贵冶30万吨熔炼脱硫系统节能减排实践.pdf

世界有色金属2023年8月上166贵冶30万吨熔炼脱硫系统节能减排实践龚思南，姚紫艳，桂云辉，罗薛椿（江西铜业集团贵溪冶炼厂，江西 贵溪 3 3 5 4 0 0）摘 要：贵溪冶炼厂熔炼车间有机胺脱硫系统于2 0 1 9 年5 月底建成并投入使用，正常运行时能耗较高，技术人员分析问题根源并采取相应措施，通过工艺优化、参数调整等方式，各项能耗指标均有不同幅度的下降，截至目前，该套脱硫系统运行成本相对未优化前降低2 0%左右，且脱硫效率也明显提升。关键词：脱硫；有机胺；阴离子脱盐；节能减排；蒸汽消耗量中图分类号：T F 8 2 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 5-0 1 6 6-3Energy saving and emission reduction practice of 300,000-ton smelting desulphurization system in GuiyeGONGSi-nan,YAOZi-yan,GUIYun-hui,LUOXue-chun(G u i x i S me l t e r,J i a n g x i C o p p e r G r o u p,G u i x i 3 3 5 4 0 0，C h i n a)Abstract:T h e o r g a n i c a mi n e d e s u l f u r i z a t i o n s y s t e m i n t h e me l t i n g w o r k s h o p o f G u i x i S me l t e r w a s c o mp l e t e d a n d p u t i n t o u s e a t t h e e n d o f Ma y 2 0 1 9.D u r i n g n o r ma l o p e r a t i o n,e n e r g y c o n s u mp t i o n w a s h i g h.T e c h n i c a l p e r s o n n e l a n a l y z e d t h e r o o t c a u s e o f t h e p r o b l e m a n d t o o k c o r r e s p o n d i n g me a s u r e s.T h e o p e r a t i n g c o s t o f t h e d e s u l f u r i z a t i o n s y s t e m i s r e d u c e d b y 2 0%a n d t h e d e s u l f u r i z a t i o n e f f i c i e n c y i s i mp r o v e d o b v i o u s l y.Keywords:d e s u l f u r i z a t i o n;Or g a n i c a m i n e;A n i o n i c d e s a l i n a t i o n;E n e r g y s a v i n g a n d e m i s s i o n r e d u c t i o n;S t e a m c o n s u m p t i o n收稿日期：2 0 2 3-0 5作者简介：龚思南，男，生于1 9 9 2 年，汉族，江西安远人，本科，工程师，研究方向：铜冶炼工艺的管理及优化。随着重工业的发展，大量二氧化硫废气的排放直接导致了空气质量下降，并造成酸雨灾害1。目前烟气脱硫工艺已被广泛应用于各大工厂以减少二氧化硫排放量2。烟气脱硫系统种类多，不同脱硫系统工艺成本、脱硫能力、适合对象均有不同3。