固定式陽極爐環保達標探討與實踐

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摘要：介紹了固定陽極爐工藝的環?，F狀，分析了面臨的嚴峻形勢。探討了陽極爐污染物排放達標的改進方向，提出了先進燃燒技術、摻氮還原等源頭控制措施，介紹了煙氣急冷、布袋除塵、尾氣脫硫等煙氣治理措施及運行效果。

關鍵詞：固定式陽極爐；再生銅；稀氧燃燒；煙氣急冷；尾氣脫硫

當前，國內再生銅企業冶煉廢雜銅的主流工藝是一段法，以固定式陽極爐（以下簡稱陽極爐）為核心設備。這是陽極爐具有造價低廉、操作簡便的特點，因而得到廣泛應用。對再生銅行業來說，近年來的環保壓力與日俱增。2015年4月，環保部頒布了《再生銅、鋁、鉛、鋅工業污染物排放標準(GB31574-2015)》（以下簡稱《再生銅排放標準》），相比之前的《工業爐窯大氣污染物排放標準GB9078-1996》和《大氣污染物綜合排放標準GB16297-1996》，新標準中污染物排放限值要求極為嚴格：其中顆粒物濃度從200mg/m3(二級標準)降低到30mg/m3；二氧化硫濃度從1430mg/m3(二級標準)降到150mg/m3；新增的二噁英類限值0.5ngTEQ/m3。2017年4月環境保護部的《中華人民共和國環境保護稅法》，明確規定直接向環境排放應稅污染物的企業事業單位應當繳納環境保護稅。又進一步增加了再生銅企業的環保壓力、成本負擔。因此，陽極爐的環保達標成為再生銅行業亟需解決的重大課題。

1固定式陽極爐工藝的環?，F狀及改進方向

1.1陽極爐工藝的環保現狀

陽極爐生產中的主要污染源是煙氣、廢水、廢渣。長期以來，再生銅企業對環保工作普遍重視不足，環保治理費用投入不足，環保設備、設施裝備的裝備率低。以至于在社會和公眾印象中，陽極爐工藝必然是“污染”大戶。相當多的小企業，三廢未經處理就直接外排，污染環境，更加深了這一錯誤印象?？梢钥吹?，在環境標準苛刻的歐洲地區，采用傳統工藝的歐洲再生銅企業，比如奧地利MontanwerkeBrixlegg（廠區坐落在風景秀麗的社區），仍使用傳統的工藝設備——鼓風爐、固定陽極爐，能夠正常生產運營并獲得良好的經濟效益。事實表明，陽極爐工藝只要注重環境治理，采用合理的環保技術，實現清潔生產，環保達標是完全可以做到的。國內陽極爐的環保問題，根本上并不是陽極爐工藝的問題，而是環保意識和環境執法力度的問題，是環保成本的問題。環保治理規范的再生銅企業，相對不規范的企業，會額外付出環保成本（環保設備的建設費用、運行費用），在市場競爭中處于不利地位。在劣幣驅逐良幣的效應下，導致國內陽極爐環保不達標。但隨著被稱為史上最嚴環保法的新環保法的出臺、《再生銅排放標準》、《銅冶煉規范》、《中華人民共和國環境保護稅法》等陸續頒布、落實，環保督察的常態化帶來的環保風暴，客觀上增加了陽極爐工藝的運行成本。這就迫使環保意識薄弱、或無力進行環保升級改造的企業淘汰出局，從而實現“去產能”。落后產能的出局，將騰出更大的原料市場和市場空間，有利于提高產業集中度，實現再生銅行業產業結構的重塑。長遠來看，對環保規范的再生銅企業反而是發展的重大機遇。

1.2廢水治理分析

陽極爐工藝的生產水可分為凈水、濁水，前者為水套降溫水，后者為澆鑄冷卻水。兩者都可以采取循環使用的方式，消除外排，即可解決生產廢水污染問題。少數廠家的水套降溫水采用軟水，大部分廠家采用生活水。某廠的陽極爐水套與空壓機共用一套循環降溫水，起初使用軟水，后也改為生活水，實踐表明循環使用的水質能夠滿足要求。需要關注的是初雨問題：由于陽極爐為重金屬生產，降雨初期時的雨水中溶解了空氣中的酸性氣體、粉塵，落地后又吸收了地表的油類、粉塵、重金屬等污染物，污染物濃度往往遠高于企業的外排水排放標準，需進行收集處理后達標排放。某廠于是建造了1座850m3初雨收集池，場地初期雨水經匯集10mm雨水量后，排至收集池，再作為澆鑄冷卻水的補充。后期潔凈雨水外排。成功實現廢水零排放目標。

