倾动炉烟气双氧水脱硫工艺应用优化.pdf

铜业工程 COPPER ENGINEERINGTotal 181No.3 2023总第181期2023年第3期引文格式引文格式：徐革雄,刘科.倾动炉烟气双氧水脱硫工艺应用优化 J.铜业工程,2023(3):166-170.（1.中南大学冶金与环境学院，湖南 长沙 410083；2.江西铜业股份有限公司贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424倾动炉烟气双氧水脱硫工艺应用优化徐革雄1，刘科2）doi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.03.024中图分类号：TF806；TU834.6+34 文献标识码：B 文章编号：1009-3842（2023）03-0166-摘要：江西铜业股份有限公司贵溪冶炼厂倾动炉的冶炼烟气经降温和除尘后，采用双氧水脱硫工艺脱除SO2达标排放。实际运行中存在文丘里塔和脱硫塔液位不稳定、脱硫效率低、工业用水量大等现象。为缓解乃至消除上述现象，对原有工艺进行优化和技术改进，增加了气液分离塔和气体分配器，采用了脱硫塔循环泵变频控制模式，优化了双氧水添加方式，改进了循环管道实现脱硫塔循环液串并联控制。通过以上工艺优化和技术改进，提高了双氧水利用率，降低了工业用水量、用电量以及稀酸、废酸排放量。关键词：倾动炉；脱硫；双氧水；文丘里；气液分离塔；气体分配器；工艺优化051 引言江西铜业股份有限公司贵溪冶炼厂的倾动炉是国内第一座采用倾动式精炼杂铜工艺的火法冶炼炉，该冶炼炉自动化程度高、处理能力大，冶炼烟气经沉降室沉降大颗粒烟尘后进入余热锅炉对余热进行回收，再经由冷却器降温、布袋收尘器除尘、石灰法脱硫后达标排放。随着国家对烟气排放标准要求日益严格，倾动炉现有排烟收尘系统中石灰喷吹法脱硫设施的脱硫效率已达上限，尾排烟气SO2接近150 mg/Nm3。依据 再生铜、铝、铅、锌工业污染物排放标准（GB 315742015）对SO2排放限值小于150 mg/Nm3的规定，为确保尾排烟气达标排放，2018年，江西铜业股份有限公司批复同意倾动炉脱硫装置升级改造项目立项，在不改变原排烟系统流程的前提下，在原排烟系统流程的末端新增一套双氧水脱硫系统及相关配套设施。该项目2020年5月竣工并投入运行，运行期间存在脱硫塔和文丘里塔循环液液位不稳定、脱硫塔循环液中双氧水浓度不稳定等问题，使双氧水脱硫不能达到最佳效果。而国内一些铜冶金炉应用的双氧水脱硫工艺，与该厂现有工艺相比，烟气成份更简单，烟气量波动更稳定，脱硫塔循环液液位、循环液中双氧水浓度等均能稳定控制。因此，需要对倾动炉现有的双氧水脱硫工艺进行优化。2 倾动炉烟气双氧水脱硫工艺介绍双氧水脱硫工艺是将储罐内预存的浓度为27.5%的双氧水通过添加泵送入脱硫塔顶层、底层循环液，混合后双氧水浓度约为0.1%0.5%。为保证气液充分接触，底层、顶层塔内分别安放大量聚丙烯海尔环，烟气自脱硫塔底部向上经海尔环打散均布至塔内，混合液分别通过各层循环泵送入塔内相应喷嘴，自上而下对烟气进行逆向喷淋，达到脱除烟气中SO2的目的。脱硫后的烟气经脱硫塔顶部捕沫器，进入玻璃钢电除雾器进一步脱除酸雾，达标后经顶部排气筒排放（见图1）1。烟气中SO2脱除机理2-5：首先是气液传质和水合过程，烟气中SO2分子与水接触时，生成亚硫酸见式（1），其次亚硫酸被双氧水氧化吸收生成硫酸和水 见式（2），硫酸还可以与双氧水反应生成具有强氧化性的过二硫酸 见式（3）。SO2+H2OH2SO3式（1）H2O2+H2SO3H2SO4+H2O式（2）H2SO4+H2O2H2S2O8式（3）收稿日期：2022-10-31；修订日期：2023-05-06基金项目：贵冶倾动炉脱硫装置升级改造项目（江铜股份司生计字 2018 339号）资助作者简介：徐革雄（1977），男，湖北浠水人，本科，高级工程师，研究方向：铜冶炼及烟气治理，E-mail：166徐革雄等 倾动炉烟气双氧水脱硫工艺应用优化2023年第3期3 双氧水脱硫工艺实际运行中存在的问题3.1脱硫循环液不稳定文丘里洗涤器对布袋除尘器除尘后的 120 左右的烟气进行洗涤除尘6，并降温至48 左右，同时烟气中少量SO3与循环液反应生成稀酸。