高温铜渣余热回收技术研究进展.pdf
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1、第 卷第期 年月矿冶M I N I N GAN D ME TA L L UR G YV o l ,N o A u g u s t d o i:/j i s s n 高温铜渣余热回收技术研究进展杨国强刘 硕史彦辉武海军雷承勇刘 艳,(赤峰白音华物流有限公司,赤峰 ;上海发电设备成套设计研究院有限责任公司,上海 ;战略金属资源绿色循环利用国家工程研究中心,中国科学院过程工程研究所,北京 ;中国科学院大学 化学工程学院,北京 )摘要:铜渣是火法炼铜过程产生的固废,从冶炼炉排出时温度约为 ,显热能级高,属高品位余热资源,具有很好的回收价值.目前,火法铜冶炼企业主要采用缓冷破碎选矿的方式处理铜渣,未考虑
2、高温铜渣余热回收利用问题,致使大量热量被浪费.为了符合国家节能减排政策的要求,高温铜渣余热回收技术越来越受到重视.对铜渣的物性和现行处理方法进行了概述,从物理方法和化学方法两种回收方式总结了现在高温铜渣余热回收技术的研究进展,提出了高温铜渣余热回收技术未来的研究方向,并对该技术进行了展望.关键词:铜渣;余热回收;粒化;直接还原中图分类号:T F ;T K 文献标志码:A文章编号:()R e s e a r c hp r o g r e s so fw a s t eh e a t r e c o v e r y t e c h n o l o g yo fh i g ht e m p e r
3、a t u r e c o p p e r s l a gYANGG u o q i a n gL I US h u oS H IY a n h u iWU H a i j u nL E IC h e n g y o n gL I UY a n,(C h i f e n gB a i y i n h u aL o g i s t i c sC o,L t d,C h i f e n g ,I n n e rM o n g o l i a,C h i n a;S h a n g h a iP o w e rE q u i p m e n tR e s e a r c hI n s t i t u
4、 t eC o,L t d,S h a n g h a i ,C h i n a;N a t i o n a lE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fG r e e nR e c y c l i n gf o rS t r a t e g i cM e t a lR e s o u r c e s,I n s t i t u t eo fP r o c e s sE n g i n e e r i n g,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,B e i j i n g ,C h
5、i n a;S c h o o l o fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g,U n i v e r s i t yo fC h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:C o p p e rs l a gi st h es o l i dw a s t ep r o d u c e di nt h ep r o c e s so fc o p p e rs m e l t i n g T h et e m p e r a t u r
6、 eo fc o p p e rs l a gd i s c h a r g e df r o mt h es m e l t i n gf u r n a c e i s I th a sh i g ha p p a r e n th e a t l e v e la n db e l o n g s t oh i g hg r a d ew a s t eh e a tr e s o u r c e,w h i c hh a sg o o dr e c o v e r yv a l u e A tp r e s e n t,c o p p e rs m e l t i n ge n t e
