CN109364734B - 一种降低有色金属冶炼烟气处理过程中污酸产量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低有色金属冶炼烟气处理过程中污酸产量的方法，该方法是将有色冶炼烟气通入还原塔内，与还原塔内部填充的硫碳复合颗粒接触反应，使得有色冶炼烟气中三氧化硫还原为二氧化硫，该方法可以适应高温烟气中三氧化硫的脱除，且还原效率高，解决了硫磺固定床还原过程中无法适应高温烟气脱硫过程，易熔化和板结，导致固定床堵塞的问题，以及固体硫磺与烟气接触面积小，在低温下脱硫效率低等缺陷。

Description

一种降低有色金属冶炼烟气处理过程中污酸产量的方法
技术领域
本发明涉及一种有色金属冶炼烟气的处理方法，特别涉及一种利用硫碳复合颗粒作为还原剂将有色冶炼烟气中三氧化硫还原为二氧化硫，以降低污酸产生的方法，属于有色金属冶炼烟气处理技术领域。
背景技术
污酸是有色冶炼焙烧、熔炼过程产出的二氧化硫烟气制酸系统产出的副产物，其主要成分为硫酸(50-200g/L)、氟(500-2000mg/L)、氯(1000-4000mg/L)、砷(100-1500mg/L)以及少量的有价金属。由于污酸成分复杂、杂质含量高、有价成分含量低，因而回收价值不高，难以被利用，当前主要采用石灰中和法处理。尽管石灰中和法解决了污酸无处可去的难题，但与此同时，中和过程中产生了大量的废水和废渣，特别是高杂石膏渣的产生，其需要特定堆存管理，使得企业背负巨大的成本和环保压力。
针对污酸处理，科研工作者开展了系统的研究，也取得了一些进展。由于污酸中最有价值的部分是硫酸，因而研究人员针对污酸提出了各具特色的酸回收工艺，如利用氟化氢、氯化氢易于挥发的特性，采用蒸发浓缩工艺，不仅脱除氟、氯杂质，还可获得高浓度硫酸。除了蒸发浓缩外，也有学者提出反渗透膜、电渗析等处理工艺。尽管这些工艺可脱除部分杂质，但所得硫酸纯度仍然较低，且处理成本较高，难以被产业化应用。也有学者提出，直接将污酸返回生产系统使用，然后利用生产系统中净化工序进行杂质脱除，这一工艺较为简单，但导致净化系统负荷剧增，使得生产系统的可控性降低，且大量低浓度污酸的引入，易导致生产系统出现酸膨胀和水膨胀的问题。因此，针对污酸的综合利用研究仍有待完善。此外，研究人员主要针对污酸的综合利用开展工作，鲜有考虑如何减少污酸的产量的思路。曾有研究人员提出控制焙烧和熔炼过程的氧势，以避免硫的过氧化反应(2SO2+O2＝2SO3)，尽管这一方法可以降低烟气中三氧化硫的浓度，但氧势降低导致焙烧和熔炼反应进行不彻底、且使得烟气中二氧化硫浓度降低，不利于制酸。
现有技术中，专利申请号为201711276876.9的“消除烟气中三氧化硫的方法”，提供了一种向烟气中喷入H2S来消除烟气中三氧化硫的技术。尽管H2S可以消除烟气中的氧气和三氧化硫，但H2S的还原选择性不高，其不仅可与SO3反应，还可优先与氧气和SO2反应，致使H2S耗量大，处理成本高。此外，由于H2S属于易燃易爆、且具有剧毒的气体，这使得应用这一技术面临较大的安全和环境风险。
