姚騰猛，周桂月，李偉達，袁愛武

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南長沙 410019）

長沙有色冶金設計研究院有限公司設計的南丹縣南方有色金屬有限責任公司(以下簡稱南方有色)浸出渣處理系統升級改造項目正在建設中。項目配套建設煙氣制酸系統，處理側吹熔煉爐煙氣、銻系統煙氣和氧化鋅脫硫解吸氣的混合氣，其中側吹熔煉爐煙氣量最大，制酸系統主要受該煙氣的影響。側吹爐入爐渣料的水含量直接影響制酸煙氣的水含量。筆者基于制酸系統凈化工序氟含量的控制以及洗滌過程氟濃度分布規(guī)律，分析制酸煙氣水含量對污酸量和濃度的影響。

1 煙氣洗滌凈化要求

為有效去除冶煉煙氣中的砷、氟、氯等有害雜質，保證煙氣凈化指標，大部分冶煉廠均采用稀酸洗滌絕熱蒸發(fā)冷卻和部分排放的凈化流程，凈化工序逆流洗滌工藝流程見圖1。

根據實際生產運行數據，凈化工序的主要控制指標為出口煙氣中的氟、氯含量，其中氯易被脫除，氟含量控制成為關鍵指標，以盡量減輕后續(xù)干吸填料瓷環(huán)腐蝕和轉化催化劑粉化[1]。

制酸煙氣中ρ(F)為 170～200 mg/m3，為使凈化后煙氣氟含量滿足GB 50880—2013《冶煉煙氣制酸工藝設計規(guī)范》中ρ(F)≤0.25 mg/m3的要求，需保持凈化工序合理的循環(huán)液氟濃度梯度分布和系統補水，充分發(fā)揮各級洗滌除氟效果。若采用向凈化循環(huán)液中添加硅酸鈉溶液作為脫氟劑，會使循環(huán)液和凈化濾餅黏性增加[2]，對南方有色即將實施的污酸資源化工藝造成影響。

圖1 凈化工序逆流洗滌工藝流程

南方有色要求凈化洗滌產生的污酸質量分數盡量控制在10%左右，以控制污酸排放量，降低污酸濃縮處理成本。浸出渣處理項目設計考慮在不引入除氟劑的情況下，通過正常的洗滌流程，使凈化工序出口煙氣有害雜質尤其是氟含量滿足要求，同時污酸量盡量降低，污酸濃度盡量提高。

2 循環(huán)液中氟含量分布規(guī)律

要分析凈化污酸量及其濃度，需了解一般生產過程氟濃度的分布規(guī)律。為此，對南方有色一、三、五系統循環(huán)液氟含量進行了多次測定，統計數據平均值見表1。

表1 制酸系統凈化循環(huán)液氟濃度分布

由表1數據可知：以一級洗滌器循環(huán)液氟濃度為基準，得到凈化循環(huán)液氟濃度的一般分布規(guī)律大致為：氣體冷卻塔氟濃度約占一級洗滌器的5%～12%，二級洗滌器氟濃度約占一級洗滌器的1%～2%。

沿煙氣凈化流程，煙氣和循環(huán)液中的氟含量均逐漸降低，氣相和液相在各級壓力和溫度下接近氣液平衡狀態(tài)，合格煙氣由二級洗滌器引出，氟含量最高的循環(huán)液由一級洗滌器引出成為污酸。因此，由南方有色實際生產數據得到的上述循環(huán)液氟濃度比例分布規(guī)律，符合凈化工序逆流洗滌基本原理。

3 側吹爐渣全干燥污酸濃度分析

南方有色浸出渣處理項目側吹爐渣全干燥時，渣料w(H2O)約為14%，進入制酸系統凈化工序的煙氣條件見表2。

表2 側吹爐渣全干燥時進入凈化工序的煙氣條件

凈化工序入口煙氣φ(H2O)為17.66%，即H2O總 量 86 079.7×17.66%/22.4×18=12 216 kg/h ；凈化工序出口煙氣溫度控制為38 ℃，按正常壓力值-11 kPa、煙氣含水飽和度100%計算，得到出口煙氣量為 79 818.7 m3/h，φ(H2O)為 7.60%，即H2O 總量 79 818.7×7.60%/22.4×18=4 878 kg/h。

凈化工序入口煙氣φ(SO3)為0.49%，即SO3總量 為 86 079.7×0.49%/22.4×80=1 506 kg/h ；污 酸中H2SO4直接由易溶于水的SO3與水反應生成，則生成 H2SO4為 1 506×98/80=1 845 kg/h，為使凈化外排污酸質量分數達到10%左右，需對應控制污酸總量。

由凈化工序水平衡計算可知，入口煙氣含水+凈化工序補水=出口煙氣含水+外排污酸含水，當控制凈化工序補水為 8 190 kg/h時，污酸中H2O總量=12 216（入口煙氣含水）+8 190（凈化工序補水）-4 878（出口煙氣含水）=15 528 kg/h，此時污酸總量=污酸中SO3總量+污酸中H2O總量=1 506+15 528=17 034 kg/h，折算成體積流量為16 m3/h。污酸濃度按H2SO4總量與污酸總量之比折算，即1 845/17 034=10.8%，此時需基于氟含量控制分析循環(huán)液氟濃度梯度是否合理。

