彭 瓊， 李 立, 陸 海

(大冶有色金屬有限責(zé)任公司, 湖北 黃石 435005)

銅陽極爐生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境的改善

彭 瓊， 李 立, 陸 海

(大冶有色金屬有限責(zé)任公司, 湖北 黃石 435005)

介紹了大冶有色金屬有限責(zé)任公司冶煉廠針對陽極爐系統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境改善所采取的措施，通過使用清潔還原劑解決黑煙污染問題；應(yīng)用稀氧燃燒技術(shù)降低陽極爐能耗與煙氣量；對陽極爐排煙管道、環(huán)集系統(tǒng)改造優(yōu)化；爐前操作室采用空氣凈化系統(tǒng)改善作業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)了陽極爐系統(tǒng)節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)。

銅陽極爐； 黑煙治理； 稀氧燃燒； 作業(yè)環(huán)境； 優(yōu)化

0 前言

陽極爐生產(chǎn)是銅火法精煉的重要環(huán)節(jié)，其工藝流程分為進(jìn)料、氧化、還原和澆鑄四個階段，傳統(tǒng)陽極爐生產(chǎn)過程中存在黑煙、粉塵等環(huán)境污染問題。為貫徹落實大冶有色金屬有限責(zé)任公司建設(shè)“環(huán)保有色”的戰(zhàn)略目標(biāo)，在“十二五”期間公司冶煉廠結(jié)合自身陽極爐生產(chǎn)工藝特點，實施了一系列工藝優(yōu)化、節(jié)能減排技改和生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境整治，實現(xiàn)了陽極爐系統(tǒng)節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)。

1 黑煙治理

目前，世界上大型銅冶煉廠回轉(zhuǎn)式陽極爐還原操作工藝，大都使用重(柴)油、液化石油氣、氨氣、固體煤顆?；蛱烊粴獾茸鳛檫€原劑[1]。2011年以前，大冶有色冶煉廠陽極爐采用的是重油還原工藝。

還原作業(yè)時，噴管隨爐體轉(zhuǎn)動插入銅水中的深度為300～400 mm，還原劑鼓入銅水后只有少部分與銅水接觸并與其中的[O]發(fā)生氧化還原反應(yīng)，大部分還原劑從銅水中逸出，利用率較低(一般為25%～35%)，同時造成黑煙污染[1]。因此，最大限度地提高還原劑的利用率、減輕黑煙污染是各大型銅冶煉廠共同關(guān)注的課題。

為了減輕陽極爐還原過程的黑煙污染，公司冶煉廠曾采取了以下措施：

(1)采用蒸汽霧化重油還原方式，提高還原劑的利用率，黑煙發(fā)生率減輕40%左右。

(2)添加助燃劑消除黑煙，消除還原黑煙60%左右。

盡管上述措施減輕了陽極爐的黑煙污染，但仍然達(dá)不到清潔生產(chǎn)的要求，開發(fā)新型、清潔還原劑是徹底解決黑煙污染的最佳途徑。

1.1 煤基還原替代重油還原

2011年，大冶有色冶煉廠引進(jìn)了兩套煤基還原LV自動補(bǔ)償噴吹系統(tǒng)，逐步采用煤基代替重油還原[2]。使用的煤基主要成分如表1所示。

表1 煤基主要成分 %

煤基以褐煤及無煙煤為主要原料，采用LV自動補(bǔ)償噴吹裝置，通過高壓氣體形成高速氣固兩相流將還原劑送入爐子的氧化還原口噴入爐內(nèi)進(jìn)行還原。

LV自動噴吹操作主要包括加料過程和噴吹過程。加料過程是將頂部中間倉內(nèi)煤基加入到流化噴吹罐內(nèi)，其主要流程見圖1。

圖1 煤基加料流程圖

噴吹過程是將噴吹罐內(nèi)煤基噴入爐內(nèi)還原，其主要流程見圖2。

圖2 煤基噴吹流程圖

一個噴吹罐對應(yīng)陽極爐的一個氧化還原口，煤基和高壓氣體經(jīng)過流化混合噴射器形成高速氣固兩相流直接輸送到爐子的氧化還原口，噴入爐內(nèi)進(jìn)行還原。

