進(jìn)行高效硫化。相比傳統(tǒng)硫化法，新工藝可以有效避免鈉鹽進(jìn)入后續(xù)水體，有利于酸性廢水處理和回用；對(duì)砷的富集率更高，有利于砷渣減量化；硫化后出水指標(biāo)更穩(wěn)定，有利于石膏的品質(zhì)。

2.3.8 廢水處理工序

根據(jù)工信部最新發(fā)布的《銅冶煉行業(yè)規(guī)范條件》，要求利用銅精礦的銅冶煉企業(yè)的水循環(huán)利用率應(yīng)達(dá)到98%以上。該項(xiàng)目為滿足規(guī)范和環(huán)評(píng)要求，考慮清污分流、一水多用和串級(jí)使用的原則，注重各類水的有效收集、分類處置和分質(zhì)回用。其中，廠區(qū)酸性廢水、初期雨水分別利用膜處理技術(shù)深度處理后全部回用不外排；一般性生產(chǎn)廢水經(jīng)處理后部分回用，剩余部分排入生產(chǎn)園區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)。最終達(dá)到減少排放、高標(biāo)準(zhǔn)排放和提高水循環(huán)利用率的目的。

2.3.9 自動(dòng)化、智能化控制

通過與設(shè)計(jì)院及專業(yè)廠家交流，認(rèn)為目前在3個(gè)方面可進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化：一是做實(shí)自動(dòng)化控制，通過加入現(xiàn)場感知設(shè)備，提高系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)能力；二是采用先進(jìn)的控制技術(shù)和數(shù)字通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度、智能化的物流管理和數(shù)據(jù)管理；三是通過系統(tǒng)大數(shù)據(jù)自動(dòng)采集分析，給管理者提供設(shè)備、能源、安全、環(huán)保和危化品等多方面管理支持。

3 結(jié)語

大冶有色400 kt/a高純陰極銅清潔生產(chǎn)項(xiàng)目經(jīng)過充分的技術(shù)交流與考察論證，大冶有色和設(shè)計(jì)院共同完成了項(xiàng)目主體方案的選擇，為施工圖設(shè)計(jì)和項(xiàng)目建設(shè)打下良好的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)院和同行的大力支持下，依靠煙氣制酸技術(shù)進(jìn)步和設(shè)備制造能力的提高，大冶有色有信心建成“環(huán)保一流、成本一流、技術(shù)一流、管理一流”的現(xiàn)代化銅冶煉廠。