國外某銅冶煉廠工藝現(xiàn)狀及改造設想

郭偉忠，王永強，劉建軍，劉井輝

(中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌330038)

“閃速爐熔煉+轉爐吹煉+陽極爐精煉”工藝簡稱單閃工藝，是目前世界上銅冶煉行業(yè)中比較常見的工藝流程之一。

國外某銅冶煉廠（以下簡稱A廠）建廠于20世紀60年代，起初采用的工藝流程并非單閃工藝，而是“反射爐熔煉+轉爐吹煉+陽極爐精煉”工藝，后期由于反射爐熔煉工藝落后、能耗高、環(huán)境污染嚴重等原因，前幾年剛進行了一次大改造。改造內容主要是采用閃速爐熔煉替換反射爐熔煉，由此建立起單閃工藝流程；盡管如此，由于當時改造資金有限，大部分設備還無法得到升級改造，比如轉爐、陽極爐及圓盤澆鑄機均是按利舊考慮。然而這些設備大多為20世紀60～70年代的設備，因此全廠生產技術及裝備落后、能耗高、環(huán)境污染嚴重等問題仍未得到徹底解決。近期由于銅礦品位下降，資金缺乏，產量大幅降低，該廠更是深陷經(jīng)營困局，好在該廠終于尋得合作伙伴得以增資擴股，隨后提出對老廠進行改造擴建，以便提高冶煉廠產能，力爭扭虧為盈。

1 工藝流程

A廠現(xiàn)階段單閃工藝流程如圖1所示。

閃速爐熔煉是一種充分利用銅精礦巨大的活性表面、強化冶煉反應過程的熔煉方法，主要用于銅硫化礦的造锍熔煉[1]。該工藝具有反應速度極快、單爐生產能力大、能耗低等優(yōu)點[2]。

圖1 A廠現(xiàn)階段單閃工藝流程

轉爐吹煉是目前世界上使用最廣泛的吹煉工藝，用于處理閃速熔煉產生的融熔冰銅，通過鼓入富氧空氣及加入石英石等與冰銅發(fā)生化學反應后脫除大部分雜質，從而產生含銅高于98%的粗銅。該工藝具有對冰銅適應性強、成熟可靠、工藝操作靈活、生產成本低等優(yōu)點。

陽極爐精煉是將轉爐吹煉所得粗銅通過氧化還原反應進一步除雜，從而得到99.3%以上的液態(tài)陽極銅。該工藝具有可以實現(xiàn)機械化、自動化、能耗低、環(huán)保好等優(yōu)點[3]。

正是由于單閃工藝具有以上優(yōu)點，A廠增資擴股后仍可選擇以單閃工藝為主線，全面摸清現(xiàn)有工藝現(xiàn)狀及存在的問題，針對某些老舊設備進行升級改造，提高各設備能力，增加環(huán)保措施，從而在擴大全廠產能的同時緩解環(huán)保壓力。

2 工藝現(xiàn)狀及存在問題

2.1 閃速爐熔煉

A廠現(xiàn)有閃速爐熔煉系統(tǒng)始建于2013年，主要包括爐頂給料系統(tǒng)、閃速爐、余熱鍋爐、電收塵器等。爐頂給料系統(tǒng)位于閃速爐反應塔上方，設有爐頂干礦倉和煙塵倉各1臺，同時配有精礦失重計量和煙塵失重計量各1套，給料最大能力分別約為70 t/h和10 t/h，另外還配有1個中央噴射型精礦噴嘴，設計能力約為70 t/h。閃速爐由反應塔（Φ4.72 m×6 m）、沉淀池（17 m×6.8 m×2 m）和上升煙道組成。其中，沉淀池共設置了6個冰銅排放口和2個渣排放口。冰銅由耐火材料鋼溜槽排至冰銅包中再送至轉爐工段，熔煉渣由水冷銅溜槽排至渣包中送至渣緩冷場冷卻。閃速爐產出的高溫煙氣（1 100～1 350℃）流經(jīng)上升煙道而后進入余熱鍋爐輻射部和對流部降溫至350℃，隨后送入后續(xù)的電收塵器，具體流程如下：閃速熔煉爐煙氣→余熱鍋爐→電收塵器→排風機→送制酸廠。現(xiàn)有余熱鍋爐設計壓力為6.8 MPa，運行壓力為6.0 MPa，鍋爐給水溫度為140℃。

