再生铜烟温控制的设计与实践

2020-04-22袁辅平

铜业工程 2020年1期

袁辅平

（大冶有色金属集团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）

1 引言

近年来，再生铜行业面对着巨大的环保压力。2015年，环保部颁布了《再生铜、铝、铅、锌工业污染物排放标准（GB 31574-2015）》，将再生铜生产烟气中颗粒物浓度标准从原先的200mg/m3（二级标准）降低到30mg/m3。更为严峻的是，依据环保部发布的《关于执行大气污染物特别排放限值的公告》规定，京津冀、长三角、珠三角等“三区十群”19 个省（区、市）47 个地级及以上城市区域还需要执行大气污染物特别排放限值，其中颗粒物浓度为10mg/m3以内。再生铜行业亟需加强烟气净化，以适应环保的新形势。

当前，国内再生铜生产的主流工艺是一段法，并大多以固定式阳极炉（以下简称阳极炉）为核心设备。阳极炉的烟气特点是：烟气量相对较小、含尘浓度低，但温度波动大、湿度大。除尘设备中，布袋除尘器能适应阳极炉的烟气工况，相比电收尘工艺，除尘效率高且稳定，出口粉尘排放浓度可控制在30mg/m3以内，甚至小于10mg/m3，特别是对PM2.5等微细颗粒物也具有较高的去除效率［1］。相比其它除尘设备，布袋除尘器造价较低，使用成本低，维护简便，可无人值守。综合技术、经济两方面的考虑，采用布袋除尘器净化阳极炉烟气是相对理想的选择。

2 布袋除尘器烟温控制

布袋除尘器设计时首先应确定布袋滤料的类型，因为滤料决定了除尘器的除尘效率，同时也是除尘器的主要使用成本。应根据阳极炉烟气性质（烟气腐蚀性、温度、湿度、含氧量）和烟尘性质（粒度、形状、成分）、烟尘浓度等因素，来选择合适的滤料。以上因素中，烟气温度尤为关键，它直接影响滤料的使用寿命和技术性能，其影响可用烟温上限和烟温下限来衡量。

2.1 布袋除尘器烟温上限

常规的干式收尘设备中，布袋除尘器能承受的烟气温度较低，是因为其布袋滤料的工作温度较低。当烟气温度超过工作温度时，滤料的使用寿命会急剧缩短甚至烧损，无法净化烟气。

当前应用最广泛的常温滤料工作温度低于130℃；中温的PPS滤料工作温度小于190℃；高温滤料中，P84滤料工作温度为230℃，PTFE工作温度260℃［2］；超高温滤料如陶瓷纤维、玄武岩纤维、不锈钢纤维滤料，工作温度280℃［3］。滤料工作温度越高，价格往往越贵。高温滤料和超高温滤料价格昂贵，通常不在再生铜企业的考虑范围之内，可选的常温滤料、中温滤料的理论工作温度低，承受瞬间高温的能力弱。实际工业应用中，由于烟气成分的化学作用、烟气条件的复杂性，滤料的实际耐温能力会进一步下降。布袋除尘器处理的最高烟气温度应比所用滤料的理论工作温度降低20～50 ℃不等，即烟温上限值。

2.2 布袋除尘器烟温下限

布袋除尘器对烟气中烟尘的过滤主要依靠滤料表面的初次粉尘层实现的，即表面过滤。进入除尘器的烟气温度若低于其露点，水分会从烟气中析出，进而产生糊袋的问题，使初次粉尘层失效，严重降低布袋的过滤效率。通常，布袋除尘器处理的烟气温度，应高于烟气露点15～20 ℃［4］，即烟温下限值。

2.2.1 烟气露点的计算方法

烟气露点受烟气SO3含量、灰分含量、水蒸气含量、过量空气系数等诸多因素影响。烟气露点对SO3含量变化尤其敏感。因为烟气温度在200℃以下时，SO3与水蒸气能完全结合成H2SO4蒸汽，微量的H2SO4蒸汽就能使烟气的露点温度显著提高［5］。

