铜冶炼厂脱硫系统设计

赛智涛

（云南铜业股份有限公司，云南 昆明 650000）

最近几年来我国的有色冶炼技术得到了飞跃式的发展，各种各样的新工艺开始注重对环境的保护，虽然在金属的冶炼过程当中采取了多种措施对硫化物进行脱离分解，进而防止烟雾的传播，但是很多流程当中仍然会不可避免地产生一些浓度较低的二氧化硫气体扩散到周围的环境当中，使得铜冶炼厂的厂房中存在很多有毒气体，严重地影响了操作人员的生命健康，而且也会影响到周遭的环境和空气质量。因此，为了能够进一步满足环保建设的要求，也为工人的安全提供更有效的保障，铜冶炼厂的环境和脱硫技术以及脱硫系统的设计也越发地受到人们的关注。

1 铜冶炼厂脱硫系统设计分析

在我国，大多铜冶炼厂当中采用的还是较为传统的冶炼技术和脱硫技术，主要的操作方法就是在冶炼的厂房内部，安插一定的通风系统，然后由通风系统将各个路口所飘散出来的二氧化硫气体进行收集、汇总，将这些有害气体集中排放到外界，但是由于这个系统本身对二氧化硫气体的吸收并不能达到100%，所以还是有部分二氧化硫气体会飘散在厂房内部被工人所接触到和吸收到，这对他们的身体健康造成严重的损害，甚至有一些冶炼厂中会出现员工大范围爆发癌症的现象，这些就是有毒气体没有被及时的收集、汇总所引起的。除此之外，在对二氧化硫等有毒气体进行户外排放的时候，还会对周边的空气和环境造成一定的污染，影响周边的空气质量，给周边人群的生活带来严重的影响。而且随着近几年来对环保要求的不断提高，这种对外排放含硫气体的方式，也逐渐被禁止，现在很多冶炼厂中所采用的脱硫方法还比较传统，通常会以石灰石-石膏法、氨法、活性焦法和有机溶剂法来进行脱硫。

2 脱硫工艺的选择原则

由于铜冶炼厂在冶炼的过程当中会因为温度的不同和所含杂质的不同，而产生各种各样的含硫化合物，所以根据实际的操作情况，也需要对相关的工艺进行选择，如果在不知道冶炼过程当中产生了哪种污染物的情况下，就应该先去调查同类企业现在所使用的环保处理方案，以及所达到的经济技术运行指标，才能够真正提出多项对环境友好，对所产生的污染物有效的多项环保措施和预备选择方案，这样才能够通过对比，选择最为完善的脱硫系统。

而在铜冶炼的不同流程当中所产生的含有硫元素的有害化合物也各不相同，因此需要根据冶炼厂的实际情况，对所产生的有害含硫化合物进行分析，才能选择最为合适的脱硫工艺。

3 常见脱硫工艺概述

3.1 石灰石-石膏法

目前在全世界范围内运用较为广泛，较为常见，较为方便成熟的技术就是石灰石-石膏法，也就是我们常说的湿法脱硫技术。目前在我国很多的火力发电厂当中，都会利用湿法脱硫技术来降低空气中以及冶炼厂当中含有的硫化物质，而在一些有色金属的冶炼过程中，湿法脱硫技术也得到了非常广泛的应用，首先就是由于这个工艺被大多数人所认可，而且比较方便，操作熟悉，所需要使用的原材料可靠，价格相对来说也比较低，所投入的成本也就不多，所以在过去的几十年里，很多铜冶炼厂当中的脱硫系统设计，总会利用到湿法脱硫技术，但是随着现代化冶炼技术的发展以及对各种金属的需求量的不断增加，这种传统的技术也受到了一定的限制，一方面由于很多有色金属例如铜、铁等在冶炼的过程中所产生的烟气含有很多的杂质和有害气体，而在脱硫的过程当中并没有在前端安插烟气净化系统，使得很多炉口渣口处所产生的烟气和灰尘会直接进入到空气当中，或者是在后续的脱硫系统当中，影响脱硫工艺，导致最终所产生的石膏不符合规定的标准，这些石膏产品也就难以得到有效的利用。石灰石-石膏法脱硫工艺流程如图1所示。