目前，閃速熔煉系統(tǒng)主要存在以下幾個問題：1）失重計量能力及精礦噴嘴能力有限，只能滿足年產80～100 kt陰極銅產能要求，無法滿足大幅度增加產能要求。2）閃速爐反應塔尺寸有限，使其所能承受熱負荷能力有限，煙氣停留時間有限，煙氣流速較快，同樣成為大規(guī)模擴產的主要制約條件。3）閃速爐上升煙道出口處（與鍋爐連接處）粘接嚴重，需頻繁清理甚至爆破，嚴重影響閃速爐作業(yè)率，其閃速爐作業(yè)率只有85%左右，明顯低于國內相同工藝作業(yè)率（約95%）。4）電收塵器目前運行狀況良好，設備能力有較大富余，基本不影響大規(guī)模擴產。但是電收塵器外殼和排風機的外殼均腐蝕嚴重，將來勢必影響設備正常運行。5）現(xiàn)有閃速爐熔煉系統(tǒng)設置了1套閃速爐環(huán)集系統(tǒng)，主要用于收集放銅、放渣、外溢煙氣以及爐頂事故煙道出口處外溢煙氣，然而所收集煙氣僅僅經(jīng)過布袋收塵處理后直接排空，目前未能滿足當?shù)丨h(huán)保要求，使得該廠所受環(huán)保壓力倍增。

2.2 轉爐吹煉

A廠轉爐吹煉系統(tǒng)采用PS轉爐工藝，始建于20世紀60年代，目前配置了2臺冰銅裝入量約160 t（冰銅品位約55%）的小型轉爐（規(guī)格為Φ4 000 mm×10 500 mm），采用單爐吹煉作業(yè)模式，其中1臺為冷態(tài)，1臺為熱態(tài)，粗銅產量為每爐90～110 t，每爐吹煉周期8 h，每天2.5～3爐次。

吹煉過程中產出的轉爐渣從爐口倒入渣包內，由渣包車運至渣緩冷場緩冷和破碎后，送往渣選廠進行選礦處理，產出的渣精礦經(jīng)精礦庫返回閃速爐。轉爐產出的粗銅則倒入粗銅包內，經(jīng)主廠房吊車送往陽極精煉工段。轉爐工藝煙氣經(jīng)爐口處水冷煙罩漏風冷卻至700～750℃進入噴霧冷卻器驟冷至70～100℃后送制酸廠。

轉爐吹煉系統(tǒng)還有轉爐送風系統(tǒng)、冶金橋式起重機、熔劑和渣包殼加料系統(tǒng)、機械捅風眼機和爐口清理機、噴霧冷卻器等配套設備。

目前轉爐吹煉系統(tǒng)主要存在以下幾個問題：1）目前僅配備2臺小型轉爐且采用單爐吹煉作業(yè)模式，每天處理冰銅量極其有限，即使閃速爐熔煉系統(tǒng)能力再大，產出的多余冰銅量也沒地方處理。2）爐前低空污染嚴重，尤其是加料、出料作業(yè)時更是突出，轉爐煙氣外泄嚴重，搖爐時熔體噴濺劇烈，環(huán)境惡劣，生產環(huán)境有待改善。3）冶金橋式起重機、熔劑和渣包殼加料系統(tǒng)、機械捅風眼機等配套設備大多為20世紀60年代設備，年代久遠，破舊不堪，恐難以滿足擴產后的生產要求。4）現(xiàn)有煙氣處理工藝流程較為簡短，使得進入凈化系統(tǒng)的煙氣含塵量高，造成凈化系統(tǒng)負荷過大，當產能增加時煙氣更是無法滿足制酸廠要求。

2.3 陽極精煉

A廠現(xiàn)有陽極精煉工序配有3臺標稱能力為220 t的小型回轉式陽極爐，規(guī)格為Φ3 960 mm×7 600 mm，由于轉爐為單爐吹煉作業(yè)，只需開啟2臺陽極爐即可滿足要求。另外，在主廠房附跨配有2套約40 t的單圓盤澆鑄機，2臺在用陽極爐各配備1臺圓盤澆鑄機。

轉爐吹煉產出的粗銅通過包子和吊車倒入陽極爐后，采用壓縮空氣氧化，待氧化期結束后，渣從陽極爐口倒進渣包中，隨后通過吊車倒入轉爐中。出渣結束后采用木材插入銅液中進行還原作業(yè)，將銅液中多余的氧脫除，直至待產出的陽極銅達到電解要求。氧化還原作業(yè)結束后，銅液從陽極爐出銅口倒出，先后進入溜槽和圓盤澆鑄機，在澆鑄機中冷卻成型后所得合格陽極板通過軌道車送往電解車間。

