張俊峰 于明飛

(1.山東恒邦冶煉股份有限公司， 山東 煙臺 264109； 2.中南大學(xué)， 湖南 長沙 410083)

0 前言

2018年，山東恒邦冶煉股份有限公司(以下簡稱“恒邦”)側(cè)吹爐系統(tǒng)投入生產(chǎn)，經(jīng)過兩年多的生產(chǎn)摸索以及擴(kuò)能改造后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。富氧側(cè)吹熔煉煙氣干法收砷技術(shù)取得突破，不僅減輕后續(xù)煙氣制酸凈化工序的工作壓力，改善員工的工作環(huán)境，更大幅度地提升了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。本文針對恒邦富氧側(cè)吹熔煉煙氣干法收砷技術(shù)研究做了相關(guān)介紹。

1 側(cè)吹熔煉干法收砷效果影響因素分析及解決方案

冶煉煙氣干法收砷的原理是利用氣態(tài)As2O3快速冷卻凝華得到固態(tài)As2O3。干法收砷過程中存在兩類問題：一是As2O3生成玻璃砷，堵塞管道，難以清理；二是煙氣露點高，對設(shè)備造成露點腐蝕，酸霧與煙塵結(jié)合粘結(jié)收塵布袋[1]。As2O3在高溫?zé)煔庵幸詺鈶B(tài)形式存在，在溫度175～250 ℃內(nèi)易產(chǎn)生玻璃砷，因此為了防止玻璃砷的生成，高溫?zé)煔鈶?yīng)在降溫過程中迅速降溫至175 ℃以下。煙氣露點的高低受煙氣中三氧化硫濃度的影響較大，三氧化硫濃度與煙氣中氧氣濃度有關(guān)，因此應(yīng)嚴(yán)格控制煙氣中氧氣的含量[2-3]。

1.1 控制煙氣中三氧化硫含量

與富氧底吹熔煉煙氣干法收砷[4]相似，煙氣中三氧化硫含量是影響側(cè)吹熔煉煙氣干法收砷的重要因素之一，決定了驟冷吸收劑的選擇及濃度。郭學(xué)益等[5]對二氧化硫與氧氣生成三氧化硫的反應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在溫度400 ℃左右時，該反應(yīng)的吉布斯自由能小于0，說明在較低溫度條件下二氧化硫與氧氣能自發(fā)反應(yīng)生成三氧化硫。陳濤等[1]對富氧底吹熔煉煙氣干法收砷工藝進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)如果冶煉煙氣中三氧化硫含量過高，煙氣露點溫度會高于干法收砷的溫度(<175 ℃)，若在此條件下進(jìn)行干法收砷，驟冷塔底部容易出現(xiàn)大量酸性泥漿，導(dǎo)致布袋收砷器粘結(jié)，系統(tǒng)阻力升高，需停車檢修。因此，如何降低煙氣中三氧化硫的含量，進(jìn)而降低煙氣露點溫度是實現(xiàn)富氧側(cè)吹熔煉冶煉煙氣干法收砷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

富氧側(cè)吹爐電收塵器出口煙氣成分見表1。

表1 富氧側(cè)吹爐電收塵器出口煙氣成分分析

由于二氧化硫與氧氣在400 ℃以下時可自發(fā)反應(yīng)生成三氧化硫，而側(cè)吹爐原料主要是含砷的復(fù)雜金銅精礦，含硫量較高，導(dǎo)致熔煉煙氣中二氧化硫含量較高，因此只能通過降低煙氣中氧氣的含量來抑制三氧化硫的產(chǎn)生。而側(cè)吹爐開車時，為了使物料充分反應(yīng)，需要在爐頂補(bǔ)加二次風(fēng)，導(dǎo)致煙氣中氧含量較高。

為了保證富氧側(cè)吹熔煉煙氣干法收砷系統(tǒng)正常開車，降低煙氣中三氧化硫的含量，經(jīng)過理論計算并結(jié)合同行業(yè)相關(guān)生產(chǎn)實踐，采取了停用二次風(fēng)機(jī)，更換為小負(fù)荷通風(fēng)機(jī)，在環(huán)保煙氣管路中引出少量環(huán)保煙氣作為二次風(fēng)使用的措施。二次風(fēng)量與三氧化硫含量的關(guān)系如圖1所示。

圖1 二次風(fēng)量與三氧化硫含量的關(guān)系

該措施不僅節(jié)省了電能，而且使煙氣中三氧化硫的含量得到了有效地控制。煙氣三氧化硫含量降低后，可以使用清水作為吸收劑，但因為煙氣中殘氧量的控制并不穩(wěn)定，為了保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，最終選擇氫氧化鈣溶液作為吸收劑。