目前，国内外研究者得出的烟气露点的计算公式繁多，研究［6］指出，A.G.Okkes公式，И.A.Bapahoba公式较为精确，和试验数值接近。

（1）A.G.Okkes公式

tsld=10.8809+27.6lgpH2O+10.83lgpSO3+1.06（lgpSO3+2.9943）2.19

式中：pH2O为烟气中水蒸气分压，Pa；pSO3为烟气中SO3气体分压，Pa。

（2）И.A.Bapahoba公式

tsld=186+20lgφH2O+26lgφSO3

式中：φH2O、lgφSO3为烟气中水蒸气和SO3的体积百分含量，%。

2.2.2 烟气露点计算公式的应用

运用A.G.Okkes公式和И.A.Bapahoba公式，都需要知道烟气中水蒸气和SO3的含量。水蒸气含量容易测得，但目前尚无统一的、获得广泛认可的SO3检测方法，这主要是由于SO3难以准确检测［7］：①烟气组成复杂，对SO3的检测造成干扰；②SO3化学性质活泼，极易被各种物质壁面吸附，并对测量仪器和采样设备造成腐蚀，使得仪器标定和定量测定存在很大难度；③烟气中SO2在水蒸汽存在及高温作用下，极易氧化吸水生成H2SO3，从而使测定结果偏高；④烟气中的SO3浓度很低，较小的测定误差会带来较大的相对误差。

烟气的SO3是烟气中SO2在Fe2O3等催化剂作用下转化而来的。可以通过检测烟气SO2含量，再根据烟气中SO2有0.25%～5%会进一步转化为SO3［6］，间接得出烟气 SO3含量。参照实例［8］，进入布袋除尘器的阳极炉烟气中SO2取300mg/m3，H2O含量为10%，计算的烟气露点温度值如表一所见。从表一可以看出，两种方法计算的露点温度差别较大；同时，设定的SO2转化SO3率不同，同种方法下算得的露点温度差别也很明显。

阳极炉烟气中的SO2的主要来源是再生铜原料含硫，由于原料来源复杂，含硫量变化很大，实际进入烟气的SO2量可能较实例差别很大，会导致实际露点值变化。

表1 烟气露点温度计算（℃）

根据表1，若烟气露点取最低的94.45℃，计算得温度下限为94.45+15=109.45℃，取布袋除尘器烟温下限值为110℃。

2.3 烟温上限、下限对布袋除尘器的影响

阳极炉配套的布袋除尘器若选用常温滤料，厂家建议实际生产条件下的烟温上限值取105～110℃，而烟温下限值为110℃，显然不可行。若选用中温滤料，如PPS滤料，若按滤料厂家建议取烟温上限值150℃，则需将烟温控制在110～150 ℃这个温度区间内，是相对可行的。但温度控制范围小，必须采用可靠有效的烟气温控设计，既要确保进入布袋除尘器的烟气温度不超过上限，尤其避免出现瞬间高温；又要确保烟温高于下限，防止产生结露。

2.4 阳极炉烟气系统的降温设计及实践

布袋除尘器烟温超过烟温上限，会显著缩短布袋使用寿命，甚至造成布袋烧损的严重后果，受到再生铜企业的高度重视；相比之下，烟温下限失控的危害不够直观，容易被忽视。因此，阳极炉烟气温度控制的设计，实践中往往成了单纯的烟气降温设计，只实现烟温上限的控制。

2.4.1 第一次烟气降温的设计与实践

某公司原阳极炉烟气系统为：阳极炉→砖烟道→汽化水套→钢烟道→排烟机→烟囱。阳极炉烟气未净化，直接排放。汽化水套为自行设计，采用竖式结构，为自然循环冷却方式，冷却用水为软水，耗水量2t/h。阳极炉与汽化水套用砖砌拱顶矩形烟道连接，烟道内宽1050mm，高度1400mm, 长度37.6m。钢烟管衬砖，直径φ1250mm，长度33.2m。

