摘 要：介绍了铜陵有色金属集团股份有限公司金冠铜业分公司双闪厂区挖潜升级改造的思考与设计方案。从企业现状、行业竞争形势和环保高压态势方面考虑，净化工序对稀酸板式换热器进行核算与改造、新增斜板沉降槽进行稀酸沉降，干吸工序新增2套低温余热回收系统，环集脱硫工序新增1套钙法脱硫装置、现有的钠碱法脱硫装置做为保安段与钙法脱硫装置串联运行，尾气脱硫由钠碱法脱硫改为双氧水脱硫工艺。预计改造后，阴极铜成本下降约94元/t，硫酸加工成本由约100元/t大幅下降至约80元/t，具有良好的经济效益和环境效益。
关键词：硫酸生产 挖潜升级 低温余热回收 超低排放
铜陵有色金属集团股份有限公司金冠铜业分公司(以下简称金冠铜业)“双闪”厂区采用闪速炉熔炼(FSF)+闪速炉吹炼(FCF)+回转式阳极精炼(RF)的冶炼工艺，是全球第三套“双闪”工艺铜冶炼厂，也是世界首套一次建设、一次投产的400kt/a阴极铜“双闪”铜冶炼厂。自2012年12月份投产以来，整个生产系统生产运行平稳，各项指标均达到或超过设计值。2020年已实现阴极铜410kt/a、硫酸1600kt/a、黄金8t/a、白银265t/a的生产规模。
随着投产几年来的稳定运行，金冠铜业已在“双闪”冶炼工艺、“非衡态”高浓度转化工艺的生产中积累了较丰富的操作、管理经验，具备了实施挖潜升级改造所需的人力资源和技术保障。为充分发挥产能规模的优势，提升部分关键设备的生产潜力，金冠铜业从技术、经济和时间点等各方面综合考虑，经反复论证，计划进行技术、环保、节能等方面的升级改造。
1 硫酸系统原设计工艺与生产状况
为适应“双闪”工艺进入硫酸系统的冶炼烟气量小且稳定、SO2浓度高、FSF和FCF可分开各自独立作业的生产特点，配套400kt/a阴极铜冶炼的硫酸系统采用了1套净化、1套相同装置规模的干吸及转化的工艺配置。“双闪”炼铜工艺的冶炼烟气在进入硫酸系统时φ(SO2)达20%~30%，而RF在预氧化和氧化期的烟气含有一定浓度的SO2，该烟气进入脱硫系统进行处理时成本相对较高，而进入硫酸系统时可回收其中的硫，因此，选择了RF在预氧化和氧化期的烟气进入制酸系统、还原期含硫较低的烟气进入环集脱硫系统的生产模式。3台炉的冶炼烟气经混合后进入制酸系统。原设计进入制酸系统净化工序的烟气条件见表1。
硫酸系统的净化工序采用了美国孟莫克公司的动力波洗涤技术，转化工序采用了全新开发的“4+1非衡态”高浓度SO2两次转化工艺。设计时，为降低新开发的“非衡态”工艺的应用风险及最大限度地探索应用空间，最终选择进转化工序烟气φ(SO2)分别为13%和15%进行2套系统的催化剂初始装填，2台SO2风机按φ(SO2)13%时的气量为设计基准，转化器催化剂装填空间和换热器的换热能力按φ(SO2)为18%的操作气体浓度配套，以期最终能适应φ(SO2)为18%的生产能力，以此作为冶炼系统扩产的裕量。
硫酸系统自投产以来运行稳定，日常生产中，进转化工序烟气φ(SO2)按15%~16%进行操作。目前，已实现硫酸生产系统的电单耗年滚动值约65kWh/t[以w(H2SO4)100%计]、综合能耗(标煤)年滚动值约5.8kgce/t[以w(H2SO4)100%计]，硫酸生产成本少于100元/t，且转化工序设备的富余量仍较大。
2 挖潜升级改造的思考
近几年来，铜冶炼行业多家企业新建项目以及在原有产能基础上进行改扩建，铜冶炼行业的竞争愈演愈烈，加之铜冶炼加工费波动大、原材料与燃料价格上涨、国家对环保要求的大幅提升而出现的环保设施的大幅投入，行业利润空间进一步缩小。竞争激烈，既是挑战也是机遇，金冠铜业面临不进则退的情况，只有瞄准更高更新的目标不断努力，才能继续保持在铜冶炼行业的优势。
金冠铜业凭借在“双闪”冶炼工艺、“非衡态”高浓度转化工艺的生产中积累的丰富的操作、管理经验，综合分析设备现状，发现主要生产设备和辅助设施具有一定的增产潜力，尤其是冶炼系统FSF、FCF、RF三大炉的本体和硫酸系统的装置潜力较大。本着主体装置不作大幅改动、项目投入产出比最佳的原则确定挖潜规模，同时，兼顾采用先进的节能技术与设备，从而使工厂能源单耗进一步下降，降低生产运行成本。经反复论证，最终决定在现有400kt/a阴极铜的基础上再挖潜80kt/a矿产阳极铜，硫酸系统同步新建干吸工序的低温位热能回收装置(HRS系统)。
3 具体改造方案
3.1 净化工序