凈化工序一級洗滌器出口煙氣水蒸氣飽和度取90%，氣體冷卻塔和二級洗滌器出口煙氣水蒸氣飽和度取100%，當一級洗滌器外排污酸量16.0 m3/h時，由水平衡計算可得：氣體冷卻塔至一級洗滌器串液量27.5 m3/h，二級洗滌器至氣體冷卻塔串液量8.5 m3/h。

要計算各級循環(huán)液的氟濃度，需計算各級煙氣氟的脫除量和串液量的比值。由于串液量已知，需計算各級煙氣氟的脫除量，為此先對各級洗滌脫氟率進行合理取值，從而得到各級循環(huán)液氟濃度，若計算得到的各級循環(huán)液氟含量符合前述的循環(huán)液中氟含量分布規(guī)律，則說明上述工況合理。

通過操作上的控制，一級洗滌器、氣體冷卻塔、二級洗滌器中的煙氣脫氟率均取90%時，由凈化工序入口的煙氣量和氟濃度，可得一級洗滌器入口煙氣氟總量為 86 079.7×192 /1 000=16 527 g/h ；氣體冷卻塔入口煙氣氟總量16 527×(100%-90%)=1 653 g/h；二級洗滌器入口煙氣氟總量1 653×(100%-90%)=165 g/h；二級洗滌器出口煙氣氟總量165×(100%-90%)=17 g/h。

因此，二級洗滌器至氣體冷卻塔串液中的氟總量=二級洗滌器入口煙氣氟總量-二級洗滌器出口煙氣氟總量=165-17=148 g/h；氣體冷卻塔至一級洗滌器串液量中的氟總量=氣體冷卻塔入口煙氣氟總量-二級洗滌器出口煙氣氟總量=1 653-17=1 636 g/h；一級洗滌器外排污酸量中的氟總量=一級洗滌器入口煙氣氟總量-二級洗滌器出口煙氣氟總量=16 527-17=16 510 g/h。

根據上述結果，由氟總量與串液量之比可得：二級洗滌器至氣體冷卻塔串液量中的ρ(F)=148(二級洗滌器至氣體冷卻塔串液中的氟總量)/8.5(一級洗滌器外排污酸量)=17 mg/L。同理，氣體冷卻塔至一級洗滌器串液量中的ρ(F) =1 636/27.5=60 mg/L，一 級 洗 滌 器 外 排 污 酸 量 中 的ρ(F) =16 510/16.0=1 032 mg/L。

因此，二級洗滌器循環(huán)液ρ(F)為17 mg/L，氣體冷卻塔循環(huán)液ρ(F)為60 mg/L，一級洗滌器循環(huán)液ρ(F)為 1 032 mg/L。氣體冷卻塔循環(huán)液ρ(F)約占一級洗滌器的比值為60 /1 032 =6%，二級洗滌器循環(huán)液ρ(F)約占一級洗滌器的比值為 20/1 032 =2%，符合前述循環(huán)液中的氟含量分布規(guī)律，因此氟的濃度梯度分布和各級脫氟率操作值合理。

由以上所述凈化工序出口煙氣量及煙氣氟總量，得ρ(F) =17/79 818.7=2.1×10-4g/m3=0.21 mg/m3，符合GB 50880—2013《冶煉煙氣制酸工藝設計規(guī)范》規(guī)定ρ(F)低于0.25 mg/m3的要求。因此，側吹爐渣全干燥時，外排污酸質量分數能達到10%左右，循環(huán)液氟濃度梯度分布滿足煙氣氟含量控制要求。

4 側吹爐渣全不干燥污酸濃度分析

南方有色浸出渣處理項目側吹爐渣全不干燥時，渣料w(H2O)約為20%，進入制酸系統凈化工序的煙氣條件見表3。

表3 側吹爐渣全不干燥時進入凈化工序的煙氣條件

凈化工序入口煙氣φ(H2O)為24.06%，即入口煙氣中H2O總量為97 147.1×24.06%/22.4×18=18 782 kg/h；凈化工序出口煙氣溫度控制為38℃，按正常壓力值-11 kPa，煙氣含水飽和度100%計算，得到出口煙氣量為83 389.9 m3/h，φ(H2O)為7.60%，即出口煙氣中H2O總量為83 389.9×7.60%/22.4×18=5 093 kg/h。

凈化工序入口煙氣φ(SO3)為0.43%，即SO3總量 97 147.1×0.43%/22.4×80=1 491 kg/h ；理論上進入循環(huán)液中的 H2SO4為 1 491×98/80=1 826 kg/h。

4.1 污酸濃度工況一（質量分數約10%）

由于入口煙氣帶水增加，當控制凈化工序補水量為1 820 kg/h時，外排污酸體積流量正好與側吹爐渣全干燥時同為16.0 m3/h（同前述3計算，過程略），污酸中H2SO4質量分數為10.63%，此時需基于氟含量控制分析循環(huán)液氟濃度梯度是否合理。

