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硫酸系统水平衡分析计算和生产实践 都立珍王举良 烟台鹏晖铜业有限公司， 山东 烟台 264002 摘要 在硫酸系统中， 通过水平衡分析计算烟气带入净化工序的 SO2体积分数和含水量， 确定净化工序的能力， 控制干 燥塔进口烟气温度， 使干吸工序生产出合格产品; 通过计算， 烟气带入净化工序的水量小于产品带出的水量， 制酸净化 污水经过污水处理工序处理后返回到净化工序重复使用， 实现净化污水零排放， 消除对环境的污染。 关键词 硫酸; 水平衡; 分析计算; 生产实践 WATER BALANCE CALCULATION AND PRODUCTION PRACTICES OF SULFURIC ACID SYSTEM Du LizhenWang Juliang Yantai Penghui Copper Industry Co． ，Ltd，Yantai 264002， China AbstractThe water content and SO2concentration in the purification process can be calculated by water balance of sulfuric acid system，so as to determine the ability of the purification process and control flue gas temperature of drying tower inlet， thus making the dry absorption process produce qualified products． It can be found out by calculation that water content in the purification process is less than that in the product． The wastewater from acid-making can be returned to the purification process after its treatment by wastewater treatment process， by which zero-discharge of the purified wastewater is realized． Keywordssulfuric acid;water balance;analysis and calculation;production practice 1硫酸系统水平衡的作用和范围 水平衡是一项重要的资源管理工作， 即在水平衡 测试的基础上， 分析节水潜能， 加强水资源的节约、 保 护和科学利用， 努力提高水的利用率， 以保证经济社 会的可持续发展。 水是硫酸生产的主要资源， 硫酸生产企业应根据 用水原始记录和用水系统流程的实际情况， 定期进行 企业水平衡测试工作， 节约用水， 减少废水排放， 改善 环境， 节流减污是一项重要措施。通过水平衡分析， 计算烟气带入净化工序的 SO2体积分数和含水量， 可 确定净化工序的能力， 控制干燥塔进口烟气温度， 使 干吸工序生产出合格产品; 通过计算， 烟气带入净化 工序的水量小于产品带出的水量， 制酸净化污水经过 污水处理工序处理后返回到净化工序重复使用， 实现 净化污水零排放， 可有效消除对环境的污染。 硫酸系统水平衡主要包括工艺水平衡和冷却水 平衡， 本文只探讨工艺水平衡。 2硫酸系统干吸工序水平衡 2. 1干吸工序水平衡的目的 干吸工序水平衡主要是为了分析计算进入干吸 工序的烟气带入的水量和干吸工序产出的产品带出 的水量， 并控制前者小于后者， 使干吸工序生产出合 格产品。 2. 2干吸工序水平衡的分析计算 2. 2. 1进入干吸工序和干吸工序送出的水量分析 进入干吸工序的水量主要是进入干吸工序的烟 气带入的水量; 其次是为了调整吸收酸循环槽的酸浓 度， 向吸收酸循环槽加入的少量的水。干吸工序送出 的水量主是干吸工序产出的产品带出的水量; 其次是 尾气带出的水量， 此水量很少， 可忽略不计。 2. 2. 