1.2 增加驟冷塔的有效高度

驟冷塔是冶煉煙氣降溫的關(guān)鍵設(shè)備，其有效高度過低或過高都不利于干法收砷。驟冷塔高度過低，煙氣得不到有效降溫，收砷器入口煙氣溫度高，As2O3易產(chǎn)生玻璃砷，粘結(jié)布袋，收砷效率低；驟冷塔高度過高，則增加設(shè)備成本和生產(chǎn)風(fēng)險。富氧側(cè)吹熔煉煙氣收砷系統(tǒng)驟冷塔設(shè)計尺寸為φ5 028 mm×16 000 mm。在2019年初調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，要保證布袋收砷器入口煙氣溫度正常，無論是使用清水還是氫氧化鈣作為吸收劑，驟冷塔底部均有污酸產(chǎn)生，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常作業(yè)。主要原因就是驟冷塔有效高度不足，吸收劑在塔內(nèi)停留時間短，部分發(fā)生霧化，達(dá)不到汽化效果，導(dǎo)致驟冷塔底部產(chǎn)生大量污酸。

煙氣在驟冷塔內(nèi)的停留時間為18 s，但在調(diào)試時發(fā)現(xiàn)18 s不足以使吸收劑在驟冷塔內(nèi)霧化并達(dá)到汽化。因此，為了保證吸收劑霧化并汽化，且盡可能減少成本投入，在不改變驟冷塔直徑的情況下，塔體有效高度增加6 m，達(dá)到21 m，最終煙氣停留時間延長至25 s，吸收劑能夠完全汽化。

1.3 更改驟冷塔噴槍布局

為減少煙氣制酸凈化工段的污酸產(chǎn)量，原設(shè)計在驟冷塔頂部管道設(shè)置一支噴槍，在塔體上部設(shè)置兩支噴槍，為對向分布(圖2)。經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，僅開啟管道噴槍或者僅開啟塔體2支噴槍無法將布袋收砷器入口煙氣溫度降至150～170 ℃，系統(tǒng)無法正常開車；若3支噴槍同時開啟，則噴槍霧化區(qū)域存在重疊現(xiàn)象，驟冷塔底部有污酸產(chǎn)生，導(dǎo)致作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境差，污染嚴(yán)重，增加員工勞動強(qiáng)度。

圖2 原有噴槍布置圖

為保證對經(jīng)過驟冷塔的煙氣有效降溫，且霧化區(qū)域無重疊，取消了驟冷塔頂部管道噴槍，在塔體增加2支噴槍，與原噴槍在同一平面，噴槍總量達(dá)到4支，呈90°矩陣分布(圖3)。

圖3 現(xiàn)有噴槍布置圖

1.4 嚴(yán)格控制布袋收砷器入口溫度

要保證布袋收砷器收集到品質(zhì)較高的砷灰并保持較高的收砷效率，需控制好布袋收砷器入口的煙氣溫度。溫度過高(175～200 ℃)時，會產(chǎn)生玻璃砷，玻璃砷會附著在布袋收砷器的側(cè)壁和濾袋上，不易清理，且玻璃砷后續(xù)難處理，品質(zhì)較差，不能作為產(chǎn)品售賣；當(dāng)溫度超過200 ℃以上時，布袋收砷器的濾袋無法承受此溫度，會被燒焦損壞；煙氣經(jīng)過布袋收砷器時，溫度會越來越低，若控制布袋收砷器溫度過低，煙氣中的水蒸氣凝結(jié)成水滴，水滴與三氧化硫氣體反應(yīng)，產(chǎn)生大量稀酸，吸收煙氣中大量煙塵，附著在濾袋上，導(dǎo)致布袋收砷器阻力降過大，二氧化硫風(fēng)機(jī)帶不動整個系統(tǒng)負(fù)壓，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常開車，只能停車清理。

通過控制驟冷塔噴槍吸收劑的噴灑量，使布袋收砷器入口溫度維持在150～170 ℃，并在噴槍高壓泵出口增加流量計，并增加接地環(huán)。受系統(tǒng)阻力及側(cè)吹爐余熱鍋爐結(jié)焦影響，側(cè)吹爐每次檢修完成后，正常運行周期只有1個月左右，檢修完成后的前10天是側(cè)吹爐運行情況最好的時間。此時，鍋爐降溫效果好，系統(tǒng)阻力小，電收塵器出口溫度約330 ℃，噴槍高壓泵出口流量約為2.5 m3/h。隨著側(cè)吹熔煉系統(tǒng)的運行，余熱鍋爐爐膛內(nèi)結(jié)焦增多，導(dǎo)致鍋爐降溫效果變差，并且管路內(nèi)積灰，導(dǎo)致系統(tǒng)阻力增大，收砷系統(tǒng)負(fù)壓也會不足。受這兩方面影響，只能增大吸收劑的噴灑量，同時降低吸收劑濃度，避免吸收劑過量降低砷灰的品質(zhì)；同時需提升二氧化硫風(fēng)機(jī)負(fù)荷，保證系統(tǒng)負(fù)壓穩(wěn)定。

