〔摘 要〕以某轉(zhuǎn)爐銅冶煉車間為例，分析了轉(zhuǎn)爐車間環(huán)集煙氣的發(fā)生源及煙氣治理的難點，通過實際現(xiàn)場調(diào)研，提出了轉(zhuǎn)爐車間環(huán)集煙氣系統(tǒng)的工藝流程、系統(tǒng)設(shè)置、風量計算、設(shè)備選型，以及工藝管道碰撞問題的解決等角度詳細論述了銅冶煉項目環(huán)境集煙系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)該項目環(huán)境集煙系統(tǒng)的運行效果，提出了環(huán)集系統(tǒng)未來改進優(yōu)化的建議。

〔關(guān)鍵詞〕銅冶煉;轉(zhuǎn)爐車間;環(huán)境集煙系統(tǒng);風量計算

中圖分類號：X758 ? 文獻標志碼：B? 文章編號：1004-4345（2024）03-0021-05

Discussion and Analysis of Fugitive Gas Handling in the PSC Plant

FU Hongchun

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract? The handling of fugitive gas generated during the PSC production period is an important factor affecting the promotion and application of the PSC converting technology. Taking a PSC copper smelting plant as an example， this paper analyzes the sources of fugitive gas in the PSC plant and the difficulties in the gas handling. The paper discusses the process flow， system settings， gas volume calculation， and equipment selection of the fugitive gas handling system in the PSC plant in detail through actual on-site investigation， and puts forward a new type of PSC fugitive gas hood and crane-through type building fugitive gas hood proposal. According to the operation effect of the fugitive gas handling system in this project， the paper proposes the optimization suggestions for the automation level and gas volume distribution issues of the fugitive gas handling system.

Keywords? copper smelting; PSC plant; fugitive gas handling system; gas volume calculation

收稿日期：2023-09-26

基金項目：廣西科技計劃項目（科技重大專項）（項目編號：2020AA17001AA）

作者簡介：付紅春（1981—），男，高級工程師，主要從事暖通專業(yè)的設(shè)計工作。

火法煉銅原料適應(yīng)性強、能耗低、效率高、金屬回收率高，是目前世界范圍內(nèi)生產(chǎn)銅的主要方法。該工藝主要處理的是硫化礦，主要工藝過程包括造锍熔煉、銅锍（冰銅）吹煉、粗銅火法精煉和陽極銅電解精煉4個步驟。其中，轉(zhuǎn)爐用于冰銅吹煉工序，將冰銅進一步氧化、造渣，脫除冰銅中的鐵和硫，生產(chǎn)得到粗銅。

轉(zhuǎn)爐吹煉為間斷作業(yè)，分造渣期和造銅期。造渣完成后，停止鼓入空氣，傾斜爐體，將表層熔渣倒入渣包內(nèi)。造銅期轉(zhuǎn)爐產(chǎn)出的粗銅倒入粗銅包內(nèi)，再經(jīng)包子吊車送往陽極爐精煉工序進行精煉。

轉(zhuǎn)爐的初期投資相對較低，操作相對簡單，在物料的轉(zhuǎn)運、出銅、出渣過程中，含有大量SO2和有害煙塵的煙氣逸散出來，造成嚴重的低空污染，影響人體健康，惡化車間環(huán)境。能否對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的環(huán)集煙氣進行有效治理，已經(jīng)成為影響轉(zhuǎn)爐吹煉工藝應(yīng)用推廣的重要因素。本文擬以國內(nèi)某30 kt銅冶煉項目轉(zhuǎn)爐車間為例，分析轉(zhuǎn)爐車間環(huán)集煙氣的發(fā)生源及煙氣治理難點，并對該項目轉(zhuǎn)爐車間環(huán)境集煙系統(tǒng)設(shè)計進行探討。

1?? 環(huán)集煙氣發(fā)生源及治理難點

在轉(zhuǎn)爐的整個生產(chǎn)過程中，會發(fā)生煙塵逸散的主要節(jié)點有以下幾處：1）轉(zhuǎn)爐水冷煙罩處。正常造渣期和造銅期，由于爐內(nèi)壓力的波動，有大量的工藝煙氣外逸出轉(zhuǎn)爐水冷煙罩。為防止此部分煙氣逸散至廠房內(nèi)造成低空污染，設(shè)置轉(zhuǎn)爐爐體環(huán)集煙罩對煙氣進行捕集。2）轉(zhuǎn)運過程中的冰銅包。在行車轉(zhuǎn)運冰銅包的過程中，會有大量的煙氣從包子中逸散至車間，聚集在車間上部，造成低空污染。3）傾轉(zhuǎn)爐體時的爐口。在轉(zhuǎn)爐加料、出銅、出渣的過程中，轉(zhuǎn)爐爐體需要傾轉(zhuǎn)，此時有大量的煙氣從爐口脫離轉(zhuǎn)爐爐體環(huán)集煙罩的控制范圍，逸散至車間內(nèi)部。