专利申请号为201310646912.1的“三氧化硫和硫磺生产液体二氧化硫的方法及设备”，介绍了一种利用块状固体硫磺脱除混合气体中三氧化硫的方法。由于该方法所提及的混合气体温度较低，且反应器带有冷却装置，从而能保证硫磺块不板结和熔化，然而冶炼烟气温度较高(通常大于150℃)，含尘量较高，且烟气量较大(通常2～6万立方米/h)，无法进行冷却，在这种条件下，固体硫磺将被熔化，从而阻塞气路，导致生产事故。当然，更为关键的，冶炼烟气中三氧化硫浓度较低，通常仅为0.2～0.6％，而受反应界面的影响(块状硫磺)，这一方法还原三氧化硫的效果有限，难以取得良好的效果。
基于现有方法存在诸多不足的原因，无论是通过控制氧势的方法，还是以硫化氢为代表的还原法，并未被冶炼厂所采用，因而，业界亟需开发治理污酸的有效方法。
发明内容
针对现有技术中，有色冶炼烟气三氧化硫脱除过程中，采用硫磺固定床还原过程中无法适应高温烟气脱硫过程，硫磺易熔化和板结，导致固定床堵塞的问题，以及固体硫磺与烟气接触面积小，在低温下脱硫效率低等缺陷，本发明的目的是在于提供一种利用硫碳复合颗粒作为还原剂还原有色冶炼烟气中三氧化硫的方法，可以适应高温烟气中三氧化硫的脱除，且还原效率高，有利于工业化生产。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种降低有色金属冶炼烟气处理过程中污酸产量的方法，该方法是将有色冶炼烟气通入还原塔内，与还原塔内部填充的硫碳复合颗粒接触反应，使得有色冶炼烟气中三氧化硫还原为二氧化硫。
优选的方案，所述硫碳复合颗粒由硫磺负载在多孔碳颗粒上构成。
本发明的硫碳复合颗粒制备工艺：根据配方称取硫磺和活性炭，将其在混料机中预混均匀后，然后将混合好的料加入到捏合机中，控制温度为85℃，转速为1200rpm，高速捏合15min；最后，采用慢速排料制粒，控制粒度在+100目～–20目。
较优选的方案，所述硫碳复合颗粒中多孔碳颗粒与硫磺的质量百分比组成为20～70％:30～80％。
较优选的方案，所述硫碳复合颗粒的粒度+100目～–20目。
优选的方案，所述有色冶炼烟气的三氧化硫浓度大于0.05％。
较优选的方案，所述有色冶炼烟气为有色金属硫化矿的焙烧、熔炼过程所产生的二氧化硫烟气(如铜、铅、锌、锡、锑、钴、镍、金等有色金属硫化矿的焙烧)，和/或黄铁矿原料制酸过程所产生的二氧化硫烟气。
优选的方案，所述冶炼烟气的温度在95～400℃。
优选的方案，所述冶炼烟气在还原塔中的停留时间不少于55s。
本发明选择硫碳复合颗粒作为有色金属冶炼烟气中三氧化硫的还原剂，将烟气中的三氧化硫从源头脱除，防止污酸的产生。由于污酸是烟气中的三氧化硫溶于水形成，而非二氧化硫的溶解，因而要彻底解决污酸的产生，关键在于如何降低或消除烟气中的三氧化硫含量。考虑到三氧化硫是硫化物过氧化的产物，本发明提出采用硫磺为还原剂，硫磺相对硫化氢等硫化物还原剂，其选择性好，可以选择性还原三氧化硫，而避免二氧化硫被还原而降低硫酸产量。然而，硫磺熔点较低(114℃)，而有色金属冶炼烟气温度通常大于200℃，这使得硫磺颗粒遇到烟气后熔融，导致反应界面减小，甚至造成气路阻塞问题，同时单一的硫磺颗粒通常较为致密，而烟气中的三氧化硫浓度较低，这使得采用硫磺颗粒作为还原剂的还原反应效率较低。本发明的技术方案首次提出采用硫碳复合颗粒作为还原剂，由多孔碳材料作为硫磺的支撑体材料，即使在高温下仍然具有较高的机械强度，且高温下硫磺融化后，仍然被吸附在多孔碳的孔道中，有效避免了硫磺融化结板，导致气路堵塞的问题，同时多孔碳颗粒为硫磺提供更大的反应界面，有利于提高硫与烟气的接触反应面积，提高反应效率。另外，多孔碳本身属于介孔材料，其有助于促进氧化还原反应的进行，强化了三氧化硫的还原反应。