烟气降温过程中，会夹带大量水蒸气进入脱硫塔底层，造成脱硫塔底层循环液液位快速上升，并带来诸多不利因素。（1）文丘里循环液高温蒸发、烟气夹带导致文丘里循环液流失至底层脱硫塔，需大量补充新水7，增加了生产成本，2020年脱硫工艺每月新水用量约2039 t。（2）脱硫塔底层循环液中双氧水浓度持续降低，需大量补充双氧水维持浓度以保证脱硫效率，增加了双氧水使用成本。（3）脱硫塔底层循环液液位不受控制，需将富余液及时输送至工厂制酸工序处理，增加了处理负荷。2020年脱硫工艺每月输送出需处理的稀酸量约677 t。3.2气液接触面积不均文丘里出口烟气经脱硫塔底部烟管（见图 2，标高4500 mm，1200 mm）进入直径为5200 mm的脱硫塔。烟气进入脱硫塔后气速会急速下降，存在流场分布不均现象，导致塔内部分区域喷淋液不能有效与烟气混合，降低脱硫效率。3.3双氧水浓度不稳定添加双氧水时，依据排气筒出口SO2浓度的检测值自动计算双氧水添加量，底层脱硫塔内设置检测仪检测循环液中双氧水浓度。实际运行中发现，检测探头容易腐蚀，故障率极高，无法满足日常生产需求。为了保证达标排放，双氧水添加过程中经常性存在过量的情况导致循环液的双氧水浓度大于0.5%；偶发性出现添加不足的情况导致循环液的双氧水液浓度小于0.1%8-9。3.4双氧水添加速度慢脱硫塔双氧水添加口设置在循环泵出口管道处，导致双氧水添加泵与循环泵存在压力抵消的问题10，双氧水无法及时快速地补入脱硫塔内提升双氧水浓度，导致脱硫效率降低。3.5烟气中氮氧化物消耗双氧水冶炼过程中，炉膛内生成的氮氧化物与冶炼烟气进入脱硫塔后，与双氧水发生化学反应 见式（4），会消耗循环液中的双氧水，降低脱硫效率，也会影响稀酸品质。H2O2+NOxH2O+HyNOx式（4）4 倾动炉烟气脱硫工艺改进4.1增设气液分离塔根据文丘里塔出口烟气特性，利用气液比重不同，在文丘里塔烟道出口处增设气液分离塔将烟气流速降低。烟气转向过程中，气相中细微液滴下沉，达到气液分离的目的，见图3。烟气由底部进入气液分离塔降速后，大部分液滴沉降至塔底，再经气液分离塔上部的丝网捕沫器去除35 m的雾滴11沉降至塔底，塔底设排液管连接至文丘里塔，见图4。实践证明，气液分离塔气液分离效率95%，有效解决了文丘里循环液损失和脱硫塔底层循环液增加等问题。改进后每月新水用量降至664 t左图1双氧水脱硫工艺流程Fig.1Hydrogen peroxide desulfurization process图2脱硫塔烟气入口Fig.2Flue gas inlet of desulfurization tower167总第181期铜业工程Total 181右，较改进前降低67.44%。4.2增设气体分配器设计并安装与脱硫塔烟气入口同等直径的玻璃钢材质气体分配器，两侧均布9组150 mm650 mm出气口，顶部均布20个50 mm出气口，底部均布6个100 mm出气口，见图5。通过塔内预设支架的支撑，将气体分配器与烟气入口水平摆放，确保烟气能顺利运行至末端。气体分配器两端与塔体之间预留400 mm间距，并通过气体分配器使烟气均匀分配在塔底区域。为保证气体分配器稳定性不受外力影响，将其两端分别用玻璃钢固定支架与脱硫塔本体连接。气体分配器的应用使得进入底层塔烟气均匀分布至塔内90%空间，增加了双氧水与SO2接触概率，提高了脱硫塔反应效率12。4.3优化提升双氧水添加响应速度新增补给管道，由原来循环泵的出口管路补给变更为罐体内部补给，解决循环泵出口压力抵消问题，见图6。