图1 石灰石-石膏法脱硫工艺流程图

该工艺主要化学反应：

采用石灰石时：总反应SO2+CaCO3+2H2O→CaSO3+2H2O+CO2

采用石灰时：总反应SO2+CaO+2H2O→CaSO3+2H2O

氧化反应：CaSO3+2H2O+1/2O2→CaSO4+2H2O

3.2 氨法

氨法脱硫技术是一项符合现代化经济循环要求和环境友好的脱硫技术，而且氨法脱硫技术所产生的副产品是硫酸氨，这些副产品可以用作化肥，对外出售还带来了另外一层经济收益，氨法脱硫技术相对而言较为成熟，而且能够满足多种工业化应用的需求，它的主要原理就是利用氨气作为吸收烟气当中二氧化硫的主体然后在此过程中生成亚硫酸氨，这种方式相对于石灰石-石膏法更加具有现代工艺的气息，而且能够实现对原材料和副产品的高效利用，更加符合经济化的要求。

3.3 钠碱法

钠碱法脱硫工艺所采用的原理就是利用氢氧化钠和碳酸钠作为脱硫系统当中的吸收剂，对氨气进行充分的吸收，最终生成无水亚硫酸钠，这种脱硫方法应用较广，而且能够达到有效的脱硫效果。而且利用钠碱法脱硫工艺所产生的产物多为固态，物体运输起来比较方便，亚硫酸钠也被广泛的应用于造纸行业，需求量比较大，可以给企业带来更为广泛的经济效益。

4 系统设计

在确定采用氨法脱硫技术作为本项目工艺方案后，开展系统设计工作。本项目系统设计的难点主要在三方面：

首先，本项目采用氨水作为脱硫剂，氨水的用量是否能满足系统稳定运行的需求是关键。同时，氨水属于危险化学品，对它的运输、管理及使用都必须符合国家相关管理规范。

其次，本工程主要特点为内容点多、面广，大型物件吊装及高空作业多，物流通道及作业空间狭窄，冬季严寒施工，安全及消防压力大，同时还要协调项目施工检修衔接。上述特点决定了本项目需加强管理，采取超常规措施确保顺利实施。

最后，根据拟选型设备所处在系统的位置不同，所承载烟气状态、温度、性质不同，需要重点考虑防腐设计。

4.1 工艺流程设计

环保脱硫烟气经过管道及增压风机进入洗涤塔洗涤降温后，进入初级脱硫塔与氨水反应，初步吸收，再进入到脱硫塔进行SO2的吸收，母液反向从脱硫进入洗涤槽，再进入初级脱硫塔，吸收液氧化后输送至固体硫酸铵工序生产，洗涤净化塔液体通过烟尘过滤、后循环至含酸量达到一定量后，用泵输送至制酸区净化工序处理，根据系统流程，本项目具体可将工艺分为脱硫工序、硫铵工序。脱硫工艺流程图如图2所示。

图2 脱硫工艺流程图

4.1.1 脱硫工序

从转炉、电炉出来的环保烟气经增压风机引入脱硫塔下段洗涤（浓缩段），与从氨水罐输送来的硫酸铵饱和溶液接触，降温后的烟气进入吸收段（脱硫段），烟气中的SO2与喷淋下的吸收液充分接触反应后被吸收，然后烟气经过除雾器，净化后的烟气优于排放标准，由塔顶烟囱排放。吸收液在塔内被压缩氧化为硫铵溶液送去过滤。该工序又可分为洗涤降温、SO2的吸收、吸收液的氧化和事故保护装置等四个工艺过程。

洗涤降温。混合烟气经增压风机首先送入脱硫装置吸收氧化塔中部与从上部喷淋下的三级吸收液接触，混合烟气在此过程中进行绝热蒸发、降温、洗涤，硫酸铵溶液中部分水分蒸发汽化，并使硫铵溶液浓度得到浓缩，当硫铵溶液浓度达到要求的密度时，过滤后由泵送至硫铵工序硫铵溶液贮槽。同时混合烟气中大部分烟尘被硫酸铵溶液洗涤除去。

SO2的吸收。在上部吸收段，混合烟气自下而上穿过三级喷淋的吸收液，并与吸收液进行传质反应，SO2被吸收脱出，净化的混合烟气经塔体上部除沫器除雾后，温度降至41℃由塔顶湿烟囱达标排放。三级吸收液经吸收后一起流入吸收氧化塔下部，根据SO2吸收的基本原理，（NH4）2SO3和NH3对SO2均具有较强的化学吸收作用，因NH3在溶液中的平衡分压大，而（NH4）2SO3在溶液中的平衡分压小，在吸收过程中，主要以（NH4）2SO3来吸收SO2，大大降低NH3的逸出，使氨逃逸质量浓度≤10 mg/m3。为保证高的吸收效率和减少NH3逸出，本项目在工艺技术和设备上，主要利用（NH4）2SO3的吸收功能，NH3只作为（NH4）2SO3吸收剂的再生原料来补充。随着吸收过程的进行，吸收液成分不断发生改变，使吸收能力降低，为保持吸收效率，需不断补充新的脱硫剂——氨水，使吸收剂得到再生。