本发明技术方案通过在现有二氧化硫烟气洗涤系统之前，利用硫碳复合颗粒作为还原剂增加预还原工序，使得烟气中的三氧化硫被还原为二氧化硫，从而显著降低烟气在波利登洗涤时的污酸量，并提高硫酸产率。
本发明的还原塔简图如图所示。还原塔为常见的固定床式还原塔，以硫碳复合颗粒作为固定床填充材料。固定床可以设置多层，如图1中设有7层硫碳复合颗粒填充层，每一层均设有备用排气口和物料进出口，物料进出口主要用于硫碳复合颗粒进料和硫碳复合颗粒反应失效形成的渣料的排出。还原塔的气体入口设置的顶部，气体出口设置在底部。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优势：
1)本发明工艺简单、无需特殊装置，成本低，易于工业化应用。
2)本发明采用硫碳复合颗粒作为还原剂，硫磺为活性物质，而硫磺为常规化学药剂，且使用过程不会引入新的杂质。
3)本发明的硫碳复合颗粒易于获得，使用成本低，且采用硫碳复合颗粒相对硫磺颗粒作为还原剂克服了硫磺颗粒难以适应高温烟气脱除三氧化硫的技术问题，以及硫磺颗粒还原效率低等问题。
4)本发明三氧化硫还原率高，不仅可减少污酸产出，经还原处理后，二氧化硫烟气中三氧化硫的含量可降至0.05％以下，污酸产量降至30％以下；还可提高硫酸产量，具有较好的经济价值。
5)本发明技术方案对环境友好，无废气、废水、废渣产生。
附图说明
图1为有色金属冶炼烟气还原塔结构简图。
具体实施方式
以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制本发明权利要求保护的范围。
实施例1：
以含单质硫为55％，活性炭45％，粒径为40-60目的硫碳复合颗粒为还原剂，将其装入还原反应塔中。然后将二氧化硫烟气(CSO2＝8.55-8.76％、CSO3＝0.42-0.47％、含尘量为106mg/m3)引入到还原反应塔中，控制烟气温度为145-150℃，烟气流量为2.3万m3/h,使得烟气在塔内停留时间为85s，确保烟气中的三氧化硫与硫磺颗粒充分反应。还原塔出口温度为134-136℃，烟气中三氧化硫浓度0.036-0.038％，还原率高达92.15％，同时二氧化硫浓度提高至8.86-8.94％，污酸的产出量由之前的18.2m3/h降低至2.4m3/h，污酸减量化效果明显。
对比例1：
以含单质硫为98％，粒径为40-60目的硫磺颗粒为还原剂，将其装入还原反应塔中。然后将二氧化硫烟气(CSO2＝8.55-8.76％、CSO3＝0.42-0.47％、含尘量为106mg/m3)引入到还原反应塔中，控制烟气温度为145-150℃，烟气流量为2.3万m3/h,使得烟气在塔内停留时间为85s，确保烟气中的三氧化硫与硫磺颗粒充分反应。还原塔出口温度为122-133℃，烟气中三氧化硫浓度降至0.27-0.31％，还原率高达31.48％，同时二氧化硫浓度提高至8.68-8.81％，污酸的产出量由之前的18.2m3/h降低至14.2m3/h，污酸产量有一定的降低。
对比例1与实施例1的区别在于：在实施例1中采用硫碳复合颗粒作为还原剂，而对比例1中则采用纯的硫磺颗粒，两者对烟气中三氧化硫的还原效果差异较大，这是因为单一的硫磺颗粒在高温烟气中熔融凝聚，使得硫磺与三氧化硫的反应界面急剧减小，导致对三氧化硫的还原效率降低，而硫碳复合颗粒在高温烟气中仍能保持原有的形态，从而能够确保对三氧化硫的还原效率。此外，活性炭的高吸附性能也可促进还原反应的进行。
