李伟

(中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌330038)

湿烟羽的产生是由于含湿量大的高温烟气排放后，在温度和饱和湿度均较低的环境空气中凝结成了小液滴。这些凝结水滴对光线产生折射、散射，从而呈现出白色或者灰色[1]。关于湿烟羽的治理技术，在燃煤电厂脱硫设施中已有相关的研究和工程业绩，主要包括烟气加热技术、烟气冷凝技术、烟气冷凝再热技术等[2]，但在铜冶炼行业中相关的研究还相对较少。

2016年1月29日，上海市发布了《燃煤电厂大气污染物排放标准》（DB 31/963—2016），要求“燃煤发电锅炉应采取烟温控制及其他有效措施消除石膏雨、有色烟羽等现象”。继上海市之后，浙江、天津等多个省市都将该条文写入地方环保标准。“烟气脱白”已经逐渐成为工业企业环保超低排放改造的重要内容之一[3]。

闪速炼铜工艺中，闪速炉对于入炉铜精矿含水率要求相当严苛，铜精矿在入炉前需进行深度干燥。目前，国内外闪速炼铜厂大多采用回转式蒸汽干燥工艺，将含水率7%～12%的湿精矿干燥至含水率小于0.3%[4]，蒸汽干燥机的尾气经布袋收尘器净化处理后通过排气筒直接向大气排放，高温含湿量大的烟气进入环境空气中遇冷凝结，即会在厂区内形成白色的湿烟羽。

国内某大型铜冶炼厂共有2台能力为180 t/h（湿基）的蒸汽干燥机，在经过实际考察之后，选用了湿式冷凝净化除雾技术对2台蒸汽干燥机外排烟气进行深度净化和水雾消除。本文拟以该工程为例，从工艺流程及原理、工艺设计、设备选型及装置特性等方面对消除铜精矿干燥尾气中白色湿烟羽的湿式冷凝深度净化除雾技术进行系统阐述。

本工艺处理的是来自2台蒸汽干燥机的外排烟气，该烟气的特征是温度较高、含湿量高，两台蒸汽干燥机出口混合烟气参数见表1。

表1 两台蒸汽干燥机出口混合烟气参数

混合烟气中的烟尘主要为铜质量分数25%左右的铜精矿粉末，其主要成分见表2。粉尘堆密度为1.6～2.0 t/m3。

表2 烟尘主要成分 %

湿式冷凝深度净化除雾装置主要包括烟气冷凝及净化、混风除雾、粉尘回收、水质净化共4个单元，其工艺流程见图1。

图1 湿式冷凝净化除雾技术工艺流程

蒸汽干燥机混合烟气通过引风机引入烟气冷凝及净化单元内，与环境冷风（高温段冷却）和循环冷却水（低温段冷却）进行快速、高效的热交换；烟气中的水蒸汽降温凝结成水并快速导出，从而形成温度更低的饱和湿烟气，进入混风除雾单元，与升温后的环境冷风充分混合，形成不饱和气体排放。由于排放烟气处于不饱和状态，从而可达到除雾的目的。在烟气降温过程中，烟气中水蒸汽在冷凝模块膜壁上析出形成水膜，两者之间充分接触，烟气中的烟尘也被水膜吸附脱除，从而达到除尘的目的。

冷凝出的水和粉尘进入储泥调节水箱中静置沉淀一段时间，底部沉淀的粉尘排污进入排泥斗内继续静置沉淀；排泥斗内的上清液排入污水收集池，剩余底部沉积粉尘作为铜精矿回用。通过两套加药装置向调节水箱中加入含絮凝剂的碱液，以降低回收水重金属离子含量，提高粉尘的回收率。

储泥调节水箱上清液通过溢流进入清水箱，清水箱中的上清液一部分通过喷淋泵送至烟气冷凝及净化单元作为淋洗水，以防止冷凝单元膜壁积尘；另一部分通过清水泵打入金属过滤器中过滤水中的粉尘颗粒；底部沉积的污水排入污水收集池内。过滤后的水进入回用水箱，大部分通过回用水泵送至其他工段回用，一小部分作为金属过滤器的反洗水洗涤过滤器，反洗出水排入污水收集池内。污水收集池主要收集排泥斗、清水箱和金属过滤器的排污水，并通过潜污泵送回储泥调节水箱。

由于该铜冶炼厂现场场地存在诸多限制，为降低设备占地面积，整套装置的热交换选用“气冷+水冷”的方式，高温段用空气冷却，低温段用水冷却；同时在保证净化除雾效果的前提下，工艺设计不考虑过多的富余能力。

