冶炼烟气制酸技术及控制研究进展

冶炼烟气制酸技术及控制研究进展

孙振蛟

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摘要：铜、锌、铅、钴等有色金属是我国国民经济和国防工业发展的重要战略物资,同时也是制造飞机、火箭、导弹、计算机等众多装备的原材料。因此,在我国的工业生产中,有色金属的生产已经占有举足轻重的地位。有色金属冶炼是反映一国综合实力和工业发展程度的重要指标。《德国工业4郾0》的提出及《中国制造2025》和碳达峰碳中和实施方案的出台,对于有色金属冶炼企业的绿色、可持续发展提出了更高的要求。

关键词：冶炼烟气制酸技术；控制研究；进展

引言

在自然界中,有色金属矿物通常以硫的状态存在,导致在熔化阶段产生大量含有二氧化硫的烟气。在冶炼工艺、设备和原材料的影响下,有色熔化气体种类相对较多,而烟气性质、烟气量存在较大差异,存在一定的波动,烟气浓度、二氧化硫分布范围相对较宽,这对烟气环境管理工作的发展提出了严峻的挑战。近年来,在有色冶炼工业快速发展的过程中,有色金属的生产能力和生产呈现快速增长的状态,在许多有色金属冶炼中,我国已达到世界先进水平。从冶炼气-硫酸环境管理技术的发展来看,同样呈现出多元化发展趋势,不同浓度的二氧化硫烟雾采用不同的处理方法。通过在世界工业化中引进先进的技术和设备,我国在烟气脱色和环保管理方面取得了显着的成就,为生态环境保护提供了可靠的保障。

1.冶炼烟气制酸的发展历史

硫酸作为最重要的工业原料之一,用途相当广泛,但是直到15世纪下半叶才首次制取得到。当时以黑色金属铁的化合物———绿矾石(FeSO4·7H2O)为原料,通过对其进行加热、分解、吸收来制取硫酸。1746年,英国建立了第一个运用亚硝基法制取硫酸的工厂,标志着产品酸的制取取得了突破性的进展。到了1940年,石油、化工、冶炼等行业的兴盛,对硫酸的产量和浓度提出了更高的要求,即需要发烟硫酸。由于传统的硫酸生产工艺已经无法满足工业发展的需求,接触法制取硫酸就此诞生,并在20世纪初迅速发展。接触法生产硫酸主要是通过冶炼含硫的金属化合物得到SO2,再经催化氧化得到三氧化硫(SO3),三氧化硫与水发生反应生成硫酸。上述即为冶炼烟气制酸的基本原理。接触法制取硫酸过程中采用低成本、活性好的五氧化二钒作为催化剂,大大提高了生产效率。

2.有色冶炼技术的进展

经过十多年的发展,中国铜冶炼行业的面貌发生了巨大的变化,小企业基本上被市场淘汰,大中型冶金企业借助先进的冶炼技术,提高了市场竞争力。在目前铜冶炼行业的发展阶段,我国在吹制和熔化技术方面取得了显着的成就,集中于世界先进的氧气地板风扇熔化,氧气风扇熔化,氧气风扇熔化和闪蒸炉熔化技术。熔铜的直接回收率可达98%,硫的回收率可达98%以上。经过中国恩菲与山东广场的彩色合作,通过开发富氧接地气泡铸造技术,可以实现与国外的侧面和接地气泡效应,将成为目前铜冶炼行业发展的主流技术。近年来,我国在吹塑技术方面也取得了显著的成就,不仅改进了传统的变频器吹塑技术,而且实现了奥斯米炉吹塑技术和闪电炉吹塑技术。在自主开发的道路上也取得了显著的成绩,双炉连续吹制技术可以实现高达99%的硫固化率,同时平衡酸生产系统中的烟气。在这些先进的熔化和干燥技术的影响下,烟气中二氧化硫的浓度增加。近年来,我国再生铜冶炼的发展取得了显着成效,技术水平不断提高,不仅传统的气泡冶炼,固体反射器冶炼技术得到了提高,同时引进国外先进技术,在不断创新的过程中,发展出炼油厂自主知识产权、NGL炉和吹风机,甚至在某些技术装备方面,都超过了国外水平,在许多大型再生铜冶炼项目中得到了广泛的应用,以达到提高再生铜冶炼行业的环境管理水平。