1.3廢渣治理分析

由于陽極爐的精煉特點，產出爐渣的銅品位為±30%，高于大多數銅精礦的品位。陽極爐的爐渣通常被送到轉爐、鼓風爐冶煉，以回收銅金屬，陽極爐的爐渣實際上是轉爐、鼓風爐的原料，被稱為“冷料”。故陽極爐基本不存在廢渣污染的問題。

1.4煙氣治理分析

陽極爐的廢水、廢渣問題較容易解決，技術難度、經濟代價都不大。因此，陽極爐環保達標的主要問題和難點就在煙氣治理上，這是陽極爐的工藝特點造成的——陽極爐不同作業階段的煙氣量、煙氣溫度、含塵量、含濕量、雜質成分波動很大，煙氣處理難度大，污染物排放達標一定難度。再生金屬分會在《《再生銅、鋁、鉛、鋅工業污染物排放標準（GB31574-2015）》解析》中介紹，調查發現再生銅企業的陽極爐的污染物排放的典型水平為：顆粒物濃度174mg/m3，二氧化硫濃度272mg/m3，二噁英類3.4ngTEQ/m3，與《再生銅排放標準》的強制性標準相去甚遠，面臨著被環?！耙黄狈駴Q”的嚴峻局面?，F有的陽極爐工藝，最緊迫的短期目標，是環保升級改造，實現煙氣污染物達標排放，獲得市場的準入資格。長遠來看，再生銅生產的節能、減排是長期性工作，陽極爐工藝需要持續優化改進環保治理能力，滿足國家越來越高的環保要求，才能實現生存與發展。

2固定式陽極爐的煙氣治理措施

陽極爐工藝的環保改造，代價不菲：據再生金屬分會測算，年產10萬噸規模的再生銅企業若要達到《再生銅排放標準》要求，環保升級改造的投資需3000萬左右。該環保設施的投用后，還要發生運行和維護費用。以上環保投資的主要部分是花在煙氣治理上。因此，應根據陽極爐的煙氣條件、煙塵性質、冶煉工藝和環保對排放的要求，慎重選擇合理的煙氣處理流程、收塵設備，以同時滿足減排與經濟性的要求。目前，國內大中型陽極爐常見的煙氣處理流程為：陽極爐→余熱鍋爐→板式冷卻器→布袋除塵器→煙囪。還有企業在布袋除塵器之后安裝脫硫塔，收集煙氣中的SO2和SO3。要滿足《再生銅排放標準》中污染物排放限值要求，獲得市場的準入證，以上流程應進行完善。

2.1源頭控制

源頭控制，就是通過技術改進，減少陽極爐生產過程中的煙氣量與污染物含量，減少煙氣處理設備的負擔，縮減設備投資?，F實可行的措施有：陽極爐采用先進的燃燒技術，應用摻氮還原精煉技術。（1）燃燒技術改進先進燃燒技術——普萊克斯公司的稀氧燃燒技術，國內的純氧燃燒、環氧燃燒技術、多氧燃燒技術，都已經成功地應用于陽極爐。以上先進燃燒技術的核心原理相同，可以統稱為“稀氧燃燒“技術。它們的技術特點是：燃料和純氧分別通過不同噴嘴以高速射入爐膛，被爐膛中高溫煙氣迅速稀釋后燃燒，在爐內形成非常彌散均勻的火焰，無明顯熱點區域。以上燃燒技術在陽極爐的實踐表明，可節省燃料50%以上。相比陽極爐傳統的空氣助燃擴散燃燒技術，稀氧燃燒的煙氣量大幅減少，最高可減少70%。普萊克斯研究發現，由于燃燒時氧濃度在2%~10%范圍，火焰峰值溫度與空氣助燃相當，低火焰溫度還使NOx的排放降低50%。（2）摻氮還原精煉上個世紀末，部分廠家就開始探索摻氮還原技術：在還原精煉時，在還原劑（LNG、LPG）中摻入氮氣，降低還原劑的濃度，增加其與銅液中氧的接觸，將還原劑的利用率提高到約50%[3]，消除了還原時黑煙污染問題。該技術縮短還原作業時間；操作簡便。某廠在陽極爐試用了天然氣摻氮還原，還原期間爐口黑煙基本消除，取得理想效果。該技術實施較容易，氮氣可由液氮汽化制得，來源有保障。陽極爐的技改中，應用摻氮還原精煉技術，消除還原黑煙污染，是完全可行且現實的選擇。

