[科普中国]-硫酸盐化烟尘

闪速熔炼在高装入量生产时，烟气量和烟气显热大，烟尘温度高，烟灰容易沉降在上升烟道开口部，形成结瘤。

闪速熔炼采用硫酸盐化技术是一把双刃剑，研究工作就是要两者兼顾，找到平衡点，实现闪速炉排烟烟气硫酸盐化的最佳化，以稳定闪速炉的正常生产。

烟尘粘结的原因闪速熔炼在高装入量生产时，烟气量和烟气显热大，烟尘温度高，烟灰容易沉降在上升烟道开口部，形成结瘤。若锅炉除尘设备除尘效果差、传热效率低或者传热面积不够，烟灰会大量粘结在锅炉管壁和蒸发管上。一旦锅炉除尘效果差，或出口烟气温度不能降低到允许值以下，烟灰还会产生后移现象，排烟烟道和电收尘器也会发生烟尘粘结事故。

闪速熔炼排烟系统产生烟尘粘结的主要原因有以下几个方面：

1）原料成分复杂、杂质元素含量高，且品位波动大。在高装入量、高品位及高富氧浓度的熔炼条件下，精矿中的挥发性杂质元素随烟气进入排烟系统，冷凝后成为烟尘，这些杂质元素的氧化性烟灰粘附性强，不易清除，容易导致排烟系统产生烟尘粘结事故。

2）高速喷入反应塔的铜精矿和熔剂绝大部分发生分解和氧化反应后，沉降到沉淀池中，少量极细小的精矿粒子夹带在烟气里进一步氧化，经过上升烟道时沉降，产生粘结。粘结物从东西两侧往上升烟道开口部中心发展，逐渐缩小上升烟道开口部。

3）若生产中操作参数控制不当（例如：烟气含氧量、温度等），或因上升烟道开口部结瘤，而大幅度地增加烧嘴燃料量，会导致辐射部出口温度上升，大量烟尘在辐射部空腔得不到沉降而后移至对流部，易造成对流部积灰严重。1

烟尘硫酸盐化基本原理烟尘硫酸盐化的主要方程式：

Cu2O+3/2O2+SO2=2CuSO4；

2PbO+O2+SO2=2PbSO4；

2ZnO+O2+SO2=2ZnSO4。

这些反应均为放热反应。

因为闪速熔炼氧气的设计利用率达到了99%以上，为了使闪速熔炼的硫酸盐化反应充分进行，要求鼓入硫酸盐化风。鼓入硫酸盐化风主要有两个方面的作用：

1）在沉淀池项部通过二次氧枪喷入氧气，燃烧烟灰，可降低闪速熔炼烟灰发生率，同时产生的热量有助于保持上升烟道与废热锅炉连接部的开度，并熔化上升烟道侧墙/喉口部的烟灰粘结；

2）氧化铜的比热容只有49 kcal/mol，而硫酸铜的比热容为101 kcal/mol，在同样烟气条件下，氧化铜为熔融状，易在锅炉管束上粘结，而硫酸铜为松散状，不易在锅炉管束上粘结。这样提高烟气中SO3浓度，使烟尘硫酸盐化，结构疏松，易于清理。但硫酸盐化风量鼓入太大，会提高烟气中氧气分压力，烟气露点上升，硫酸工序废酸原液中的酸度升高，会产生不利影响：

1）闪速熔炼烟气中含有不定量的SO3是硫酸车间废酸的直接来源，废酸原液采用硫化工艺回收其中的砷和铜，处理后排出液送废酸废水处理，由于排出液酸度浓度高，增加了废酸废水处理的运行成本；

2）烟气露点上升，排烟系统的设备易产生低温腐蚀。

由此可以看出，闪速熔炼采用硫酸盐化技术是一把双刃剑，研究工作就是要两者兼顾，找到平衡点，实现闪速炉排烟烟气硫酸盐化的最佳化，以稳定闪速炉的正常生产。1

烟尘硫酸盐化技术的研究1、控制烟气中SO3发生率的研究

要实现精确控制烟尘硫酸盐化，就必须控制好SO3发生率。本研究结合SO3的生成机理，分析排烟系统中的烟气成分和烟尘性质，找出SO3发生率可控性操作条件。

1）烟气温度的影响。

烟气中SO2要转化成SO3，则必须满足的条件：△G≤0，即－22 600+21.36T≤0，得出T≤785℃。从热力学角度而言，温度越低，越有利于SO3的生成。但从动力学的角度分析，温度越高，分子的有效碰撞次数增多，有利于加快反应的进度；

据有关资料报道：在有催化剂存在的条件下，SO3生成的最佳温度在400～500℃之间。把锅炉辐射部出口温度控制在480～530℃及530℃以上两个温度范围之内，用于调查锅炉辐射部出口烟气温度的变化对SO3发生率的影响。

从以上测试结果来看：提高锅炉辐射部出口温度，有利于降低烟气中SO3发生率。

2）烟气与烟灰成分分析。

测定闪速炉排烟系统的SO2、SO3等烟气成分。

分析可知：SO3的生成区域主要集中在锅炉对流部，至电收尘器区域，SO3%大幅下降，且烟灰中的元素S主要以SO42-的状态存在。这一结论和前面所提到的SO3生成的最佳温度在400～500℃之间是相吻合的。

2、仿真研究

研究方法：通过余热锅炉入口区域的计算机仿真结果，获得其流场、温度场等信息，为硫酸盐化风的给入量、位置和速度等参数的确定提供可靠依据。喷入和关闭硫酸盐化风时，中心截面温度分布云图见图1所示。