這些逸散至車間的環(huán)集煙氣聚集在車間頂部，如果不進行有效處理，會嚴重影響行車操作人員的視線，存在重大安全隱患。同時，環(huán)集煙氣通過屋頂逸散至室外，會污染廠房周邊環(huán)境，腐蝕周邊建筑的結(jié)構(gòu)，縮短建筑的使用壽命。因此，必須在環(huán)集煙氣產(chǎn)生的點設(shè)置集煙罩，收集逸散的煙氣。各個環(huán)集煙氣點通過管道連接組成一個大的環(huán)集系統(tǒng)，再通過環(huán)集風機抽吸使各集煙罩內(nèi)產(chǎn)生負壓以防止煙氣外逸。收集到的煙氣處理達標后由煙囪高空排放，從而改善車間內(nèi)及車間周邊的環(huán)境。

具體設(shè)置為：1）轉(zhuǎn)爐爐體上方設(shè)置爐體環(huán)集煙罩。2）在轉(zhuǎn)爐區(qū)域廠房頂部設(shè)置環(huán)集煙罩。轉(zhuǎn)爐車間環(huán)境集煙系統(tǒng)流程如圖1所示。

2?? 環(huán)集系統(tǒng)設(shè)置

2.1? 煙罩的設(shè)置

1）轉(zhuǎn)爐爐體環(huán)集煙罩。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐爐體環(huán)集煙罩采用的是爐前旋轉(zhuǎn)型煙罩。此煙罩兩側(cè)固定，爐前加料口可旋轉(zhuǎn)，密閉性較差。生產(chǎn)時，有較多的煙氣自縫隙處外逸;旋轉(zhuǎn)煙罩開啟后，還會遮擋行車操作人員的部分視線。

本項目采用了一種新型推拉型轉(zhuǎn)爐煙罩。該煙罩主要由上部固定煙罩、左右推拉門、下部擋火門、移動小車、下部固定煙罩構(gòu)成，結(jié)構(gòu)更加精巧，工作時密閉性更高。該環(huán)集煙罩在水冷煙罩基礎(chǔ)上形成一個較為封閉的密封腔體，有利于在內(nèi)部形成負壓，增強抽吸效果。推拉門內(nèi)側(cè)基本為光面，且在爐口輻射區(qū)域設(shè)置有水冷結(jié)構(gòu)，爐口噴濺物可以自動脫落或手工清除。推拉門式的二次煙罩在出銅放渣操作時效果非常好，煙氣收集率高。兩種爐體煙罩實景對比見圖2。

2）廠房環(huán)集煙罩。早期的轉(zhuǎn)爐車間均未設(shè)置廠房環(huán)集系統(tǒng)，廠房內(nèi)的環(huán)集煙氣直接通過屋頂?shù)臍鈽侵苯优畔虼髿狻ｋS著國家環(huán)保要求越來越嚴，冶煉企業(yè)對此部分環(huán)集煙氣也必須進行收集處理，否則將面臨停產(chǎn)的風險。因此，對現(xiàn)有廠房進行改造成為必然。

受到現(xiàn)有廠房的結(jié)構(gòu)限制，廠房改造通常采用以下兩種方式：（1）不改變現(xiàn)有廠房的結(jié)構(gòu)，將通風氣樓整體進行封閉，將氣樓作為廠房環(huán)集煙罩使用。（2）在不對廠房結(jié)構(gòu)進行大調(diào)整的情況下，對通風氣樓進行改造，將氣樓延伸至轉(zhuǎn)爐廠房主立柱，將轉(zhuǎn)爐爐口覆蓋在煙罩的范圍內(nèi)。具體如圖3所示。

新建轉(zhuǎn)爐廠房則須在設(shè)計初期就考慮到廠房環(huán)集煙罩的設(shè)置，通過在爐體上方行車與廠房頂部之間設(shè)置環(huán)集煙罩，將加料和出銅過程中逸散的煙氣控制在一個較小的區(qū)域，避免其逸散至其它區(qū)域，以減少環(huán)境集煙的排煙量。