冶炼系统挖潜80kt/a矿产阳极铜，即FSF投料量由原来的265t/h增加至305t/h、FCF投料量由原来的85t/h增加至100t/h。随着冶炼产能的提升，冶炼烟气量将进一步增加，但硫酸系统净化工序已经满负荷，因此，决定将2台阳极炉各周期的烟气全部进入环集脱硫系统，从而不增加进入净化工序的冶炼烟气量。最终进入净化工序的冶炼烟气量及成分见表2。
为配合干吸工序新增HRS系统，进行了稀酸板式换热器的核算与改造，将原设计的二级电除雾器出口烟气温度由42℃下降至37℃，从而优化HRS系统的产汽率。
相关期刊推荐：《硫酸工业》为国内硫及硫酸行业唯一公开发行的科技期刊，主要栏目有：综述·专论、自控·分析、生产实践、设备·材料、革新·改造、环境保护、研究·开发、设计技术、问题讨论、延伸产品、废热利用、企业管理、工厂介绍、信息拾零、知识讲座、技术政策、事故分析等。全面报道国内外硫及硫酸行业的科研和设计成果、技术改造和技术革新经验、生产管理经验，以及最新成就、发展动态。
生产中，原一级动力波洗涤器溢流堰有局部堰口结疤，导致逆喷管侧壁温度高、溢流堰进酸管易出现结垢堵塞，需不定期停车清理而影响生产。为解决上述问题，新增了净化工序的斜板沉降槽进行稀酸沉降，沉降后的上清液与气体冷却塔串酸来的较清洁的稀酸混合，混合后的稀酸再用泵送至事故高位槽、重力自流至溢流堰，以期通过大幅降低稀酸的固含量来解决溢流堰堵塞的问题。
3.2 新增HRS系统
挖潜项目改造后，设计进转化工序烟气φ(SO2)已达到17%，鉴于“双闪”冶炼烟气具有烟气量小且稳定的特点，已经完全具备回收硫酸系统中低位余热的条件，而且，近几年来，国产冶炼烟气制酸的低温位余热回收的技术已趋成熟，投资已有大幅下降且运行较稳定，具有很好的经济效益。因此，硫酸2套系统均新建HRS系统。
设计补充稀释风后，干燥塔进口的烟气条件见表3。
HRS系统产出1.0MPa低压蒸汽的性能保证值为大于或等于0.46t/t(以100%硫酸计)，产出的低压蒸汽用于余热发电，配套新建1套低压饱和蒸汽凝汽机组。
配套进行了干吸酸冷却器的改造，将原有的干燥酸冷却器移用作二吸酸冷却器，同时新增干燥酸冷却器和成品酸冷却器。HRS系统投入运行后，原有硫酸循环水系统富余约7000m3/h处理能力，可以供应给新建的低压饱和蒸汽凝汽发电机组使用，从而节省了改造费用。
3.3 脱硫装置改造
硫酸系统现有2套钠碱法脱硫装置，均采用液体NaOH为脱硫剂，尾气脱硫的脱硫塔为动力波洗涤器，环集脱硫的脱硫塔为空塔。2套制酸系统在正常生产时转化率可达到99.96%、二吸塔出口烟气φ(SO2)维持在0.01%左右，环集脱硫系统入口烟气φ(SO2)平均值约为0.05%，投产以来，2套脱硫系统运行成本较低且稳定。钠碱法脱硫工艺存在回用水系统钠盐富集问题，回用水反复循环使用后易出现管道结晶、现场白色污染，不符合当前的环保和5S管理要求。
新建HRS系统导致系统阻力增加1~2kPa，为满足SO2风机压头的需要并回收制酸尾气中残余的硫，决定将尾气脱硫系统改为双氧水脱硫工艺，将动力波洗涤器的脱硫塔改为填料塔，脱硫生成的w(H2SO4)约25%的稀硫酸(1547kg/h)加入干吸工序作为工艺补充水，预计增加产出硫酸约3100t/a[以w(H2SO4)100%计]。
环集脱硫系统原设计是用于处理2台闪速炉各放铜口、放渣口收集的环集烟气，以及竖炉保温炉和两阳极炉还原期的烟气。此次挖潜改造将2台阳极炉各周期的烟气全部进入环集脱硫系统，使得环集烟气SO2浓度升高，为降低运行成本、缓解回用水钠盐富集问题，新建1套石灰石钙法脱硫装置，现有的钠碱法脱硫装置作为保安段与新增的钙法脱硫装置串联运行。
为满足烟囱超低排放的环保指标并远离红线，2套脱硫装置均配套建设了湿式电除雾器。
4 改造的效益测算
挖潜升级改造项目已进入现场建设阶段，计划于2022年3月份的停产检修期间对接入生产系统。据测算，改造后，阴极铜成本下降约94元/t，硫酸加工成本由当前约100元/t大幅下降至约80元/t，下降幅度达约20%。随着2套脱硫系统的改造和脱硫电除雾器的投入运行，回用水系统钠盐富裕的问题将大幅缓解、烟囱排放指标将远离超低排放的红线值。
5 结语
挖潜升级改造项目投入运行后，生产综合能耗将大幅下降，实现增产不增污和节能减排降耗的目的，为企业的绿色可持续发展奠定良好的基础。——论文作者：汪满清，王 翔