2转化进口烟气 SO2体积分数与干燥塔进口烟 气温度的计算 转化进口烟气 SO2体积分数为 A; 干燥塔进口烟 气负压为 PIN， 烟气中水蒸气分压为 PH 2O; 转化率为 X; 吸收率为 Y; 当地大气压力为 P; 93 H2SO4含 24. 09 的 H2O 和 75. 91 的 SO3;98 H2SO4含 20. 01 的 H2O 和 79. 99 的 SO3; H2O 的摩尔质量 为18. 02 g/mol; SO3的摩尔质量为80. 06 g/mol; 摩尔 611 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 气体常数 R。 生产 93 H2SO4， 转化进口烟气 SO2体积分数与 干燥塔进口烟气温度的关系， 见式 1～ 式 3 18. 02PH2O R P － PIN R P － PIN 80. 06AXY P － PIN－ PH2O 24. 09 75. 91 1 PH2O 1. 4099AXY P － PIN 1 1. 4099AXY 2 设 X 99. 50 ， Y 99. 99 ， P 100 792 Pa， PIN 7 500 Pa， 则有 PH2O 130 860A 1 1. 4027A 3 生产 98 H2SO4， 转化进口烟气 SO2体积分数与 干燥塔进口烟气温度的关系， 见式 4～ 式 6 18. 02PH2O R P － PIN R P － PIN 80. 06AXY P － PIN－ PH2O 20. 01 79. 99 4 PH2O 1. 1114AXY P － PIN 1 1. 1114AXY 5 设 X 99. 50 ， Y 99. 99 ， P 100 792 Pa， PIN 7 500 Pa， 则有 PH2O 103 160A 1 1. 1057A 6 转化进口烟气 SO2体积分数 A 与干燥塔进口烟 气中水蒸气分压 PH2O有一个对应关系， 而干燥塔进口 烟气中水蒸气分压 PH2O是温度的单调函数， 也就是 说， 转化进口烟气 SO2体积分数 A 与干燥塔进口烟气 温度有一个对应关系， 见表 1。 表 1转化进口烟气 SO 2体积分数与 干燥塔进口烟气温度的关系 转化进口烟气 SO2浓度 / 生产 93 H2SO4时干燥 塔进口烟气温度 /℃ 生产 98 H2SO4时干燥 塔进口烟气温度 /℃ 4. 032. 728. 7 4. 534. 730. 7 5. 036. 532. 4 5. 538. 134. 1 6. 039. 635. 5 6. 541. 036. 9 7. 042. 338. 2 7. 543. 539. 4 8. 044. 640. 5 8. 545. 741. 5 从表 1 看出 转化进口烟气 SO2体积分数一定 时， 生产 93 H2SO4或者生产 98 H2SO4， 干燥塔进 口烟气温度有一个对应数值。实际生产时， 控制干燥 塔进口烟气温度要比理论计算值略微低一些， 防止干 吸工序循环酸浓度降低， 造成干燥效率或吸收效率降 低， 排放的尾气冒白烟， 达不到环保排放标准; 或者是 成品酸浓度降低， 达不到合格品的要求。 3硫酸系统净化工序水平衡 3. 1净化工序水平衡的目的 净化工序水平衡是为了分析计算进入净化工序 的水量和净化工序送出的水量， 使净化工序中净化烟 气的洗涤液数量稳定在一个合理的范围， 达到平衡， 保持净化工序烟气净化设备的正常运行， 为转化工序 和干吸工序提供净化指标合格的烟气。 3. 2净化工序水平衡的分析计算 3. 2. 1进入净化工序和净化工序送出的水量分析 进入净化工序的水量主要是进入净化工序的烟 气带入的水量; 其次是净化工序产出的污水送到污水 处理工序处理后的回用水; 还有一小部分是补充净化 烟气的洗涤液的水， 这部分水一般是用净化工序的循 环冷却水系统的排污水， 使水资源充分利用。净化工 序送出的水量主要是净化工序送给干吸工序的烟气 带出的水量; 其次是净化工序产出的送到污水处理工 序的污水。 3. 2. 2进入净化工序和净化工序送出的水量计算 SO2净化收率为 99. 0 ， 转化率为 99. 50 ， 吸 收率 为 99. 99 ， 93 H2SO4含 24. 09 的 H2O 和 75. 91 的 SO3; 98 的 H2SO4含 20. 01 的 H2O 和 79. 99 的 SO3;H20 的摩尔质量为18. 02 g/mol; SO3 的摩尔质量为80. 