低碳銅冶煉工藝技術(shù)應(yīng)用分析

朱寶月，劉 鄭，管佳為，王寶宇

（吉林紫金銅業(yè)有限公司，吉林 琿春 133300）

近年來，隨著人們的環(huán)境保護(hù)意識越來越強(qiáng)烈，低碳經(jīng)濟(jì)也成為未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢之一。低碳經(jīng)濟(jì)主要是以節(jié)約能源、減少環(huán)境有害物質(zhì)的排放、環(huán)境保護(hù)為核心的一種新型經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，同時(shí)這也是我國銅冶煉行業(yè)追求的目標(biāo)。傳統(tǒng)的銅冶煉行業(yè)一直以來都是一個(gè)消耗能源比較高、銅冶煉效率低下、污染比較強(qiáng)的行業(yè)。近年來我國銅冶煉行業(yè)已經(jīng)取得了一定的成效，一批先進(jìn)、高效率、高節(jié)能、低消耗的銅冶煉工藝已經(jīng)順利投入生產(chǎn)，比如閃速熔煉、氧氣底吹熔煉等，目前我國銅冶煉工藝已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展領(lǐng)域。

1 低碳銅冶煉工藝技術(shù)概述

目前美國某冶煉廠的熔爐已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自然熔煉，但是在自然熔煉的過程中需要消耗大量的燃料，但離高水平的自熱吹煉還存在一定差異。我國銅冶煉通過對工藝進(jìn)行改革，在滿足能量守恒定律的條件下，使得低銅冶煉可以達(dá)到自熱冶煉。在正常操作情況下，閃速爐可以實(shí)現(xiàn)高效冶煉，它的突出特點(diǎn)是將爐料充分消耗,在進(jìn)行熔煉過程中，爐料是處于懸浮狀態(tài)，在這種狀態(tài)下爐料可以充分與氧氣進(jìn)行接觸，化學(xué)反應(yīng)可以在短時(shí)間內(nèi)完成，同時(shí)釋放出大量的熱量，這不僅是閃速爐自熱熔煉的基礎(chǔ)，也是閃速爐自熱熔煉的關(guān)鍵。自然影響閃速爐自熱熔煉的因素有很多，具體來說表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①富氧濃度，富養(yǎng)濃度是影響閃速爐自然熔煉必不可少的條件之一，另外運(yùn)用純氧或高濃度的富氧是閃速爐的重要特征，其富氧濃度與自熱熔煉速度成正比。②冰銅品位。冰銅品位直接影響雙閃爐自熱冶煉效率。而且對于冰銅品位的選擇是分配兩爐熱量的關(guān)鍵操作，對于自熱冶煉的水平產(chǎn)生極其重要的影響。如果選擇冰銅品位太高，雖然可以提高自熱熔煉速度，但很可能導(dǎo)致吹煉爐內(nèi)熱量太少，無法滿足吹煉爐自熱的需要。如果選擇冰銅品位太低，雖然能夠滿足吹煉爐自熱的需要，但是會產(chǎn)生大量的銅渣，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。因此一定要選擇合適的冰銅品位，才能夠提高雙閃爐自熱熔煉的速率。③煙塵率。影響雙閃速爐自熱熔煉的重要因素之一就是粉塵率。兩臺爐的制造過程需要返回系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)處理。煙塵進(jìn)入爐膛反應(yīng)時(shí)，需要吸收大量熱能。因此，必須降低煙塵率，提高雙閃速爐的自熱熔煉率。④合理的爐料S/cu是影響雙閃爐自熱冶煉的基本條件。爐料越高就越容易實(shí)現(xiàn)雙閃爐自熱。但是如果爐料過高，就很容易導(dǎo)致爐內(nèi)熱負(fù)荷表達(dá)，對于雙閃爐的使用壽命產(chǎn)生不利的影響。如果爐料過低，容易導(dǎo)致熱供應(yīng)不足，甚至有可能沒有辦法實(shí)現(xiàn)自熱。因此必須合理的配料，保持穩(wěn)定適當(dāng)?shù)腟/cu，這是維持雙閃爐自熱冶煉的基本條件。

2 粗銅無碳火法精煉工藝技術(shù)