实施例2：
以含单质硫为55％，活性炭45％，粒径为60-80目的硫碳复合颗粒为还原剂，将其装入还原反应塔中。然后将二氧化硫烟气(CSO2＝11.48-12.15％、CSO3＝0.87-0.92％、含尘量为72mg/m3)引入到还原反应塔中，控制烟气温度为158-161℃，烟气流量为1.9万m3/h,使得烟气在塔内停留时间为70s，确保烟气中的三氧化硫与硫磺颗粒充分反应。还原塔出口温度为152-157℃，烟气中三氧化硫浓度降至0.039-0.041％，还原率高达96.04％，同时二氧化硫浓度12.14-12.32％，污酸的产出量由之前的27.5m3/h降低至3.2m3/h，污酸产量不到传统工艺的12％，污酸减量化效果明显。
对比例2：
以含单质硫为55％，活性炭45％，粒径为大于180目的硫碳复合颗粒为还原剂，将其装入还原反应塔中。然后将二氧化硫烟气(CSO2＝11.48-12.15％、CSO3＝0.87-0.92％、含尘量为72mg/m3)引入到还原反应塔中，控制烟气温度为158-161℃，烟气流量为1.9万m3/h,使得烟气在塔内停留时间为70s，确保烟气中的三氧化硫与硫磺颗粒充分反应。还原塔出口温度为152-157℃，烟气中三氧化硫浓度降至0.139-0.241％，还原率高达79.54％，同时二氧化硫浓度11.82-12.22％，污酸的产出量由之前的27.5m3/h降低至6.8m3/h，污酸产量有一定的降低。
对比例2与实施例2的差别在于两者所用硫碳颗粒的粒度不一样，对比例所用硫碳颗粒更细，通常细颗粒活性更高，反应界面更大，因而反应效率更高，但是细颗粒也存在易烧结的问题，随着反应时间的延长，反应界面迅速降低。此外，细颗粒易随烟气漂浮，使得填料塔中的硫碳复合颗粒量减少，还原剂用量的减少必然到导致对三氧化硫还原能力的降低。
实施例3：
以含单质硫为55％，活性炭45％，粒径为40-60目的硫碳复合颗粒为还原剂，将其装入还原反应塔中。然后将二氧化硫烟气(CSO2＝3.04-3.21％、CSO3＝0.21-0.24％、含尘量为217mg/m3)引入到还原反应塔中，控制烟气温度为127-138℃，烟气流量为2.7万m3/h,使得烟气在塔内停留时间为68s，确保烟气中的三氧化硫与硫磺颗粒充分反应。还原塔出口温度为116-120℃，烟气中三氧化硫浓度减低至0.011-0.013％，还原率高达94.11％，同时二氧化硫浓度提高至3.11-3.18％，污酸的产出量由之前的9.2m3/h降低至0.7m3/h，污酸减量化效果明显。
实施例4：
以含单质硫为35％，活性炭65％，粒径为70-90目的硫碳复合颗粒为还原剂，将其装入还原反应塔中。然后将二氧化硫烟气(CSO2＝24.15-24.62％、CSO3＝0.76-0.81％、含尘量为156mg/m3)引入到还原反应塔中，控制烟气温度为285-310℃，烟气流量为1.4万m3/h,使得烟气在塔内停留时间为56s，确保烟气中的三氧化硫与硫磺颗粒充分反应。还原塔出口温度为261-277℃，烟气中三氧化硫浓度由0.76％降至0.029％，还原率高达96.81％，同时二氧化硫浓度由24.15％提高至24.62％，污酸的产出量由之前的35.6m3/h降低至3.6m3/h，污酸减量化效果明显。
实施例5：