通過對煤基成分和氮氣輸送、淺氧化作業(yè)等進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)了煤基還原的持續(xù)生產(chǎn)，完全取代了重油還原，減少了低空黑煙污染；同時，陽極爐使用煤基還原單爐次還原操作時間≤90 min、還原單耗約9.5 kg/t·Cu，達(dá)到國內(nèi)行業(yè)領(lǐng)先水平。

1.2 天然氣還原工藝應(yīng)用與優(yōu)化

雖然采用煤基還原減少了低空黑煙污染問題，然而煤基灰分大，單獨采用煤基還原，殘留10%～15%的灰分漂浮在陽極爐內(nèi)熔體的表面，形成煤渣層不易排出，阻礙燒嘴燃燒熱量向銅水傳遞，導(dǎo)致燃燒能耗增大；煤基粒度為0.2～1 mm的在80%以上，其容易漂浮在廠房內(nèi)形成粉塵污染(如圖3所示)，對操作職工健康造成危害；煤基還原受天氣影響較大，梅雨季節(jié)易出現(xiàn)管道堵塞，影響生產(chǎn)。

針對國內(nèi)外日益嚴(yán)格的環(huán)保要求和陽極銅質(zhì)量的要求，越來越多的銅冶煉企業(yè)選用天然氣作為還原劑，相比其他還原方式，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)為：

(1)操作簡單，具有較高的安全性；

(2)利于銅水溫度控制；

(3)環(huán)保效果好，不會產(chǎn)生黑煙和粉塵污染；

(4)還原過程不易產(chǎn)生雜質(zhì)影響銅水質(zhì)量；

(5)資源儲量較為豐富，可長期使用。

圖3 使用煤基還原陽極爐進(jìn)料時廠房內(nèi)粉塵漂浮狀況

2013年開始，大冶有色冶煉廠開展了天然氣還原技術(shù)應(yīng)用試驗，成功實現(xiàn)了天然氣還原技術(shù)在陽極爐生產(chǎn)上的應(yīng)用。試驗期還原天然氣單耗平均約10 m3/t-Cu、還原時間平均162 min/爐，生產(chǎn)成本約26.5元/t-Cu，較煤基成本12.35元/t-Cu (單耗為9.5 kg/t-Cu)高出一倍。

隨后，開展了降低陽極爐還原天然氣單耗技術(shù)研究。設(shè)置天然氣增壓系統(tǒng)，將還原天然氣壓力由0.3 MPa左右提高至0.4～0. 5 MPa，解決了天然氣還原操作風(fēng)管易堵塞問題；增大還原操作期間氧化還原噴管插入銅液的深度，提高還原天然氣利用率和還原效率；開發(fā)“淺氧化帶硫絲”天然氣還原工藝，縮短還原作業(yè)時間，天然氣還原單耗由10 m3/t-Cu降至4～6 m3/t-Cu，較同行業(yè)6～8 m3/t-Cu水平低16.7%～37.5%。

通過對還原工藝進(jìn)行優(yōu)化，陽極爐黑煙問題得到有效解決，當(dāng)?shù)厥屑壄h(huán)境監(jiān)測站測量林格曼黑度為1級，達(dá)到《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB9078—1996)要求，具體如表2所示。

表2 陽極爐煙氣黑度測量方法及結(jié)果

2 燃燒工藝優(yōu)化

稀氧燃燒技術(shù)是純氧助燃燃燒的一種，其主要原理為：以純氧為助燃介質(zhì)，燃料和氧氣通過不同噴嘴高速射入爐膛，高速射流卷吸爐膛內(nèi)的煙氣，燃料和氧氣被迅速稀釋，在爐膛形成一種漫射的、火焰溫度分布一致的燃燒加熱體系。2013年，對2#、3#兩臺480 t陽極爐燃燒工藝進(jìn)出優(yōu)化改造，逐步采用稀氧燃燒替代傳統(tǒng)空氣助燃，陽極爐用于燃燒保溫的天然氣消耗由35 m3/t-Cu降至12 m3/t-Cu左右[3]。

2.1 負(fù)壓控制

應(yīng)用稀氧燃燒技術(shù)后，鼓入陽極爐爐膛的空氣、天然氣和氧氣量為原來的10%～20%，爐膛負(fù)壓控制較傳統(tǒng)燃燒有一定區(qū)別，各階段爐膛負(fù)壓控制如表3所示。