06 g/mol; 要保证干吸工序生产出 合格产品， 硫酸系统净化污水零排放; 进入净化工序 的烟气的 H2O 含量 H 2O与 SO2 体积分数 SO2的关系 计算如下 生 产93H2SO4，H2O / SO2 24. 09 75. 91 99. 0 99. 50 99. 99 80. 06 18. 02 1. 389; 生 产98H2SO4，H2O / SO2 20. 01 79. 99 99. 0 99. 50 99. 99 80. 06 18. 02 1. 095。 4硫酸系统污水处理工序水平衡 4. 1污水处理工序水平衡的目的 污水处理工序水平衡是为了分析计算进入污水 处理工序的水量和污水处理工序送出的水量， 使污水 处理工序正在处理和处理后的净化液体数量稳定在 一个合理的范围， 达到平衡， 使净化污水零排放， 彻底 711 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 消除净化污水对环境的污染。 4. 2污水处理工序水平衡的分析计算 4. 2. 1进出污水处理工序的水量分析 进入污水处理工序的水量主要是净化工序送到 污水处理工序的净化污水; 还有一部分是污水处理工 序用于配制石灰乳、 硫酸亚铁、 硫化钠的水。污水处 理工序送出的水量主要是送给净化工序的回用水; 其 次是返回到污水处理工序用于配制石灰乳、 硫酸亚 铁、 硫化钠的水; 还有一部分是污水处理工序处理后 的外排水及污水处理工序水的损耗量。 4. 2. 2硫酸系统净化污水零排放的理论依据 硫酸系统净化污水零排放的理论依据有 3 点 1 进入硫酸系统烟气带入的水量小于成品硫酸带出 的水量; 2 进入硫酸系统烟气带入的杂质量与污水 处理工序液固分离出来的杂质量达到平衡; 3 净化 污水达到零排放， 则污水处理的标准不用达到外排标 准， 杂质在内部循环， 只要回用水对净化指标不影响， 可适当放宽处理标准。 4. 2. 3进出污水处理工序的水量计算 污水处理工序用于配制石灰乳、 硫酸亚铁、 硫化钠 的水全部用污水处理后返回的水; 进入污水处理工序 的净化污水量等于污水处理工序送到净化工序的回用 水量和污水处理工序水的损耗量; 外排污水为零; 这是 污水处理工序达到净化污水零排放的水量计算。 5硫酸系统水平衡分析计算的实例 5. 1基本情况 烟台鹏晖铜业有限公司始建于 20 世纪 70 年代， 1995 年新上一套铜冶炼和炼铜烟气制酸系统， 冶炼 采用富氧密闭鼓风炉熔炼和连续吹炼炉吹炼工艺， 制 酸采用绝热增湿稀酸洗涤净化、 两转两吸工艺。产生 的污水送到污水站处理， 污水中的砷、 铜等重金属离 子与加入的硫化钠反应， 生成难溶的硫化砷、 硫化铜 沉淀， 经浓密机、 压滤机进行固液分离， 上清液经电石 渣 － 硫酸亚铁工艺进一步中和处理后达标排放。这 种污水处理工艺虽能达标排放， 但造成了水资源的浪 费， 排放的水中含有害杂质对环境造成了污染。经合 理调节水质、 水温、 水量， 保证生产稳定顺行， 同时降 低水消耗和电耗， 实现了净化污水零排放。经过几次 改造， 硫酸系统水质、 水温、 水量的调节更加合理， 硫 酸系统用水工艺流程见图 1。 图 1硫酸系统用水工艺流程 图 2改造后的水回用工艺流程 改造后的水回用工艺流程见图 2。 污水处理工序原来配制电石渣、 硫酸亚铁、 硫化 钠用井水， 用水量3. 500 t/h。净化污水送到污水处 理工序， 处理后的净化污水达标排放或返回到净化工 序循环使用; 如果要实现净化污水零排放， 污水处理 工序原来配制电石渣、 硫酸亚铁、 硫化钠的水必须改 811 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 为处理后的回用水， 才能使污水处理后剩余返回到净 化工序的回用水量小于净化工序送到污水处理工序 的污水量， 使净化工序净化烟气的洗涤液储存量和污 水处理工序的回用水储存量都不增加， 避免储液设备 中的液体充满储液槽后向其他地方排放， 这是实现净 化污水零排放的基本条件之一。 5. 2基本条件和数据 进入净化工序的烟气量 65 000 m3/h， 烟气 SO2 体积分数为 7 ， 含 H2O 为 6. 5 ; 当地大气压 P 100 792 Pa; 干燥塔进口烟气负压 PIN 7 500 Pa， 烟 气中水蒸气分压为 PH2O; SO2净化收率为 99. 