因此，湿式冷凝深度净化除雾装置的最大处理能力按烟气量120 000 m3/h、含水量30 %设计选型，环境空气温度按春冬两个季节的平均气温考虑（“湿烟羽”现象主要出现在这两个季节）。该铜冶炼厂所在地的气象参数见表3。工艺设计设定的参数见表4。

表3 当地气象参数

表4 工艺设定参数

根据热传递基本公式可以计算得到，高温段冷却风用量为627 613 m3/h，所需冷却面积为2 125 m2；低温段循环冷却水用量为110 t/h，所需冷却面积为1 080 m2。经湿式冷凝净化除雾装置处理后，外排烟气参数见表5。

表5 外排烟气参数

根据水的饱和蒸汽压公式，约55℃时空气中饱和含水量为15.56%，此时外排烟气的相对湿度为18.9%，基本达到了消雾的目的。同时，按照理论计算，可以得知烟气处理后的冷凝水量为16.66 t/h，回收率为57.6%，实现了水的回收再利用。

湿式冷凝净化除雾装置的简要布置见图2。

图2 湿式冷凝深度净化除雾装置简要布置

湿式冷凝净化除雾装置外形类似于循环冷却塔，整套系统沿高度方向布置，烟气冷凝及净化、混风除雾单元布置在上方，粉尘回收、水质净化单元布置在正下方，以减少排水管道的水平段及弯头，防止沉积堵塞。污水收集池设置在除雾装置的正下方，收集的水通过池内的潜污泵定期返回储泥调节水箱。

1）烟气冷凝及净化单元。烟气冷凝及净化单元为整套装置的核心组成，而其中的关键部件是由特殊材料制作的具有特殊结构的冷凝模块。冷凝模块采用合成热导新材料（S30408+复合金属材料）制作，内部采用长距离、小通道S形变截面结构，大大提高了膜面接触率，具备降温、凝水、聚水、疏水等集成功能，总换热面积为3 205 m2，其中空冷换热面积为2 125 m2，水冷换热面积为1 080 m2。其工作原理见图3。该单元采用轴流风机风量为650 000 m3/h，电机功率为45 kW。

图3 冷凝模块工作原理示意

2）粉尘回收单元。粉尘回收单元主要包括储泥调节水箱、清水箱、排泥斗、加药装置、潜污泵等：（1）储泥调节水箱设置接触沉淀和搅拌排泥两个分区，有效容积为20 m3。（2）清水箱有效容积为10 m3。（3）排泥斗有效容积为3.5 m3，一用一备。（4）加药装置共2套，储药箱有效容积为2.0 m3，材质为PE。药剂采用NaOH溶液+絮凝剂（PAM+PAC），pH值为6.5～7.5；每套加药装置配备加药泵2台，流量为100 L/h，扬程为10 m，一用一备。（5）潜污泵流量为20 m3/h，扬程H=25 m。

3）水质净化单元。水质净化单元包括清水泵、金属过滤器、回用水箱、回用水泵、喷淋泵等：（1）清水泵流量为32 m3/h，扬程H=60 m，一用一备。（2）金属过滤器的金属膜滤芯耐腐蚀、耐高温、强度大，能形成深层过滤，纳污量大，寿命长，且能够反洗再生，适用于各种腐蚀性介质的过滤。此次选用的金属过滤器处理能力为30 m3/h，设计压力为0.6 MPa，过滤精度为5μm，过滤压力降为0.02 MPa，滤芯材质为S30408，一用一备。（3）回用水箱有效容积为10 m3。（4）回用水泵流量为32 m3/h，扬程H=40 m，一用一备。（5）喷淋泵流量为32 m3/h，扬程H=81 m。

本套装置建成并投入运行半年后，实现的处理效果如下：1）冬季和春季2台蒸汽干燥机外排尾气中基本观察不到白色湿烟羽的现象；2）根据现场测试，外排烟气含尘质量浓度能够控制在2 mg/m3以下，在考虑冷却风的稀释作用后，该装置的粉尘回收率可以达到60%左右；3）冷凝水平均回收量达到10～13 t/h（与设计值之间的偏差主要是由烟气量及烟气含水量的波动引起的），冷凝水可以返回其他工段做回用处理。该湿式冷凝深度净化除雾装置的成功运行经验，可以为国内同类型冶炼厂今后的“烟气脱白”环保改造提供借鉴。

有色冶金设计与研究2020年6期