6.3 烟气处理与制酸

铜冶炼产生富 SO₂ 烟气，须捕集并转化为硫酸——既是环保要求，也是重要副产品收入。本节涵盖烟气收集、净化、催化转化与双接触双吸收（DCDA）制酸。

6.3.1 二氧化硫制酸

学习目标

表征闪速炉、转炉及混合烟气的 SO₂ 浓度
设计烟气净化（ESP、洗涤）以保护催化剂免受 As、粉尘中毒
运行 DCDA 转化，SO₂ 转化率 > 99.7%
满足尾气 SO₂ < 400 mg/m³（GB 25467）并最大化酸产量

核心概念

术语	定义
冶炼烟气	含 SO₂、CO₂、N₂、粉尘、As、Se 的尾气，经集气罩收集
DCDA 双接触双吸收	两段催化转化 + 中间吸收，转化率 > 99.7%
V₂O₅ 催化剂	负载于硅胶，420–600°C 将 SO₂ 氧化为 SO₃
接触法装置	3–4 床转化器与床间冷却
oleum	H₂SO₄ 中溶解 SO₃ 的中间体
尾气	第二吸收塔后排放气，SO₂ 逃逸 < 400 mg/m³
稀酸	洗涤产生的弱 H₂SO₄，排放前须处理

参数与指标

参数	典型值	单位	说明
闪速炉 SO₂	60–80	%	浓度高，利于制酸
PS 转炉 SO₂	10–15	%	批次波动，稀释混合气
混合烟气 SO₂	15–20	%	闪速 + 转炉混合后
转化器入口温度	420–450	°C	换热器后
催化剂床温	500–600	°C	放热反应控制
SO₂ 转化率（DCDA）	> 99.7	%	两段 + 中间吸收
吸收酸浓度	98	% H₂SO₄	吸收 SO₃
尾气 SO₂	< 400	mg/m³	GB 25467、EU BREF
制酸能力	0.8–1.2	t H₂SO₄/t Cu	视精矿 S 品位
ESP 静电除尘效率	> 99.5	%	转化器入口粉尘 < 50 mg/m³

公式

化学计量酸产量： $H_{2}SO_{4} (t) = SO_{2}_converted (t) \times 98 / 64$
转化效率： $\eta = (SO_{2}_in - SO_{2}_out) / SO_{2}_in \times 100\%$
制酸能力： $Acid (t/d) = Gas_{flow} (Nm^{3}/h) \times SO_{2}\% \times \eta \times 98 / (64 \times 24 \times 100)$
转化放热： $\Delta H \approx 99 kJ/mol SO_{2}$

工具与标准

常用系统：DCS 床温控制、CEMS 连续监测、酸浓度密度计
相关标准：GB 25467（铜冶炼大气污染物排放限值）、GB 26132（硫酸工业污染物排放标准）、ISO 14001

操作步骤

收集烟气：闪速炉、转炉集气罩封闭，负压 50–200 Pa。
冷却除尘：余热锅炉产汽；ESP 除尘 > 99.5%，< 50 mg/m³。
烟气净化：急冷洗涤除 As、Se、Hg；除雾后进转化器。
第一段转化：SO₂ + O₂ → SO₃，V₂O₅ 床 1–2，床间冷却 < 460°C。
第一吸收：98% H₂SO₄ 吸收 SO₃，未转化 SO₂ 进第二段。
第二段转化：床 3–4，累计 η > 99.7%。
第二吸收：最终 SO₃ 吸收，尾气 SO₂ < 400 mg/m³。
成品酸：oleum 稀释至 98% 商用酸，耐酸储罐。
尾气处理：必要时双碱法精处理至 < 200 mg/m³。

DCDA 制酸流程

flowchart TD GAS[冶炼烟气] --> WHB[余热锅炉] WHB --> ESP[静电除尘ESP] ESP --> SCRUB[急冷洗涤除As] SCRUB --> BED1[转化床1至2] BED1 --> ABS1[第一吸收98%酸] ABS1 --> BED2[转化床3至4] BED2 --> ABS2[第二吸收] ABS2 --> TAIL[尾气SO2小于400mg/m3] ABS1 --> ACID[成品硫酸] ABS2 --> ACID

知识延伸

制酸装置是冶炼环保与经济的耦合节点：SO₂ 浓度越高、波动越小，单位酸投资越低。PS 转炉批次吹炼造成的 SO₂ 峰需在第一吸收与催化剂床冷却能力中预留裕度，否则床温 > 630°C 会熔损催化剂。砷在 V₂O₅ 上沉积是慢性中毒，洗涤效率与床层 ΔT 趋势监测是早期预警指标。

稀酸洗涤液含 As 及重金属，不能直接排放，须与 7.1 环境管理废水处理一并设计。单接触法在 15% 入口 SO₂ 时逃逸量显著高于 DCDA，新建项目在中国语境下应默认 DCDA 以满足 GB 25467。

数量级示例：150 000 Nm³/h、18% SO₂、η 99.8%，产酸约 118 t/h（≈ 2830 t/d）；300 t/d Cu 冶炼约 9.4 t 酸/t Cu。

