大冶有色1 500 kt/a烟气制酸方案的选择及思考

曹龙文，陆 海，张冠华，洪国明，董 冕

（大冶有色金属集团控股有限公司/有色金属冶金与循环利用湖北省重点实验室，湖北黄石 435005）

大冶有色金属集团控股有限公司（以下简称大冶有色）是中国有色矿业集团部署的重点子公司，为响应集团“抓资源、国际化、走高端”的战略布局，加快转型升级，拟在异地新建1套400 kt/a阴极铜冶炼项目。项目采用“双闪”冶炼工艺，立足应用先进的技术装备，建成1座安全、节能、环保的一流工厂，以实现企业的可持续发展。

1 项目建设选址及规模

项目落地于湖北省黄石市新港工业园区，新港工业园区位于黄石市阳新县，毗邻长江，园区配套齐全、交通便利。根据项目400 kt/a阴极铜计算，配套制酸装置规模为1 500 kt/a，生产w(H2SO4)为98%或93%优等品工业硫酸。

2 工艺技术方案选择与思考

2.1 方案选择的背景

2.1.1 环保政策

近年来，党中央加大生态文明建设力度，国家和地方加紧出台一系列环保政策、法律、法规和标准。2017年2月，国务院印发《关于划定并严守生态保护红线的若干意见》，《意见》指出，2020年年底前，全面完成京津冀及长江沿线生态保护红线划定，基本建立生态保护红线制度。2019年，《长江保护法》正式出台，要求火电行业新建项目按照超低排放标准执行，长江沿岸大保护成为全国划定生态红线背景下的重要案例和体现。该项目选址离长江较近，故在方案选择尤其是环保治理措施上，必须严格响应目前的环保政策，同时要有前瞻性，以适应未来环保政策的要求。

2.1.2 行业竞争

近年来，国内新增铜产能较多较快，铜冶炼加工费波动较大，加之原（燃）料价格和人力成本上涨及环保投入力度加大，行业利润空间进一步缩小。另外，作为冶炼副产品，烟气硫酸既面临销路问题，又存在价格低迷问题。总之，有色行业面临多重压力和不利因素，新建冶炼厂在方案选择上必须考虑技术先进性和适应性，才能确保在复杂困难的竞争环境下的生存和发展。

2.1.3 工业自动化

物联网、云计算、大数据、移动通信等新一代信息技术的发展，正深刻改变着传统制造业的发展模式。2015年5月，国务院总理李克强签批了《中国制造2025》，标志着中国进入全面部署推进实施制造强国战略的第一个十年。各种软、硬件的高速发展和更新换代，为铜冶炼企业操作和管理逐步向智能化方向发展提供了保障。铜冶炼智能工厂建设拟遵循“总体规划、创新驱动、顶层设计、分步实施”的原则，其中烟气制酸整体自动化水平较高，在此基础上可通过强化集中控制和远程操作，从而达到无人值守、智能化控制的目的。

2.2 项目设计原则和思路

大冶有色与设计院充分沟通，新建烟气制酸系统将充分吸取和借鉴国内“双闪”铜冶炼工厂的实践经验，按照技术水平高、投资合理、有利于工厂今后发展、稳妥可靠的原则进行设计和建设；同时兼顾安全、环保、节能、智能化，力争将新项目打造成为国内具有竞争力的现代化工厂。

制酸主体工艺选择思路立足于成熟可靠，从节约投资、回收能源、降低成本的角度考虑，采用低温余热回收、高浓度转化等技术；环保措施选择离子液脱硫、臭氧脱硝、强化高效硫化技术；装备水平立足于国产，部分关键设备引进，整体达到国内外先进水平。

2.3 具体方案选择

2.3.1 整体配置

“双闪”工艺烟气SO2浓度较高，气量较小且稳定，净化采用成熟的动力波洗涤技术，且转动设备和易堵塞设备均设置了备用，从实践看，净化工序发生故障而影响冶炼系统正常生产的几率很小。动力波洗涤器可适应50%～100%的气量变化，对总的净化效率不产生影响，因此采用单系列净化系统。