烟气系统采用的是单纯的降温设计，主要降温设备是汽化水套，其目的是降低进入排烟机的烟气温度，并没有考虑控制温度下限问题。

2.4.2 第二次烟气降温的设计与实践

2007年，为满足烟气颗粒物浓度达标要求，决定增设阳极炉烟气净化装置，综合考虑设备造价、运行成本、收尘效率、烟气条件、场地情况、放灰及运输方式等因素后，决定选用布袋除尘器，拟建的布袋除尘器颗粒物排放浓度＜50mg/m3，使用PPS滤料，工作温度上限150℃，需要进行烟温控制的设计。

由于场地的限制，新建布袋除尘器布置在另一个厂区，与阳极炉厂区之间被铁轨隔开。阳极炉烟道因此分为两段，第一段是以阳极炉炉尾为起点，汽化水套进口为终点,其走向平行于铁轨，该段烟气温度高，沿用原有砖烟道；第二段烟道，以汽化水套出口为起点,垂直跨越铁轨抵达布袋除尘器进口，由于安装空间受限，故采用无内衬钢烟管, 钢烟管直径φ1300mm，长度55.25m。两段烟道方向上垂直。

改造前，汽化水套出口的烟气温度为300～400℃，峰值可达500℃。钢烟道工作温度通常＜450℃，烟温超出钢烟道承受范围；同时，按照资料［9］，钢管烟道降温能力3～4℃/m，即使取值4℃/m，烟气经钢管烟道降温后，峰值温度仍可达279℃，远高于除尘器的温度上限，需要进一步降低烟气温度。

改造中，将汽化水套拆除，原址安装一台自制的光管钢管换热器器，烟气流经换热器，与换热管内的阳极炉燃烧器的助燃空气进行逆流热交换，实现降温。烟气系统构成为：阳极炉→砖烟道→热交换器→钢烟道→布袋除尘器→排烟机→烟囱。此外，阳极炉工作门烟罩处收集的环集烟气，也由布袋除尘器处理。环集烟管在换热器出口处并入阳极炉钢烟道，环集烟气与阳极炉烟气汇合并对其降温。布袋除尘器的烟温控制主要由“换热器+混入环集烟气”来实现。

该烟气处理系统投入运行后，换热器出口的烟气温度降低到200℃以内；再混入低温的环集烟气（30～50 ℃），除尘器进口烟温降低至100℃以内；即使是阳极炉还原的高峰期，布袋除尘器进口烟温都不超过130℃。但当阳极炉烟气温度低时（比如每炉次的初次加料时），“换热器+混入环集烟气”作用下，烟气被过度降温，布袋除尘器进口烟温低至60～70 ℃（除尘器厂家建议布袋温度不低于70℃）；低温季节时甚至降低到50℃，布袋结露严重，除尘器卸灰阀甚至有淌水现象，布袋工作性能极度恶化。

实践表明，安装汽化水套、换热器，或混入环集烟气，都是单纯的降温手段，而非真正意义的控温手段，只能用来防止烟气温度超出温度上限，但不能可靠、有效地控制烟温高于温度下限。要保障布袋除尘器的正常运行，需实现“降低烟温”向“控制烟温”转变。

3 布袋除尘器烟温控制的设计与实践

2015年，某公司决定实施阳极炉系统易地技术改造项目，阳极炉从空气助燃改成稀氧燃烧方式。技改项目同样采用布袋除尘器净化烟气，烟气颗粒物排放浓度按＜10mg/m3的特别排放限值设计，布袋温度上限也为150℃。针对以往实践中的问题，决定按照烟温控制的思路重新设计烟气处理流程。