表3 陽極爐各操作階段爐膛負(fù)壓控制 Pa

2.2 環(huán)氧比例系數(shù)調(diào)節(jié)

稀氧燃燒是純氧助燃工藝的一種，助燃氧氣分兩部分，其中中心氧量占總氧量比例10%～20%，與天然氣由同一根燃燒槍套管噴入爐中；其余80%～90%為環(huán)氧，由單獨的噴槍噴入爐中。利用稀氧燃燒系統(tǒng)能夠靈活調(diào)整環(huán)氧比例系數(shù)(環(huán)氧流量與天然氣流量的比例)，改變爐內(nèi)氧化還原氛圍，在環(huán)氧比例系數(shù)許可的變化范圍內(nèi)(天然氣燃燒發(fā)熱滿足保溫需求)，及時調(diào)整環(huán)氧比例系數(shù)可以優(yōu)化陽極爐氧化還原操作、縮短作業(yè)時間。

原陽極爐環(huán)氧比例系數(shù)控制范圍為：氧化階段2.05～2.20，還原階段1.80～1.90，待料及澆鑄階段1.90～2.10。后結(jié)合天然氣還原情況，為提高還原期間的天然氣利用效率，消除黑煙污染，控制陽極爐還原期間燃燒天然氣流量≤150 m3/h，環(huán)氧比例系數(shù)調(diào)整為2.50～3.0，使未參與還原的天然氣在爐膛內(nèi)充分燃燒。

經(jīng)過稀氧燃燒技術(shù)改造后，陽極爐煙氣量由原來的6萬m3/h減少至2.5萬m3/h，外排煙氣量降低了60%左右。

3 排煙及環(huán)集煙氣系統(tǒng)改造

3.1 排煙管道改造

分別對3#陽極爐排煙管和陽極爐總排煙管道走向進(jìn)行改造，減少管道煙氣阻力，提高陽極爐還原操作過程的負(fù)壓，減少爐內(nèi)煙氣外逸。

同時加強(qiáng)操作管理，要求各爐臺之間的負(fù)壓及時調(diào)節(jié)，排煙機(jī)的負(fù)壓抽力以還原操作的爐臺為主，確保還原爐臺的負(fù)壓操作，減少還原操作煙氣外逸。

煙管改造完成后，同開3#、4#陽極爐時，3#陽極爐爐內(nèi)負(fù)壓由-120 Pa提高到-220 Pa，效果較顯著。

3.2 環(huán)集系統(tǒng)優(yōu)化改造

分兩步對陽極爐環(huán)境集煙系統(tǒng)進(jìn)行改造：

(1)優(yōu)化環(huán)集控制和操作。將2#、3#、4#三臺陽極爐的環(huán)境集煙罩閥門、旋轉(zhuǎn)活動煙罩修復(fù)，并將其閥門操作控制接至爐前操作區(qū)，要求轉(zhuǎn)爐爐臺在停爐至開風(fēng)前必須關(guān)閉其環(huán)保閥門，增大其他集煙罩的抽力。陽極爐爐臺在還原過程中必須開啟環(huán)保閥門和旋轉(zhuǎn)活動煙罩，將外逸的煙氣通過環(huán)保風(fēng)機(jī)抽至大煙囪進(jìn)行有組織排放。

(2)管道優(yōu)化。原陽極爐系統(tǒng)環(huán)集管道與轉(zhuǎn)爐環(huán)集系統(tǒng)共同使用一套環(huán)保風(fēng)機(jī)，由于環(huán)保風(fēng)機(jī)處于廠房西端，陽極爐處于廠房東端，管道線路長，末端抽力損失大。2014年2#、3#陽極爐應(yīng)用稀氧燃燒技術(shù)后，陽極爐排煙機(jī)系統(tǒng)能力富裕量較大，故將陽極爐環(huán)集煙氣管道并入排煙管道，加大環(huán)集煙罩抽力，實現(xiàn)爐口環(huán)集系統(tǒng)與排煙系統(tǒng)聯(lián)動控制，環(huán)集系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3 尾氣脫硫