制酸系统处理的烟气主要来源于闪速熔炼炉和闪速吹炼炉，2种烟气分别约占SO2总量的70%和30%。按目前制造业发展和进步程度，采用单系列转化干吸方案不存在问题，但适应烟气波动的灵活性会稍差。若采用双系列干吸转化方案，当冶炼系统生产负荷调整或原料中SO2含量向下波动时，可根据实际情况仅运行单系列干吸转化装置从而降低生产运行成本。此外，在单系列干吸转化故障停车时，冶炼系统仍可连续生产运行。

目前国内采用“双闪”冶炼工艺的400 kt/a铜冶炼厂，多采用“一头两尾”的制酸配置，能够有效满足整个冶化系统连续生产的需求。综合以上考虑，“1套净化+2套干吸转化”是较为稳妥的制酸系统配置。

2.3.2 净化工序

净化工序采用“一级动力波洗涤器—气体冷却塔—二级动力波洗涤器—两级电除雾器”属于标准配置，整体稳定可靠，但局部还有值得优化的地方。净化工序常见问题是一级动力波洗涤器逆喷管结疤、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带压上酸，溢流堰内液面会产生较大波动；同时因净化稀酸杂质含量普遍较高，易造成溢流堰堰口分酸不均匀、逆喷管内壁结疤，并且在这种液面波动的情况下更容易发生局部堵塞，从而形成局部断流，不能有效保护动力波洗涤器逆喷管。

经考察、交流和论证后，可通过2个措施进行优化：①改变溢流堰的供液方式，将固液分离后的上清液通过泵输送至溢流堰改为送至事故水高位槽，槽内液体靠静压势能自流入溢流堰内以减少液面波动；②改变净化串酸方式，将气体冷却塔串至一级动力波洗涤器本体的稀酸改串至事故水高位槽，可降低溢流堰循环液的固含量。

2.3.3 干吸工序

干吸工艺及设备配置已基本定型，关于是否上低温余热回收装置，多从技术和装备可靠性、投资、成本、蒸汽用途等方面进行考量。低温位热能回收技术最早在国外应用，随后逐步进入国内市场。美国孟莫克公司低温余热回收（HRS）装置在广西防城港[1]和河南中原黄金冶炼厂已有5年以上的实践经验[2]，运行总体情况稳定。以海陆化工和奥格利公司为代表的国产品牌低温余热回收装置在硫磺制酸领域已应用多年，运行情况良好，2019年海陆化工公司进入冶炼烟气制酸领域（南国铜业和赤峰云铜冶炼厂）。从目前国内低温余热回收装置运行整体情况来看，无论是进口还是国产装置都具有很好的经济效益，蒸汽产出率在0.4 t/t左右，节约了循环水投资和成本。因该项目在电解生产、精矿干燥、脱硫等区域均需要大量蒸汽作为热源，故考虑采用低温余热回收装置以充分回收系统热能。

2.3.4 转化工序

“双闪”冶炼工艺产生的烟气φ(SO2)通常高于20%，无法通过常规转化工艺处理。若通过补加大量空气将烟气稀释至常规转化的浓度要求，将导致整个转化、干吸工序所有设备投资、运行及维护费用增加。

目前国内已有3种主流的高浓度转化工艺应用于实践，分别为奥图泰公司的LURECTM工艺[3]、孟莫克公司的预转化工艺以及铜陵金冠与瑞林公司共同开发的非衡态工艺[4]。3种工艺各有特色，在国内均有多年稳定运行业绩，从技术角度上来看均是可行的。综合考虑投资、运行成本和流程的简洁性，该项目选用非衡态转化工艺。

大冶公司与设计院深入讨论，认为在部分设计上仍可进一步优化：

1）非衡态转化器的优化。从国内非衡态转化工艺的运行情况看，由于采用较少催化剂填装量来抑制平衡转化率，一定程度上存在气流分布不均的现象。该项目设计考虑采用中心筒进气式转化器代替传统转化器。中心筒进气在催化剂层进口位置的气流速度标准偏差稍低，随着流体在催化剂层中的流动，其速度分布均匀度逐渐提高。中心筒进气形式已在国内外众多大型项目中成功运用多年。

2）主转化器及换热器的优化。主转化器也采用中心筒进气、热热换热器内置的形式，管路配置简单，降低设备制作成本、管道泄露风险以及系统热能损失；而冷热换热器采用加强型碟环式管壳换热器（牺牲式）结构形式，能够有效减轻来自吸收塔低温烟气的酸雾腐蚀。

