铜冶炼转炉高温二氧化硫烟气余热分析

李凯璇，赵传进

（东北大学冶金学院，辽宁 沈阳 110167）

近年来，“碳达峰，碳中和”目标的提出，进一步推动着我国有色金属冶炼的转型升级。作为我国的耗能型产业，冶金工业长期面临着节能降耗的目标。有色金属冶炼业在我国冶金企业中有相当占比，且冶炼过程中会产生大量含有可利用资源的烟气、烟尘、废水、炉渣等，同时在各工序之间存在着含有可利用能量的中间产物和半成品，有巨大的节能降耗空间。如何从全生命周期的角度充分回收和利用这些资源，是企业绿色转型、推动技术创新的思考点。

烟气余热按其温度区间不同，主要分为高温余热、中温余热、低温余热三类。其中高温余热烟气温度高于500℃，中温余热指烟温在200~500℃的余热资源，低温余热则包括温度在200℃以下的烟气及低于100℃的液体。冶炼过程中，烟气会带走反应炉中约30%~50%的热量，烟气余热作为重要二次资源，若能进行有效回收，顺应了我国“循环经济”背景下的政策，可带来极大的效益。高温、中温烟气余热回收传热效率高，回收和利用范围较广泛。而低温烟气往往排放于脱硫塔出口处，余热回收常面临着不可避免的露点腐蚀问题。

铜冶炼工艺为有色金属冶炼中占比较大的一项工艺，其中火法冶炼占80%。从闪速熔炼、吹炼到阳极炉精炼、电解精炼的生产过程中会产生大量高温烟气，具有二氧化硫含量高、波动性强、烟尘量大等特点。

本文重点分析了我国铜冶炼工业中转炉吹炼工艺过程中典型的烟气排放情况，通过分析烟气的温度及成分特点，对其后续二次利用及余热回收提供建议，同时对现有余热回收工艺进行总结。

目前，我国火法炼铜工艺主要分为造锍熔炼，吹炼及粗铜火法精炼三部分，且每一段工艺都有独特的烟气处理系统。其中，铜转炉为冰铜吹炼过程中广泛使用的设备，具有容量大、热损失小、机械化工业化程度高、操作灵活等优点。由于近年来设备自动化程度大幅提高，PS转炉更是广泛应用于铜锍吹炼工艺中。

铜转炉冶炼为周期性作业，分为造渣期和造铜期两大阶段，主要目的为进一步吹炼出铜锍中的硫和铁等杂质元素。在造渣期，通过加入石英熔剂，促使矿石中的FeO转化为铁橄榄石炉渣；
同时不断鼓风，发生硫化物的氧化反应，且大量放热，最终产物为白冰铜。在造铜期，通过不停风、不加入冷料来维持炉内温度，以维持吹炼温度在1 150~1 300℃之间，最终产出粗铜。在实际生产中，我国大型铜冶炼厂转炉作业多分为造渣一期（S1）、造渣二期（S2）和造铜期（B），周期循环作业，保证在不同工段总有转炉处于工作中，同时其他炉体可以停风冷却或是检修，提高了工作效率。

综上分析可知铜转炉冶炼的烟气特点是：转炉出口排放的烟气温度高，烟气性质呈周期性波动，烟气二氧化硫浓度较大，且含有砷、锑等重金属，烟尘量大。

以某铜冶炼厂转炉设备为例，从转炉出口排放的烟气，首先经过二级耦合换热器；
接着经高温烟气管道输送至除尘系统，经过布袋除尘后排往后续烟气制酸系统。最终由排烟管道输送至烟囱处排出。

2.1 二氧化硫浓度高

由于转炉的周期性作业特点，其烟气各项性质波动较大。经过选矿后的铜矿硫含量在二氧化硫排放维持在较高水平。

以工业上几个大型化的能耗项目烟气排放情况进行对比，如下页表1、表2所示，分析我国华北地区某铜冶炼厂、燃煤电厂、烧结矿生产工艺中烟气成分。由于原料的精矿、煤炭、铜矿及废铜中均含有一定的硫元素，在生产过程中均会排放出一定浓度的二氧化硫烟气。可以看出，相对于烧结矿生产、火电厂燃煤发电的过程，冰铜吹炼工艺烟气量较小，而二氧化硫浓度含量高。

表1 大型能耗产业烟气排放对比

表2 不同企业烟气二氧化硫排放情况

2.2 烟尘量大

由于铜精矿中砷、铅、锌等挥发性物质含量较高，在火法炼铜的一系列吹炼、鼓风、燃料燃烧过程中，这些易挥发物质就随烟气带入烟尘中。转炉吹炼过程中，实际烟尘量在15~100 g/m3范围内波动。

铜冶炼烟尘含有大量重金属，既会造成车间工作环境的恶劣，又带来环境污染。同时，高温烟尘混入管道，冷却后易造成堵塞。从全生命周期对铜冶炼厂废弃物进行治理，发展烟尘资源化回收，使其中的有价组分得到充分利用，可以带来极大的经济效益。