有机胺脱硫以其吸收剂可再生循环使用、二次污染少等优点而逐步受到关注，但蒸汽成本相对较高。作为环保设备，运行成本往往大于运行效益，降低环保设备运行成本相当于变相提升企业效益，为了企业的效益扩大和环境条件改善，如何在保证环保指标稳定达标的前提下降低环保设备的运行成本显得愈发重要。1 工艺简介江西铜业集团贵溪冶炼厂（以下简称贵冶）30万吨铜冶炼工程早期配备有活性焦脱硫工艺4，尾排控制在300mg/Nm3左右。随着国家对环保要求的逐年提升，活性焦脱硫工艺将无法满足国家对工业尾气的排放要求。2019年5月底，江铜贵冶30万吨铜冶炼工程有机胺脱硫系统建成并投入使用，替代原有的活性焦脱硫工序，主要处理熔炼车间二系统闪速炉环集烟气、转炉环集烟气。设计烟气处理量为600000Nm3/h，SO2浓度为6007500mg/Nm3（平均1800mg/Nm3），减排的高浓度SO2送入下一道工序制酸。混合烟气设计参数如表1：表1混合烟气设计值序号指标设计数据实际情况1烟气量60万Nm3/h48-58万Nm3/h2SO2浓度1800mg/Nm3200-10000mg/Nm33尘含量500mg/Nm34温度705脱硫塔出口100mg/Nm3本工艺采用的有机胺脱硫液对SO2气体具有良好的吸收和解吸能力，有机胺在低温下吸收SO2成为富液，高温解析SO2成为贫液，从而达到脱除和回收烟气中SO2的目的，工艺流程如图1所示。2 系统节能减排措施相对于活性焦脱硫系统而言，有机胺脱硫系统脱硫效果大幅提升，系统运行前几小时，尾排为0，而后逐渐上升，稳定运行后的四个月内，外排烟气SO2浓度日均值约100mg/Nm3。有机胺脱硫系统运行时，需要消耗能源以维持系统运行，包括蒸汽、电、有机胺、浓碱、树脂等，产生的废弃物有废水、烟灰等，运行初期，各项能耗参考指标如表2所示。表2能耗指标类别净化水蒸汽电量碱液量有机胺石灰废水量树脂单位m3TKWhTTTm3L日均消耗量270223.2559631.960.160.67274.554.79按照贵冶成本参考价，折算成单日运行成本为93485.53元。为降低系统运行能耗，贵冶做了一系列优化措施。2.1 脱盐程序优化有机胺脱硫设置一阴离子脱盐系统，用于脱除系统运行时胺液中的热稳定性盐（主要为SO42-，少量Cl-、F-、NO32-等），保障有机胺液的吸收能力，从而增加脱硫效率，脱盐程序共六个步骤，分别为贫液脱盐、脱盐循环洗、脱盐纯水洗、稀碱洗、稀碱溶解、纯水洗（35次）。贫液脱盐用于脱除阴离子，二三步骤用于回收有机胺液，稀碱洗是为了恢复树脂活性，纯水洗是为了彻底洗净阴离子树脂，为下一循环做准备，脱盐系统初始程序如表3所示。表3初始脱盐步骤简介序号步骤来源去向1贫液脱盐贫液贫液槽2脱盐循环洗回收液前期去贫液槽，后期去回收槽3脱盐纯水洗纯水回收槽4稀碱洗稀碱废水池5稀碱溶解6纯水洗纯水废水池2023年8月上 世界有色金属 167前期通过更改阴离子交换器内部零部件材质、增大排液能力、调整脱盐时间等方式，稳定了系统运行，单次脱盐能力增强，废水排放量降低，已经进行了初步的节能减排工作5。有机胺脱硫系统运行初期，有机胺液消耗量大，浓度下降速度快，有机胺成本高，贵冶对运行情况进行深入分析，发现回收液中有机胺浓度相对较高且呈现不断上升趋势，分析原因确认是脱盐系统脱盐循环洗步骤中在冲洗液带走了大量有机胺进入回收槽，从而导致回收液浓度较高。而后对脱盐程序进行修改，优化后，彻底消除了有机胺液通过阴离子交换器进入回收槽的可能性。2019年7月至2020年11月，有机胺脱硫系统富液阳离子浓度月均值、回收液阳离子浓度月均值、有机胺月添加量如表4。由表可知，2019年7月开始，回收液浓度逐步上升，回收液月均浓度最高值为12.1g/L，3月份脱盐程序更改后，回收液浓度约2.5g/L,4月份为1.5g/L，程序更改后回收液浓度约为更改前的15%左右，即以烟气夹带方式损耗的有机胺量降为优化前的15%，单月有机胺添加量由月均4.8t左右降至2t左右，有机胺补充量虽然降低，但有机胺浓度却稳步提升。