2.2取消余熱鍋爐

國內應用稀氧燃燒的回轉爐，生產煙氣溫度大幅下降，配套的余熱鍋爐的作用已經不大，部分廠家已停用。陽極爐若應用稀氧燃燒技術，則無需設置余熱鍋爐，在爐尾設置煙氣沉降室，收集大比重的金屬粉塵即可。從而節約造價與運行費用。

2.3煙氣沉降室后增加煙氣急冷裝置

《再生銅排放標準》對二噁英類提出明確的限制。二噁英類合成的最合適的溫度是煙氣處于250℃～450℃的溫度段，即余熱鍋爐與布袋除塵器之間，現有的煙氣處理工藝無法消除二噁英的生成。該階段生成的二惡英占到總生成量的90%以上。因此，需要通過急冷裝置，幾秒內將煙氣溫度從沉降室出口的800℃~900℃冷卻至200℃以下，快速越過易產生二噁英類的溫度段，從而抑制二噁英的生成，滿足《銅冶煉規范》對再生銅生產“同時應配套具備二噁英防控能力的設備設施”的要求。斯普瑞噴霧降溫裝置是煙氣急冷技術的代表，其采用了多級霧化技術，冷卻水通過噴嘴霧化成液滴，液滴直徑能穩定在60μm，降溫效果好；響應速度快，溫度調節范圍大，能適應陽極爐煙氣流量、溫度波動劇烈的特點；采用PID控制，自動調節噴水量，自動化程度高。目前，斯普瑞噴霧降溫在再生銅行業已得到成功應用。某廠安裝噴霧降溫裝置后，可在1.5秒內將煙氣溫度從800℃~900℃降低到200℃，有效防止了二噁英的生成。煙氣急冷技術的另一種新技術是熱管式煙氣急冷降溫裝置，以熱管作為高效導熱載體，將高溫煙氣急速冷卻。煙氣從600℃降低至200℃所需的時間為1.35s，能夠有效防止二惡英的產生。

2.4板式冷卻器/換熱器

板式冷卻器是一種新型的高效換熱器，冷卻煙氣的效果良好。需要注意的是，陽極爐如果使用天然氣為燃料和還原劑，煙氣的水分比其他工藝產生的煙氣水分要高很多，煙塵在板式冷卻器及布袋收塵系統容易黏結，工藝控制中應控制板式冷卻器的進口溫度。板式冷卻器與余熱鍋爐配套使用，后者對煙氣一次降溫，前者對煙氣二次降溫。如果采用煙氣急冷裝置后，無需設置板式冷卻器。換熱器能將煙氣與助燃空氣進行熱交換，降低煙氣溫度，同時預熱助燃空氣；可提高燃燒效率，節約燃料。但在弱酸性、硬度大的金屬煙塵作用下，換熱管易腐蝕、爛管，管壁易粘結，長期使用效果并不理想。目前，換熱器在陽極爐的應用并不多，不建議配置。

2.5除塵器

收塵設備中常見的電收塵，性能強大，技術成熟；但造價高，對煙塵種類有要求，操作維護嚴格。而陽極爐精煉的煙氣特點是煙氣量較小、含塵濃度低，使用電收塵并不經濟，也不適應大多數再生銅企業的經營管理條件和人員現狀。布袋除塵器能捕集1μm以上甚至0.1μm的煙塵，其收塵效率平均可達99.5％以上，且不受煙塵粒度、成分、比電阻等物理性質的影響，既能滿足含塵尾氣排放要求，又能最大限度的回收煙塵中的有價金屬。布袋除塵器造價較低，維護簡單、操作簡單，對作業人員要求低，因而更適于陽極爐。選用合適的濾料則是確保布袋除塵器正常運行的關鍵。早期的布袋除塵器使用常溫濾料，使用溫度低于130℃，應用范圍受到很大限制。九十年代，部分再生銅企業為陽極爐配置了布袋除塵器，但濾袋被陽極爐還原期的高溫煙氣頻繁燒毀，被迫停用。