自從粗銅無碳火法精煉工藝技術(shù)問世后，一直以來都是采用氧化還原的工藝，直至目前依舊沒有實(shí)質(zhì)性的突破和進(jìn)展，包括國外礦銅冶煉廠也依舊采用氧化還原的工藝。隨著銅冶煉技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，粗銅中在冶煉和吹煉的工序中除去大部分雜質(zhì)。據(jù)大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明:在大多數(shù)的礦銅冶煉廠中的精煉工序都是為了去除粗銅中的硫。我國礦銅冶煉廠的精煉工序也采用的是氧化還原的工藝，共設(shè)置了8個(gè)通風(fēng)口，氧化空氣量設(shè)計(jì)值在每小時(shí)2400立方米，這對于閃速吹煉爐的生產(chǎn)造成了不利的影響，成為礦銅冶煉廠也進(jìn)入了發(fā)展的瓶頸期。目前，在氧化還原的過程中，冶煉現(xiàn)場產(chǎn)生了大量的黑煙，對周圍的自然環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響。為此礦銅冶煉行業(yè)應(yīng)該借助科學(xué)技術(shù)發(fā)展，研發(fā)出一種新的無碳精煉工藝技術(shù)，進(jìn)而突破礦銅冶煉廠發(fā)展的瓶頸期。

傳統(tǒng)的氧化工藝的原理是:先通入氧氣，讓爐內(nèi)的銅進(jìn)行深氧化，從而去除銅里的其它雜質(zhì)，比如硫、鐵、鉛等，然后再利用碳?xì)溥€原劑進(jìn)行還原除氧。但是在不添加任何溶劑的情況下，深氧化去除粗銅雜質(zhì)的效果并不是非常好，尤其是硫含量降到百分之零點(diǎn)零零五的過程中，氧化脫硫的效率非常非常低。在這一時(shí)期中通入的氧氣，除了少部分于銅中的硫雜質(zhì)反應(yīng)之外，其它大部分氧氣都與銅反應(yīng)，形成了大量的一氧化銅。當(dāng)銅液中的含氧量達(dá)到百分之零點(diǎn)八以上的時(shí)候，因此必須要利用大量的碳?xì)溥€原劑進(jìn)行還原除氧，從而確保銅液中的氧含量降低到百分之零點(diǎn)二。氧化還原方法的主要的不足是氧化和還原是兩個(gè)相互對立的作業(yè)過程中，生產(chǎn)所用的時(shí)間比較長，而且生產(chǎn)效率比較低下，還有碳?xì)溥€原劑的消耗量比較大，還有產(chǎn)生大量的黑煙和二氧化碳，對于礦銅冶煉廠周邊的自然環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。

無碳精煉工藝技術(shù)的核心就在于其取消了氧化還原的工序，通過鼓入惰性氣體攪拌銅液從而達(dá)到脫硫除氧的目的，能夠有效降低碳?xì)溥€原劑的消耗，從而實(shí)現(xiàn)粗銅的無碳精煉工藝技術(shù)。

3 高濃度二氧化硫轉(zhuǎn)化制酸工藝技術(shù)

目前冶煉廠的處理煙氣的二氧化硫濃度在百分之十二左右。近年來隨著銅冶煉技術(shù)的發(fā)展，所使用的富氧濃度也在不斷提高，進(jìn)而使得冶煉廠內(nèi)煙氣中的二氧化硫濃度也在不斷增加，能夠達(dá)到百分之二十以上。雙閃爐銅冶煉煙氣經(jīng)過有效的處理后，二氧化硫的濃度已經(jīng)達(dá)到百分之二十二到百分之二十五之間，比如采取一定的制酸技術(shù)將煙氣進(jìn)行稀釋，使得煙氣量最起碼增加一倍，因此相應(yīng)的制酸裝置也應(yīng)該擴(kuò)大一倍左右，這就在一定程度上增加了冶煉廠的運(yùn)行成本、能源消耗等，而且也沒有辦法充分發(fā)揮雙閃銅冶煉工藝的優(yōu)勢。如何適應(yīng)銅冶煉煙氣中二氧化硫濃度的不斷升高，已逐漸成為制酸工業(yè)面臨的重要問題之一。高濃度二氧化硫制酸技術(shù)對整個(gè)工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。二氧化硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫是制酸的核心，這一反應(yīng)是一種可逆放熱反應(yīng)，通常在多層觸媒層中進(jìn)行絕熱反應(yīng)。對于高濃度二氧化硫煙氣制酸來說，其中最重要的就是轉(zhuǎn)化器第一層觸媒層的限制，因?yàn)橛|媒層的最高可以耐650攝氏度的高溫。具體的操作方法如下:降低轉(zhuǎn)化器第一層的二氧化硫濃度，從而降低第一層觸媒層的轉(zhuǎn)化率，從而達(dá)到控制觸媒層溫度的目的。高濃度二氧化硫轉(zhuǎn)化制酸工藝技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于銅工業(yè)生產(chǎn)過程中，據(jù)大量實(shí)踐表明:高濃度二氧化硫轉(zhuǎn)化制酸工藝技術(shù)能夠有效降低銅工業(yè)生產(chǎn)的成本、降低銅工業(yè)生產(chǎn)的能源消耗，而且這種新型工藝還能夠有效彌補(bǔ)閃速吹煉爐的能源消耗，從而提高礦銅冶煉廠的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)水平，這為低碳經(jīng)濟(jì)提供了一個(gè)新的發(fā)展方向。