凈化工序一級洗滌器出口煙氣水蒸氣飽和度取90%，氣體冷卻塔和二級洗滌器出口煙氣水蒸氣飽和度取100%，當一級洗滌器外排污酸量為16.0 m3/h時，由各級水平衡計算可得：氣體冷卻塔至一級洗滌器串液量29.1 m3/h，二級洗滌器至氣體冷卻塔串液量 2.1 m3/h。

同樣，通過操作上的控制，一級洗滌器、氣體冷卻塔、二級洗滌器中的煙氣脫氟率均取90%時，由凈化工序入口煙氣量和氟濃度，可得一級洗滌器入口煙氣氟總量為 97 147.1×170 /1 000=16 515 g/h；氣體冷卻塔入口煙氣氟總量1 652 g/h（同前述3節(jié)計算，過程略）；二級洗滌器入口煙氣氟總量為165 g/h；二級洗滌器出口煙氣氟總量為17 g/h。

根據上述結果，二級洗滌器循環(huán)液ρ(F)為82 mg/L（同前述3節(jié)計算，過程略），氣體冷卻塔循環(huán)液ρ(F)為 57 mg/L，一級洗滌器循環(huán)液ρ(F)為1 032 mg/L。氣體冷卻塔循環(huán)液ρ(F)約占一級洗滌器的比值為57/1 032 =6%，二級洗滌器循環(huán)液ρ(F)約占一級洗滌器的比值為82/1 032 =8%，二級洗滌器循環(huán)液氟濃度比氣體冷卻塔更大，顯然違背了循環(huán)液含氟由一級洗滌器—氣體冷卻塔—二級洗滌器應依次降低的規(guī)律，這種情況在操作上顯然不允許出現，因此污酸質量分數達到10%左右無法實現。

4.2 污酸濃度工況二（質量分數小于10%）

二級洗滌器要進一步發(fā)揮脫氟效果，須有足夠的新水補充和串液量，以保證循環(huán)液含氟由一級洗滌器至二級洗滌器逐漸降低。

為此，當控制凈化工序補水量為8 200 kg/h時，外排污酸體積流量為22.5 m3/h（同前述3節(jié)計算，過程略），污酸中H2SO4質量分數為7.7%。

凈化工序一級洗滌器出口煙氣水蒸氣飽和度取90%，氣體冷卻塔和二級洗滌器出口煙氣水蒸氣飽和度取100%，當一級洗滌器外排污酸量為22.5 m3/h時，由各級水平衡計算可得：氣體冷卻塔至一級洗滌器串液量35.5 m3/h，二級洗滌器至氣體冷卻塔串液量 8.5 m3/h。

與前述4.1中數值相同，一級洗滌器入口煙氣氟總量16 515 g/h，氣體冷卻塔入口煙氣氟總量1 652 g/h，二級洗滌器入口煙氣氟總量165 g/h，二級洗滌器出口煙氣氟總量17 g/h。

根據上述結果，二級洗滌器循環(huán)液ρ(F)為20 mg/L（同前述3計算，過程略），氣體冷卻塔循環(huán)液ρ(F)為 47 mg/L，一級洗滌器循環(huán)液ρ(F)為 735 mg/L。氣體冷卻塔循環(huán)液ρ(F)約占一級洗滌器的比值為47/735 =6%，二級洗滌器循環(huán)液ρ(F)約占一級洗滌器的比值為20/735 =2.7%，基本符合前述的循環(huán)液中氟含量分布規(guī)律，因此氟的濃度梯度分布和各級脫氟率操作值合理。

此時，二級洗滌器出口煙氣ρ(F)為0.20 mg/m3，符合GB 50880—2013《冶煉煙氣制酸工藝設計規(guī)范》規(guī)定的ρ(F)≤0.25 mg/m3的要求。因此，側吹爐渣全不干燥時，外排污酸質量分數達到7.7%，循環(huán)液氟濃度梯度分布滿足煙氣氟含量控制要求。

考慮浸出渣處理項目凈化外排污酸將去往污酸資源化利用，與污酸質量分數10%相比，污酸質量分數7.7%需多蒸出水6.5 t/h，低壓蒸汽單價按120 元/t計，增加運行消耗約500 萬元/a，此外污酸量的增加將帶來電耗、蒸汽消耗、循環(huán)水耗及投資成本的增加。因此，從制酸系統外排污酸控制角度，側吹爐渣宜盡量干燥以減小制酸煙氣水含量，從而提高污酸濃度。

5 結語

南方有色浸出渣處理項目側吹爐渣全干燥時，從煙氣與循環(huán)液逆流洗滌流程的氟濃度梯度分析，凈化工序污酸質量分數能達到10%左右。若側吹爐渣全不干燥時，要保證煙氣凈化效果，污酸質量分數達到10%左右不可實現，污酸質量分數達到7.7%是較為理想的水平，但不符合南方有色的需求導向。制酸系統污酸量及濃度會受側吹爐渣料熔煉過程煙氣水含量的影響，渣料全干燥時污酸濃度可以達到最大，建議制酸前對側吹爐渣進行干燥處理。