目前用于再生銅行業的布袋除塵器，使用的濾料大多為合成纖維濾料，常見的是PPS濾料。PPS濾料適用于含硫、含水蒸汽的煙氣，能長期承受180℃的煙氣溫度，性價比高，極大地拓展了布袋除塵器的使用范圍。但有氧存在的受熱條件下，PPS受熱引發的自由基很容易被氧化，使用溫度需控制在140℃以下；同時需要限定瞬間高溫，過高的溫度會使纖維產生熱氧化過程。還有研究發現，隨著溫度的上升，NO濃度增加、作用時間延長，PPS濾料的斷裂強度下降，脆性增加。某廠陽極爐配套的布袋除塵器，使用PPS濾料，曾經長期工作在150℃以上的溫度條件下，使用壽命達到1年半；但陽極爐進行富氧燃燒后，發現PPS濾袋急劇縮短，最短的不足一周，分析是煙氣含氧量、NO增加所致。陽極爐未來的發展趨勢是采用稀氧燃燒、富氧燃燒，對煙氣成分產生重大影響：煙氣中含氧量可能大幅增加；富氧燃燒還會導致煙氣NO量急劇增加；煙氣量大幅減少，蒸汽比重大幅增加；若使用天然氣燃料，若使用天然氣作為還原劑，若采取噴霧急冷煙氣，都會增加煙氣含水量，達到30%~75%；水蒸氣與SO3（煙氣中的SO2轉化而來）共同作用下，煙氣露點會提升到180℃，糊袋的可能性很大。

PPS濾料顯然不能適應變化后的煙氣條件。新一代高溫濾料中，P84耐熱性好，能在260℃的高溫下工作。尤其是具有優良的抗氧化性，抗水解性、良好的抗酸性，最適應陽極爐煙氣的新變化。但P84價格較高，可將P84、玻璃纖維和不銹鋼絲等多種材料按比例復合到一起，制造的復合濾料如氟美斯耐高溫針刺氈，既提高了濾料各方面的性能，又降低了成本。還可采取PTFE覆膜或滲膜后處理工藝，使濾料表面或內部固化成膜，使其表面光滑，防止粘性較大的粉塵糊袋，減小所引起的設備運行阻力，延長濾袋使用壽命。

2.6尾氣脫硫

事實上，由于很難在市場上采購到礦產粗銅，陽極爐處理的粗銅基本上都是再生粗銅，其含硫量微乎其微。陽極爐尾氣中的SO2大多來自燃料中的S，若改用清潔燃料如天然氣，而不用重油，正常情況下陽極爐煙氣中SO2濃度完全可以降低到＜10mg/m3。

但考慮到污染物排放標準將日趨嚴苛，可能采購到礦產粗銅原料或陽極爐使用高含硫重油燃料，陽極爐煙氣凈化系統宜建設尾氣脫硫裝置。目前，在我國銅冶煉行業得到應用、效果較好的尾氣脫硫技術有活性焦法、新型催化劑法、氨-酸法、離子液法、氫氧化鎂清液法、鈉堿法等低濃度SO2吸收技術。建議采用鈉堿法，以純堿溶液吸收煙氣中SO2，該技術十分成熟，脫硫效率高、投資省。當陽極爐煙氣SO2濃度很低時，尾氣脫硫塔可采取低負荷噴淋，可進一步降低尾氣含塵，同時不過多增加運行成本，較適合陽極爐企業。綜上所述，大型陽極爐，建議采用的煙氣處理流程為：陽極爐→煙氣沉降室→噴霧冷卻→布袋除塵器→脫硫塔→煙囪。達到《再生銅排放標準》，滿足環保的要求。

3結語

在供給側結構性改革和環保的雙重壓力下，再生銅行業的產業結構將被重塑，整個行業將實現綠色發展、清潔生產。通過優化固定式陽極爐工藝，選擇經濟有效的環保技術進行改造，完全可以達成污染物減排的目標，從而獲得發展的機遇。

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作者:袁輔平 童赟單位:大冶有色金屬集團有限公司