低碳铜冶炼工艺技术应用分析

朱宝月，刘 郑，管佳为，王宝宇

（吉林紫金铜业有限公司，吉林 珲春 133300）

近年来，随着人们的环境保护意识越来越强烈，低碳经济也成为未来经济发展的趋势之一。低碳经济主要是以节约能源、减少环境有害物质的排放、环境保护为核心的一种新型经济发展模式，同时这也是我国铜冶炼行业追求的目标。传统的铜冶炼行业一直以来都是一个消耗能源比较高、铜冶炼效率低下、污染比较强的行业。近年来我国铜冶炼行业已经取得了一定的成效，一批先进、高效率、高节能、低消耗的铜冶炼工艺已经顺利投入生产，比如闪速熔炼、氧气底吹熔炼等，目前我国铜冶炼工艺已经进入了一个新的发展领域。

1 低碳铜冶炼工艺技术概述

目前美国某冶炼厂的熔炉已经能够实现自然熔炼，但是在自然熔炼的过程中需要消耗大量的燃料，但离高水平的自热吹炼还存在一定差异。我国铜冶炼通过对工艺进行改革，在满足能量守恒定律的条件下，使得低铜冶炼可以达到自热冶炼。在正常操作情况下，闪速炉可以实现高效冶炼，它的突出特点是将炉料充分消耗,在进行熔炼过程中，炉料是处于悬浮状态，在这种状态下炉料可以充分与氧气进行接触，化学反应可以在短时间内完成，同时释放出大量的热量，这不仅是闪速炉自热熔炼的基础，也是闪速炉自热熔炼的关键。自然影响闪速炉自热熔炼的因素有很多，具体来说表现在以下几个方面:①富氧浓度，富养浓度是影响闪速炉自然熔炼必不可少的条件之一，另外运用纯氧或高浓度的富氧是闪速炉的重要特征，其富氧浓度与自热熔炼速度成正比。②冰铜品位。冰铜品位直接影响双闪炉自热冶炼效率。而且对于冰铜品位的选择是分配两炉热量的关键操作，对于自热冶炼的水平产生极其重要的影响。如果选择冰铜品位太高，虽然可以提高自热熔炼速度，但很可能导致吹炼炉内热量太少，无法满足吹炼炉自热的需要。如果选择冰铜品位太低，虽然能够满足吹炼炉自热的需要，但是会产生大量的铜渣，造成严重的资源浪费。因此一定要选择合适的冰铜品位，才能够提高双闪炉自热熔炼的速率。③烟尘率。影响双闪速炉自热熔炼的重要因素之一就是粉尘率。两台炉的制造过程需要返回系统进行循环处理。烟尘进入炉膛反应时，需要吸收大量热能。因此，必须降低烟尘率，提高双闪速炉的自热熔炼率。④合理的炉料S/cu是影响双闪炉自热冶炼的基本条件。炉料越高就越容易实现双闪炉自热。但是如果炉料过高，就很容易导致炉内热负荷表达，对于双闪炉的使用寿命产生不利的影响。如果炉料过低，容易导致热供应不足，甚至有可能没有办法实现自热。因此必须合理的配料，保持稳定适当的S/cu，这是维持双闪炉自热冶炼的基本条件。

2 粗铜无碳火法精炼工艺技术

自从粗铜无碳火法精炼工艺技术问世后，一直以来都是采用氧化还原的工艺，直至目前依旧没有实质性的突破和进展，包括国外矿铜冶炼厂也依旧采用氧化还原的工艺。随着铜冶炼技术的发展和进步，粗铜中在冶炼和吹炼的工序中除去大部分杂质。据大量实践经验表明:在大多数的矿铜冶炼厂中的精炼工序都是为了去除粗铜中的硫。我国矿铜冶炼厂的精炼工序也采用的是氧化还原的工艺，共设置了8个通风口，氧化空气量设计值在每小时2400立方米，这对于闪速吹炼炉的生产造成了不利的影响，成为矿铜冶炼厂也进入了发展的瓶颈期。目前，在氧化还原的过程中，冶炼现场产生了大量的黑烟，对周围的自然环境造成了严重的影响。为此矿铜冶炼行业应该借助科学技术发展，研发出一种新的无碳精炼工艺技术，进而突破矿铜冶炼厂发展的瓶颈期。

传统的氧化工艺的原理是:先通入氧气，让炉内的铜进行深氧化，从而去除铜里的其它杂质，比如硫、铁、铅等，然后再利用碳氢还原剂进行还原除氧。但是在不添加任何溶剂的情况下，深氧化去除粗铜杂质的效果并不是非常好，尤其是硫含量降到百分之零点零零五的过程中，氧化脱硫的效率非常非常低。在这一时期中通入的氧气，除了少部分于铜中的硫杂质反应之外，其它大部分氧气都与铜反应，形成了大量的一氧化铜。当铜液中的含氧量达到百分之零点八以上的时候，因此必须要利用大量的碳氢还原剂进行还原除氧，从而确保铜液中的氧含量降低到百分之零点二。氧化还原方法的主要的不足是氧化和还原是两个相互对立的作业过程中，生产所用的时间比较长，而且生产效率比较低下，还有碳氢还原剂的消耗量比较大，还有产生大量的黑烟和二氧化碳，对于矿铜冶炼厂周边的自然环境造成严重的污染。