0 ; 转 化率为 99. 50 ; 吸收率为 99. 99 ; 98 H2SO4含 20. 01 的 H2O 和 79. 99 的 SO3; H2O 的摩尔质量 为 18. 02 g/mol;SO3的 摩 尔 质 量 为 80. 06 g/mol; H2SO4的摩尔质量为98. 08 g/mol。 5. 3干吸工序、 净化工序、 污水处理工序水平衡计算 转化进口烟气量 Q 65 000 ［ 1 － 7 1 － 99. 0 － 6. 5］ 60 730 m3/h; 转化进口烟气 SO2体积分数 A 7 99. 0 ［ 1 － 7 1 － 99. 0 － 6. 5］ 7. 42 ; 98 H2SO4产量 60 730 7. 42 99. 50 99. 99 22. 414 98. 08 1000 98 20. 018 t/ h; 98 H2SO4带 出 水 量 20. 018 20. 01 4. 006 t/h; 进入 净 化 工 序 的 烟 气 带 入 水 量 65 000 6. 5 22. 414 18. 02 1 000 3. 397 t/h; PH2O 103 160 A 1 1. 1057A 103 160 7. 42 1 1. 1057 7. 42 7 074 Pa 查表 39 ℃ 水饱和蒸汽压力为6 991 Pa， 40 ℃ 水 饱和蒸汽压力为7 375 Pa; 计算出39. 2 ℃ 水饱和蒸汽 压力为7 068 Pa， 39. 3 ℃ 水饱和蒸汽压力为7 106 Pa; 实际生产时， 控制干燥塔进口烟气温度39 ℃ 。 进入 干 吸 工 序 的 烟 气 带 入 的 水 量 60 730 100 792 － 7 500 － 6 991 6 991 22. 414 18. 02 1000 3. 955 t/h; 吸收酸循环槽加入 的水 量 4. 006 － 3. 955 0. 051 t/h。 干吸工序水量平衡见表 2。净化工序水量平衡 见表 3。污水处理工序水量平衡见表 4。 表 2干吸工序水量平衡 t/h 项目带入水量项目带出水量 进入干吸烟气3. 955产出成品4. 006 补充新水0. 051 合计4. 006合计4. 006 表 3净化工序水量平衡 t/h 项目带入水量项目带出水量 进入净化烟气3. 397送到干吸烟气3. 955 回用水19. 500送出污水20. 000 补充新水1. 058 合计23. 955合计23. 955 表 4污水处理工序水量平衡 t/h 项目带入水量项目带出水量 进入净化污水20. 000返回净化回用水19. 500 污水处理用水3. 500返回污水处理用水3. 500 损耗0. 500 合计23. 500合计23. 500 注 污水在处理过程中水的损耗 蒸发和渣带走 按 0. 500 t/h 计 5. 4效果 2007 年 9 月， 烟台鹏晖铜业有限公司开始将铜 熔炼的富氧密闭鼓风炉改为富氧侧吹溶池熔炼炉， 于 2008 年 2 月投产。2008 年 7 月， 对硫酸系统的污水 处理设施进行改造。新增多级沉淀池、 清水池及配套 的泵和管道， 空塔喷头改为防堵型喷头。 由于处理后的水循环使用会出现硬度增加和无 机盐积累的情况， 长时间使用会在供水管道结垢， 为 此埋地及架空管道加法兰连接， 结垢到一定程度时可 及时拆卸清理; 为防止回用水中的固体杂物堵塞回用 水泵和供水管道， 回用水泵进口管前端加过滤网。 改造后的污水处理设施于 2008 年 10 月投入使 用， 将外排的水收集后经过多级沉淀池沉淀后进入清 水池沉淀， 达到要求后全部循环使用， 实现了制酸净 化污水零排放， 既节约了水资源， 又避免对环境造成 污染， 符合循环经济的要求。 目前， 国内硫酸产量主要是硫铁矿制酸、 硫磺制 酸和冶炼烟气制酸。对硫酸生产系统水平衡， 硫磺制 酸比硫铁矿制酸容易; 硫铁矿制酸比冶炼烟气制酸容 易。冶炼烟气制酸中炼铜烟气占很大比重， 因为炼铜 的铜精矿中杂质含量比硫铁矿和硫磺都高; 所以， 炼 铜烟气中的杂质含量比焙烧硫铁矿和硫磺的烟气都 高， 因此炼铜烟气制酸水平衡比较难。 现在， 国内大部分铜冶炼企业将制酸净化污水处 理后达标排放; 有少部分企业把炼铜烟气制酸净化污 水处理后回用到冶炼系统的冲渣及渣冷却上， 但是这 下转第 99 页 911 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 后 验 差 比 值CS2/S10. 