双氧水补给实现添加泵输出压力与循环泵抽吸力行程叠加，双氧水补给时间由 5 min/批次减少到1 min/批次。4.4循环液循环模式优化4.4.1顶层与底层串并联控制改造脱硫循环管路，在脱硫塔底层至顶层液储罐之间增设连通管，使底层脱硫塔液与顶层脱硫塔液实现互通。新增设的连通管道由顶层回流管连通至底层给水管，使顶层循环液完成喷淋后经新增管道回流至底层塔喷淋。通过上述新增管道，可达到降低循环泵开启台数及提高循环液中双氧水利用率的目的。本次改造后，可实现两种脱硫模式，分别为单泵循环脱硫和双泵循环脱硫，见图7。单泵循环脱硫模式：确认各阀门全闭，开启2，3号阀门，启动顶层循环泵，开启4，7号阀门，循环液经顶层脱硫回流至底层塔脱硫后回流至底层罐。双泵循环脱硫模式：确认各阀门全闭，开启底层循环泵，开启5，6号阀门实现底层循环脱硫；开启顶层循环泵，开启1，4，7号阀门实现顶层循环脱硫；开启3号阀门实现顶层、底层液混合。4.4.2循环泵控制改为变频控制实际运行过程中，单泵循环模式在正常情况图3气液分离塔布置Fig.3Layout of gas-liquid separation tower（m）图4气液分离塔Fig.4Gas-liquid separation tower图5气体分配器Fig.5Gas distributor图6双氧水添加流程Fig.6Hydrogen peroxide adding process下基本能够满足脱硫效率需求，由此还降低了电耗。依据倾动炉各作业周期烟气特性，将顶层循环泵改为变频控制：加料熔化和氧化脱杂期电机转速控制区间为80%100%，还原期电机转速控制区间为 65%75%，浇铸期电机转速控制区间为45%75%。单泵循环模式的变频控制进一步降低了脱硫系统电耗。4.5优化循环液内双氧水浓度控制模式通过监测脱硫塔入口烟气含硫量，分析出倾动炉在加料中期烟气含硫量逐步增加，氧化造渣中期达到峰值后逐步降低，浇铸期降至150 mg/Nm3以下。通过生产实践已经摸索出各周期循环液内双氧水添加量及最佳浓度。依据上述分析，首先建立脱硫塔循环液中双氧水浓度化验机制，采用高锰酸钾滴定化学法检测，该方法检测结果准确度高，标准偏差小13；其次优化双氧水添加方式，加料期按原料及燃料含硫量通过数学计算模型测算所需双氧水量，加料中期加入第一批双氧水，然后取循环液化验双氧水浓度，加料结束后依据化验结果加入第二批双氧水，补充循环液中不断消耗的双氧水以维持其合适的浓度14，从而实现对脱硫塔循环液中双氧水浓度的精准控制，使双氧水脱硫效率达到最佳状态。5 应用效果通过上述技术改造、工艺调整和操作优化，倾动炉双氧水脱硫工艺可以依据烟气含硫情况精准控制脱硫塔循环液双氧水浓度。循环液循环模式、循环泵变频控制模式，使得系统运行更稳定高效，双氧水消耗、系统电耗、工业用水量大幅下降；同时，副产物废酸、稀酸的降低，缓解了危废处理压力。改造效果对比见表1。（1）双氧水吨铜单耗由改进前的13.15 kg逐年降低至改进后的6.96 kg，吨铜单耗降低47.07%。（2）改进后循环液中双氧水浓度降低至0.2%，双氧水利用率由改进前的61.37%提升至78.11%，提升了16.74%。（3）顶层泵变频改进和单泵循环操作优化后，脱硫电耗下降明显15，按脱硫塔底层循环泵 75 kWh、顶层循环泵90 kWh能耗计算，脱硫塔电耗降低60%。（4）脱硫塔前端新增的气液分离塔有效收集了烟气夹杂的液滴，脱硫塔和文丘里塔循环液液位趋于稳定，工业水消耗降低67.44%。（5）脱硫塔循环液液位稳定可控，稀酸浓度由改进前的小于10%提升至改进后的19%21%，产量下降64.39%。（6）为降低脱硫工艺废酸的产生量，通过技改以及规范操作，加强对文丘里塔循环液管理以及处理流程优化，废酸外送量已降低84.24%。6 结论气液分离塔有效解决了文丘里塔和脱硫塔循环液液位不稳定的问题，也稳定了脱硫塔循环液双氧水浓度，为提高脱硫效率创造了有利条件。