冶炼烟气制酸技术及控制研究进展_李晓理.pdf

第 49 卷 第 4 期2023 年 4 月北京工业大学学报JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.49No.4Apr.2023冶炼烟气制酸技术及控制研究进展李晓理1,2,3,刘明华1,王摇 康1,2,刘志强4,李桂海5(1.北京工业大学信息学部,北京摇 100124;2.计算智能与智能系统北京市重点实验室,北京摇 100124;3.数字社区教育部工程研究中心,北京摇 100124;4.江西铜业贵溪冶炼厂计控车间,江西 贵溪摇 335499;5.北京瑞太智联技术有限公司,北京摇 100012)摘摇 要:有色金属冶炼产生的烟气对生态环境污染严重,冶炼烟气中二氧化硫浓度高、变化范围广,对其进行回收制酸是目前使用最为广泛的脱硫方法.因此,以冶炼烟气制酸为主要研究对象,对其工艺技术和控制过程进行分析.首先,简要回顾了国内外冶炼烟气制酸的发展历程;其次,对现有的烟气脱硫方法进行综述,重点分析了烟气制酸的工艺流程及其发展现状;最后,结合近年来烟气制酸系统建模、优化和控制研究现状,分析讨论优化控制算法应用过程中的发展前景与难点.关键词:烟气制酸;脱硫技术;有色金属冶炼;优化控制;控制算法;多模型自适应控制文献标志码:A文章编号:0254-0037(2023)04-0475-10中图分类号:TP13;TQ111doi:10.11936/bjutxb2022080005收稿日期:2022鄄08鄄09;修回日期:2022鄄09鄄01基金项目:国家自然科学基金资助项目(61873006);北京市自然科学基金资助项目(4212040,4204087)作者简介:李晓理(1971),男,教授,博士生导师,主要从事人工智能理论及应用、复杂系统建模、控制与优化和多模型自适应控制方面的研究,E鄄mail:lixiaolibjut 通信作者:刘明华(1995),博士研究生,主要从事复杂系统建模、控制与优化和多模型自适应控制方面的研究,E鄄mail:Research Progress on Technology and Control of Acid ProductionWith Smelting Flue GasLI Xiaoli1,2,3,LIU Minghua1,WANG Kang1,2,LIU Zhiqiang4,LI Guihai5(1.Faculty of Information Technology,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.Beijing Key Laboratory of Computational Intelligence and Intelligent System,Beijing 100124,China;3.Engineering Research Center of Digital Community,Ministry of Education,Beijing 100124,China;4.Guixi Smelter,Jiangxi Copper Co.,Ltd.,Guixi 335499,Jiangxi,China;5.Beijing RTlink Technology Co.,Ltd.,Beijing 100012,China)Abstract:The flue gas produced by non鄄ferrous metal smelting seriously pollutes the ecologicalenvironment.Sulfur dioxide in the smelting flue gas has a high concentration and a wide range ofvariation.The recovery of sulfur dioxide to produce acid is currently the most widely used desulfurizationmethod.Acid production with smelting flue gas was taken as the main research object,and its technologyand control process were analyzed.First,the development history of acid production with smelting fluegas at home and abroad was briefly reviewed.Second,the existing flue gas desulfurization methods werereviewed,and the process of acid production with flue gas and its development status were mainlyanalyzed.Finally,combined with the research status of modeling,optimization,and control of the systemof acid production with flue gas in recent years,the development prospects and difficulties in the process网络首发时间：2023-03-22 15:48:13网络首发地址：https:/ 京摇 工摇 业摇 大摇 学摇 学摇 报2023 年of optimal control algorithm application were analyzed and discussed.Key words:acid production with flue gas;desulfurization technology;non鄄ferrous metal smelting;optimal control;control algorithm;multi鄄model adaptive control摇 摇 铜、锌、铅、钴等有色金属是我国国民经济和国防工业发展的重要战略物资,同时也是制造飞机、火箭、导弹、计算机等众多装备的原材料1.