铜冶炼环集烟囱有色烟羽成因及控制措施

宋 成，周岳珍，黄文宝，郑家辉

（浙江江铜富冶和鼎铜业有限公司，浙江 杭州 311400）

1 铜冶炼厂环集烟囱有色烟羽现象及危害

铜冶炼环集烟囱排放的烟气主要来冶炼主厂房含有SO2、粉尘等污染物的环境空气，包括熔炼炉渣口、放冰铜口，转炉、阳极炉环集烟气、阳极炉炉膛烟气等。有些冶炼厂阳极炉氧化阶段工艺烟气SO2浓度高，不进入环集系统，进入制酸系统处理。

这些烟气一般经过各自的除尘设备，汇总进入环集脱硫系统脱硫处理后经环集烟囱排空。

铜冶炼环集烟气经烟囱排入大气，因天空背景色和天空光照、观察角度等原因，视觉上通常为白色、灰色、蓝色、黄色等。我国大部分烟气脱硫采用湿法脱硫工艺，尤其是石灰石～石膏法工艺。

这种工艺可以使烟温降低到25℃～55℃，这些低温饱和湿烟气，直接经烟囱进入大气环境，遇冷凝结成微小液滴，产生“白色烟羽”。为降低铜冶炼环集烟气排放污染物对环境的污染，铜冶炼环集烟气一般经除尘、脱硫设施后达标排放。但时常环集烟囱会出现有色烟羽（不同于白色水蒸气），带来视觉污染。增加了附近居民的顾虑，也给冶炼厂的环保工作带来一定的压力[1]。也是导致雾霾天气和酸雨的重要因素之一，严重危害环境及人体健康[2]。

2 环保烟囱蓝/黄色烟羽成因

与白色烟羽不同，蓝/黄色烟羽给附近居民带来更加严重的困扰，环保烟囱冒蓝/黄色烟羽的直接原因是烟气中含有过量的SO3气溶胶(硫酸雾)。SO3酸雾主要属于亚微米级雾滴。

烟囱排出的烟气中亚微米颗粒粉尘的存在，使得H2SO4以亚微米颗粒粉尘作为凝结中心，加强了凝结过程。硫酸气溶胶的粒径非常小，对光线产生散射；由于颗粒的尺寸和可见光的波长接近，属于瑞利散射。因此短波的蓝色光线散射要比长波的红色光线强许多，最终使得烟囱在阳光照射的反射侧，排烟的烟羽呈现蓝色，而在烟羽的另一侧呈现黄褐色。

资料显示，湿法脱硫系统对SO3酸雾的脱除效率仅为30%～80%，干法脱硫对SO3酸雾的脱除效率高达95%以上[3]。有色烟羽现象多发于应用采用湿法脱硫工艺的铜冶炼厂。SO3酸雾形成及有色烟羽发生过程：

（1）烟气进入脱硫塔前，部分SO3形成硫酸气溶胶。烟气中的SO3极易与H2O结合形成硫酸酸雾。当烟气温度低于酸露点时，硫酸酸雾通过均相成核和以颗粒物为凝结核的异相成核作用形成亚微米级的硫酸气溶胶。按SO3-H2OH2SO4共存的气态混合体系平衡理论，在烟气降温过程中的SO3转变为硫酸蒸汽的份额不断增高，烟温降到110℃以下时SO3已全部转变为硫酸蒸汽H2SO4，此时所谓烟气中的SO3实际上都是硫酸雾形态[4]。

（2）烟气进入湿法脱硫塔后，大量SO3形成硫酸气溶胶。烟气温度被迅速冷却至酸露点以下，绝大部分硫酸酸雾通过均相成核作用形成亚微米级的硫酸气溶胶。

（3）脱硫塔对硫酸气溶胶的脱除效率低。硫酸酸雾可与脱硫浆液发生碰撞而被吸收脱除。而硫酸气溶胶主要集中在亚微米级，在上行烟气气流中跟随性好，可以绕过脱硫浆液而从脱硫塔中逸出。因此，脱硫浆液对硫酸气溶胶的脱除作用有限，大部分硫酸气溶胶(30%～50%)会随烟气逸出脱硫塔。

图1 SO3气溶胶绕过脱硫浆液逸出示意图

（4）硫酸气溶胶呈瑞利散射。硫酸气溶胶主要集中在亚微米级，颗粒尺寸与可见光波长接近，其对光线的散射属于瑞利散射。散射形成的短波蓝色光线强度高于透射形成的长波红色光线，从而在光照的反射侧观察烟囱冒烟，呈现蓝色烟羽。反之，在光照的透射侧观察烟囱冒烟，呈现黄色烟羽。

（5）烟气中过量的硫酸气溶胶导致烟囱冒蓝/黄色烟羽。大多数情况下，当排空烟气中硫酸气溶胶(包含SO3)浓度超过35.0mg/m3时，烟囱顶部就会出现明显的蓝/黄色烟羽。硫酸气溶胶的浓度越大，蓝/黄色烟羽的颜色越浓、长度越长。同时，当烟囱顶部区域气象条件，如风速较低、光照较强时，蓝/黄色烟羽更为明显。

