曹龍文，陸 海，張冠華，洪國明，董 冕

（大冶有色金屬集團控股有限公司/有色金屬冶金與循環(huán)利用湖北省重點實驗室，湖北黃石 435005）

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

1 項目建設(shè)選址及規(guī)模

項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)項目400 kt/a陰極銅計算，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一系列環(huán)保政策、法律、法規(guī)和標準。2017年2月，國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于劃定并嚴守生態(tài)保護紅線的若干意見》，《意見》指出，2020年年底前，全面完成京津冀及長江沿線生態(tài)保護紅線劃定，基本建立生態(tài)保護紅線制度。2019年，《長江保護法》正式出臺，要求火電行業(yè)新建項目按照超低排放標準執(zhí)行，長江沿岸大保護成為全國劃定生態(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，必須嚴格響應(yīng)目前的環(huán)保政策，同時要有前瞻性，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，銅冶煉加工費波動較大，加之原（燃）料價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，又存在價格低迷問題?？傊?，有色行業(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)自動化

物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動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)院總理李克強簽批了《中國制造2025》，標志著中國進入全面部署推進實施制造強國戰(zhàn)略的第一個十年。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、頂層設(shè)計、分步實施”的原則，其中煙氣制酸整體自動化水平較高，在此基礎(chǔ)上可通過強化集中控制和遠程操作，從而達到無人值守、智能化控制的目的。

2.2 項目設(shè)計原則和思路

大冶有色與設(shè)計院充分溝通，新建煙氣制酸系統(tǒng)將充分吸取和借鑒國內(nèi)“雙閃”銅冶煉工廠的實踐經(jīng)驗，按照技術(shù)水平高、投資合理、有利于工廠今后發(fā)展、穩(wěn)妥可靠的原則進行設(shè)計和建設(shè)；同時兼顧安全、環(huán)保、節(jié)能、智能化，力爭將新項目打造成為國內(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，整體達到國內(nèi)外先進水平。

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，凈化采用成熟的動力波洗滌技術(shù)，且轉(zhuǎn)動設(shè)備和易堵塞設(shè)備均設(shè)置了備用，從實踐看，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。動力波洗滌器可適應(yīng)50%～100%的氣量變化，對總的凈化效率不產(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)煙氣波動的靈活性會稍差。若采用雙系列干吸轉(zhuǎn)化方案，當冶煉系統(tǒng)生產(chǎn)負荷調(diào)整或原料中SO2含量向下波動時，可根據(jù)實際情況僅運行單系列干吸轉(zhuǎn)化裝置從而降低生產(chǎn)運行成本。此外，在單系列干吸轉(zhuǎn)化故障停車時，冶煉系統(tǒng)仍可連續(xù)生產(chǎn)運行。

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“一級動力波洗滌器—氣體冷卻塔—二級動力波洗滌器—兩級電除霧器”屬于標準配置，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動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)液面會產(chǎn)生較大波動；同時因凈化稀酸雜質(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，不能有效保護動力波洗滌器逆噴管。

經(jīng)考察、交流和論證后，可通過2個措施進行優(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)液體靠靜壓勢能自流入溢流堰內(nèi)以減少液面波動；②改變凈化串酸方式，將氣體冷卻塔串至一級動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年以上的實踐經(jīng)驗[2]，運行總體情況穩(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，運行情況良好，2019年海陸化工公司進入冶煉煙氣制酸領(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行整體情況來看，無論是進口還是國產(chǎn)裝置都具有很好的經(jīng)濟效益，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)致整個轉(zhuǎn)化、干吸工序所有設(shè)備投資、運行及維護費用增加。

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、運行成本和流程的簡潔性，該項目選用非衡態(tài)轉(zhuǎn)化工藝。

大冶公司與設(shè)計院深入討論，認為在部分設(shè)計上仍可進一步優(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。該項目設(shè)計考慮采用中心筒進氣式轉(zhuǎn)化器代替?zhèn)鹘y(tǒng)轉(zhuǎn)化器。中心筒進氣在催化劑層進口位置的氣流速度標準偏差稍低，隨著流體在催化劑層中的流動，其速度分布均勻度逐漸提高。中心筒進氣形式已在國內(nèi)外眾多大型項目中成功運用多年。

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)險以及系統(tǒng)熱能損失；而冷熱換熱器采用加強型碟環(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煙氣的酸霧腐蝕。

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

該項目氮氧化物實行限值排放[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)時的氮氧化物可達限值排放要求，而在非正常生產(chǎn)狀態(tài)（開停爐、爐體保溫時）存在超標的可能性。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)處理維護風(fēng)險高，故項目選擇硫化工藝。

傳統(tǒng)的硫化工藝加入硫化劑反應(yīng)會帶入大量鈉鹽，硫化后液含砷也較高，原液含砷波動易造成石膏含砷超標，增加了后續(xù)工序的運行成本和處理難度。近幾年，針對傳統(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入后續(xù)水體，有利于酸性廢水處理和回用；對砷的富集率更高，有利于砷渣減量化；硫化后出水指標更穩(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)達到98%以上。該項目為滿足規(guī)范和環(huán)評要求，考慮清污分流、一水多用和串級使用的原則，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)。最終達到減少排放、高標準排放和提高水循環(huán)利用率的目的。

2.3.9 自動化、智能化控制

通過與設(shè)計院及專業(yè)廠家交流，認為目前在3個方面可進行重點優(yōu)化：一是做實自動化控制，通過加入現(xiàn)場感知設(shè)備，提高系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)能力；二是采用先進的控制技術(shù)和數(shù)字通訊技術(shù)，實現(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)自動采集分析，給管理者提供設(shè)備、能源、安全、環(huán)保和?；返榷喾矫婀芾碇С?。

3 結(jié)語

大冶有色400 kt/a高純陰極銅清潔生產(chǎn)項目經(jīng)過充分的技術(shù)交流與考察論證，大冶有色和設(shè)計院共同完成了項目主體方案的選擇，為施工圖設(shè)計和項目建設(shè)打下良好的基礎(chǔ)。在設(shè)計院和同行的大力支持下，依靠煙氣制酸技術(shù)進步和設(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。