2.3.5 脱硫工序

常用的脱硫技术有钠碱法、石灰（石）法、离子液法和双氧水法等。该项目环集脱硫烟气气量大，烟气SO2浓度较高，综合考虑选择离子液工艺。制酸尾气气量较小，烟气杂质少，采用石膏法、双氧水法和离子液法均可行。石膏法投资和运行成本最省，但占地大，石膏需要考虑出路；双氧水法脱硫投资不高，主要消耗是双氧水，产生的稀硫酸可作为干吸工序补水用，目前应用比较普遍；离子液法投资较高，主要消耗是蒸汽，一般适用于气量大、SO2浓度高的烟气。该项目副产蒸汽量大，从集中操作和管理角度考虑，尾气脱硫也选择离子液工艺，两者共用1套离子液再生系统。

2.3.6 脱硝工序

该项目氮氧化物实行限值排放[ρ(NOx)≤100 mg/m3]要求。根据调研，“双闪”火法冶炼系统在正常生产时的氮氧化物可达限值排放要求，而在非正常生产状态（开停炉、炉体保温时）存在超标的可能性。常用的脱硝工艺有SCR、SNCR、臭氧等工艺，臭氧脱硝工艺有较好的适应性和较高的效率，综合考虑采用臭氧脱硝工艺。该项目将臭氧反应器设置在尾气脱硫塔之后，非正常生产状态下的炉气通过风机引至尾气洗涤塔，按照“尾气洗涤塔—尾气脱硫塔—臭氧反应器—碱洗塔—电除雾器”配置，从而实现一体化脱硫脱硝，能满足目前环保要求及今后的大气污染物超低排放要求。

2.3.7 废酸处理工序

目前污酸处理可供选择的工艺不多，主要有石灰-铁盐法和硫化法。石灰-铁盐法产生的渣量太大，危废填埋场的选址困难、建设投资大、后续处理维护风险高，故项目选择硫化工艺。

传统的硫化工艺加入硫化剂反应会带入大量钠盐，硫化后液含砷也较高，原液含砷波动易造成石膏含砷超标，增加了后续工序的运行成本和处理难度。近几年，针对传统硫化法开展相关研究并开发了硫化氢作为硫化剂的污酸硫化新工艺。硫化氢的制备通常有3种：一是通过电解水产生的氢气与熔融态硫磺反应；二是通过氨（或甲醇）裂解产生的氢气与熔融态硫磺反应；三是通过稀硫酸与硫化剂反应。该项目选择采用稀硫酸与硫氢化钠反应制取硫化氢，再通入污酸中进行高效硫化。相比传统硫化法，新工艺可以有效避免钠盐进入后续水体，有利于酸性废水处理和回用；对砷的富集率更高，有利于砷渣减量化；硫化后出水指标更稳定，有利于石膏的品质。

2.3.8 废水处理工序

根据工信部最新发布的《铜冶炼行业规范条件》，要求利用铜精矿的铜冶炼企业的水循环利用率应达到98%以上。该项目为满足规范和环评要求，考虑清污分流、一水多用和串级使用的原则，注重各类水的有效收集、分类处置和分质回用。其中，厂区酸性废水、初期雨水分别利用膜处理技术深度处理后全部回用不外排；一般性生产废水经处理后部分回用，剩余部分排入生产园区管网系统。最终达到减少排放、高标准排放和提高水循环利用率的目的。

2.3.9 自动化、智能化控制

通过与设计院及专业厂家交流，认为目前在3个方面可进行重点优化：一是做实自动化控制，通过加入现场感知设备，提高系统自动调节能力；二是采用先进的控制技术和数字通讯技术，实现高精度、智能化的物流管理和数据管理；三是通过系统大数据自动采集分析，给管理者提供设备、能源、安全、环保和危化品等多方面管理支持。

3 结语

大冶有色400 kt/a高纯阴极铜清洁生产项目经过充分的技术交流与考察论证，大冶有色和设计院共同完成了项目主体方案的选择，为施工图设计和项目建设打下良好的基础。在设计院和同行的大力支持下，依靠烟气制酸技术进步和设备制造能力的提高，大冶有色有信心建成“环保一流、成本一流、技术一流、管理一流”的现代化铜冶炼厂。