現(xiàn)有陽極爐補熱采用重油空氣燃燒，爐口插管鼓入壓縮空氣進行氧化，銅液中插入木材進行還原，其間產生的工藝煙氣通過爐口直接排空?，F(xiàn)有陽極爐作業(yè)周期如表1所示。

表1 現(xiàn)有陽極爐作業(yè)周期 h

現(xiàn)陽極精煉系統(tǒng)主要存在以下幾個問題：1）陽極爐單爐處理能力太小，一旦產能擴大，很難匹配轉爐工段作業(yè)要求。2）澆鑄能力太小，使得單爐陽極銅澆鑄時間過長，導致澆鑄后期銅液氧化溫度過低，直接影響陽極板澆鑄質量，從而影響后續(xù)電解作業(yè)。3）采用重油空氣燃燒，重油消耗量大，產生煙氣量也大。4）采用人工插管進行氧化作業(yè)和爐口插入木材進行還原作業(yè)，勞動強度大，作業(yè)方式極其落后，氧化還原時間長，效率低。5）產出的工藝煙氣直接從爐口冒出就地排空，未采用任何煙氣收集處理系統(tǒng)，造成嚴重的低空污染。

3 改造設想

A廠目前年產能在80～100 kt陰極銅，從長遠看難以滿足該廠增資擴股后的發(fā)展需求，故改造擴建勢在必行?，F(xiàn)按擴產至年產陰極銅150 kt考慮，結合A廠的實際情況，改造擴產思路可作以下幾點設想。

3.1 提高單閃工藝設計產能，部分設備擴能升級

根據(jù)冶金計算可知，年產150 kt陰極銅所需混合干精礦投料量為110 t/h，煙塵投料量為13 t/h，產出冰銅量、粗銅量分別為820 t/d（冰銅品位為58%）、550 t/d（銅質量分數(shù)為99%），最終日產合格陽極銅540 t。由此可看出，A廠現(xiàn)有單閃工藝設計能力不足，需對部分設備進行擴能升級，具體如下：

1）提升閃速爐爐頂給料系統(tǒng)能力，對爐體水冷系統(tǒng)進行改造。目前，爐頂精礦給料系統(tǒng)最大能力只有70 t/h，煙塵給料最大能力只有10 t/h，顯然無法滿足改造擴建后生產需求，故需要加大爐頂給料系統(tǒng)能力。由于投料量增加，閃速爐熱負荷增加，必然需要對爐體部分冷卻系統(tǒng)進行改造，以緩解擴產后熱負荷對爐體結構的加大損傷。

2）拆除現(xiàn)有2臺小型轉爐及配套設備，新建3臺以上大型轉爐。由于擴產后每天產出冰銅820 t，若繼續(xù)采用現(xiàn)有160 t小型轉爐進行單爐吹煉作業(yè)，顯然是不可能完成的。因此，需要提升轉爐吹煉系統(tǒng)生產能力，建議新建3臺240 t大型轉爐進行期交換作業(yè)。

3）棄用現(xiàn)有陽極爐及澆鑄機，新建陽極爐精煉及澆鑄系統(tǒng)。盡管現(xiàn)有陽極爐精煉系統(tǒng)已擁有3臺220 t陽極爐，就總處理能力來看，似乎可滿足擴產后每天處理550 t粗銅的生產要求；然而陽極爐過于老舊，燃燒方式和氧化還原方式比較古老，圓盤澆鑄能力過小，工藝煙氣無組織排放致使車間環(huán)境惡劣。因此建議棄用現(xiàn)有陽極爐及澆鑄機，新建陽極爐精煉及澆鑄系統(tǒng)，加大陽極爐標稱能力和澆鑄機標稱能力。

3.2 優(yōu)化工藝煙氣收集處理措施

1）閃速爐余熱鍋爐和電收塵改造。通過計算，擴產至150 kt時，如保留現(xiàn)有鍋爐結構不變，輻射部排煙溫度過高，可達675℃。為解決此問題，可在輻射擋板后部增設一組換熱掛屏，以此可使輻射部出口煙氣溫度降低40～50℃。經(jīng)核算，后續(xù)的電收塵器能力有富余，基本可滿足擴產需要，然而其殼體及后續(xù)風機外殼腐蝕嚴重，因此考慮更換電收塵器外殼、排風機整體換新。