2.2 废水系统优化贵冶废水收集后，由一系统硫酸车间对全厂废水进行综合处理。有机胺脱硫工序运行过程中产生废水量较大，其中最主要的废水来源为洗涤水取样废水和脱盐废水。（1）脱盐废水主要包括碱洗废水和三次纯水洗废水，每次脱盐产生废水较多，其中稀碱洗废水占比16%，纯水洗每次产生废水占比28%，脱盐每天运行45次。对碱洗废水和纯水洗废水进行化验分析，成份如表5所示。表5脱盐废水成份样品名称SO42-SO32-Na+PH碱洗废水38.095.2423.2611.75纯水洗废水1.290.021.1311.42纯水洗废水0.130.000.029.92纯水洗废水0.080.000.018.89由表可知，树脂在经过稀碱洗和纯水洗后，纯水洗杂质已降至极低水平，可考虑将此废水再次利用。技术人员优化设计，将纯水洗废水作为净化组合塔补水用，单次脱盐废水外排量降低60%6。另外，由于脱盐系统废水排液管和胺液排液管过滤器缩口较小，排液管道为DN80，而缩口为DN40，导致排液能力受限，贫液处理能力仅10t/h，通过更换更大能力过滤器，脱盐系统贫液处理能力提高至35t/h，脱盐能力得到加强。（2）废水的另一个来源为洗涤水取样水，正常生产时洗涤水取样水为常开状态，但取样频次不高，取样点旁设置取样手动阀，取样时打开，其余时间关闭，取样废水产出量降至几乎为零。图1离子液脱硫系统工艺流程表4富液浓度、回收液浓度、有机胺添加量对比年20192020月7891011121234567891011富液g/L1201161101061068988101108115120126133139148151152回收液g/L2.37.47.59.010.79.67.712.12.51.51.01.01.72.72.82.41.2添加量t4.84.84.84.86.43.23.25.61.61.61.61.62.42.42.422世界有色金属2023年8月上168通过以上措施，脱硫系统每日废水产出量由250吨以上降低至80吨以下。2.3 减少转炉高浓烟气进入有机胺脱硫系统有机胺脱硫系统采用循环吸收法脱除烟气中SO2，一旦入口烟气浓度过高，系统胺液吸收趋于饱和，吸收能力下降，最终导致尾排上升，通过对混合烟气进行分析，最终确认转炉环集烟气浓度高、烟气量大是导致入口浓度过高的原因。（1）转炉吹炼烟气浓度高。转炉吹炼时，吹炼烟气走转炉排烟风机，转炉排烟系统负压有限，部分吹炼烟气无法进入转炉排烟系统，转炉上方设置有环集吸风口，逃逸的吹炼烟气通过环集吸风口最终进入有机胺脱硫系统。如若转炉排烟风机抽力不足，将导致大量吹炼烟气进入环集系统，最终导致脱硫入口混合烟气浓度过高，为保证转炉排烟系统负压，转炉工段通过严格控制负压系统以及吹炼节奏，确保所有吹炼烟气进入主烟气系统，避免吹炼烟气逃逸至环集系统，从而降低脱硫混合烟气入口浓度，确保尾排正常。（2）转炉进料烟气浓度高。转炉造铜期吹炼结束后，炉内保留有部分残留物，当冰铜进入转炉时将与残留物发生反应，生成大量SO2，以往的操作模式中，转炉进料时产生的高浓烟气全部进入环集脱硫系统（即有机胺脱硫），导致有机胺脱硫系统入口烟气浓度10000mg/Nm3，已超出系统处理能力，对尾排指标控制造成极大隐患。针对这一问题，工艺从两方面进行优化：一是优化转炉吹炼中间过程，从而减少转炉进第一包冰铜时产生的高浓烟气；二是转炉进第一包冰铜时，高浓度烟气通过转炉排烟风机进入硫酸车间，从而降低有机胺脱硫系统处理压力。通过以上方式，转炉环集烟气浓度得到有效控制，入口混合烟气浓度10000mg/Nm3情况大大减少，尾排超标隐患降低。2.4 降低富液再生难度工业生产中，有机胺吸收/再生时间短，贫/富液一直处于吸收/再生不完全的工况，贵冶有机胺脱硫系统中，吸收时间约20秒，再生时间约30秒，在如此短的吸收/再生时间内，合理调整各参数，从而使吸收/再生能力相匹配，达到最佳的脱硫效果。