吸收液的氧化。吸收氧化塔下部的吸收液，通过塔内设置的曝气装置，从塔底通入氧化压缩空气，在过量空气的作用下，吸收液中的亚硫酸铵在氧化塔内被氧化为硫酸铵，氧化率可达98.5%以上。

事故保护。为保证脱硫吸收系统在故障停运或停电时不影响厂区主体装置的正常运行，避免高温烟气对脱硫吸收系统造成损害，同时避免高温烟尘进入脱硫吸收系统而影响硫铵产品达到一级品的质量要求，本项目在进脱硫装置前的烟道上和去厂区主烟囱的烟道上设置阀门以及在进吸收氧化塔进口设置事故喷淋水装置。当脱硫系统运行时，去厂区主烟囱进口烟道上的电动蝶阀门关闭，进脱硫装置前的烟道上的钟罩阀门打开，混合烟气经增压风机进入脱硫塔。由于洗涤吸收塔为碳钢衬玻璃鳞片，热膨胀系数不同，为防止局部温度过高，在洗涤氧化塔进口处设置降温装置和事故喷淋。当突然停电或吸收泵发生故障导致温度过高时，事故喷嘴会自动喷淋工艺水降温并报警。

4.1.2 硫铵工序

经过脱硫工序，获得硫酸铵浓缩液。在此工序中，借助三个具体工艺（蒸发结晶、分离干燥、包装），得到硫酸铵产品。

硫铵蒸发结晶。改造后硫铵蒸发结晶为4台，硫铵生产采用四班二运转，每班生产12 h，硫酸铵为间隙生产，每次蒸发时间16 h，边蒸发边补料，其余时间为物料周转时间。借助硫铵溶液输送泵，硫铵溶液被输送至硫铵蒸发结晶器。加热后者蒸汽盘管，使溶液蒸发，之后，借助蒸发结晶器，在蒸发同时进行补料，受到蒸发作用影响，硫酸铵溶液发生浓缩，浓度慢慢加大，上升至饱和后，得到硫铵晶粒最终产物。若结晶含量符合规定工艺指标标准，会借助晶浆输送泵，被输送至硫铵高位槽（中间槽）。

硫铵晶粒的离心分离。基于密度原因，在高位槽中，晶粒（位于硫铵晶粒悬浮液中）发生自然下沉，都集中在底部，之后被放入离心机，实施固液分离，借助螺旋输送机，将分离得到湿硫铵结晶颗粒输送至沸腾炉干燥装置，其中颗粒含水量在5%之下。

硫铵晶粒的干燥。含水率≤5%湿硫铵结晶颗粒在沸腾炉中，由送风机送入热空气进行沸腾干燥，得到含水率≤0.3%的固体硫铵成品。从沸腾炉出来的成品直接落入硫铵储斗，再经定量包装机称量、包装后，送仓库储存、出售。

硫铵粉尘回收。硫铵干燥过程中夹带粉尘的干燥空气在引风机的作用下，经旋风除尘器除尘后排入大气。旋风除尘器捕集的粉尘落入硫铵储斗。

4.2 化学反应机理

本氨法脱硫技术是低浓度SO2烟气吸收氧化利用一体化技术。烟气在脱硫塔洗涤吸收段经洗涤降温后进入吸收段，烟气在吸收段完成脱硫过程。含硫烟气经脱硫后达标排放。烟气中的二氧化硫的吸收过程按下列反应式进行：

上述反应式表明，在吸收塔内烟气中的SO2被吸收，生成亚硫酸氢铵或亚硫酸铵；为有利于吸收反应持续进行，需在吸收液中注入氨气使吸收液再生。其再生反应如下：

当部分吸收液流经氧化段，鼓入氧化空气使亚硫酸铵氧化成硫酸铵：

生成的硫酸铵溶液在脱硫塔洗涤段洗涤烟气中烟尘的同时，绝热蒸发使高温烟气降温；硫酸铵溶液在此过程中也因水分蒸发而浓缩，达到一定工艺指标送入硫铵工段。

5 结束语

综上所述，在现代化的铜冶炼厂当中，必须要加强对于脱硫系统的设计和应用，才能够进一步在保证冶炼质量和冶炼效率的同时加强与环境之间的和谐发展。