铜湿法冶金矿山防护距离的解析

杜龙

（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031）

铜湿法冶金矿山防护距离的解析

杜龙

（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031）

以铜湿法冶金矿山主要的无组织排放的硫酸雾源强及相关规范为依据，分别从卫生防护距离、大气环境防护距离、安全防护距离的角度进行计算,对结果进行了分析,给出了优化方案和防护距离的建议。

铜湿法冶金；硫酸雾；无组织排放；防护距离

目前国内规定的防护距离主要有卫生防护距离、大气环境防护距离和安全防护距离,3种防护距离的计算方法及理念并不完全相同。卫生防护距离是正常生产条件下,无组织排放的有害气体(大气污染物）自生产单元边界到居住区的范围内,能够满足国家居住区容许浓度限值相关标准规定所需的最小距离。大气环境防护距离与卫生防护距离定义含义基本一致,计算时以面源为中心,但只有超出厂界以外的区域才定义为大气环境防护区域。安全防护距离无明确定义,常用的有防火间距、机械安全距离、电气安全距离、爆破安全距离,通常是为了不造成危及人民身体、生命和重要财产损害而对保护对象设置的防护距离。安全防护距离的起点和终点分别是生产储存装置所在的车间或工段的边界 (最外侧建筑物外墙）、周边重要区域边界(最外侧建筑物外墙）。

《铜冶炼行业规范条件》[1]针对火法冶炼项目明确规定“应根据环境影响评价结论,合理确定厂址及其与周围人群和敏感区域的距离”,但未对铜湿法冶金矿山的防护距离做出具体的数据或者计算要求。

本文拟以防护距离规定及国内颁布的其他规范为基础,以某大型铜湿法冶金矿山的主要无组织排放源强为例,通过分析卫生防护距离、大气环境防护距离和安全防护距离的不同计算结果,提出优化意见。

1 案例

某矿为采选冶综合类矿山,采用露天开采方式,采出的矿石运至选厂后经粗碎、筛分、二次破碎和筛分送堆浸场,浸出液进行萃取、电积。该矿存在无组织排放的主要场所为堆浸场和电积车间。堆浸采用硫酸溶液喷淋或滴淋两比选方案+生物浸出工艺,浸出液收集后经萃取、电积生产阴极铜,槽面按无覆盖和有覆盖抑制酸雾挥发两种方案进行比选。电积车间和堆浸场距最近的居民点约800 m。矿山所在地多年平均风速为1.0 m/s,平均气温20℃。

该矿堆浸场和电积车间的主要设计和工艺参数如下：堆浸场长×宽为4 500 m×770 m,硫酸喷淋高度为1.2 m,滴淋高度为0 m,最终堆高84 m,酸液喷淋量为416.7 m3/h,硫酸浓度为4.9%。电积车间为带顶棚的四面敞开式构筑物,电积槽组合长×宽为200 m× 21 m,电积液循环量为800 m3/h,硫酸浓度为14%,槽面标高2.5 m。

2 主要防护距离的分析比较

2.1 卫生防护距离

式(1）为根据《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》(GB/T 3840-91）[2]确定的计算公式：

式中：Cm为标准浓度限值；A、B、C、D为卫生防护距离计算系数,无因次,根据工业企业所在地区近5年平均风速及工业企业大气污染源构成类别从GB/T 3840-91表5中查取；r为有害气体无组织排放源所在单元的等效半径(根据该生产单元占地面积S计算）,m；Qc为工业企业有害气体无组织排放量可以达到的控制水平,kg/h;L为工业企业所需卫生防护距离,m。

2.1.1 堆浸场的卫生防护距离

主要参数取值及计算如下：1)Cm取《工业企业设计卫生标准》居住区一次最高允许浓度限值,硫酸雾为0.3 mg/m3。2)A、B、C、D从GB/T 3840-91表5中查取,本项目若L＞2 000 m,则A＝80，B＝0.015,C＝1.79, D＝0.57；1 000 m＜L≤2 000 m,则A＝400，B＝0.015，C＝1.79，D＝0.78；L≤1 000 m,则A＝400,B＝0.01,C＝1.85, D＝0.78。3)r＝(S/π）0.5,堆浸场等效半径为1 050.5 m。4)Qc：硫酸的沸点为337℃,正常情况下不易挥发。受工况、气温、存放和使用方式等多种因素的影响,挥发量较难实测，一般地,硫酸溶液的挥发量按《环境统计手册》给出的经验公式[3]估算,见式(2）：