3.1 烟温控制设计

改造项目的烟气处理流程为：阳极炉→砖烟道→喷雾塔→钢烟道→布袋除尘器→排烟机→脱硫塔→烟囱。

阳极炉与喷雾塔仍用砖砌拱顶矩形烟道连接，烟道内宽700mm，高度950mm，长度47.3m；喷雾塔与布袋除尘器用无内衬钢烟管连接，钢烟管直径φ900mm，长度95.5m，如图1所示。

喷雾塔规格为φ2.5×10.6m，顶部设有喷雾喷枪（图2），用≥0.4MPa的氮气将冷却水雾化成平均直径＜100μm的雾滴，雾滴喷入烟气中并迅速蒸发，使得烟气温度急剧降低，快速跨过生成二噁英的温度区间，以减少二噁英生成。

图1 喷雾系统示意图

图2 喷雾喷枪示意图

用喷雾骤冷塔取代换热器或汽化水套，是为了实现真正意义的控制烟温，而非单纯的降温。因为喷雾塔喷枪采用PID控制，根据喷雾塔出口烟温自动增/减喷雾水量，可将不同温度的烟气都骤冷至150±20 ℃，最高200℃。在除尘器进口前的钢烟管上安有混风阀，辅助控制烟温，其与布袋除尘器进口烟温联锁，烟温高于设定温度时自动开启，向烟气中混入冷空气降温；低于设定温度时自动关闭。烟温控制过程主要由喷雾塔和混风阀实现，以实现布袋进口烟温处于烟温下限110℃与温度上限150℃之间的目标为确保烟气温度的可控性，阳极炉环集烟气单设除尘器净化。

布袋除尘器设有旁通管路，配有旁通阀，与除尘器进口烟温联锁，当进口烟温＞180℃时自行启动，＜160℃时自行关闭。

3.2 烟温控制的实践

技改项目投产后，先后遭遇了布袋除尘器进口烟温过高烧布袋的问题和烟温过低结露糊袋的问题，造成重大影响。

3.2.1 布袋除尘器进口烟温上限控制情况及完善

3.2.1.1 烟温上限控制情况

阳极炉每炉次的作业，依次为“加料熔化”、“氧化精炼”、“还原精炼”、“保温（浇铸）”4个作业阶段。“加料熔化”、“氧化精炼”、“保温（浇铸）”阶段，布袋除尘器进口温度110～140 ℃（喷雾出口烟温在150±20℃的范围），工况理想。但“还原精炼”阶段, 虽然喷雾喷枪冷却水量按2t/h的额定值满载运行，混风阀常开，布袋除尘器入口烟温仍然达到180～220 ℃（喷雾塔出口烟温达到300～350 ℃），除尘器的旁通阀被迫频繁启动，造成尾气颗粒物严重超标，依然出现布袋烧损现象。

3.2.1.2 烟温上限控制问题的成因分析

按照其它企业的实践经验，阳极炉从空气助燃改成稀氧燃烧后,烟气量同比减少60%～75%，烟气温度降低150～200 ℃［10-11］；阳极炉至喷雾塔的砖烟道的长度又大于改造前，进入喷雾塔的烟气温度理应低于原汽化水套进口烟温。喷雾用水量虽然与原汽化水套相当，但其采取直接降温，降温效果理应显著优于间接降温的汽化水套。因此，喷雾塔出口烟温应显著低于汽化水套。然而，阳极炉还原精炼时，喷雾塔出口烟温与原汽化水套出口没有明显差别，最终导致布袋除尘器烟温过高。分析烟温上限控制不力，根本原因在于还原期烟气热负荷的大幅增加和温控系统的降温能力不足。

（1）还原期烟气热负荷大幅增加。

改造前，阳极炉在还原精炼时使用煤基还原剂。煤基还原剂是通过含有的固定碳（含量≥75%）成分进行还原脱氧的，煤基的还原利用率很高：当铜液含氧量为0.2%～0.5%时，碳还原利用率约为70%；当铜液含氧量＞0.5%时，碳还原利用率为100%［12］。同时，阳极炉采用空气助燃时，燃烧器风气比为12～13，存在大量的过剩助燃空气，能与残留的少量煤基还原剂在炉膛内较充分地燃烧，释放的热量被炉膛、铜液吸收，进入烟道的烟气温度不会过高。