09626; P P{e k－ 珋 e ＜ 0. 6745S1} 。 所以模型精度为 1 级。 2. 6预测 20102020 年垃圾产量数值 根据模型预测得 20102020 年垃圾产生量， 见 表 6。 表 6某卫星城 20102020 年垃圾产生量的预测数值 年份2009201020112012201320142015 垃圾产生量预测 / 104t11. 7411. 9612. 1912. 42 12. 6512. 8913. 13 年份20162017201820192020 垃圾产生量预测 / 104t13. 3913. 6413. 8914. 16 14. 42 3结论 经过对北京卫星城垃圾产生量的 GM 1，1预 测模型的构建、 分析和检验，得出如下结论 1 在建立北京卫星城垃圾产生量的 GM 1，1 模型时，以 1992 2009 年的卫星城垃圾产生量数列 作为建模序列， 建立的模型预测精度和预测准确性都 比较高， 适合用来预测北京卫星城垃圾产生量， 为北 京卫星城垃圾产生量的预测研究提供了一种简单的 新方法。 2 影响北京卫星城垃圾产生量变化的环境是一 个非常复杂的系统， 而建立灰色 GM 1，1预测模 型时，需要的样本数据并非多多益善， 只要选择 4 个 以上合适的数据，进行累加生成运算，就可从杂乱 无章的数据中整理出一定的规律。 总之，GM 1， 1 模型具有所需样本数据少、 原理 简单、 运算方便等优点，很适合用于对具有复杂性和 随机性特点的未形成垃圾产生量的预测， 虽然影响卫 星城垃圾产生量的因素有很多，但运用灰色理论建 立GM 1， 1 模型时，不必罗列影响卫星城垃圾产生 量的因素数据，而是通过对卫星城本身的原始数据 进行生成处理，利用有较强规律性的生成数据序列， 建立相应的模型，来对系统未来的发展趋势进行预 测，这种预测方法应用起来比较方便和准确，很适 合对北京卫星城垃圾产生量的预测分析。 作者通信处李颖100044北京市西城区展览路 1 号北京建筑工 程学院环境工程系 E- mailliy bucea． edu． cn 2010 － 07 － 05 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 119 页 部分水很难全封闭使用， 也对环境造成了污染。烟台 鹏晖铜业有限公司炼铜烟气制酸净化污水零排放是 在制酸净化工序和污水处理工序封闭处理制酸净化 污水并回用， 实现零排放， 不会对环境造成污染， 对其 它烟气制酸净化污水处理有借鉴意义。 6结语 1 进入净化工序的烟气带入的水量小于干吸工 序的产品带出的水量; 进入净化工序的烟气带入的杂 质量与污水处理工序固液分离出来的杂质量达到平 衡; 净化污水达到零排放， 则污水处理的标准不用达 到外排标准， 杂质在内部循环， 只要回用水对净化指 标不影响， 可适当放宽处理标准; 这是实现净化污水 零排放的理论依据。 2 净化工序净化烟气的洗涤液数量和污水处理 工序的回用水储存量都不增加， 这是实现净化污水零 排放的基本条件之一。 3 计算烟气带入净化工序的 SO2体积分数和含 水量， 确定净化工序的能力， 控制干燥塔进口烟气温 度， 使干吸工序生产出合格产品。 4 只有根据水质的要求， 对水综合利用， 提高水 的利用率， 才能最大限度降低水的消耗。 参考文献 ［1］GB 711996 评价企业合理用水技术通则［S］． ［2］王举良， 张均杰． 炼铜烟气制酸净化污水零排放［J］． 中国有色 冶金， 2009 5 41- 44． ［3］王举良， 张均杰， 李兆宏． 硫酸系统循环水的水质、 水温、 水量调 节及造进［J］． 中国给水排水， 2010， 26 14 113- 115． ［4］孙水裕， 缪建成， 刘如意， 等． 选矿废水净化处理与回用的研究 与生产实践［J］． 环境工程， 2005 1 7- 9． 作者通信处都立珍264002山东省烟台市芝罘区化工路 45 号 烟台鹏辉铜业有限公司 电话 0535 6532324 － 2385 E- maildulz ytphcopper． com 2010 － 10 － 18 收稿 99 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期