7、 r p r i s e sm a i n l ya d o p t t h ew a yo f s l o wc o o l i n g,c r u s h i n ga n db e n e f i c i a t i o nt ot r e a tc o p p e rs l a gw i t h o u tc o n s i d e r i n gt h er e c o v e r ya n du t i l i z a t i o no fh i g h t e m p e r a t u r ec o p p e rs l a gw a s t eh e a t,r e s u
8、l t i n gi nal o to fh e a tw a s t e I no r d e r t om e e t t h e r e q u i r e m e n t so fn a t i o n a l e n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o np o l i c y,t h eh e a t r e c o v e r yt e c h n o l o g yo fh i g ht e m p e r a t u r ec o p p e rs l a gh a sb e e np a i dm o
9、r ea n dm o r ea t t e n t i o n I nt h i sp a p e r,t h ep h y s i c a l p r o p e r t i e sa n dc u r r e n t t r e a t m e n tm e t h o d so fc o p p e rs l a gw e r es u mm a r i z e d,a n dt h e nt h ec u r r e n tr e s e a r c hp r o g r e s so ft h eh i g h t e m p e r a t u r ec o p p e rs l
10、 a gw a s t eh e a tr e c o v e r yt e c h n o l o g y w a ss u mm a r i z e df r o mt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lm e t h o d s F u r t h e r m o r e,t h ef u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o no f t h e s ep r o b l e m sw a sp u t f o r w a r d F i n a l l y,t h e f u t u r ed e v e
11、 l o p m e n to f t h i s t e c h n o l o g yw a sp r o s p e c t e d K e yw o r d s:c o p p e rs l a g;w a s t eh e a t r e c o v e r y;g r a n u l a t i o n;d i r e c t r e d u c t i o n收稿日期:第一作者:杨国强,硕士,工程师,主要研究方向为高温铜渣余热回收利用.E m a i l:q q c o m通信作者:刘艳,博士、幅研究员;E m a i l:l i u y a n i p e a c c n火法炼
12、铜工艺每生产t铜大约产生 t铜渣,铜渣出炉温度约 ,每吨铜渣大约含 G J热量.我国是铜冶炼大国,年,我国精炼铜产量为 万t,铜渣产生量矿冶约 万t,含有的热量达到 G J,折合标煤约 万t,是一种很好的二次资源.但是,目前我国火法炼铜企业的高温铜渣余热基本没有得到回收利用.高温铜渣余热的回收利用不仅能降低铜冶炼企业生产的能源消耗,而且还减少污染物排放,缓解环境的压力,对企业节能减排具有至关重要的作用.因此,高温铜渣余热回收利用技术越来越受到关注.本文在分析火法炼铜企业现有高温铜渣处理方式存在问题的基础上,总结了国内现有高温铜渣余热回收利用技术,并提出了高温铜渣余热回收利用技术未来的研究方向,
