金冠铜业“双闪”冶炼升级改造方案研究与应用

2021-06-10汪满清

硫酸工业 2021年3期

汪满清，王翔

（铜陵有色金属集团股份有限公司金冠铜业分公司，安徽铜陵 244000）

铜陵有色金属集团股份有限公司金冠铜业分公司（以下简称金冠铜业）“双闪”厂区采用闪速炉熔炼（FSF）＋闪速炉吹炼（FCF）＋回转式阳极精炼（RF）的冶炼工艺，是全球第三套“双闪”工艺铜冶炼厂，也是世界首套一次建设、一次投产的400 kt/a阴极铜“ 双闪”铜冶炼厂。自2012年12月份投产以来，整个生产系统生产运行平稳，各项指标均达到或超过设计值。2020年已实现阴极铜 410 kt/a、硫酸 1 600 kt/a、黄金 8 t/a、白银265 t/a的生产规模。

随着投产几年来的稳定运行，金冠铜业已在“双闪”冶炼工艺、“非衡态”高浓度转化工艺的生产中积累了较丰富的操作、管理经验，具备了实施挖潜升级改造所需的人力资源和技术保障。为充分发挥产能规模的优势，提升部分关键设备的生产潜力，金冠铜业从技术、经济和时间点等各方面综合考虑，经反复论证，计划进行技术、环保、节能等方面的升级改造。

1 硫酸系统原设计工艺与生产状况

为适应“双闪”工艺进入硫酸系统的冶炼烟气量小且稳定、SO2浓度高、FSF和FCF可分开各自独立作业的生产特点，配套400 kt/a阴极铜冶炼的硫酸系统采用了1套净化、1套相同装置规模的干吸及转化的工艺配置。

“双闪”炼铜工艺的冶炼烟气在进入硫酸系统时φ(SO2)达20%～30%，而RF在预氧化和氧化期的烟气含有一定浓度的SO2，该烟气进入脱硫系统进行处理时成本相对较高，而进入硫酸系统时可回收其中的硫，因此，选择了RF在预氧化和氧化期的烟气进入制酸系统、还原期含硫较低的烟气进入环集脱硫系统的生产模式。3台炉的冶炼烟气经混合后进入制酸系统。原设计进入制酸系统净化工序的烟气条件见表1。

表1 进入制酸系统净化工序的烟气条件

硫酸系统的净化工序采用了美国孟莫克公司的动力波洗涤技术，转化工序采用了全新开发的“4+1非衡态”高浓度SO2两次转化工艺。设计时，为降低新开发的“非衡态”工艺的应用风险及最大限度地探索应用空间，最终选择进转化工序烟气φ(SO2)分别为13%和15%进行2套系统的催化剂初始装填，2台SO2风机按φ(SO2)13%时的气量为设计基准，转化器催化剂装填空间和换热器的换热能力按φ(SO2)为18%的操作气体浓度配套，以期最终能适应φ(SO2)为18%的生产能力，以此作为冶炼系统扩产的裕量。

硫酸系统自投产以来运行稳定，日常生产中，进转化工序烟气φ(SO2)按15%～16%进行操作。目前，已实现硫酸生产系统的电单耗年滚动值约65 kWh/t[以w(H2SO4)100%计]、综合能耗（标煤）年滚动值约5.8 kgce/t[以w(H2SO4)100%计]，硫酸生产成本少于100元/t，且转化工序设备的富余量仍较大。

2 挖潜升级改造的思考

近几年来，铜冶炼行业多家企业新建项目以及在原有产能基础上进行改扩建，铜冶炼行业的竞争愈演愈烈，加之铜冶炼加工费波动大、原材料与燃料价格上涨、国家对环保要求的大幅提升而出现的环保设施的大幅投入，行业利润空间进一步缩小。竞争激烈，既是挑战也是机遇，金冠铜业面临不进则退的情况，只有瞄准更高更新的目标不断努力，才能继续保持在铜冶炼行业的优势。

金冠铜业凭借在“双闪”冶炼工艺、“非衡态”高浓度转化工艺的生产中积累的丰富的操作、管理经验，综合分析设备现状，发现主要生产设备和辅助设施具有一定的增产潜力，尤其是冶炼系统FSF、FCF、RF三大炉的本体和硫酸系统的装置潜力较大。本着主体装置不作大幅改动、项目投入产出比最佳的原则确定挖潜规模，同时，兼顾采用先进的节能技术与设备，从而使工厂能源单耗进一步下降，降低生产运行成本。经反复论证，最终决定在现有400 kt/a阴极铜的基础上再挖潜80 kt/a矿产阳极铜，硫酸系统同步新建干吸工序的低温位热能回收装置（HRS系统）。