目前的烟尘回收工艺主要有火法和湿法两大类，早期对火法应用较多，近年来则以湿法为主，同时，火法-湿法联合法等也逐渐应用。由于各企业烟尘情况存在差别，具体处理方式也多种多样。

2.3 烟气温度高

以转炉冶炼过程为例，大多企业采用“预转化+余热回收”处理。冶炼过程中，转炉内反应温度可达1 150~1 300℃，从转炉出口直接排出的烟气温度可达1 000℃。通过预转化工艺处理14%~17%的高温烟气，到达余热锅炉入口处温度约800℃。高温烟气鼓风经过排烟管道输送到换热器中，之后经过除尘系统，最后进入制酸系统的烟气温度普遍在300℃左右，如图1所示。

图1 某铜冶炼厂各工段烟气温度情况

在转炉出口处的排烟管道处，高温烟气混合烟尘，常呈半熔融状态，容易对管道造成堵塞、积灰等。因此，应有针对性地发展静电除尘技术同时减少管道90°转角、发展重力沉淀工艺等，实现烟尘中有价金属的回收及资源化利用。

此外，由于烟气的高二氧化硫含量，导致烟气露点温度较高，最高可达220℃以上。为了减少露点腐蚀对设备的影响，许多铜冶炼厂常采用整体升高烟气温度的方法。这会导致从烟囱出口排放烟气温度的相对升高。对其烟气余热进行再利用，是许多企业节能减排的创新方向。

3.1 现有余热回收设备简介

3.1.1 余热锅炉

余热锅炉是利用烟气余热来将水等加热以产生蒸汽或热水的装置，在高温余热回收中应用较多。通过利用水比热容较大的特点对热量进行储存，使烟气温度降低，同时加热的蒸汽（热水）可用于后续工业利用。

由余热锅炉的工作性质可以看出，锅炉涉及的主要组成部分有汽包、烟道、蒸汽系统等，分为若干循环回路。此外，还有锅炉本体的辐射系统和热管交换器等，在铜冶炼过程中部分锅炉还配有烟尘仓。由转炉冶炼进入烟道的高温烟气首先进入辐射系统，经对流炉室和水循环系统进行热交换。锅炉给水方面，首先要通过省煤器，然后水在省煤器中吸收散发的热量，直到上升到略低于汽包压力的饱和温度进入汽包。汽水混合物经过后续循环工艺，使饱和水蒸气不断吸收烟气中的热量，变为过热蒸汽。

余热回收锅炉能对烟气中余热进行较好利用，使热效率提高20%~40%，广泛应用于各类企业中。开发余热锅炉相关技术创新，是实现“碳达峰，碳中和”的一个重要绿色升级方向。

3.1.2 冷凝式换热设备

在冷凝式换热设备主要通过将烟气中的水蒸气温度冷凝到露点以下，使其中的汽化潜热得以利用，从而提高能量利用率。常见冷凝换热设备有间壁式冷凝器、接触式冷凝换热器等，部分冷凝设备作为改进锅炉的一部分，对余热锅炉排烟（200~300℃）进行二次利用，减少余热浪费。

然而，相关冷凝换热设备也有一定的局限性：一是对烟气中水蒸气的含量有要求；
二是烟气中含有相当硫氧化物，当温度低于水的露点时，也一定低于酸露点从而造成对设备的低温腐蚀；
三是烟气量的波动性，造成不同时间段烟气排放的差异。近年来，耐腐蚀非金属材质等换热器也开始出现在市场上，如碳化硅陶瓷换热器、含氟塑料软管换热器等。只有进行综合考量，才能实现余热回收的最大化，从而更好地利用烟气带来经济效益。

3.2 余热利用计算

以某200 kt/年铜冶炼厂余热锅炉为例进行余热利用计算。该冶炼厂余热回收采用三级循环系统，余热锅炉汽包联通蓄热器和水循环系统，产汽量为6.2 t/h。按一年的工作时间为300 d计算，则年产蒸汽量为44 640 t，折合标准煤约4 460 t，给铜冶炼厂带来了极大的节能减排效益。

1）由于大型铜冶炼厂中转炉吹炼的周期性作业，造渣一期、造渣二期和造铜期交互进行，烟气存在温度高、成分复杂、波动量大等特点。

2）相比于其他工艺，铜冶炼过程中烟气含二氧化硫浓度高。二氧化硫体积分数在10%~20%，部分企业经过风机进行气体压缩后含量可达50%，用于后续硫酸制备等。

3）冰铜吹炼时，从转炉口直接排放的烟气在1 000℃左右，最高可达1 200℃。经一系列回收利用系统后，排出烟囱的废气在100~200℃左右，总体温度较高，能量利用空间大。

4）现有的主要余热回收方式有余热锅炉、换热器、冷凝式换热设备等。综合考量各工段的特点，有针对性地选择不同的余热回收措施，有利于减少腐蚀、抑制烟尘积灰、提高设备寿命、增大能量利用效率等。