2）棄用轉爐煙氣噴霧冷卻器，新建轉爐余熱鍋爐及電收塵器。現(xiàn)有轉爐煙氣處理系統(tǒng)由于流程短、收塵效率低，使得進入制酸系統(tǒng)的煙氣含塵量高，制酸廠經(jīng)常超負荷。又由于此次轉爐大型化后煙氣量及含塵量也隨之增加，繼續(xù)沿用老流程不再合適，因此選擇棄用轉爐煙氣噴霧冷卻器，配備轉爐余熱鍋爐及電收塵器。

3）增加陽極爐工藝煙氣冷卻及收塵系統(tǒng)?，F(xiàn)有陽極爐工藝煙氣并未采取任何處理措施，而是從爐口處直接排空，顯然無法滿足當?shù)丨h(huán)保要求，因此擴產必然需要增加陽極爐工藝煙氣冷卻及布袋收塵系統(tǒng)，煙氣凈化后由排風機送往脫硫系統(tǒng)處理后進入煙囪排空。

3.3 設置全工藝環(huán)集脫硫系統(tǒng)，改善廠區(qū)生產環(huán)境

1）現(xiàn)有閃速爐環(huán)集系統(tǒng)利舊，增加環(huán)集脫硫工序。盡管現(xiàn)有閃速爐環(huán)集原設計排煙量可滿足擴產后閃速爐環(huán)集需求；但由于現(xiàn)有閃速爐環(huán)集系統(tǒng)并未進行脫硫便排入大氣中，而其中二氧化硫濃度并未達標，擴產后更不可取。因此在環(huán)集布袋收塵器后方增加脫硫工序，使得煙氣中二氧化硫濃度達標后通過煙囪排空。

2）新增轉爐爐口環(huán)集和廠房環(huán)集，緩解車間低空污染。新增3臺大型轉爐爐口用環(huán)集煙罩，每臺環(huán)集煙罩設有2個排煙口，轉爐廠房屋面采用封閉天窗，在每個轉爐上方設置2個排煙點。另外，選用1臺脈沖布袋除塵器和1臺離心風機組成轉爐環(huán)集系統(tǒng)，以緩解車間低空污染、改善車間生產環(huán)境。轉爐環(huán)集煙氣經(jīng)布袋除塵后同樣需要送至脫硫工序，使得煙氣中二氧化硫濃度達標后通過煙囪排空。

3）新增陽極爐環(huán)集系統(tǒng)，緩解車間低空污染。擴產后2臺陽極爐爐口處設置固定式環(huán)集煙罩，由于含塵濃度較低，可直接選用1臺離心風機送至脫硫工序，待煙氣中二氧化硫濃度達標后通過煙囪排空。在陽極爐加料過程和氧化還原過程中，通過固定式環(huán)集煙罩最大限度收集外泄煙氣，能夠有效降低爐口處無組織排放煙氣所造成的低空污染，使車間環(huán)境得以改善。

4 結語

A廠目前雖然采用世界上比較成熟且在銅冶煉行業(yè)占據(jù)主導地位的單閃工藝流程，但廠區(qū)大部分設備能力有限，又屬老舊設備，因此，其整個工藝流程作業(yè)率低、能耗高、成本高，最大產能也僅僅是年產100 kt陰極銅。這不符合單閃工藝高作業(yè)率、大規(guī)模、低能耗的優(yōu)越性。該廠通過增資擴股后仍以單閃工藝為主線，結合目前的工藝現(xiàn)狀，采用以下措施進行改造擴建：1）提高閃速爐爐頂給料系統(tǒng)能力，同時優(yōu)化閃速爐本體結構及其冷卻系統(tǒng)；2）新增處理能力更大、自動化程度更高的轉爐吹煉系統(tǒng)和陽極爐精煉系統(tǒng)，廢棄現(xiàn)有老舊系統(tǒng)；3）優(yōu)化各工序工藝煙氣收集處理措施，使煙氣處理流程更合理化；4）設置全工藝環(huán)集脫硫系統(tǒng)，改善廠區(qū)生產環(huán)境。待以上改造擴建措施建成后，可將該廠年產能提升至150 kt，從而達成單閃工藝規(guī)模效應，實現(xiàn)高作業(yè)率、低能耗、高效益的優(yōu)越性。