3.冶炼烟气制酸系统控制过程研究

3.1烟气制酸系统预测与优化

为确保冶炼烟气制酸系统的稳定运行,需要对多个变量的设定值进行优化,并根据预测值与设定值的偏差实现烟气制酸系统的实时优化,而近年来许多研究人员都在对该研究领域不断进行探索。Bahman等设计了一种多层前馈神经网络对烟气制酸过程中的硫酸暴露位置进行预测,研究表明所提模型在烟气回收系统中预测准确性相当高。Wang等针对“两转两吸冶流程中SO2转化率难以直接在线测量的问题,根据化学反应过程进行建模,采用软测量技术进行预测,选取辅助变量并采用BP神经网络进行研究,表明BP神经网络拟合和预测效果优于多元线性回归模型且模型具有较高的预测精度,可用于SO2转化率的在线预测。寇文奇[28]以转化器各段入口温度为优化变量,以SO2转化率最大为优化目标,利用遗传算法和下山单纯形法求解转化器入口温度的优化设定问题;同时,采用修正的自适应实时优化方法解决催化剂活性导致模型参数失配的问题,并验证了该方法的有效性。Jia等[30]对烟气制酸转化器入口温度实时优化进行研究,设计了调节器自适应策略,采用调节因子进行实时优化,研究表明所提优化策略的收敛速度和SO2转化率均有所提高。设定值的优化过程分为2个阶段:优化目标的模型建立与求解。在建立目标函数模型时,考虑到烟气制酸过程具有非线性、大滞后等特性,而机理法建模又存在一定的局限性,只有采用数据驱动的方法才可以构建更准确的SO2转化率、硫酸产量和能源消耗预测模型。同时,冶炼烟气制酸系统设定值优化过程中,SO2转化率、硫酸产量、能源消耗等目标函数不仅与转化器入口温度等决策变量有关,而且还会随着时间、环境等因素动态变化。显然,传统的静态多目标优化算法已经不再适用这种情况,因此,可采用动态多目标进化算法。动态多目标进化算法能够有效地求解随时间变化的非线性、不可导的多目标优化问题,根据种群进化的规则优化相互冲突的目标,得到一组最优解集供决策者做出决策。动态多目标优化算法框架,该算法对环境的变化较为敏感,并且快速对其做出响应,而后利用静态多目标优化算法进行求解。因此表明了动态多目标优化与静态多目标优化之间的联系。

3.2重视废热回收利用

在社会经济快速增长的情况下，必须有足够的能源，特别是在供应和需求之间的紧张关系在彩色炼油厂的快速增长阶段，重点是在烟酸中使用废热，在系统中保持热量平衡，优化现有的废热回收系统，最大限度地提高系统运行效率，从烟酸中吸收热量，制造低压蒸汽和制造低压能源， 降低能源消耗，实现炼油厂碳中和目标，如河南中原黄金钢铁有限公司，通过不断引进国际先进技术、加强自主创新，已成为全国最大的铜精炼厂，同时也是世界上最大的生产企业，通过增加废物回收来有效控制生产成本。

结束语

目前,关于冶炼烟气制酸的工艺流程、建模、优化和控制等方面已经取得大量研究成果,可以发现我国的冶炼烟气制酸的总体水平已经得到长足发展,技术水平和发展规模均进入世界前列.但是,目前所采用的技术和控制算法对于处理超高浓度的SO2烟气和复杂工况下的烟气制酸问题,仍存在着一定的局限性.针对上述技术瓶颈,分别从烟气制酸工艺流程、建模、优化和控制等几个方面对技术难点进行了分析探讨,展望了今后的发展趋势.

参考文献

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[2]刘磊.有色冶金技术的现状与发展探讨[J].中国金属通报,2021(8):21.22.

[3]张莹婷.《中国制造2025》解读之:绿色发展是大势所趋、潮流所向[J].工业炉,2021,43(4):62

[4]马静玉,程东波.碳中和愿景下金属矿产行业的挑战与机遇[J].科技导报,2021,39(19):48.55.