2 生產(chǎn)運行狀況

2.1 工藝流程設(shè)計

恒邦原有的二段焙燒、富氧底吹熔煉干法收砷工藝的壓縮空氣流程均為螺桿空壓機(jī)→冷干機(jī)→儲氣罐→泵站(過濾器)→噴槍；吸收劑流程均為吸收劑高位槽→緩沖槽→泵站→噴槍。通過數(shù)十年的生產(chǎn)摸索發(fā)現(xiàn)，泵站設(shè)備較多，自動連鎖復(fù)雜，故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的開車率。經(jīng)過大膽嘗試，側(cè)吹熔煉干法收砷系統(tǒng)取消了泵站和螺桿空壓機(jī)，直接采用4臺高壓泵(一開三備)將吸收劑泵至驟冷塔噴槍，壓縮空氣使用廠區(qū)雜用壓縮空氣，在吸收劑管路和壓縮空氣管路安裝壓力變送器以及自動調(diào)節(jié)閥，在DCS上位機(jī)直接控制噴槍壓力，可以達(dá)到同樣的效果。

2.2 系統(tǒng)運行情況

經(jīng)過上述生產(chǎn)工藝調(diào)整和設(shè)備改造后，目前側(cè)吹熔煉干法收砷系統(tǒng)運行穩(wěn)定，每日投礦量1 900 t(干基)，投礦砷品位1.5%，每日收集砷灰約23 t，制酸工段凈化稀酸含砷量由18 000 mg/L下降至4 000 mg/L；凈化工序一級高效洗滌器阻力下降2 000 Pa左右，稀酸壓濾渣產(chǎn)量大幅下降，減輕了員工的勞動強(qiáng)度，改善了生產(chǎn)環(huán)境，降低了砷元素回收的生產(chǎn)成本。

2.3 系統(tǒng)運行存在的問題和對策

2.3.1 存在問題

目前系統(tǒng)在運行中主要存在以下問題：

1)系統(tǒng)長時間運行后，布袋收砷器入口的熱電偶被砷灰覆蓋，造成溫度測量結(jié)果偏低，誤導(dǎo)操作人員降低驟冷塔吸收劑用量，最終導(dǎo)致布袋收砷器入口溫度過高，產(chǎn)生玻璃砷或致使濾袋被燒毀。

2)通過控制二次風(fēng)量來降低電收塵器出口殘氧量的效果不理想。雖然該方案可以大幅度降低煙氣中三氧化硫的含量，但是受側(cè)吹爐放渣和放銅锍影響，電收塵器出口殘氧量忽高忽低，煙氣中三氧化硫含量存在波動，對吸收劑用量及濃度有較大影響。

3)系統(tǒng)自動化程度較低。目前吸收劑配制只能通過人工計算配比，由于操作工人文化程度較低，經(jīng)常出現(xiàn)計算錯誤的情況，管理人員需時刻監(jiān)督生產(chǎn)情況，防止對生產(chǎn)造成影響，人員勞動強(qiáng)度大。

2.3.2 對策

1)針對布袋收砷器入口熱電偶溫度測量結(jié)果偏低的問題，計劃下次停車檢修時在熱電偶旁邊增加壓縮風(fēng)吹掃裝置，風(fēng)管斜插進(jìn)熱電偶所在管路，壓縮風(fēng)管路設(shè)置自動開關(guān)閥，通過編程設(shè)置每2 h進(jìn)行一次吹掃，吹掃時間1 min。

2)針對煙氣中三氧化硫含量不穩(wěn)定以及系統(tǒng)自動化程度低的問題，計劃對電收塵器出口殘氧量與吸收劑濃度進(jìn)行連鎖控制，并且在DCS上位機(jī)設(shè)置吸收劑配制模擬系統(tǒng)，由系統(tǒng)自動計算吸收劑和水的用量。當(dāng)電收塵器出口殘氧量發(fā)生變化，吸收劑濃度自動調(diào)整，配制模擬系統(tǒng)根據(jù)調(diào)整結(jié)果自動進(jìn)行吸收劑的配制。

3)根據(jù)陳習(xí)堂等[6]對銅富氧頂吹熔池熔煉過程煙氣中SO3含量控制的研究，在保證產(chǎn)品質(zhì)量和工藝操作不受影響的情況下，計劃適當(dāng)增加入爐物料中鉛、鋅等揮發(fā)性較強(qiáng)的元素比例，因為鉛、鋅等揮發(fā)性較強(qiáng)的金屬在出爐煙氣煙塵中大多以金屬氧化物和金屬硫化物形式存在，其中的金屬氧化物可以與煙氣中的硫酸霧和三氧化硫反應(yīng)生成硫酸鹽，從而消耗煙氣中的酸霧和三氧化硫。

3 結(jié)束語

通過控制側(cè)吹爐二次風(fēng)量、增加驟冷塔有效高度、更改驟冷塔噴槍布局、嚴(yán)格控制布袋收砷器入口溫度，突破了側(cè)吹爐處理高砷金銅礦的瓶頸，縮短了側(cè)吹熔煉中砷的回收流程，降低后續(xù)砷的深加工成產(chǎn)成本，產(chǎn)生巨大的環(huán)保效益。在優(yōu)質(zhì)礦日益減少的今天，該技術(shù)的應(yīng)用為側(cè)吹熔煉處理含砷復(fù)雜礦提供了理論支撐和生產(chǎn)經(jīng)驗。

在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題仍需技術(shù)和生產(chǎn)人員進(jìn)一步摸索，繼續(xù)優(yōu)化工藝，進(jìn)一步提升粗砷品位，以創(chuàng)造更大的效益。