硫化銅鈷精礦沸騰焙燒系統(tǒng)設計與調試

摘要：為進一步提高產能，以剛果（金）某冶煉企業(yè)為例，介紹硫化銅鈷精礦沸騰焙燒系統(tǒng)設計與運行調試過程。該企業(yè)的硫化銅鈷精礦來自礦山選礦系統(tǒng)，精礦的礦物組成以黃銅礦、斑銅礦為主，含有較少的藍輝銅礦和很少的銅藍，而硫銅鈷礦為唯一的鈷礦物。采用沸騰焙燒—濕法浸出聯合工藝處理，最后得到陰極銅與氫氧化鈷產品。經調試運行，該沸騰焙燒系統(tǒng)達到并超過了設計產能。

關鍵詞：硫化銅鈷精礦；沸騰焙燒；設計；調試

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）02-00-05

Design and Commissioning of Boiling Roasting System for Copper Cobalt Sulfide Concentrate

—Taking a Smelting Enterprise in the Democratic Republic of Congo as an Example

HUANG Haihui1， ZHANG Jiao2， GAO Chong1， ZHOU Ping2

（1. Bgrimm Technology Group， Beijing 100160， China; 2. Kemika Mining Co.， Ltd.， Likasi 1004131， Congo （Kinshasa））

Abstract： To further improve production capacity， taking a smelting enterprise in the Democratic Republic of Congo as an example， this article introduces the design and operation commissioning process of the boiling roasting system for copper cobalt sulfide concentrate. The company’s copper cobalt sulfide concentrate comes from the mining beneficiation system， and the mineral composition of the concentrate is mainly chalcopyrite and bornite， with less blue chalcopyrite and little copper blue. Sulfur copper cobalt ore is the only cobalt mineral. The combined process of boiling roasting and wet leaching is used to obtain cathode copper and cobalt hydroxide products. After debugging and operation， the boiling roasting system has reached and exceeded the design capacity.

Keywords： copper cobalt sulfide concentrate; fluidized roasting; design; commissioning

2023年，剛果（金）的銅產量達到284萬t，位居全球第二；鈷的產量達到17萬t，位居全球第一[1]。剛果（金）加丹加地區(qū)為全球最大的高品位銅鉆資源礦區(qū)，具有原礦儲量大、品位高等特點[2]。當地銅鉆資源可分為氧化礦、硫化礦、混合礦，其中氧化礦埋層較淺，氧化率極高，埋藏深度一般在0～120 m[3]。混合礦、硫化礦多位于深部礦體。隨著各企業(yè)礦山的不斷開采，氧化礦逐步枯竭，將逐步向深部開采混合礦、硫化礦。

針對硫化銅鈷礦的處理，目前主要采用加壓浸出、沸騰焙燒、火法熔煉等工藝[4-7]。其中，加壓浸出、火法熔煉的技術門檻高，需要穩(wěn)定的電力供應，而剛果（金）的基礎設施不完善，電力供應不足，時常發(fā)生停電。因此，加壓浸出、火法熔煉工藝在剛果（金）的應用較少。沸騰焙燒工藝具有投資少、運行成本低、原料適應性廣、操作簡單及穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，逐步成為剛果（金）及非洲地區(qū)處理硫化銅鈷礦的主流工藝。目前，已經有9家企業(yè)使用沸騰焙燒工藝處理硫化礦，其中在運行的有中鐵資源剛果（金）綠紗銅鉆礦項目、華剛礦業(yè)股份有限公司、華友鈷業(yè)CDM冶煉廠、Mikas冶煉廠、科米卡礦業(yè)簡易股份有限公司、嘉能可KCC冶煉廠、薩布韋龍溪銅礦及五礦資源金塞維爾改擴建焙燒制酸項目。還有3家在建設中，包括瓦西礦業(yè)公司穆松尼銅鈷精礦深加工項目、Etoile項目、凱鵬礦業(yè)有限責任公司剛果（金）銅精礦焙燒制酸項目。

