铜冶炼工程烟气脱硫方案比选思路

福建省环境科学研究院 卢 宸



铜冶炼工程烟气脱硫方案比选思路

福建省环境科学研究院 卢 宸

该文针对铜冶炼工程冶炼烟气的特点，结合工程实例论述脱硫措施的比选过程，介绍活性焦干法烟气脱硫的原理与工艺流程，为铜冶炼建设项目环境影响评价和环保措施设计提供思路，供环保工作者参考和借鉴。

铜冶炼 活性焦 脱硫方案比选 环境影响评价

工业项目是基础建设的一环，工程的兴建拉动了经济的增长，促进了社会的繁荣，但同时又影响到项目周边的自然环境与人居环境。如何最大程度地减少工程对环境的破坏，把环境可持续发展工作做得更好，是环保工作的重点目标。在环评与可研阶段，提前介入工程环保措施设计，提出符合针对性、具体性、经济合理性和技术可行性原则的环保措施是环保“三同时”工作的关键。本文以笔者参与的紫金铜业年产20万吨铜冶炼项目脱硫工艺改造工程为例，论述在工程设计初期委托环境影响评价时如何比选脱硫措施的工艺先进性、环境可行性、经济技术合理性，为项目后续的环保措施工程设计提供有效支撑，也为选择铜冶炼项目冶炼烟气的脱硫措施方案提供参考。

1 工程概况

环保措施方案分析包括两个层次，首先对项目可研报告等文件提供的污染防治措施进行技术先进性、经济合理性及运行的可靠性评价，若所提措施有的不能满足环保要求，则需提出切实可行的改进和完善建议。因此应结合工程概况分析其产污环节，了解污染源的分布和强度，切入重点，针对不同的污染因子进行分析，提出适应性的措施方向。

该铜冶炼项目是指铜精矿经“蒸汽干燥—闪速熔炼—PS-转炉吹炼（+渣选矿）—阳极炉精炼—电解”工艺生产阴极铜的冶炼工程。铜冶炼过程的烟气包括闪速炉、PS转炉、阳极炉的烟气，经动力波稀酸洗涤净化、两转两吸制酸工艺生产副产品硫酸，尾气高空排放。另外闪速炉、PS转炉、阳极炉等设备的放料口等产烟点逸出的环境烟气亦由吸风罩收集处理。由于铜精矿中含硫率较高（干混合铜精矿含硫31%左右），熔炼过程产生的烟气中SO2含量较高，烟气都必须经脱硫处理后方可排放。

2 工艺比选

在明确建设项目产生的污染物特点的基础上，充分调查同类企业现有环保处理方案的经济技术运行指标，针对本项目某污染物提出多项环保措施备选方案，并对其合理性、可靠性、经济性综合横向比较，最终选定相对完善的方案。

含硫烟气脱硫大多采取传统成熟的湿法脱硫工艺，紫金铜业年产20万吨铜冶炼工程的原工可方案中，熔炼烟气与环境集烟烟气拟分别采用石灰石膏法与MgO法工艺脱硫，而后设计单位又从铜冶炼项目的特殊性出发提出了活性焦干法脱硫工艺方案。

设计与环评过程中从工艺原理、吸收剂、副产品、脱硫效率、操作环境、环境影响、投资等方面综合分析，比较了湿法脱硫工艺与活性焦干法脱硫工艺的优缺点，最终确定以活性焦干法脱硫工艺为设计方案。方案比选过程与选定理由后文详述。

2.1 备选脱硫工艺方案（见表1）

表1 备选脱硫工艺方案表

2.2 脱硫工艺简介

为深入了解选定脱硫工艺的先进性、合理性以及经济性，应对选定工艺的原理、工艺流程、国内外运行实例、主要技术指标进行阐述。MgO法与石灰石膏法均为十分成熟并应用广泛的工艺，本文不再详述其工艺原理。以下对推荐方案活性焦脱硫工艺进行详述，以便说明选定该方案的理由。

2.2.1活性焦脱硫工艺原理

活性焦干法脱硫技术始于20世纪60年代，20世纪80年代开始工业应用。目前该技术已应用于处理各种工业废气，如燃煤锅炉烟气、烧结机烟气和垃圾焚烧烟气，涉及化工、电力、冶金等多个行业。该技术经过实验室试验、中间试验和工业化应用的检验和完善，目前已成功应用于电厂锅炉、冶炼系统的烟气治理系统中。