由于煤基使用过程中烟尘污染问题严重，改造后采取天然气还原方式，将天然气经还原管直接送入铜液中，还原铜液中氧。还原管口与铜液表面的高度差仅500mm，导致天然气在铜液中的停留时间不足1s，大部分天然气喷出管口后，尚未接触到铜液中的氧就上升到铜液表面，逸出铜液后进入炉膛，其利用率只有15%～30%［13］。技改后，燃烧器采用纯氧助燃，根据燃烧天然气量精确配入助燃用氧气，燃烧后剩余的助燃氧气量很少；同时，还原期间阳极炉内为正压，从炉门吸入的空气量较少。因此，残留的还原天然气只有小部分能在炉膛内燃烧；大部分被抽入烟道并进行二次燃烧，释放热量，导致烟温上升。

阳极炉通常采取单管还原方式，还原气量500Nm3/h。生产中发现还原管在天然气的压力作用下剧烈跳动使管口上抬，还原天然气量流速迅速增加，可瞬间增加300Nm3/h ；“还原精炼”高峰期采取双还原管还原，还原天然气峰值可达1000Nm3/h，导致喷雾塔进口烟温会超过设计的最高烟温950℃，最高达1030℃。

（2）温控系统降温能力不足。

喷雾系统的设计能力是：将最大流量4 200 m3/h、最高温度950 ℃的烟气降温到200℃以内。阳极炉还原精炼中，多数情况下的喷雾进口烟气并未达到设计的极限工况，喷雾塔出口烟温仍然超过300℃，说明喷雾降温能力不足。分析是因为喷雾采用单喷枪降温的新设计，喷雾水量少，而且单股射流难以形成均匀的雾滴空间分布效果［14］，降温能力不足。当阳极炉还原天然气量急剧增加而造成喷雾塔进口烟温迅速升高时，单喷枪增加水量速度不够快、控温响应慢，导致喷雾出口烟温急剧升高。

喷雾塔出口烟温高时，混风阀虽然联锁启动，但其为吸风冷却，降温能力很小，只能降低烟温20～30 ℃，导致布袋除尘器进口烟温达到危险水平。

3.2.1.3 烟温上限控制的完善

根据分析，解决布袋除尘器进口烟温过高的问题，方向一是降低还原期间烟气热负荷，方向二是增强温控系统的降温能力。

降低还原期间烟气热负荷的措施：加强对操作人员的要求，规定原则上采取单管还原，且控制实时还原气量＜500Nm3/h；还原时适度开启工作门，将外界空气抽入炉膛与过剩的还原天然气燃烧；同时减小排烟机运行频率，降低抽力，减少进入烟道的还原天然气量。采取以上措施后，喷雾塔进口烟温下降到500～900 ℃以内增强温控系统的降温能力：在喷雾塔下部增设一个4分的喷淋喷头，喷淋喷头常开，向喷雾塔出口洒水以辅助降温。喷雾喷枪继续与喷雾出口烟温联锁、自动增减水量，与喷淋共同控制喷雾塔出口烟温。

采取以上措施后，布袋除尘器进口温度＜150℃；即使是采用双还原管还原，布袋除尘器进口温度最高温度仍＜160℃，都在烟温上限之内。还原精炼时，布袋除尘器的旁通阀始终保持关闭状态，没有发生布袋烧损的恶性事件，保障了布袋的安全运行。

3.2.2 布袋除尘器进口烟温下限控制情况及完善

3.2.2.1 烟温下限控制情况及影响

由于原料供应的问题，阳极炉开动率不足50%，需要频繁停炉待料。重新开炉前的烘炉阶段，以及投产的初期，布袋除尘器进口烟温可低至50～60℃，远低于烟温下限，布袋经常出现结露，除尘器卸灰阀有水流淌出。气温较低时，结露问题更加突出。随着生产的进行，布袋除尘器入口烟温回升到100～130 ℃；结露现象消失，布袋透气性恢复。