因此,在我国的工业生产中,有色金属的生产已经占有举足轻重的地位.有色金属冶炼是反映一国综合实力和工业发展程度的重要指标2.德国工业 4郾 03的提出及中国制造 20254和碳达峰碳中和实施方案5的出台,对于有色金属冶炼企业的绿色、可持续发展提出了更高的要求.随着我国工业进程的不断加快,经济快速发展,各种行业对有色金属的需求量与日俱增.然而,在自然界中,有色金属矿物多以硫化物的形式存在,因此,在其冶炼过程中会产生大量的含有二氧化硫(SO2)的烟气6.含有 SO2的烟气直接排放到大气中,会造成空气污染、土壤酸化等一系列的环境问题.因此,如何有效地控制烟气中的 SO2,是一个迫切需要解决的问题.由于冶炼烟气中 SO2浓度高、变化范围广,目前已有一套比较成熟的烟气脱硫工艺 烟气制酸.冶炼烟气制酸工艺是通过对烟气中 SO2的回收,生产高浓度的硫酸.本文首先对国内外冶炼烟气制酸工艺的发展历程进行了综述,并结合不同应用场景,对目前的烟气治理技术进行了分析.在此基础上,对冶炼烟气制酸的工艺流程及控制过程进行了总结,最后讨论了冶炼烟气制酸系统控制过程的发展前景与困难.1摇 冶炼烟气制酸工业发展过程冶炼烟气制酸是有色金属冶炼工业衍生出的行业,旨在对有色金属冶炼过程中排放烟气中的 SO2和热量进行回收,生产硫酸7.人类制取硫酸的历史悠久,世界上制取硫酸最早可追溯到 15 世纪下半叶.随着科学技术的不断发展,硫酸的生产方法、工艺和设备不断改进.直至今天,硫酸的质量和产量都有了很大的提高,能够满足工业发展的需求.1郾 1摇 冶炼烟气制酸产量分析冶炼烟气制酸系统是有色金属冶炼的附属系统.随着有色金属冶炼行业的发展,冶炼烟气制酸行业也在不断成长,行业规模也越来越大.根据中国硫酸工业协会提供的 20172020 年硫酸行业运行情 况8鄄11和 2021 年 硫 酸 行 业 生 产 运 行 报告12,对我国过去 5 年的硫酸产量进行了统计,并对冶炼烟气制酸占比进行了分析,如表 1 所示.由表 1 可知,在过去的 5 年中我国的硫酸总产量一直呈持续增长趋势,同时冶炼烟气制酸占比也在持续增加.近年来,长三角地区各省份都在大力发展冶炼工业,冶炼产能不断提升,同时也带动了副产品硫酸产量的提高.随着我国硫酸生产总量的持续增加,我国工业发展迅速,冶炼系统的废气处理能力也在逐步提升,资源循环型经济得到长足发展.表 1摇 近 5 年硫酸产量Table 1摇 Sulfuric acid production yield in recentfive years项目年份20172018201920202021硫酸产量/万 t9 6139 6869 7369 858 10 900冶炼烟气制酸占比/%35郾 036郾 138郾 439郾 140郾 81郾 2摇 冶炼烟气制酸的发展历史硫酸作为最重要的工业原料之一,用途相当广泛,但是直到 15 世纪下半叶才首次制取得到.当时以黑色金属铁的化合物 绿矾石(FeSO4 7H2O)为原料,通过对其进行加热、分解、吸收来制取硫酸13.1746 年,英国建立了第一个运用亚硝基法制取硫酸的工厂,标志着产品酸的制取取得了突破性的进展.到了 1940 年,石油、化工、冶炼等行业的兴盛,对硫酸的产量和浓度提出了更高的要求,即需要发烟硫酸.由于传统的硫酸生产工艺已经无法满足工业发展的需求,接触法制取硫酸就此诞生,并在20 世纪初迅速发展.接触法生产硫酸主要是通过冶炼含硫的金属化合物得到 SO2,再经催化氧化得到三氧化硫(SO3),三氧化硫与水发生反应生成硫酸14.上述即为冶炼烟气制酸的基本原理.接触法制取硫酸过程中采用低成本、活性好的五氧化二钒作为催化剂,大大提高了生产效率.因此,接触法制取硫酸促进了硫酸工业的迅速发展,奠定了现代硫酸生产的主流趋势.国内最早的硫酸生产可追溯到 1874 年,天津机械局淋硝厂建立了最早的铅室法制取硫酸装置,674摇 第 4 期李晓理,等:冶炼烟气制酸技术及控制研究进展1876 年开始投产,用于制造无烟火药,为以后的接触法制取硫酸奠定了良好的工业基础.1934 年,河南巩县兵工厂分厂首次采用接触法生产硫酸.然而,由于当时的生产力水平不高,硫酸工业的基础较为薄弱,硫酸的产量较低.1949 年以后,硫酸行业得到了快速发展,硫酸的技术水平和产量都得到了极大的提升.国内的冶炼烟气制酸业,最早是葫芦岛锌厂引进的脱硫系统,于 1944 年建成,但直到 1953年才投产15.解放后,有色金属工业的迅猛发展,为冶炼烟气制酸奠定了坚实的物料基础,硫酸产量迅速提高.1978 年,我国的改革开放给冶炼烟气制酸产业注入了新的技术理念,推动了国内技术的进步,摆脱了被动的局面,使我国的冶炼烟气制酸产业达到一个新的高度16鄄17.江西铜业贵溪冶炼厂在日本、芬兰等引进了炼铜和烟气制酸的技术和装置,其建成投产成功地缩短了国内铜冶炼技术与国际铜业之间的差距.同时,江西铜业公司建成了年产 300 kt 的冶炼烟气制酸设备,使国内的硫酸工业整体技术水平得到了较大的提高,并一举跻身于国际先进行列.另外,20 世纪 90 年代初期,适用于低 SO2浓度冶炼烟气的非稳定态转化技术也被应用到了硫酸的生产中.之后,金隆铜业公司于 1995 年首次引进美国孟山都环境化学公司的动力波烟气净化洗涤技术和主要设备,取得了良好的经济效益.江西铜业公司、株洲冶炼集团也相继引进了这一技术,促进了我国有色金属冶炼企业的技术进步,进一步推动了我国烟气制酸工业的发展18.而后近十几年来,国内烟气制酸技术迅速发展,烟气制酸设备规模不断扩大,技术水平不断提