3 环保烟囱蓝/黄色烟羽控制

3.1 喷碱性吸收剂

为消除有色烟羽，关键是降低烟气中SO3含量。主要有喷碱性吸收剂，采用化学法吸收烟气中SO3，常见的碱性吸收 剂 有CaO、Ca(OH)2、Na2CO3、MgO、NH3、Mg(OH)2、NaHSO3、天然碱。例如参考文献[3-8]中，美国Gavin电厂，采用Mg(OH)2，Mg/SO3摩尔比为7，SO3脱除率达90%。

采用天然碱Na/SO3摩尔比为1.5，SO3脱除率达90%。Codan公司，采用Mg(OH)2NaHSO3，Na/SO3摩尔比为1.5～2.0，SO3脱除率达94%[3]。

3.2 湿式静电除尘器

湿式静电除尘器(WESP)是一种用来处理含湿气体的高压静电除尘装置，其作用原理与干式静电除尘器相同，都是靠高压电晕放电使粉尘荷电，荷电后的粉尘在电场力的作用下达到集尘板/管。

WESP主要用于除去含湿气体中的尘、酸雾、水滴、气溶胶、PM2.5等。WESP可布置在脱硫塔内，也可布置在烟道内，收集从洗涤塔逃逸出来的细小硫酸雾滴，其对S03的脱除率可达95%，超过80℃后效果明显下降。但是，设备投资费用较高，需要整体评价其技术经济性和运行成本[3]。

3.3 降低烟气温度

降低烟气温度至酸露点以下，使硫酸酸雾冷凝、收集、脱除。可以采用烟气冷却器、省煤器等对烟气进行降温。对气量小的烟气适用，冷却元件材质要求耐腐蚀，且应设置清洗排污口。

4 可见烟羽控制实例

某铜冶炼厂年矿产粗铜30万吨，采用富氧侧吹炉熔炼、PS转炉吹炼、回转式阳极炉精炼的火法冶炼工艺。环集烟气由侧吹炉放铜口、渣口烟气、转炉环集烟气和阳极炉环集烟气和炉膛工艺烟气组成。处理工艺为布袋除尘器除尘后，采用石灰石石膏法脱硫工艺。在晴天通视条件良好时，出现“可见烟羽”现象。通过布袋荧光粉检漏，可以排除布袋除尘器布袋破损造成的烟囱冒烟。且在线监测各污染物排放数据正常。

分别对环集脱硫进出口烟气进行SO3的含量测量，结果见表1。可见环集烟囱出现的可见烟羽与SO3的含量有直接的关系。

阳极炉因采用稀氧燃烧的方式供热，燃料为天然气。转炉粗铜含硫一般在300ppm，如欠吹粗铜含硫偏高500ppm甚至更高。

阳极炉在氧化阶段因粗铜含硫一般控制在200ppm左右。阳极炉在富氧燃烧条件下，SO3发生率高[7]。为防止阳极炉布袋结露，一般控制阳极炉布袋出口温度在烟气露点（约150℃）以上运行。但是高的烟气温度（≧150℃）与转炉环集烟气（约45℃）进行混合时，因转炉环集烟气温度较低，气量大。

在混合过程中，发生骤冷而迅速雾化。阳极炉工艺烟气在骤冷条件变化下，形成大量硫酸气溶胶。硫酸气溶胶进入石灰石石膏法脱硫系统后，脱除率仅在30%左右。给尾期排放造成影响。

表1 环集烟气温度及SO3含量

为降低SO3含量，在阳极炉收尘风机出口增设烟气降温设施硫酸气溶胶捕集塔，使烟气温度降至露点以下。降低烟气温度后，一是部分SO3已经在捕集塔内凝结而去除，另外进入混气室后，也不会因温差较大而大量形成硫酸气溶胶。给湿法脱硫创造有利条件。

见改造后环集烟气工艺流程图2。该厂通过降低阳极炉烟气SO3含量，使得环集排放烟气SO3含量降低。有效解决了可见烟羽现象。

图2 环集烟气处理工艺流程图

5 结论

目前铜冶炼环集烟气执行GB25467-2010《铜镍钴工业污染物排放标准》。

SO2和酸雾的排放限值为400mg/m3、45mg/m3，特殊地区执行100mg/m3、20mg/m3排放限值[11]。

在本实例中排烟烟气SO3含量为5ppm时，羽烟的不透明度增加，出现可见烟羽现场。实践证明用降低烟气温度的方法来降低SO3的排放浓度从而控制有色烟羽现象的发生是行之有效的方法。各铜冶炼厂应针对环集处理的工艺，着重解决SO3排放问题，有些位于城市主城区及环境空气敏感区的铜冶炼厂应采取有效措施消除有色烟羽等现象。