1 沸騰焙燒系統(tǒng)的設計

1.1 主要工藝流程

硫化銅鈷精礦焙燒的主要目的是在一定溫度下，將礦石中的硫化物轉化為硫酸鹽及氧化物，以便下一步浸出硫酸，將有價元素銅、鈷從礦石中轉移到溶液中，進而提取陰極銅、氫氧化鈷及碳酸鈷[8-11]。焙燒的主要原理為

4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2（1）

2Cu5FeS4+17O2=5CuSO4+Fe2O3+5CuO+3SO2（2）

4CuFeS2+15O2=4CuSO4+2Fe2O3+4SO2（3）

2Cu2S+5O2 =2CuSO4+2CuO（4）

Cu2S+2O2=2CuO+SO2（5）

2SO2+O2=2SO3（6）

S+O2=SO2（7）

沸騰焙燒一般分為漿式進料與干式進料，由于漿式進料更均勻，對環(huán)境友好，因此得到更廣泛的應用。本項目的焙燒系統(tǒng)采用漿式進料的方式，主要流程如下。硫化銅鈷精礦從選礦壓濾車間通過皮帶輸送至原料車間地下礦坑。通過橋式抓斗起重機將硫化精礦加入調漿槽內，調成礦漿濃度為70%左右的漿料；調好的礦漿自流入振動篩進行分級，篩下物為合格礦漿，自流進入過渡槽，經軟管泵打到焙燒車間的儲漿槽備用，篩上物返回硫化礦磨礦系統(tǒng)。焙燒區(qū)域儲漿槽的礦漿通過軟管泵輸送到礦漿分配器，之后礦漿自流進入焙燒爐。在爐內實現硫酸化焙燒，焙砂水淬后進入濕法浸出系統(tǒng)[12-15]。焙燒爐含二氧化硫的煙氣依次經過表冷器、旋風收塵、兩級動力波洗滌及一級填料塔，兩級電除霧后送到制酸系統(tǒng)。

1.2 主要設備選擇

本項目設計處理規(guī)模為300 t/d硫化銅精礦，原料含硫30%，含銅21%，含鈷10%，含鐵16.65%。主要設備選型如下。

1.2.1 調漿槽

調漿槽溶液量為206 m3/d，制備每槽所需時間為8 h，一天制備3次，槽體有效利用系數為0.85，計算需要槽體容積為80.5 m3。考慮一定富裕系數，設計中采用4臺Φ3 500 mm×4 000 mm槽子交替運行。

1.2.2 儲漿槽

儲漿槽溶液量為206 m3/d，儲存時間為36 h，槽體有效利用系數為0.85，計算反應槽容積為362.2 m3，設計中采用2臺Φ6 000 mm×7 000 mm槽子。

1.2.3 沸騰焙燒爐

沸騰焙燒爐的選型參數如表1所示

1.2.4 爐底風機

根據硫化銅鈷精礦成分計算出焙燒爐需要的空氣量為25 826 Nm3/h[16-17]。按照夏季溫度為37 ℃，當地氣壓為83.3 kPa，考慮管道系統(tǒng)漏風，留有富余30%，經計算選擇風機參數如下：流量為776 m3/min，壓力為34.2 kPa。焙燒系統(tǒng)主要設備及規(guī)格如表2所示。