式中：GZ为溶液的蒸发量,kg/h。M为液体的分子量,本项目为98。V为溶液表面上的空气流速，计算时取多年平均风速1 m/s。P为相应于液体温度下的空气中饱和蒸汽分压力,mmHg,计算时以硫酸溶液的饱和蒸气压计算,使用 《化学化工物性数据手册 无机卷》[4]表3.6.5查询的数据,分2种情形：①考虑夏季高温,取温度为40℃时的硫酸水溶液蒸气总压,为0.313 3 Pa(0.002 34 mmHg）；②考虑年均温度,取平均温度为20℃时的硫酸水溶液蒸气总压为0 Pa (0 mmHg）。F为溶液蒸发面的面积,m2。本项目以正常生产时堆浸场的面积计算,为3 465 000 m2。

代入式(2)计算,情形①时,Gz=98×(0.000 352+ 0.000 786×1）×0.002 34×3 465 000=904.2,即理论计算的堆浸场蒸发量为904.2 kg/h;同理计算,情形②时Gz=0。

将上述4个参数取值带入式(1）计算,即：

情形①计算的卫生防护距离L=17 326.9 m;情形②计算的卫生防护距离L=0 m。

2.1.2 电积车间的卫生防护距离

电积车间的卫生防护距离：1)Cm取值与上相同,为0.3 mg/m3。2)A、B、C、D取值方法与上相同,A＝400，B＝0.01,C＝1.85,D＝0.78。3)r＝(S/π）0.5,电积车间等效半径为36.56 m。4)Qc根据《化学化工物性数据手册 无机卷》表 3.6.5查询的数据,采用差值法计算的电积车间硫酸水溶液的蒸汽总压为4.84 Pa(为0.036 3 mmHg）,槽面空气流速V取0.2 m/s,代入式（2）计算。

Gz=98×（0.000 352+0.000 786×0.2）×0.036 3× 21×200=7.608,即无覆盖时硫酸雾挥发量Qc为7.608 kg/h;将上述1）～4）中的各参数带入式(1）计算,即：

由式(4)计算得L=833 m。

采用覆盖方案时,由于大幅减少了电积液的蒸发面积,可大幅减轻酸雾的挥发量,陈雪云[5]在锌电解过程使用ZG-9568型酸雾覆盖剂的工业试验表明,酸雾去除有效率＞95%,本次计算时挥发量按削减90%考虑,即挥发量为0.760 8 kg/h。带入式(1）,同理计算,可得采用覆盖方案的卫生防护距离为146 m。

2.1.3 卫生防护距离小结

1)堆浸场：情形①的卫生防护距离＞10 000 m,在实践中无意义,显然不合理;情形②的结果与人体对酸雾的感受有异,不可信。但考虑到本项目堆浸采用的酸雾浓度为4.9%，硫酸不易挥发且浓度很低，最终将情形②计算的结果作为堆浸场的卫生防护距离;根据GB/T 3840-91中7.3条 “卫生防护距离在100 m以内时,级差为50 m;超过100 m,但小于或等于1 000 m时,级差为100 m;超过1 000 m以上，级差为200 m”的原则,堆浸场卫生防护距离定为50 m。

2)电积车间：与上述原则相同,无覆盖时电积车间的卫生防护距离定为900 m,有覆盖时卫生防护距离定为200 m。

2.2 大气环境防护距离

根据《环境影响评价技术导则》(HJ2.2－2008）[6]，采用推荐的估算模式(SCREEN 3）计算各无组织排放源的大气环境防护距离。SCREEN 3是一个单源高斯烟羽模式,模式中嵌入了多种预设的气象组合,包括最不利的气象条件,所以估算模式计算出的是某一污染源对周边环境的最大影响程度和影响范围的保守计算结果。该模式的中文版（大气环境防护距离标准计算程序V 1.2）由环境保护部环境工程评估中心环境质量模拟重点实验室发布。

2.2.1 堆浸场的大气环境防护距离

由堆浸场卫生防护距离计算过程可知,情形①显然不合理,情形②的挥发量可忽略不计,即没有无组织排放情况。因此,无需设置大气环境防护距离。

2.2.2 电积车间的大气环境防护距离

采用电积车间卫生防护距离计算的参数,无覆盖时硫酸雾挥发量为7.608 kg/h;有覆盖时硫酸雾挥发量为0.760 8 kg/h。采用大气环境防护距离标准计算程序的计算成果见图1、图2。估算模式计算的下风向轴线浓度分布见图3、图4。

图1 无覆盖方案大气环境防护距离计算成果截图

图2 有覆盖方案大气环境防护距离计算成果截图

图3 无覆盖方案硫酸雾外排后轴线浓度分布

图4 有覆盖方案硫酸雾外排后轴线浓度分布

由图3、图4可知,电积车间无组织污染物硫酸雾外排后,最大地面质量浓度出现的距离在100～200 m之间。

2.2.3 大气环境防护距离小结

1)堆浸场硫酸雾挥发量可忽略不计,故无需设置大气环境防护距离。

2)电积车间无覆盖时的大气环境防护距离为650 m,有覆盖时的大气环境防护距离为200 m。由于矿山无明显的厂界,考虑以征地红线作为厂界,超过征地红线的区域即为大气环境防护范围。