2015年，尾氣脫硫系統(tǒng)正式建成投產(chǎn)，陽極爐煙氣、環(huán)集煙氣全部并入尾氣脫硫系統(tǒng)，采用鈉堿法進(jìn)行脫硫除塵后排空。

4 爐前操作室空氣凈化

陽極爐爐前操作室位于2#、3#陽極爐爐頭之間，操作室長約5 m、寬約4 m、高約2.8 m，在長度方向兩端分別有門方便操作人員出入，在生產(chǎn)過程中廠房內(nèi)少量含有SO2、NOx及Cu、Fe、As等有毒有害物質(zhì)的煙氣會進(jìn)入室內(nèi)，影響操作人員健康。

2013年，對2#、3#陽極爐爐前操作室進(jìn)行改造，增加空氣凈化系統(tǒng)[4]，受場地限制，空氣凈化系統(tǒng)采取內(nèi)循環(huán)方案，如圖4所示。

圖4 陽極爐爐前操作室空氣凈化系統(tǒng)示意圖

室內(nèi)污染空氣通過空氣凈化系統(tǒng)不斷凈化，空氣凈化系統(tǒng)機(jī)組送風(fēng)量100～5 000 m3/h范圍可調(diào)控，一般每小時2次交換室內(nèi)空氣。

空氣凈化裝置使用后，公司疾病預(yù)防控制中心對系統(tǒng)運(yùn)行效果進(jìn)行了檢測，結(jié)果見表4。

表4 陽極爐爐前空氣凈化系統(tǒng)運(yùn)行效果

由表4可知，凈化系統(tǒng)投入使用后，爐前操作室內(nèi)的空氣質(zhì)量有較大地改善，主要有毒有害物質(zhì)控制在GBZ2.1—2007《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值》國家企業(yè)生產(chǎn)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

近年來，經(jīng)過優(yōu)化創(chuàng)新，大冶陽極爐系統(tǒng)實現(xiàn)了高效、低能耗、低污染清潔生產(chǎn)，創(chuàng)造了較好的社會效益和環(huán)保效益，同時也取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

(1)使用清潔高效的天然氣作為還原劑，消除了黑煙污染問題，并且還原天然氣單耗低至4～6 m3/t-Cu。

(2)引進(jìn)并消化吸收先進(jìn)的稀氧燃燒技術(shù)替代傳統(tǒng)空氣助燃燃燒工藝，外排煙氣量降低60%左右，燃燒天然氣用量降低65%以上。

(3)通過環(huán)境集煙管道優(yōu)化和新建尾氣脫硫系統(tǒng)，煙氣達(dá)標(biāo)排放。

(4)對陽極爐爐前操作室增加空氣凈化系統(tǒng)，對操作室內(nèi)空氣進(jìn)行凈化處理，較大程度減輕了操作人員的職業(yè)危害。

[1] 朱祖澤，賀家齊. 現(xiàn)代銅冶金學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2003.

[2] 吳長林，邱志立. 回轉(zhuǎn)式銅陽極爐煤基還原工藝優(yōu)化[C]. 2014(鄭州)中西部第七屆有色金屬工業(yè)發(fā)展論壇,2014.

[3] 萬軍,吳長林,王成國,等. 銅陽極爐稀氧燃燒技術(shù)的生產(chǎn)實踐[J]. 有色設(shè)備, 2014，(5)：45-48.

[4] 程剛,李超. 空氣凈化技術(shù)在轉(zhuǎn)爐操作控制室的應(yīng)用 [J]. 大冶有色, 2013，(2)：81-83.

Improvement of operation environment for copper anode furnace

PENG Qiong, LI Li, LU Hai

This paper introduces the measures taken by the smelter of Daye nonferrous metals group to improve the operation environment of the anode furnace system. The measures include adopting clean reductant to solve black smoke pollution, applying dilute oxygen combustion technology to reduce energy consumption and offgas volume of anode furnace, modifying and optimize offgas exhaust pipe and fugitive offgas collection system, adopting air cleaning system for the operating room in front of the furnace to improve operation environment, therefore, realize energy-saving, emission reduction and clean production of the anode furnace system.

copper anode furnace; black smoke treatment; dilute oxygen combustion; operation environment; optimization

彭 瓊(1986—)，女，湖北黃岡人，本科，環(huán)保工程師，主要從事環(huán)保技術(shù)及管理工作。

TF811

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