4 余熱回收技術(shù)

對于一個(gè)新的礦銅冶煉廠來說，一般會對吹煉煙氣、制酸轉(zhuǎn)化煙氣余熱等熱量進(jìn)行有效的回收，然后將這些熱量用于其它用途，比如發(fā)電、冶煉等。但是仍然對于冶煉廠中的一些余熱沒有進(jìn)行回收。據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，銅冶煉爐內(nèi)煙氣余熱占整體煙氣余熱的十分之一，碳酸低溫余熱占整體制酸余熱的四分之一。所以可以得出，礦銅冶煉廠的熱能回收還有比較大的發(fā)展空間和潛力。美國一家公司研發(fā)了低溫位熱能生產(chǎn)蒸汽技術(shù)，也被稱之為“熱回收系統(tǒng)”。目前，全球一些礦銅冶煉廠已經(jīng)引進(jìn)了熱回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要被應(yīng)用于銅冶煉制酸過程中。酸循環(huán)泵、稀釋器、熱回收塔、鍋爐共同構(gòu)成了熱回收系統(tǒng)。熱回收系統(tǒng)的工作原理主要是利用熱回收塔代替?zhèn)鹘y(tǒng)的回收塔，用鍋爐代替?zhèn)鹘y(tǒng)的塔酸冷卻器，從而提高熱能的溫位，達(dá)到有效回收余熱的目的。含有三氧化硫的煙氣從熱回收系統(tǒng)的回收塔進(jìn)入塔頂排出，該回收塔主要有上下兩級填料層，下一級填料層的上塔酸是220攝氏度的硫酸，其中硫酸的濃度高達(dá)百分之九十九，上一級填料層的上塔酸是95攝氏度的硫酸，其中硫酸的濃度在百分之九十三到百分之九十五之間，從而提高三氧化硫的吸收效率。上下兩級填料層中的硫酸從塔底流入與塔相連的泵槽，然后由熱回收系統(tǒng)酸循環(huán)泵融入熱循環(huán)系統(tǒng)的鍋爐，生產(chǎn)出一定壓力的飽和蒸汽，由于吸收了酸后，三氧化硫的濃度變高，這個(gè)時(shí)候就需要通過熱回收系統(tǒng)的稀釋器對高濃度的三氧化硫進(jìn)行稀釋，從而維持三氧化硫的濃度，經(jīng)過稀釋后的三氧化硫在重新流入熱回收系統(tǒng)的熱回收塔，進(jìn)行下一輪的熱能吸收。據(jù)大量實(shí)踐數(shù)據(jù)表明，當(dāng)?shù)V銅冶煉廠使用熱回收系統(tǒng)后，能夠?qū)鹘y(tǒng)制酸裝置的熱回收率從原來的百分之七十提高到百分之九十三，這能夠有效降低礦銅冶煉廠的能源消耗，節(jié)約冶煉成本，從而獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

5 高電流密度銅電解工藝技術(shù)

銅電解工藝技術(shù)被運(yùn)用于礦銅冶煉廠以來，并沒有什么突破性的進(jìn)展。目前銅電解工藝的發(fā)展趨勢是永久不銹鋼陰極電解。目前先進(jìn)的高電流密度銅電解工藝技術(shù)有KIDD法、ISA法、OK法。在銅電解生產(chǎn)的過程中，提高電流的密度是提高生產(chǎn)效率和水平、節(jié)能能源資源、降低礦銅冶煉廠的生產(chǎn)成本的重要途徑之一，同時(shí)這是也礦銅冶煉行業(yè)長期追求的目標(biāo)。但是直到目前仍沒有突破這一瓶頸期，其主要原因是因?yàn)殡娏鳚獠顦O化問題，周期反向電流電解雖然在一定程度上能夠克服電流濃差極化的問題，但是目前電流的密度智能提高到每平米三百三十到四百安，而且再加上其他能源消耗，使得相關(guān)操作更加不穩(wěn)定，因此高電流密度銅電解工藝技術(shù)并沒有得到廣泛應(yīng)用。

6 結(jié)束語

綜上所述，雙閃爐是目前世界上最先進(jìn)的綠色生態(tài)銅冶煉的工藝之一，我國的礦銅冶煉廠通過自己的研究創(chuàng)新，研發(fā)出低碳銅冶煉的新型工藝和技術(shù)，而且成功應(yīng)用于銅冶煉工業(yè)，這有利于提高雙閃爐的技術(shù)水平，使得雙閃銅冶煉工藝能夠高效能、節(jié)約能源消耗、低碳、環(huán)境保護(hù)，為低碳經(jīng)濟(jì)條件下的銅冶煉工業(yè)的發(fā)展指明了新的發(fā)展方向。