2 焙燒系統(tǒng)調試

2.1 烘爐

烘爐用于使爐墻中的水分緩慢逸出蒸發(fā)，避免水分蒸發(fā)過快。烘爐前先在爐床風帽上面均勻鋪設一層100 mm厚的河沙，之后在上面放置木柴，先用木材烘爐，根據爐溫變化情況來確定添加木材量。點火后逐漸升溫，速度控制在10 ℃/h左右，在爐溫為120℃時，恒溫燒烤1.5 d；然后再升溫，速度控制在10 ℃/h左右，控制爐溫240 ℃左右恒溫烘烤3 d；然后再升溫，速度控制在15 ℃/h左右，控制爐溫420 ℃左右恒溫烘烤2 d；直到爐氣出口水分含量恒定不再下降為止；然后用噴油槍緩慢升溫，速度控制在20 ℃/h左右，直到650～660 ℃左右恒溫燒烤2 d；最后將爐子緩慢升溫至840 ℃，速度控制在15 ℃/h左右，恒溫1 d。升溫過程中不允許溫度回降。最后熄火關閉爐門自然降溫到40～50 ℃，對爐子進行保溫。加溫和烘烤時間共12 d，熄火后自然降溫3 d，總周期約15 d。烘爐過程中，必須注意觀察爐頂的水分變化，必要時可以采取提高爐頂溫度、延長烘烤時間、在爐頂外殼開孔等措施。

2.2 礦漿濃度與比重的測試

漿式進料對礦漿濃度的要求高，沸騰焙燒建成投產時，必須根據原料特點與工藝要求，精準控制礦漿濃度。目前，各企業(yè)普遍采用1 L的比重壺來檢測礦漿濃度。本項目所處理的硫化銅鈷精礦真比重為3.35 t/m3。所采用的比重壺重220 g，經計算標定，不同礦漿濃度對應的重量如表3所示。

2.3 給料量的測定

漿式給料的礦漿濃度一般在70%左右，設計中普遍采用軟管泵進行輸送。根據各企業(yè)的反饋，這么高濃度的礦漿輸送，若采用流量計計量給料量，誤差較大，因此生產上一般先對軟管泵進行給料量的標定。測試的方法：在軟管泵出口管路上準備好空油桶，開啟軟管泵，調到一定轉速（赫茲），當管路內礦漿均勻流出時，接料1～2 min（視容器的大小而定），然后稱重算出該轉速的給料量。按同樣的方式測定其他轉速的給料量，最后通過生產實際進一步校核，最終制定一份不同轉速的對應給料量表格供生產參考。本項目所測定的軟管泵給料量如表4所示。生產過程需要輸送一定的高度，在一定承壓下，軟管的輸送量有所下降，但此數值誤差在7.2%以內，不影響沸騰爐運行所需調節(jié)的礦量。

2.4 空床壓力（風帽阻力）的測定

沸騰焙燒爐空床壓力的測定有助于生產過程中控制爐床料層的厚度，可直觀通過爐底壓力判斷爐料的高度。本項目的空床壓力測試值如表5所示。沸騰爐的溢流口高度為1.4～1.6 m（可調），運行風量為25 000～27 000 Nm3/h，根據計算，爐底操作壓力控制在16～19 kPa比較合適。

2.5 料槍壓縮空氣壓力的測定

沸騰焙燒爐采用漿式進料時，為了避免進入爐內的礦漿堆積及燒結成大顆粒，應設計合理的料槍結構與壓縮空氣壓力，使噴入爐內的礦漿得到及時霧化。因此，在正式給料前，需要對料槍進行測試，以確定合適的壓縮空氣值。當壓縮空氣壓力過小時，礦漿的霧化效果差，部分礦漿以液滴的形式掉入爐床；當壓縮空氣壓力過大時，壓縮空氣將通過礦漿管道返回料槍分配器，造成礦漿給料不暢。經過測試，本項目料槍合適的壓縮空氣壓力為0.10～0.25 MPa。現場料槍壓力測試如圖1所示。

2.6 熱態(tài)投料調試

2.6.1 底料的選擇原則

在進行完冷態(tài)調試準備工作后，就可進入熱態(tài)投料調試。沸騰焙燒采用漿式進料時，必須事前準備一定厚度的底料，一般按600～800 mm準備。底料粒度應考慮合適的粒徑，過細的物料在升溫過程會吹跑，導致投料時，料層薄，儲熱不足，投入爐內的礦漿不易發(fā)生反應。底料粒度也不能太粗，以過篩4 mm的篩網較合適。底料的水分不宜過高，水分≤1%較好。底料選擇河沙或者焙砂較合適，也可以采用尾礦、氧化礦等低硫的礦物。鋪好底料后需要進行冷沸騰試驗，以此確定微沸騰與全沸騰時對應的最小風量。本項目采用河沙作為底料，鋪設厚度為700 mm，經冷沸騰試驗得到微沸騰最小風量為8 000 Nm3/h，全沸騰最小風量為20 000 Nm3/h。