13、为今后高温铜渣余热回收技术的进一步发展和工业化应用提供参考.火法炼铜高温铜渣处理现状火法炼铜工艺是将硫化铜精矿经造锍熔炼、吹炼、火法精炼、电解精炼等环节生成电解铜的过程.高温铜渣主要指在造锍熔炼和吹炼工段产生的炉渣,该铜渣主要由铁橄榄石、磁铁矿、硫化铜、金属铜和一些脉石组成,其中铁、铜的含量分别为 左右和 ,分别高于我国铁矿石的平均品位(T F e )和 铜 矿 石 的 开 采 品 位().铜渣结构致密、硬而脆,密度大(t/m),磨矿功指数高(kWh/t),导致铜渣中金属综合回收难度大且成本高.高温铜渣的冷却方式有水淬冷却、槽坑缓慢冷却、自然冷却和渣包缓冷四种.冷却方式对铜渣的物相组成、矿物颗
14、粒度有一定的影响,比如水淬急冷时,铜矿物颗粒会很细且会形成非晶质构造,铜粒嵌布在呈树状或针状的其他矿物中,导致一般选矿都难以将铜粒解离、富集,恶化铜渣选矿效果,降低回收率,;缓慢冷却则有利于渣中铜矿物颗粒的聚集长大,冷却速度越缓慢,所得铜渣的含铜矿物结晶颗粒越粗大,嵌布粒度粗使铜矿物与脉石相更易于单体解离,有利于含铜矿物的富集.四种冷却方式中,渣包缓冷最有利于铜渣后续选铜过程,因此国内大部分火法炼铜企业采用该方式冷却铜渣.以某铜企业的渣包缓冷方式为例,从熔炼炉排出的铜渣温度约 ,铜渣排入渣包后运至渣包缓冷场,在渣包内自然缓冷 h后再用废水喷淋 h,经过粗碎、细磨,粒度在 m,所得铜 渣 的 成
15、 分 见 表,铜 渣 中 铁 橄 榄 石 占 比,磁铁矿占比.之后铜渣被运至选矿场进行选铜、选铁,获得品位为 的铜精矿返回熔炼炉熔炼,品位为 的磁铁矿外售,剩下的尾矿堆存.表某铜冶炼企业铜渣成分T a b l eC o m p o s i t i o no f c o p p e rs l a g i nac o p p e r s m e l t i n ge n t e r p r i s e/成分C uF eS i OC a OA lOM g OSZ nP bA sA uA g含量 未检出未检出未检出注:单位为g/t.渣包缓冷过程难以利用高温铜渣的余热,不仅造成余热的大量浪费,而且喷淋废
16、水蒸发形成盐垢附着在管道和渣包,导致腐蚀和损耗严重,大幅度降低冷却效率,干扰生产,同时增加了后续铜渣资源化利用的难度.另外,选矿过程仅回收了铜渣中部分铜和磁铁矿,含有大量铁橄榄石的尾矿堆存,不仅占用土地还造成了铁的浪费.目前,虽然已有研究人员开展了铜渣余热回收的相关研究,但基本上都处于实验室研究阶段,未进行工业化应用,熔岩状物质从液态到固态的余热回收仍属于行业痛点和世界性难题.高温铜渣余热回收技术研究进展高温铜渣是一种熔融状态的物质,其黏度大、导热性差,余热回收过程必须解决熔渣粒化(或分散)、防止黏附、强制冷却以及热能回收连续性等技术,回收难度较大.目前高温铜渣余热回收研究技术可以分为物理回收
17、方法和化学回收方法两类,物理回收方法是通过传热介质水、蒸汽、空气余热转化并用于其它耗能途径;化学回收方法是以高温固态铜渣为热载体,为一些典型的吸热化学反应提供热源,化学反应产生具有附加值的工业产品,目前主要是将铜渣用作催化制氢和煤气化.物理回收物理回收铜渣余热的关键技术是铜渣粒化以及防黏结的前处理技术.我国最早于 年开始铜渣余热回收技术研究,当时云南冶炼厂、昆明冶金设计研究院和昆明冶金研究所组成联合试验组,采用转筒溅落粒化倾斜流动床的工艺进行铜渣余热回收研究.转筒溅落粒化是借助冲击力和离心力的作用使溅落在旋转滚筒上的熔渣粉碎为细粒,钢质转筒采用内水冷,转筒下置一个水槽,使转筒表杨国强等:高温铜
18、渣余热回收技术研究进展面形成 一 层 水 膜,避 免 结 渣.在 铜 渣 处 理 量 为 k g/m i n、温 度 、转 筒 转 速 r/m i n、落点偏角 时,产出的粒化渣粒级组成为:mm的占比 ,mm的占比 .周经在此基础上进行了改进试验,流程如图所示.结果表明铜渣的造粒受铜渣本身的性质(温度、黏度)和造粒过程中的流量、下落角度和下落速度的影响,渣温度高、黏度小、碰撞冲量大、落点在转筒中央时,粒化效果好;试验获得的渣粒无棱角和玻璃毛刺,物理性能比水淬渣的优良.但设计的密闭粒化室在结构和造型上还存在一定问题,不能实现空气与粒化渣的良好热交换,并且未进行连续试验以及热风二次热交换相关研究.
19、图电炉渣转筒干式粒化余热回收工艺流程F i g W a s t eh e a t r e c o v e r yp r o c e s so f r o t a r yd r yg r a n u l a t i o no f e l e c t r i c f u r n a c es l a g 年,牛中生 采用双辊快速挤压粒化法进行了铜渣粒化过程控制及设备结构的研究.试验中把两辊间隙调到足够小,使挤压后的薄渣片在快速下落过程中和空气相互作用而粒化冷却,工艺流程见图.挤压厚度为 mm时,得到的粒渣粒度组成为mm的占比 ,mm的占比 ,mm的占比 ,mm的占比 .该方法不会产生大颗粒渣,且粒