新建轉(zhuǎn)爐廠房環(huán)集煙罩主要有兩種方式：（1）采用整個屋頂做為集煙裝置。但一般屋頂離行車頂部及爐口距離相對較遠，爐口逸散出的煙氣不能在第一時間通過局部排風進行排除。待煙氣逸散至整個車間頂部時，煙氣量已經(jīng)比較大，不利影響也已經(jīng)產(chǎn)生。且由于煙氣逸散范圍較廣，為排出屋頂?shù)臒煔?，系統(tǒng)所需的風量大。（2）行車通過式廠房環(huán)集煙罩，在爐體正上方設(shè)置一個局部排煙罩，將煙罩盡量靠近逸散的煙氣，使煙氣限制在一個較小的范圍內(nèi)，并通過局部排風第一時間將逸散的煙氣排出廠房，最大限度地減少對行車操作人員的視線影響，并且保證操作人員所在的駕駛室不在煙氣籠罩的范圍內(nèi)，保證人員的身體健康。新建轉(zhuǎn)爐廠房環(huán)集煙罩見圖4。

結(jié)合本項目轉(zhuǎn)爐設(shè)備配置及廠房結(jié)構(gòu)，本次設(shè)計采用行車通過式廠房環(huán)集煙罩。設(shè)計時要求該煙罩須滿足以下條件：（1）能將爐口逸散的煙氣全部覆蓋，并且具有一定的儲煙能力;（2）不能影響行車的通行及操作;（3）需要和廠房的結(jié)構(gòu)良好地結(jié)合，同時不影響建筑的外立面布置。

本項目煙罩形式設(shè)計為傘型頂吸式煙罩。該煙罩由4面?zhèn)劝濉㈨敯?、下部圈梁及排風口組成，各個部件之間通過焊接連接，整個煙罩的荷載通過設(shè)置圈梁進行支撐。排風口盡量靠近煙罩的頂部，煙罩的底部與行車最高點之間保證300～500 mm的安全距離。各個側(cè)板與車間廠房密切結(jié)合，充分利用建筑的屋面板及檁條，減少罩體的鋼材耗量及整體荷載。其中，后側(cè)板直接與廠房墻體結(jié)合，做成一體式結(jié)構(gòu)，向下沿伸至行車軌道梁下沿。這種結(jié)構(gòu)不僅可以減少橫向風對上升煙氣的干擾，還可以避免集煙罩吸入爐體后部的空氣。在煙罩的下部設(shè)一圈圈梁，以減少從煙罩外邊沿上部吸入大量的冷空氣，從而降低整個集煙罩的排氣量。具體形式詳見圖5。

2.2? 閥門設(shè)置

整個環(huán)集系統(tǒng)各排煙點均設(shè)置電動調(diào)節(jié)型通風蝶閥，可根據(jù)排煙需要控制電動閥門的啟閉。同時，通過調(diào)節(jié)閥門的開度還可以進行風量調(diào)節(jié)，使煙罩內(nèi)保持穩(wěn)定的負壓狀態(tài)。閥門的運行狀態(tài)可在控制室顯示，并進行調(diào)整。

2.3? 系統(tǒng)管路設(shè)置

整個環(huán)集系統(tǒng)排煙點較多，為保證各排煙點的排煙效果，保持各環(huán)路的壓力平衡非常關(guān)鍵。系統(tǒng)風管呈枝狀布置，環(huán)集管道按不低于規(guī)范要求的最低風速確定管徑，并根據(jù)系統(tǒng)最大排煙量確定最不利環(huán)路，計算系統(tǒng)的管路壓力損失。其他各環(huán)路通常是利用管徑的變化來平衡壓力損失，但管段煙氣的流速只能控制在一定的范圍之內(nèi)，調(diào)節(jié)管道阻力的能力有限，故還需要通過調(diào)節(jié)各個抽風點的閥門開度來平衡系統(tǒng)各環(huán)路的壓力損失，盡量減少系統(tǒng)的總排煙量，以達到降低能耗、節(jié)省費用的目的。

系統(tǒng)管道的壓力損失包括沿程阻力損失和局部阻力損失。通常在運行情況下，系統(tǒng)最終的排煙溫度大于80 ℃，煙囪的熱抬升力大于煙囪本體的阻力損失，故在計算系統(tǒng)壓力損失的時候，煙囪的壓損不予計算。沿程壓力損失、局部壓力損失、總壓力損失計算公式分別見下式：

Pm=;

PZ=ξ ;

P= Pm+ PZ 。

式中：Pm 為沿程壓力損失，Pa;PZ 為局部壓力損失，Pa;P為系統(tǒng)的總壓力損失，Pa;λ為沿程阻力系數(shù); L 為管段長度，m;d為管徑，m;v 為管道內(nèi)煙氣流速，m/s;ρ為煙氣密度，kg/m3;ξ為局部阻力系數(shù)。