2.3 安全防护距离

国内未发布专门针对堆浸场和电积车间的安全防护距离。电积车间基础为钢筋砼独立基础,采用门式刚架钢结构,并按当地抗震设防烈度设防,设计使用年限为50年,发生倒塌并进而危及人民财产安全的可能性很低,与矿山其他设施的间距按《建筑设计防火规范》进行设计,无需设置专门的安全防护距离。

堆浸场和排土场的外形有类似之处,参照《有色金属矿山排土场设计规范》(GB 50421-2007）[7]的要求确定堆浸场的安全防护距离。该规范表4.0.2考虑了边坡局部失稳所引起的变形和大块滚石的滚动距离,是在未采取防护工程措施时的排土场最终坡底线与保护对象间的安全距离,要求“距矿山居住区、村镇、工业场地的安全距离不小于2倍最终堆置高度”,防护距离以坡底线计算。该矿山堆浸场最堆积高度为84 m,则安全防护距离最小为168 m。

3 结论和建议

1)本项目堆浸场的卫生防护距离定为50 m,无需设置大气环境防护距离，但不能从卫生防护距离和大气环境防护距离的角度判断喷淋和滴淋方式的优劣。

2)卫生防护距离的计算结果、大气环境防护距离的计算结果均表明：电积车间采用覆盖方案时，由于抑制了酸雾的挥发,卫生防护距离和大气环境防护距离均为200 m,较无覆盖方案可大幅减少防护距离。虽然槽面覆盖会在一定程度上导致生产操作不便,但从保护矿山周边居民的健康角度判断,覆盖方案更优。

3)电积车间无覆盖时，卫生防护距离(900 m）明显大于大气环境防护距离计算结果(650 m）。这是因为卫生防护距离计算模式将所有的无组织排放源等效为圆形,而本项目的无组织排放源均为矩形,因此笔者认为采用估算模式计算的大气环境防护距离结果更为可信。

4)参照《有色金属矿山排土场设计规范》(GB 50421-2007）,设定的堆浸场的安全防护距离最小为168 m,在此范围内不得建设矿山居住区、村镇、工业场地等设施。但实际上堆浸场和排土场并不完全相同,堆浸场建设时需要进行平基,而排土场往往因地制宜,充分利用地形。由于地形、地质、气象条件、堆放方式、泄流方式等多种因素均可能影响安全防护距离的大小,安全防护距离的设置有待进一步研究。

5)环境保护部《关于建设项目环境影响评价工作中确定防护距离标准问题的复函》明确“建设项目的环境防护距离应综合考虑经济、技术、社会、环境等相关因素,根据建设项目排放污染物的规律和特点,结合当地的自然、气象等条件,通过环境影响评价确定”,因此从环境保护角度,本项目的防护距离宜采用大气环境防护距离,建议设定为采用覆盖方案时的大气环境防护距离,即为200 m。

6)防护距离的确定对保护周边居民健康以及优化矿区内总体布局有着一定的指导意义,但由于无组织排放源强较难确定,不同源强参数、不同工艺对防护距离影响很大,因此需要进一步研究无组织源强的排放机理、排放参数,尽快制定无组织排放源源强确定的技术方法,并建立典型装置的无组织排放源源强数据库,才能更好地指导设计并为规划布局和保护周边居民的健康提供依据。

[1] 工业和信息化部.铜冶炼行业规范条件[EB/OL].[2014-4-28].http：//www.miit.gov.cn/n11293472/n11295125/n11299545/15976305. html.

[2] GB/T 3840-91,制定地方大气污染物排放标准的技术方法[S].

[3] 方品贤,江欣,奚元福.环境统计手册[M].成都：四川科学技术出版社,1985：72-73.

[4] 刘光启,马连湘,刘杰.化学化工物性数据手册：无机卷[M].北京：化学工业出版社,2002：210.

[5] 陈雪云.酸雾必克剂治理锌电解酸雾工业试验[J].湖南有色金属, 2002,18(S1)：5-7.

[6] HJ2.2-2008,环境影响评价技术导则[S].

[7] GB 50421-2007,有色金属矿山排土场设计规范[S].

Explanation and Analysis on Copper Hydrometallurgy Mine Protection Distance

DU Long

(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

Taking strong sulphuric acid mist sources that are emitted in copper hydrometallurgy mines and the relevant codes as basis,the calculations are carried out from the aspects of hygienic protection distance,atmospheric environment protection distance and safety protection distance,the paper analyzes the results and gives some suggestions of optimization schemes and protection distance.

copper hydrometallurgy;sulphuric acid mist;fugitive emission;protection distance

X820.3；X936

B

1004-4345(2014)05-0086-03

2014-04-09

杜龙(1983—),男,主要从事环境影响评价工作。