对比喷入和关闭硫酸盐化风时的中心截面温度分布云图，可以看出：硫酸盐化风横向冲击进入辐射室的高温烟气，可打散高温烟气团，并使高温烟气向接近两边侧墙水冷壁方向流动，使换热更加充分；而且横向冲击的盐化风改变了高温烟气的速度大小和方向，有效保护了顶棚水冷壁以及防止积灰。但是也可以看出：最下方的盐化风喷嘴，喷入的盐化风未能直接冲击高温烟气团，盐化风打散高温烟气的作用未能充分发挥出来。因此，需要对硫酸盐化风喷嘴的位置进行优化调整，使3个硫酸盐化风喷枪所喷入的盐化风能全部发挥作用，直接冲击高温烟气。1

烟尘硫酸盐化技术应用实践1、存在的问题

2#闪速炉于2007年8月投入试生产，试生产期间，锅炉对流部、鹅颈烟道、沉降室、电收尘器入口方管均出现过烟灰严重堵塞事故，导致闪速炉频繁停炉，2007年闪速炉作业率仅为82.26%。造成这种情况的主要原因是排烟系统中的烟尘粘性大、易堆积、不易清理，且烟尘在排烟系统后移。为此，2008年2#闪速炉新增了一套硫酸盐化风系统，即沉淀池顶部靠近上升烟道一侧配置了5根二次燃烧氧枪，鼓入纯氧；在废热锅炉辐射部入口东、西两侧配置了3只硫酸盐化风喷嘴，鼓入常氧压缩空气。

该硫酸盐化风系统投入使用后，排烟系统烟尘粘结基本上得到了控制，但在使用过程中也出现了一些问题，主要表现在以下几个方面：

1）因硫酸盐化风采用沉淀池送风机供给的常温空气，导致在硫酸盐化喷嘴周围的锅炉水冷管出现低温腐蚀的现象，锅炉频繁出现漏水事故。

2）硫酸盐化喷嘴布置在锅炉辐射部入口东、西两侧，其中东面一支，西面两支。在生产过程中发现：因硫酸盐化风管伸入锅炉靠近上升烟道开口部一侧，在盐化风管周围容易产生烟灰粘结，一旦烟尘大块落下，会危及到锅炉炉管的安全。 2009年6月，闪速炉废热锅炉幅射部（挡渣屏下方）严重堆积烟灰，引起闪速炉停炉、清灰达82h。同年7月，上升烟道开口部“老鹰嘴”烟灰大块掉下，砸裂锅炉幅射部受热面，砸坏幅射部刮板机，闪速炉紧急停炉，影响生产达163h。

针对这两起事故，经过讨论，认为上升烟道开口部粘结烟灰，通烟截面变小是引起这两起闪速炉停炉事故的关键。

3）由于堵塞，取样分析困难，生产得不到实时在线数据，凭借经验及不定期现场人工抽样分析的数据来指鼓风量及燃料供给，锅炉自动化控制程度低。

2、采取的措施

根据以上事故产生的原因，结合硫酸盐化技术研究成果，采取了相应的措施：

1）2010年，利用年修之际，将3支硫酸盐化风喷嘴由原来的侧面移至锅炉入口正上方的前墙上，呈水平排列，向下倾斜，以加强硫酸盐化风与排烟烟气紊流混合，提高烟尘硫酸盐化效果，同时可抑制上升烟道开口部的烟尘粘结，避免烟灰大块掉下砸裂锅炉炉管事故的发生。

2）新增1台蒸汽加热器，把硫酸盐化风加热至200℃以上，避免硫酸盐化风对锅炉炉管产生低温腐蚀。

3）在闪速炉锅炉出口新增1台QT-1-4QO1-HHH氧气分析仪，用于在线检测锅炉出口烟气中的氧气浓度，为精确控制烟气中SO2、O2浓度含量提供了实时有效的检测数据。锅炉出口氧气浓度一般控制在硫酸盐化喷嘴1.0%～2.0%之间。锅炉出口氧气浓度与烟尘硫酸盐化程度相关联，此参数可作为硫酸盐化风量的调整依据，同时锅炉出口氧气浓度的变化也可反映出锅炉漏风情况。

4）排烟系统采用硫酸盐化技术，明显改变了烟尘的性质，从外观上看，积灰由深褐色变成了微红的深黄色。烟尘硫酸盐化程度可以通过分析锅炉烟尘成分来判断。通常锅炉烟灰含硫量控制在5%～7%左右。

5）硫酸工序废酸原液的酸度与烟尘硫酸盐化程度有一定的关联：酸度高，烟尘硫酸盐化效果好，但对排烟系统设备会产生腐蚀，且增加废水处理成本；酸度太低，表明烟尘硫酸盐化效果差。采用硫酸盐化技术要二者兼顾，正常情况了废酸原液中的酸度控制在100～150g/L。

6）加强废热锅炉各处温度的监控和弹簧锤振打的管理，特别是对流部出口烟气温度的监控。要及时根据锅炉内的粘结情况和温度分布情况，调整振打频率与振幅。

7）精心调整好闪速炉控制参数，加强闪速炉炉况与沉淀池排铜排渣的管理。

8）规范化闪速炉的炉内点检制度，及时发现、及时清理上升烟道开口部和废热锅炉内部的烟尘粘结。1

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学