3 具体改造方案

3.1 净化工序

冶炼系统挖潜80 kt/a矿产阳极铜，即FSF投料量由原来的265 t/h增加至305 t/h、FCF投料量由原来的85 t/h增加至100 t/h。随着冶炼产能的提升，冶炼烟气量将进一步增加，但硫酸系统净化工序已经满负荷，因此，决定将2台阳极炉各周期的烟气全部进入环集脱硫系统，从而不增加进入净化工序的冶炼烟气量。最终进入净化工序的冶炼烟气量及成分见表2。

表2 进入净化工序的冶炼烟气量及成分

为配合干吸工序新增HRS系统，进行了稀酸板式换热器的核算与改造，将原设计的二级电除雾器出口烟气温度由42 ℃下降至37 ℃，从而优化HRS系统的产汽率。

生产中，原一级动力波洗涤器溢流堰有局部堰口结疤，导致逆喷管侧壁温度高、溢流堰进酸管易出现结垢堵塞，需不定期停车清理而影响生产。为解决上述问题，新增了净化工序的斜板沉降槽进行稀酸沉降，沉降后的上清液与气体冷却塔串酸来的较清洁的稀酸混合，混合后的稀酸再用泵送至事故高位槽、重力自流至溢流堰，以期通过大幅降低稀酸的固含量来解决溢流堰堵塞的问题。

3.2 新增HRS系统

挖潜项目改造后，设计进转化工序烟气φ(SO2)已达到17%，鉴于“双闪”冶炼烟气具有烟气量小且稳定的特点，已经完全具备回收硫酸系统中低位余热的条件，而且，近几年来，国产冶炼烟气制酸的低温位余热回收的技术已趋成熟，投资已有大幅下降且运行较稳定，具有很好的经济效益。因此，硫酸2套系统均新建HRS系统。

设计补充稀释风后，干燥塔进口的烟气条件见表3。

表3 补充稀释风后干燥塔进口的烟气条件

HRS系统产出1.0 MPa低压蒸汽的性能保证值为大于或等于0.46 t/t（以100%硫酸计），产出的低压蒸汽用于余热发电，配套新建1套低压饱和蒸汽凝汽机组。

配套进行了干吸酸冷却器的改造，将原有的干燥酸冷却器移用作二吸酸冷却器，同时新增干燥酸冷却器和成品酸冷却器。HRS系统投入运行后，原有硫酸循环水系统富余约7 000 m3/h处理能力，可以供应给新建的低压饱和蒸汽凝汽发电机组使用，从而节省了改造费用。

3.3 脱硫装置改造

硫酸系统现有2套钠碱法脱硫装置，均采用液体NaOH为脱硫剂，尾气脱硫的脱硫塔为动力波洗涤器，环集脱硫的脱硫塔为空塔。2套制酸系统在正常生产时转化率可达到99.96%、二吸塔出口烟气φ(SO2)维持在0.01% 左右，环集脱硫系统入口烟气φ(SO2)平均值约为0.05%，投产以来，2套脱硫系统运行成本较低且稳定。钠碱法脱硫工艺存在回用水系统钠盐富集问题，回用水反复循环使用后易出现管道结晶、现场白色污染，不符合当前的环保和5S管理要求。

新建HRS系统导致系统阻力增加1～2 kPa，为满足SO2风机压头的需要并回收制酸尾气中残余的硫，决定将尾气脱硫系统改为双氧水脱硫工艺，将动力波洗涤器的脱硫塔改为填料塔，脱硫生成的w(H2SO4)约 25% 的稀硫酸（1 547 kg/h）加入干吸工序作为工艺补充水，预计增加产出硫酸约3 100 t/a[以 w(H2SO4)100% 计 ]。

环集脱硫系统原设计是用于处理2台闪速炉各放铜口、放渣口收集的环集烟气，以及竖炉保温炉和两阳极炉还原期的烟气。此次挖潜改造将2台阳极炉各周期的烟气全部进入环集脱硫系统，使得环集烟气SO2浓度升高，为降低运行成本、缓解回用水钠盐富集问题，新建1套石灰石钙法脱硫装置，现有的钠碱法脱硫装置作为保安段与新增的钙法脱硫装置串联运行。

为满足烟囱超低排放的环保指标并远离红线，2套脱硫装置均配套建设了湿式电除雾器。

4 改造的效益测算

挖潜升级改造项目已进入现场建设阶段，计划于2022年3月份的停产检修期间对接入生产系统。据测算，改造后，阴极铜成本下降约94元/t，硫酸加工成本由当前约100元/t大幅下降至约80元/t，下降幅度达约20%。随着2套脱硫系统的改造和脱硫电除雾器的投入运行，回用水系统钠盐富裕的问题将大幅缓解、烟囱排放指标将远离超低排放的红线值。