气体分配器和双氧水添加方式优化，使脱硫塔内烟气均衡分布，提升了双氧水与SO2反应速率。循环液循环模式优化，将脱硫塔底层及顶层循环液中双氧水浓度均衡稳定地控制在0.2%左右，还降图7顶层、底层液串并联流程Fig.7Series and parallel flow of top and bottom liquid表1改进前后效果对比Table 1Effect comparison on before and after improvement168徐革雄等 倾动炉烟气双氧水脱硫工艺应用优化2023年第3期下基本能够满足脱硫效率需求，由此还降低了电耗。依据倾动炉各作业周期烟气特性，将顶层循环泵改为变频控制：加料熔化和氧化脱杂期电机转速控制区间为80%100%，还原期电机转速控制区间为 65%75%，浇铸期电机转速控制区间为45%75%。单泵循环模式的变频控制进一步降低了脱硫系统电耗。4.5优化循环液内双氧水浓度控制模式通过监测脱硫塔入口烟气含硫量，分析出倾动炉在加料中期烟气含硫量逐步增加，氧化造渣中期达到峰值后逐步降低，浇铸期降至150 mg/Nm3以下。通过生产实践已经摸索出各周期循环液内双氧水添加量及最佳浓度。依据上述分析，首先建立脱硫塔循环液中双氧水浓度化验机制，采用高锰酸钾滴定化学法检测，该方法检测结果准确度高，标准偏差小13；其次优化双氧水添加方式，加料期按原料及燃料含硫量通过数学计算模型测算所需双氧水量，加料中期加入第一批双氧水，然后取循环液化验双氧水浓度，加料结束后依据化验结果加入第二批双氧水，补充循环液中不断消耗的双氧水以维持其合适的浓度14，从而实现对脱硫塔循环液中双氧水浓度的精准控制，使双氧水脱硫效率达到最佳状态。5 应用效果通过上述技术改造、工艺调整和操作优化，倾动炉双氧水脱硫工艺可以依据烟气含硫情况精准控制脱硫塔循环液双氧水浓度。循环液循环模式、循环泵变频控制模式，使得系统运行更稳定高效，双氧水消耗、系统电耗、工业用水量大幅下降；同时，副产物废酸、稀酸的降低，缓解了危废处理压力。改造效果对比见表1。（1）双氧水吨铜单耗由改进前的13.15 kg逐年降低至改进后的6.96 kg，吨铜单耗降低47.07%。（2）改进后循环液中双氧水浓度降低至0.2%，双氧水利用率由改进前的61.37%提升至78.11%，提升了16.74%。（3）顶层泵变频改进和单泵循环操作优化后，脱硫电耗下降明显15，按脱硫塔底层循环泵 75 kWh、顶层循环泵90 kWh能耗计算，脱硫塔电耗降低60%。（4）脱硫塔前端新增的气液分离塔有效收集了烟气夹杂的液滴，脱硫塔和文丘里塔循环液液位趋于稳定，工业水消耗降低67.44%。（5）脱硫塔循环液液位稳定可控，稀酸浓度由改进前的小于10%提升至改进后的19%21%，产量下降64.39%。（6）为降低脱硫工艺废酸的产生量，通过技改以及规范操作，加强对文丘里塔循环液管理以及处理流程优化，废酸外送量已降低84.24%。6 结论气液分离塔有效解决了文丘里塔和脱硫塔循环液液位不稳定的问题，也稳定了脱硫塔循环液双氧水浓度，为提高脱硫效率创造了有利条件。气体分配器和双氧水添加方式优化，使脱硫塔内烟气均衡分布，提升了双氧水与SO2反应速率。循环液循环模式优化，将脱硫塔底层及顶层循环液中双氧水浓度均衡稳定地控制在0.2%左右，还降图7顶层、底层液串并联流程Fig.7Series and parallel flow of top and bottom liquid表1改进前后效果对比Table 1Effect comparison on before and after improvement参数双氧水吨铜单耗/kg脱硫塔循环液中双氧水浓度/%双氧水利用率/%脱硫塔月电耗/kWh工业水月用量/t稀酸月产量/t稀酸浓度/%废酸月排放量/t改进前13.150.561.371188002039632101701改进后6.960.278.11472506642251921268169总第181期铜业工程Total 181低了电耗、双氧水单耗。