活性焦烟气脱硫是一种可资源化的干法烟气净化技术。该技术利用具有独特吸附性能的活性焦对烟气中的SO2进行选择性吸附，吸附态的SO2在烟气中氧气和水蒸气存在的条件下被氧化为H2SO4，并被储存在活性焦孔隙内；同时活性焦吸附层相当于高效颗粒层过滤器，在惯性碰撞和拦截效应作用下，烟气中的大部分粉尘颗粒在床层内部不同部位被捕集，完成烟气脱硫除尘净化。吸附SO2后的活性焦，在加热情况下，其所吸附的H2SO4与C（活性焦）反应被还原为SO2，同时活性焦恢复吸附性能，循环使用；活性焦的加热再生反应相当于对活性焦进行再次活化。吸附和催化活性不但不会降低，还会有一定程度的提高。

反应原理化学方程式如下：

吸附反应：SO2＋1/2O2＋H2O＝H2SO4

解吸反应：2H2SO4＋C＝2SO2+CO2+2H2O

表2列出了部分国内外工业企业利用活性焦脱硫技术的工程实践情况。

表2 活性焦脱硫工艺工程成功实践案例一览表

注:空缺表示数据未收集到。

2.2.2活性焦脱硫工艺方法及主要设计指标

活性焦脱硫工艺系统主要由SO2吸附脱除工序、活性焦再生工序和除尘工序组成。

2.2.2.1 SO2吸附脱除工序

SO2吸附脱除是脱硫装置的核心部件，包括脱硫塔及相关管路，脱硫塔由一个进气室，两列吸附床以及两个出气室组成，烟气经烟道系统送入脱硫塔的进气室，在吸附床（活性焦）阻碍作用下，烟气在进气室内均匀流向两侧吸附层，吸附床由上至下分为储料布料段、吸附段和排料段，储料布料段位于吸附床顶部，堆积一定的料层，以确保吸附段的有效空间，同时起到在吸附床顶部进料部位对烟气的过滤作用。烟气与自上向下靠重力缓慢移动的活性焦错流接触（烟气流向与活性焦移动方向成90度角），脱除绝大部分烟尘和SO2。净化后的烟气穿过出气面格栅流入出气室，再由出气室排入烟道系统。烟气流过脱硫塔所需的压头由主装置系统升压风机提供。吸附了SO2的活性焦由吸附层下部锥斗排出，靠重力自行流入再生塔进行活性焦再生处理。

2.2.2.2 活性焦再生工序

再生塔由上至下分为进料段、加热段、抽气段、冷却段和排料段。再生塔内活性焦的流动速度通过安装在再生塔出料口的斜进料星形卸料器控制，与脱硫塔的脱硫效率联锁，即：脱硫效率不满足要求时，加快再生塔排料速度，反之，脱硫效率超过上限值时，减慢再生塔排料速度。为了确保设备运行安全可靠，活性焦预热、加热、冷却的换热介质均为氮气。活性焦在加热段被高温氮气由40℃左右加热到370℃，同时高温氮气被冷却；换热风机抽出加热段排出的氮气（160℃左右）经水冷换热器换热，维持送入再生塔冷却段的氮气温度恒定（80℃左右），再生后的活性焦被低温氮气冷却至120℃左右，同时低温氮气被高温活性焦加热至中温状态（300℃左右）；采用电加热器将中温氮气再加热至高温状态后送入加热段，闭路循环使用。活性焦再生产出的再生气由SO2风机经抽气管抽出，送硫酸车间制酸，再生后的活性焦经物料循环系统返回脱硫塔使用。

物料循环系统由集料输送机械、筛分机械、储料设备、布料溜管构成，包括两台再生塔排出活性焦的收集、提升；筛除粒度小于1.5mm左右的不合格碎焦及烟尘；合格活性焦提升至脱硫塔顶部；将提升至脱硫塔顶部的活性焦均匀分配加入脱硫塔。

2.2.2.3 除尘工序

对LD链斗提机、布料皮带机、振动筛以及料仓产生的含活性焦粉尘的收集后采用布袋除尘器处理，除尘后的气体通过高排气筒排空。收集的焦粉排入烟尘罐，作为转炉燃料加以利用。

活性焦脱硫工艺流程见图1。

图1 工艺流程图

2.3 备选脱硫方案综合比选

备选的湿法脱硫工艺与活性焦干法脱硫工艺从各方面进行综合比较，列表对比能更加直观地分析各备选方案的优缺点以及与拟建项目的适用性。

表3 脱硫工艺综合对比

2.4 活性焦法脱硫对铜冶炼项目的适用性

方案一选定MgO法与石灰石—石膏法分别处理环境集烟烟气与制酸阳极炉烟气。方案二则均采取活性焦干法脱硫措施。三种脱硫工艺各有特点，且在国内外都有成熟的工程运行实例。

活性焦干法烟气脱硫和石灰石—石膏湿法烟气脱硫工艺相比，劣势在于：①初期投资和日常运行脱硫成本较高。②除水耗很低外，电耗等其余指标均高于另两种脱硫工艺。但紫金铜业年产20万吨铜冶炼项目仍推荐选择活性焦脱硫工艺，主要基于以下几个方面分析：