經(jīng)計算，最大排風量時，系統(tǒng)的最不利環(huán)路的壓力損失為3 500 Pa（不含除塵器的壓損），系統(tǒng)總壓力損失為5 000 Pa。

3?? 主要設(shè)備的選型

轉(zhuǎn)爐車間內(nèi)爐體及廠房環(huán)集煙罩系統(tǒng)的布置如圖6、圖7所示，各點排煙量及排煙溫度見表1。

通過表1計算得到，環(huán)集系統(tǒng)的最大排煙量為404 800 m3/h，折算到工況為513 752 m3/h，溫度73.5 ℃。

3.1? 除塵器的選型

根據(jù)轉(zhuǎn)爐環(huán)集煙氣中粉塵的特點，選用1臺離線脈沖袋式除塵器，除塵器的處理風量按環(huán)集系統(tǒng)最大排煙量選取，濾袋材質(zhì)為PTFE基材+PTFE覆膜，規(guī)格為160 mm×6 000 mm，耐溫120 ℃。大氣污染物排放標準按照《銅、鎳、鈷工業(yè)污染物排放標準》（GB 25467—2010）修改單的要求執(zhí)行，顆粒物排放質(zhì)量濃度限額為10 mg/m3，過濾風速為0.6 m/min，凈過濾面積為14 270 m2，阻力損失≤1 500 Pa，除塵效率>99.9%。同時配有埋刮板機、星形卸料閥、倉壁振動裝置、脈沖清灰系統(tǒng)、控制柜等，并在除塵器入口配置預(yù)噴石灰裝置。

3.2? 環(huán)集風機的選型

環(huán)境集煙系統(tǒng)的總排煙量會在工藝生產(chǎn)過程不斷發(fā)生變化。在選擇風機時，既要滿足各排煙點最大同時排煙量的要求，又要確保風機在正常工況下環(huán)保節(jié)能。因此，優(yōu)先選用變頻風機。

根據(jù)所需風量、風壓，選定環(huán)集風機的型號。在確定環(huán)集風機的型號時，風機的風量、風壓應(yīng)附加一定的安全系數(shù)[3]。風量、風壓計算公式分別見下式：

Q'=KQ×Q;

P'=Kp×P 。

式中：Q為系統(tǒng)的風量，m3/h;P 為系統(tǒng)的設(shè)計風壓， Pa;KQ為風量附加安全系數(shù)，KQ=1.05～1.15（本文取1.05）;Kp為風壓附加安全系數(shù)，取Kp=1.15～1.30。

經(jīng)計算，環(huán)集風機所需風量為539 440 m3/h，所需風壓為5 500 Pa。本項目選用1臺雙吸雙支撐離心風機，Q =539 440 m3/h，全壓P=5 500 Pa。另外，由于風機全壓未計算環(huán)集脫硫裝置的壓損，環(huán)集脫硫系統(tǒng)需配置脫硫風機，以克服環(huán)集脫硫裝置的壓損。

4?? 改進及優(yōu)化措施

綜上所述，該項目轉(zhuǎn)爐車間采用了新型的轉(zhuǎn)爐爐體環(huán)集煙罩和行車通過式廠房環(huán)集煙罩，較好地解決了車間環(huán)集煙氣低空污染的問題。但整個環(huán)集系統(tǒng)的自動化水平相對較低，后續(xù)該企業(yè)可提升系統(tǒng)的自動化水平，增加各環(huán)集排風點電動閥門與爐體運行的連鎖關(guān)系，同時在各個抽風點設(shè)置壓力檢測裝置，通過調(diào)節(jié)閥門的開度以及環(huán)集風機的轉(zhuǎn)速來控制各個排風點的負壓，以保證各個環(huán)集抽風點的抽風效果。

另外，廠房環(huán)集系統(tǒng)的風量分配方面還可以進一步優(yōu)化。1）加大爐體上方的行車通過式環(huán)集煙罩的抽風量，以保證加料、出銅過程中爐口逸散的煙氣及時排出;適當減小屋頂另外的抽風口風量則。2）屋頂抽風點的閥門應(yīng)該與行車的位置進行聯(lián)鎖控制，根據(jù)行車運行的位置，適時開啟/調(diào)節(jié)相應(yīng)的電動閥門，確保需要抽風的點有足夠的抽風量，避免環(huán)集煙氣逸散至車間。

參考文獻

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