双氧水脱硫工艺经改进和优化后，脱硫效率得到显著提升，尾排烟气SO2浓度日均值小于5 mg/Nm3，实现了超低排放。在双氧水脱硫工艺应用优化提升过程中，倾动炉车间还研究分析了烟气中氮氧化物对双氧水利用率的影响。通过多次双氧水脱硝实验，论证了在现有工艺条件下双氧水对烟气中的氮氧化物具有一定的脱除能力，会消耗少量双氧水。目前，有色行业烟气治理技术尚无在烟气脱硫前有效脱除氮氧化物的成熟工艺，如果能解决或大幅降低冶金炉窑内氮氧化物生成问题，倾动炉脱硫工艺的双氧水利用率将再有10%15%的提升空间。参考文献：1 郭荣福，沈粹卿，曹伟伟.双氧水法尾气脱硫技改与运行实践 J.硫酸工业，2020（6）：25.2 杨杰勇.利用双氧水处理硫酸尾气技术探讨 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Smelter of Jiangxi Copper Co.,Ltd.is cooled and dusted,and the hydrogen peroxide desulfurization process is used to remove sulfur dioxide and meet the emission standard.The liquid level of Venturi tower and desulfurization tower is unstable,the desulfurization efficiency is low,and the industrial water consumption is large.In order to alleviate or even eliminate the above phenomena,the original process has been optimized and technologically improved by adding a gas-liquid separation tower and a gas distributor,adopting a frequency conversion control mode for the circulating pump of the desulfurization tower,optimizing the method of adding hydrogen peroxide,and improving the circulating pipeline to achieve serial and parallel control of the circulating liquid in the desulfurization tower.Through the above process optimization and technological improvement,the utilization rate of hydrogen peroxide has been improved,and the industrial water and electricity consumption,as well as the discharge of dilute and waste acids,have been reduced.Key words：MAERZ refining furnace；desulphurization；hydrogen peroxide solution；Venturi；gas-liquid separation tower；gas distributor；process optimizationdoi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.03.024170