2.4.1节水

脱硫过程几乎不耗水，无废水产生，这些特点是其他工艺不具备的。结合拟建项目厂址周边水资源不丰富，此工艺恰好解决了这个矛盾，有利于系统的正常运行，保护当地环境质量。

2.4.2二次污染小

湿法脱硫和半干法脱硫均存在二次污染——脱硫石膏的堆放问题，活性焦干法脱硫基本无二次污染，难以造成新的地表破坏。

2.4.3适合有色冶炼行业

考虑到有色冶炼行业烟气量波动大而且频繁的特点，活性焦干法烟气脱硫对负荷变化适应性强，可以随时调整最佳的净化效果。

2.4.4运行可靠、管理便利

烟气排烟温度高，无需再热，减轻设备腐蚀，脱硫系统运行稳定可靠。从设备日常运行管理来看，传动设备少，维护工作量小，便于实现全厂统一管理和维护。主要运行成本在于活性焦的添置费用，较湿法脱硫大大减少了人工成本，减少了更多的管理环节。

2.4.5脱硫剂来源

脱硫剂活性焦可再生循环利用，以煤炭为原料生产，适合我国煤炭资源丰富的国情。

2.4.6副产品收益大

该工程的特点是铜精矿中含有大量的S，冶炼过程产生的烟气中SO2产生量很大，如采取湿法脱硫将S转化为硫酸镁渣与脱硫石膏，并不是实现S资源综合利用与回收的最佳途径。而通过对废活性焦的脱附与再生过程，能解析出大量处于封闭管路中可控状态的SO2，能够很方便地利用制酸车间制备硫酸。副产品硫酸是用途广泛的工业原料，副产品的效益远高于湿法脱硫工艺的硫酸镁渣与脱硫石膏。

因此在考虑副产品收益的条件下，再次计算环保设施的年运行费用可得出以下结果：①采用原设计的湿法脱硫工艺情况下，环境集烟烟气MgO法脱硫工艺年运行费用108.3万元（已折算72万元副产品收益）、制酸尾气石灰石—石膏法工艺年运行费用297.4万元（已折算31.3万元副产品收益），合计405.7万元；②环境集烟烟气与制酸尾气均采用活性焦干法脱硫工艺年运行费用165万元（已折算762.4万元副产品收益）。二者对比后，采用活性焦干法脱硫，全厂可节省年运行费用240.7万元。

3 环境可行性分析

选定的环保措施是否合理，可从环保措施的排污达标性与外环境的可行性二者相结合加以验证。

3.1 脱硫装置排放数据分析

紫金铜业年产20万吨铜冶炼项目于2012年9月开展了工程竣工环境保护验收工作。验收监测期间，平均生产负荷为87.7%，满足建设项目竣工环境保护验收监测对工况达到75%以上生产负荷的要求，因此验收监测期间的监测数据可以作为该工程采取活性焦干法脱硫环境可行性的有效依据。

制酸废气与环境集烟废气进出口的SO2监测统计结果表明，采取活性焦干法脱硫措施后的制酸尾气与环境集烟烟气排放数据均能够达到《铜、镍、钴工业污染物排放标准》（GB25467-2010）中的标准限值要求，也达到了项目批复的污染物排放总量控制要求。具体数据见表4。

表4 工程竣工环境保护验收监测结果（SO2）

3.2 外环境可行性分析

引用项目环评报告的环境空气预测结果，对比环境空气质量二级标准，SO2小时最大落地浓度叠加背景值后为0.2483mg/m3（占标率49.7%），SO2最大日均浓度叠加背景值后为0.0256mg/m3（占标率17.1%），SO2平均浓度最大贡献值为1.544ug/m3（占标率2.6%），全年逐时逐日SO2影响预测结果均可满足标准要求。

项目竣工环境保护验收监测报告中，工程试运行期间周边环境敏感目标的SO2调查值（小时均值最大占标率73.6%、日均值最大占标率29.3%）亦验证了外环境中SO2浓度能够达到环境空气质量二级标准的可行性。

3.3 环境可行性小结

综上所述，从本项目SO2排放影响逐日逐时的预测结果与项目竣工环境保护验收监测结果分析，采取活性焦干法脱硫工艺从大气环境保护角度考虑是可行的。

4 结论

铜冶炼项目采用活性焦脱硫工艺方案的最主要理由是该方法可以硫酸形式回收硫资源，具有明显的环境效益和资源效益，是循环经济和可持续发展的具体体现。在环评与可研阶段提前介入工程环保措施设计，综合对比各种可行方案，并选定最具针对性、经济合理性和技术可行性的环保措施是环保“三同时”工作的关键。本文可为环保工作者们在选择铜冶炼项目冶炼烟气脱硫方式时碰到的类似问题提供借鉴。

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