20、化过程受铜渣的成分、黏度、温度变化影响不大,半凝固渣通过挤压也可以达到粒化,粒化冷却时换热截面积小、设备紧凑,但是同样未解决粒化渣的二次热交换问题.以上两种方法更侧重于铜渣的粒化和防黏结过程研究,未对余热进行有效利用,而且均没有很好地解决铜渣的黏结问题,同时又存在处理能力低、作业率低的缺点.图双辊挤压粒化试验工艺流程 F i g T w or o l l e x t r u s i o ng r a n u l a t i o nt e s tp r o c e s s近年来,转杯粒化技术在高温熔渣余热回收方面受到越来越多的关注,该方法利用离心力将熔态冶金渣粒化成小而均匀的渣粒,具有处理量大、
21、机械效率高的优点,为铜渣余热回收技术注入了新的活力.东北大学的刘军祥等 采用转杯粒化法对铜渣余热回收进行了研究,分析了铜渣破碎粒化机制,发 现 随 着 转 杯 边 缘 线 速 度 的 提高,渣粒平均直径逐渐减小,冷却渣粒向远离转杯的方向分布;当线速度超过m/s时,渣粒平均直径的变化随线速度的提高趋于平缓;当铜渣温度在 时,铜渣温度对渣粒平均直径和质量分布没有影响.于庆波等 用液态石蜡模拟铜渣,分析了转杯转速和石蜡的质量流量对颗粒平均直径及其质量分布的影响规律.虽然转杯粒化技术使铜渣粒化得以改进,但仍然存在余热回收率低、难以达到大规模工业应用、铜渣中铁回收过程能源消耗高的问题.为了同时实现铜渣余
22、热和金属资源的综合回收利用,左宗良 将转杯粒化和碳基直接还原技术相结合,在 、r/m i n的转速条件下,制备了粒度分布均匀、高圆整度的铜渣颗粒,随着转杯转速的提高,铜渣颗粒的直径逐渐减小,制备过程无渣棉产生,可以保证良好的传热性.该技术粒化过程需要温度在 以上,但是目前大部分冶炼企业的铜渣排渣温度低于 ,限制了该技术的工业应用,还需要进一步研究,以降低粒化温度.他和其他研究人员还利用转杯粒化法得到的粒化铜渣制备含碳球团,进行了铜渣含碳球团直接还原试验,结果表明,当还原剂为煤粉、气氛为C O()和N(),造渣剂配比(S/C a O)为 、反应温度 、铜渣粒径为 mm、还原 剂 配 比(C/O)
23、为 时,铜渣中铁的还原率为 .虽然能得到较高的还原率,熔融分离,但是粒化铜渣还矿冶需要冷却压块,铜渣余热回收利用不完全.今后在高温铜渣余热回收的连续性、余热回收和金属资源化利用衔接上还需进一步深入研究.化学回收化学回收方法是以高温固态铜渣为热载体,为一些典型的吸热化学反应提供热源.赖坤等 利用铜渣余热气化城市生活垃圾,将垃圾处理和高温铜渣余热回收技术进行了有效结合.研究结果发现,温度越高,气化瞬时产气率越高,利用高温铜渣再用氮气和水蒸气做载气气化城市生活垃圾能得到较高的甲烷、氢气和一氧化碳等可燃气体.铜渣的主要成分是铁橄榄石并且富含碱性金属,可以作为催化剂催化生物质气化过程.李娟琴等 利用高温
24、铜渣的显热作为外热源,进行了铜渣催化木屑水蒸气气化的试验研究.研究结果表明,铜渣的催化活性组份为F eO和F eO,其含量越高,铜渣催化效果越好.催化后H含量明显增加,在最优气化工况下,H的体积分数可达,气化温度为 时,范围内铜渣温度降低 ,铜渣可回收利用的显热为 k J/k g,铜渣余热利用率为 ,系统能量转化率为.但是由于活化位被积炭和焦油覆盖后易导致铜渣失活.为改善铜渣的催化性能和进一步完善生物质气化工艺,许焕斌 利用热态铜渣耦合生物质形成气化工艺系统,实现铜渣催化作用的同时高效回收铜渣余热.氧化钙浸渍铜渣提高了生物质水蒸气气化的产气特性,特别是提高了H的浓度和产气热值,同时有效地利用了
25、高温铜渣余热.赵鲁梅等,通过铜渣催化热解气化生物质试验研究发现,在铜渣催化剂存在时,产气率升高、合成气浓度增大且转化率提高,并且煅烧处理可明显提高铜渣的催化活性,通过对比分析发现,F eO是铜渣催化活性提高的主要原因.刘继磊等 以铜渣为甲烷、二氧化碳重整的催化剂及热源,结果表明,铜渣在高温段具有较高的催化活性,铜渣温度为 时,甲烷、二氧化碳转化率分别为 和 ,铜渣从 降至 过程中的余热利用率为 ,余热利用率较低.采用化学方法利用铜渣余热虽然不需要换热设备,能量转换次数少,可产生氢气等高附加值产物且用途广泛,但未考虑铜渣中金属资源化利用问题.铜渣余热回收技术发展方向高温铜渣余热回收技术是火法铜冶
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