布袋结露后，烟气析出的水分可能将粉尘黏附在滤袋表面，堵塞滤袋的孔隙，进而造成糊袋的严重后果：通过布袋的烟气量大幅减少，尾气烟囱“白烟”量显著减少，甚至观察不到；设在烟囱上的在线监测仪测得的烟气中颗粒物浓度、SO2含量、氮氧化物含量等全面下降，同比至少减少50%以上。

糊袋后，布袋阻力大幅增加，导致除尘器前的烟道负压损失严重；就算是还原期间，喷雾进口烟温也会降低到150℃，布袋进口烟温降低到50℃。即使提升排烟机频率（排烟机运行电流从正常70A提升到180A），烟道抽力情况也没有改观，严重影响阳极炉的操作：阳极炉的炉膛正压异常的大，烧嘴发烫，氧化脱杂时间显著延长。

一旦出现糊袋，即使采取清灰也无法清除，只能更换布袋。换下的布袋形态基本完好，仍有弹性，但表面黏附着厚实的烟尘（见图3），完全丧失透气性。

图3 发生糊袋的布袋

3.2.2.2 烟温下限失控的原因分析

分析布袋结露原因是因为喷雾加装喷淋后，虽然使布袋进口烟温低于上限，但破坏了温控调节能力，导致布袋烟温下限失守：喷雾改造中，为避免生产中布袋烧损或被迫启动除尘器旁通，喷淋水量取较大值，确保烟温即使达到上限（如双管还原）时，喷淋+喷雾也能把布袋进口烟温降得下来。但喷淋水采取就地人工控制，未根据喷雾出口烟温实现PID控制。投产初期，存在阶段性烟温较低的情况，当喷雾出口烟温降低到设定值（如140℃），喷雾水量会自动减少直至零水量；而喷淋水量未及时减少或关闭，导致喷雾出口烟温过低，造成布袋进口烟温低于烟气露点，产生结露问题。而且喷淋降温效率远低于喷雾喷枪，用水量较大，过多地增加了烟气含湿量，加剧了结露问题。另外，烘炉期间，虽然喷淋、喷雾均未投入使用，但烟气温度过低，烟气中水蒸气饱和，也有结露问题。

阳极炉烟气中，金属氧化物形态存在的烟尘粒径较小，粒径小于1μm的粉尘占40%～60%，挥发性烟尘如ZnO烟尘的粒径更是小至0.1μm［3］。布袋出现结露后，就可能与细小粒径的烟尘结合发展成糊袋。

3.2.2.3 烟温下限控制的完善

针对结露问题，采取了控制措施：规定每个生产周期开始前的烘炉阶段，全部采取天然气烘炉；同时关闭布袋除尘器进烟阀，洁净烟气经布袋旁通阀直接排空，避免低温烟气进入布袋除尘器。阳极炉开炉生产后，初期烟温不高时，喷雾塔投入使用；喷淋喷头则在第2炉次后方投入使用，并根据喷雾塔出口、除尘器进口的烟温情况合理调节水量。每生产周期结束后，关闭阳极炉燃烧器后，排烟机继续运行半小时，确保除尘器内的含湿气体被完全抽净。采取以上措施后，布袋除尘器进口烟温不低于100℃，最低90℃，未再发生布袋结露问题，从而预防了糊袋问题的发生，烟灰无板结、排灰顺畅。

实践中发现，若布袋除尘器的进口烟温高于90℃，就没有发生结露的现象。阳极炉改造前也是如此，分析也与再生铜原料的含硫较低有一定关系。总体而言，A.G.Okkes公式和И.A.Bapahoba公式中，后者计算的烟气露点更符合生产实践，更适合用来确定烟温下限。