无碳精炼工艺技术的核心就在于其取消了氧化还原的工序，通过鼓入惰性气体搅拌铜液从而达到脱硫除氧的目的，能够有效降低碳氢还原剂的消耗，从而实现粗铜的无碳精炼工艺技术。

3 高浓度二氧化硫转化制酸工艺技术

目前冶炼厂的处理烟气的二氧化硫浓度在百分之十二左右。近年来随着铜冶炼技术的发展，所使用的富氧浓度也在不断提高，进而使得冶炼厂内烟气中的二氧化硫浓度也在不断增加，能够达到百分之二十以上。双闪炉铜冶炼烟气经过有效的处理后，二氧化硫的浓度已经达到百分之二十二到百分之二十五之间，比如采取一定的制酸技术将烟气进行稀释，使得烟气量最起码增加一倍，因此相应的制酸装置也应该扩大一倍左右，这就在一定程度上增加了冶炼厂的运行成本、能源消耗等，而且也没有办法充分发挥双闪铜冶炼工艺的优势。如何适应铜冶炼烟气中二氧化硫浓度的不断升高，已逐渐成为制酸工业面临的重要问题之一。高浓度二氧化硫制酸技术对整个工业的发展具有重要意义。二氧化硫转化为三氧化硫是制酸的核心，这一反应是一种可逆放热反应，通常在多层触媒层中进行绝热反应。对于高浓度二氧化硫烟气制酸来说，其中最重要的就是转化器第一层触媒层的限制，因为触媒层的最高可以耐650摄氏度的高温。具体的操作方法如下:降低转化器第一层的二氧化硫浓度，从而降低第一层触媒层的转化率，从而达到控制触媒层温度的目的。高浓度二氧化硫转化制酸工艺技术已经广泛应用于铜工业生产过程中，据大量实践表明:高浓度二氧化硫转化制酸工艺技术能够有效降低铜工业生产的成本、降低铜工业生产的能源消耗，而且这种新型工艺还能够有效弥补闪速吹炼炉的能源消耗，从而提高矿铜冶炼厂的生产效率和生产水平，这为低碳经济提供了一个新的发展方向。

4 余热回收技术

对于一个新的矿铜冶炼厂来说，一般会对吹炼烟气、制酸转化烟气余热等热量进行有效的回收，然后将这些热量用于其它用途，比如发电、冶炼等。但是仍然对于冶炼厂中的一些余热没有进行回收。据调查结果显示，铜冶炼炉内烟气余热占整体烟气余热的十分之一，碳酸低温余热占整体制酸余热的四分之一。所以可以得出，矿铜冶炼厂的热能回收还有比较大的发展空间和潜力。美国一家公司研发了低温位热能生产蒸汽技术，也被称之为“热回收系统”。目前，全球一些矿铜冶炼厂已经引进了热回收系统，该系统主要被应用于铜冶炼制酸过程中。酸循环泵、稀释器、热回收塔、锅炉共同构成了热回收系统。热回收系统的工作原理主要是利用热回收塔代替传统的回收塔，用锅炉代替传统的塔酸冷却器，从而提高热能的温位，达到有效回收余热的目的。含有三氧化硫的烟气从热回收系统的回收塔进入塔顶排出，该回收塔主要有上下两级填料层，下一级填料层的上塔酸是220摄氏度的硫酸，其中硫酸的浓度高达百分之九十九，上一级填料层的上塔酸是95摄氏度的硫酸，其中硫酸的浓度在百分之九十三到百分之九十五之间，从而提高三氧化硫的吸收效率。上下两级填料层中的硫酸从塔底流入与塔相连的泵槽，然后由热回收系统酸循环泵融入热循环系统的锅炉，生产出一定压力的饱和蒸汽，由于吸收了酸后，三氧化硫的浓度变高，这个时候就需要通过热回收系统的稀释器对高浓度的三氧化硫进行稀释，从而维持三氧化硫的浓度，经过稀释后的三氧化硫在重新流入热回收系统的热回收塔，进行下一轮的热能吸收。据大量实践数据表明，当矿铜冶炼厂使用热回收系统后，能够将传统制酸装置的热回收率从原来的百分之七十提高到百分之九十三，这能够有效降低矿铜冶炼厂的能源消耗，节约冶炼成本，从而获得更大的经济效益。

5 高电流密度铜电解工艺技术

铜电解工艺技术被运用于矿铜冶炼厂以来，并没有什么突破性的进展。目前铜电解工艺的发展趋势是永久不锈钢阴极电解。目前先进的高电流密度铜电解工艺技术有KIDD法、ISA法、OK法。在铜电解生产的过程中，提高电流的密度是提高生产效率和水平、节能能源资源、降低矿铜冶炼厂的生产成本的重要途径之一，同时这是也矿铜冶炼行业长期追求的目标。但是直到目前仍没有突破这一瓶颈期，其主要原因是因为电流浓差极化问题，周期反向电流电解虽然在一定程度上能够克服电流浓差极化的问题，但是目前电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，使得相关操作更加不稳定，因此高电流密度铜电解工艺技术并没有得到广泛应用。

6 结束语

综上所述，双闪炉是目前世界上最先进的绿色生态铜冶炼的工艺之一，我国的矿铜冶炼厂通过自己的研究创新，研发出低碳铜冶炼的新型工艺和技术，而且成功应用于铜冶炼工业，这有利于提高双闪炉的技术水平，使得双闪铜冶炼工艺能够高效能、节约能源消耗、低碳、环境保护，为低碳经济条件下的铜冶炼工业的发展指明了新的发展方向。