工艺参数优化前，系统富液SO32-浓度12g/L左右，贫液SO32-浓度约为8.5g/L，折算SO2解析量2.8g/L,解析率不高，贫富液中溶解的SO2差值不大，有机胺液在总硫容高的情况下脱硫效果不够理想。当有机胺阳离子浓度一定时，稳定的有机胺循环系统中，各阴离子的浓度可看做一个常数，技术人员通过调整脱盐效果，系统中贫液SO42-浓度上升，SO32-浓度下降，20天后，尾排小时均值明显好转，实际脱硫效果更佳，尾排日均值下降。查看化验数据，贫液中SO32-浓度已调整至3g/L，此时富液中SO32-浓度为8.5g/L，SO2实际解析量4.4g/L，有机胺液总硫容下降，但实际脱硫效果提升。随着尾排的下降，蒸汽消耗量也相应下降。调整后，单日脱盐频次降低至12次，树脂寿命上升，相应的浓碱、纯水消耗量降低，废水产出量下降，在成本降低的情况下，尾排浓度明显好转。2.5 贫液冷却系统优化有机胺脱硫设置一套循环水冷却系统，作为贫液、蒸汽冷凝液、酸气冷凝液的终端冷却设备，循环水冷却系统包括冷却塔泵体，循环泵及相应的循环管道，耗能设备包括一台冷却风扇、两台变频式循环泵、一台过滤器，运行时电耗约为110kwh/h，循环泵出口压力为60180kpa，因冷却能力不足，夏季冷却水进水温度通常维持在36以上，导致贫液温度无法降至理想状态，温度在45左右，贫液吸收效果差。贵冶硫酸车间冷却水循环泵为定频泵，冷却能力有富余，冷却水进水温度能稳定控制在30左右，压力在300kpa以上，将熔炼有机胺脱硫冷却水管道与硫酸循环冷却水管道对接，有机胺脱硫冷却水切换至硫酸车间循环水系统，脱硫系统冷却水进水压力上升至200kpa左右，进水温度维持在30以下，此工况下贫液温度可降至35左右，离子液吸收能力得到提升。如此优化后，硫酸车间冷却水循环系统富余冷却能力得到利用，熔炼车间有机胺脱硫系统电耗降低，净化水补充量为零，且冷却效果更佳。2.6 联锁关系贵冶有机胺脱硫贫富液循环流量与尾排浓度存在连锁关系，尾排浓度越高，则贫富液循环流量越大，而蒸汽使用量与富液流量也存在联锁关系，富液流量高，则蒸汽消耗量大。通过各方面的优化，脱硫系统尾排浓度下降，因为联锁关系的存在，贫富液循环量及蒸汽使用量相应下降，电耗及蒸汽消耗量下降明显。通过一系列系统优化后，贵冶有机胺脱硫能耗指标如表所示，单日运行成本降至70227.94元，优化后的详细成本如表6。表6优化后能耗指标类别净化水蒸汽电量碱液量有机胺石灰废水量树脂单位m3TKWhTTTm3L日均消耗量15172.8483560.660.0660.673028.363 结语（1）工艺优化的前提是保证重要指标的稳定控制，从贵冶长时间运行情况来看，有机胺脱硫工艺适合处理大流量、中低浓度烟气，对于高浓度烟气处理还存在一定的局限性。（2）通过一系列优化，贵冶有机胺脱硫系统年运行成本下降814万左右，外排烟气SO2浓度日均值约为45mg/Nm3，脱硫效率96%左右。（3）离子液的浓度目前还处于提升阶段，待浓度提升至合适值且稳定后，吸收能力将会提升，离子液单月添加量和蒸汽消耗量都将进一步下降，即运行成本也将下降。1解淑艳,王胜杰,于洋,刘丽,张凤英.20032018年全国酸雨状况变化趋势研究J.中国环境监测,2020,36(04):80-88.2张全斌,周琼芳.中国燃煤烟气脱硫技术回顾与展望J.科技创新与生产力,2020(05):27-32.3金平,王昊辰,李磊,李欣,韩天竹.烟气脱硫技术现状及展望J.当代化工,2019,48(01):119-121+126.4杨辉华.活性焦脱硫技术在江铜新30万t冶炼工程的应用J.江西冶金,2007(05):16-18.5徐东祥,龚思南.贵冶30万t熔炼脱硫系统工艺流程与运行实践J.湖南有色金属,2019,35(06):59-62.6李保华,龚思南.有机胺脱硫废水系统的优化改造J.湖南有色金属,2021,37(03):60-62+66.