以含单质硫为60％，活性炭40％，粒径为60-80目的硫碳复合颗粒为还原剂，将其装入还原反应塔中。然后将二氧化硫烟气(CSO2＝15.21-15.47％、CSO3＝0.68-0.71％、含尘量为122mg/m3)引入到还原反应塔中，控制烟气温度为180-196℃，烟气流量为2.1万m3/h,使得烟气在塔内停留时间为76s，确保烟气中的三氧化硫与硫磺颗粒充分反应。还原塔出口温度为165-172℃，烟气中三氧化硫浓度降至0.033-0.037％，还原率高达95.33％，同时二氧化硫浓度提高至15.77-15.86％，污酸的产出量由之前的28.7m3/h降低至2.6m3/h，污酸减量化效果明显。
实施例6：
以含单质硫为75％，活性炭25％，粒径为30-50目的硫碳复合颗粒为还原剂，将其装入还原反应塔中。然后将二氧化硫烟气(CSO2＝20.18-20.52％、CSO3＝1.25-1.32％、含尘量为115mg/m3)引入到还原反应塔中，控制烟气温度为255-263℃，烟气流量为2.4万m3/h,使得烟气在塔内停留时间为62s，确保烟气中的三氧化硫与硫磺颗粒充分反应。还原塔出口温度为238-241℃，烟气中三氧化硫浓度降至0.046-0.049％，还原率高达96.47％，同时二氧化硫浓度提高至21.09-21.18％，污酸的产出量由之前的19.8m3/h降低至2.2m3/h，污酸减量化效果明显。
实施例7：
以含单质硫为78％，活性炭22％，粒径为40-60目的硫碳复合颗粒为还原剂，将其装入还原反应塔中。然后将二氧化硫烟气(CSO2＝10.17-10.51％、CSO3＝0.47-0.51％、含尘量为78mg/m3)引入到还原反应塔中，控制烟气温度为102-108℃，烟气流量为1.7万m3/h,使得烟气在塔内停留时间为105s，确保烟气中的三氧化硫与硫磺颗粒充分反应。还原塔出口温度为95-99℃，烟气中三氧化硫浓度降至0.017-0.021％，还原率高达96.41％，同时二氧化硫浓度由10.17％提高至10.46-10.52％，污酸的产出量由之前的15.2m3/h降低至0.8m3/h，污酸减量化效果明显。

Claims (5)

1.一种降低有色金属冶炼烟气处理过程中污酸产量的方法，其特征在于：将有色冶炼烟气通入还原塔内，与还原塔内部填充的硫碳复合颗粒接触反应，使得有色冶炼烟气中三氧化硫还原为二氧化硫；
所述硫碳复合颗粒由硫磺负载在多孔碳颗粒上构成；
所述硫碳复合颗粒中多孔碳颗粒与硫磺的质量百分比组成为20～70％:30～80％；所述冶炼烟气的温度在95～400℃。
2.根据权利要求1所述的一种降低有色金属冶炼烟气处理过程中污酸产量的方法，其特征在于：所述硫碳复合颗粒的粒度为+100目～–20目。
3.根据权利要求1所述的一种降低有色金属冶炼烟气处理过程中污酸产量的方法，其特征在于：所述有色冶炼烟气的三氧化硫浓度大于0.05％。
4.根据权利要求3所述的一种降低有色金属冶炼烟气处理过程中污酸产量的方法，其特征在于：所述有色冶炼烟气为有色金属硫化矿的焙烧、熔炼过程所产生的二氧化硫烟气，和/或黄铁矿原料制酸过程所产生的二氧化硫烟气。
5.根据权利要求1所述的一种降低有色金属冶炼烟气处理过程中污酸产量的方法，其特征在于：所述冶炼烟气在还原塔中的停留时间不少于55s。
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