常见误区

砷中毒未监控 → 床层 ΔT 异常、转化率下降
床温 excursion > 630°C → 催化剂熔损
ESP 失效 → 粉尘 blind 催化剂孔
稀酸含 As 直接排放 → 环保违规
未考虑转炉 SO₂ 峰 → 第一段吸收超负荷

关联章节

6.1.1 闪速熔炼 — 高 SO₂ 烟气源
6.1.2 吹炼 — 波动 SO₂ 源
7.1.3 大气污染控制 — 排放合规框架

自测要点

200 t/d Cu、30% S 精矿、95% 硫捕集，估算日 H₂SO₄ 产量。
第二床入口温升 40°C，可能原因与对策？
单接触 vs DCDA 在 15% 入口 SO₂ 下的逃逸量差异。

6.3.2 烟气收集与余热回收

学习目标

设计集气罩与烟道布局，SO₂ 捕集率 > 98%
规模设计余热锅炉，回收 1000–1300°C 闪速炉烟气蒸汽
平衡冶炼厂房负压，防止无组织排放
整合制酸热平衡与冶炼蒸汽需求

核心概念

术语	定义
集气罩	炉口、转炉口上方封闭结构收集高温烟气
无组织排放	未收集 SO₂ 从厂房开口逸散
余热锅炉 WHB	烟气 1300°C 降至 350°C，产 3–4 MPa 饱和蒸汽
负压控制	集气罩负压防烟气外逸；制酸后引风机
热平衡	SO₂ 氧化热 + 熔炼反应热 = WHB 蒸汽 + 烟气显热
袋滤（备用）	ESP 不足时 fabric filter 精除尘

参数与指标

参数	典型值	单位	说明
捕集效率	> 98	%	集气罩设计 + 厂房密封
WHB 出口温度	320–380	°C	ESP 前
蒸汽产量	1.0–1.5	t 蒸汽/t Cu	闪速 WHB
ID 风机负压	200–400	mm H₂O	系统总压降
烟道流速	15–20	m/s	防粉尘沉积
无组织 SO₂ 限值	< 5	% 总量	典型许可

公式

显热回收： $Q (MW) = \dot{m}_gas \times Cp \times \Delta T$
蒸汽产量： $Steam (t/h) = Q \times \eta_{\mathrm{boiler}} / h_{fg}$ — η ≈ 0.85，h_fg ≈ 2100 kJ/kg
系统压降： $\Delta P_{total} = \Delta P_{\mathrm{WHB}} + \Delta P_{\mathrm{ESP}} + \Delta P_{converter} + \Delta P_{absorption} + \Delta P_{duct}$

工具与标准

常用工具：CFD 集气罩捕集模拟、负压测量、汽包液位控制
相关标准：GB 150（压力容器）、冶炼厂房通风设计规范

操作步骤

绘制排放源图：闪速炉、沉淀池、转炉口、阳极炉——量化流量与 SO₂%。
设计集气罩：水冷面板，唇边延伸捕集翻滚热气。
烟道路由：少弯、近炉耐火段、膨胀节。
装 WHB：辐射 + 对流段、汽包、吹灰防粉尘沉积。
设引风机：变频，峰值吹炼时集气罩 −100 Pa。
密封厂房：关闭多余开口；周边传感器监测无组织 SO₂。
蒸汽整合：供制酸再沸器、浓缩；余汽上网。

烟气收集与余热系统

flowchart LR FF[闪速炉] --> HOOD[集气罩负压] CONV[转炉] --> HOOD HOOD --> DUCT[烟道] DUCT --> WHB[余热锅炉产汽] WHB --> ESP[除尘] ESP --> ACID[制酸装置]

知识延伸

集气罩唇边处正压是无组织 SO₂ 与职业暴露的首要工程原因，应优先于末端治理。WHB 出口 < 150°C 时存在酸露点腐蚀，实际操作保持 > 320°C。烟道低流速弯管积灰有维护火灾风险，吹灰与清灰应纳入预防性维护。

转炉批次吹炼引起流量脉动，可能导致引风机喘振；缓冲罐或可变几何风机是常见缓解措施。余热回收蒸汽可显著抵消冶炼外购能源，但需与制酸装置热需求协调——过度抽热会降低转化器入口温度，需平衡。

数量级示例：200 000 Nm³/h、1300°C → 350°C（Cp ≈ 1.1 kJ/Nm³·K、η 0.85），可回收数十 MW 量级热量，对应蒸汽产量需按 h_fg 核算。

常见误区

集气罩唇边正压 → SO₂ 入厂房，职业健康风险
WHB 出口过低 → 酸露点腐蚀
烟道积灰 → 火灾与压降上升
风机喘振 → 转炉峰值流量未缓冲

关联章节

6.3.1 二氧化硫制酸 — 下游制酸
6.1.1 闪速熔炼 — 主要热源与烟气
7.1.3 大气污染控制 — 无组织监测

自测要点

200 000 Nm³/h、1300°C 烟气冷却至 350°C，估算 WHB 蒸汽量级（给定 Cp、η）。
无组织 SO₂ 占总量 8%，列举五项工程改进至 < 3%。
系统 ΔP 350 mm H₂O、250 000 Nm³/h 时 ID 风机选型要点。