2.6.2 升溫方式

經過前面準備工作后，就可以進入熱態(tài)投料調試。沸騰焙燒爐經過烘爐后，投料升溫時間就可以控制在20 h內。升溫操作一般有兩種形式：一種是靜態(tài)升溫，即開始升溫時，不啟動爐底風機，當料層上表面溫度達到500～600 ℃時，開啟爐底風機緩緩翻動一次料層，直到爐底溫度低于400 ℃時停止鼓風，反復多次直到料溫升至500 ℃以上，不停火，開小風微沸騰，料溫繼續(xù)升溫至650 ℃以上，具備投料條件；另一種是動態(tài)升溫，即開始升溫時，就啟動爐底風機，開小風使物料處于微沸騰狀態(tài)，隨著料層溫度上升逐步增加風量，最終料溫緩慢上升至650 ℃以上，具備投料條件。本項目采用動態(tài)升溫方式，升溫過程中最多同時運行4支燃燒器，升溫過程控制爐底風量≤15 000 Nm3/h。升溫過程中將爐頂蓋打開，避免將煙氣引入后續(xù)制酸系統(tǒng)。

2.6.3 投料

大部分企業(yè)將投料的礦漿濃度調到70%～72%，含硫量調整到20%以上。本項目礦物中硫的含量比原來設計低很多，含硫只有17%～18%。為了保證投料的成功率，采用添加硫磺的形式，將礦物中的硫含量調整到22%～23%。當底料升溫到680 ℃時啟動投料程序，剛開始投料時保持3支燃燒器正常運行。將爐底風量調整到24 000 Nm3/h，啟動軟管泵往礦漿分配器送料，礦漿通過礦漿分配器后，給料槍分4路均勻往沸騰爐供礦漿，爐床溫度有所下降，開始投礦量設定在10 t/h左右，投料5 min后，爐溫下降到650 ℃左右，但下降趨勢明顯變緩，此時關閉一支燃燒器。隨后逐步增加風量與給料量，在15 min內逐步關閉3支燃燒器，爐內物料實現自然平衡。在投料過程中，爐溫降低到620 ℃左右，之后止穩(wěn)回升到正常溫度。燃燒器關閉后，焙燒產生的煙氣引入后續(xù)制酸系統(tǒng)，調試投料取得成功。系統(tǒng)正常運行后，投礦量為300 t/d，焙燒溫度為650～680 ℃，爐底風量為24 000～27 000 Nm3/h，每根給料槍壓縮空氣壓力控制在0.15～0.2 MPa。

3 結論

剛果（金）某冶煉企業(yè)設計采用沸騰焙燒—濕法冶煉工藝處理銅鈷硫化精礦，該工藝成熟可靠，設備選型經濟合理，為生產成功調試提供了良好的基礎。先進行冷態(tài)調試及理論計算，為熱態(tài)調試提供基礎數據。實踐表明，生產運行參數基本與前面的冷態(tài)調試、理論計算數值一致。調試成功后系統(tǒng)穩(wěn)定連續(xù)運行，目前該系統(tǒng)每天可處理含硫18%左右的硫化銅鈷精礦400 t/d以上，超出了設計產能。本項目的成功運行，為剛果（金）銅鈷硫化礦處理新增一套沸騰焙燒系統(tǒng)，沸騰焙燒工藝已成為剛果（金）處理硫化銅鈷精礦工業(yè)開發(fā)應用的主流工藝。

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收稿日期：2024-12-13

作者簡介：黃海輝（1982—），男，廣東連州人，碩士，正高級工程師。研究方向：冶金工藝研究與設計。