銅精礦的閃速熔煉.ppt

1、第 五 節(jié) 銅精礦的閃速熔煉,一、概述 閃速熔煉是一種迅速發(fā)展起來的強(qiáng)化熔煉方法。它將焙燒、熔煉和部分吹煉過程在一個設(shè)備內(nèi)完成。此法于1949年首先在芬蘭奧托昆普公司的哈里亞伐爾塔煉銅廠應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，自1965年以來在全世界得到迅速發(fā)展，目前已在20多個國家被應(yīng)用。目前該法生產(chǎn)的銅量約占世界銅產(chǎn)量的三分之一以上。 閃速熔煉克服了傳統(tǒng)方法未能充分利用粉狀精礦的巨大表面積，將焙燒和熔煉分階段進(jìn)行的缺點。大大減少了能源消耗，提高了硫利用率，改善了環(huán)境。,閃速熔煉是將經(jīng)過深度脫水（含水小于0.3%）的粉狀精礦，在噴嘴中與空氣或氧氣混合后，以高速度（6070m/s）從反應(yīng)塔頂部噴入高溫（1450155

2、0）的反應(yīng)塔內(nèi)。 精礦顆粒被氣體包圍，處于懸浮狀態(tài)，在23s內(nèi)就基本上完成了硫化物的分解、氧化和熔化等過程。 熔融硫化物和氧化物的混合熔體落下到反應(yīng)塔底部的沉淀池中匯集起來，繼續(xù)完成冰銅與爐渣最終形成過程，并進(jìn)行沉清分離。 爐渣在單獨貧化爐或閃速爐內(nèi)貧化區(qū)處理后再棄去。,3,閃速熔煉有以下的特點： 1.焙燒與熔煉結(jié)合成一個過程； 2.爐料與氣體密切接觸，在懸浮狀態(tài)下與氣相進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)； 3.FeS與Fe3O4、FeS與Cu2O(NiO)、以及其它硫化物與氧化物的交互反應(yīng)主要在沉淀池中以液液接觸的方式進(jìn)行。 閃速熔煉按不同的工作原理可分為兩種基本形式： 1.精礦從反應(yīng)塔頂垂直噴入爐內(nèi)的奧托昆普

3、閃速爐（圖5.1）； 2.精礦從爐子端墻上的噴嘴水平噴入爐內(nèi)的印柯閃速爐（圖5.2）。,4,1、 奧托昆普閃速熔煉,奧托昆普閃速熔煉是采用富氧空氣或7231273K的熱風(fēng)作為氧化氣體。在反應(yīng)塔頂部設(shè)置了下噴型精礦噴嘴。干燥的精礦和熔劑與富氧空氣或熱風(fēng)高速噴入反應(yīng)塔內(nèi)，在塔內(nèi)呈懸浮狀態(tài)。物料在向下運動過程中，與氣流中的氧發(fā)生氧化反應(yīng)，放出大量的熱，使反應(yīng)塔中的溫度維持在1673K以上。在高溫下物料迅速反應(yīng)(23s)，產(chǎn)生的熔體沉降到沉淀池內(nèi)，完成造冰銅和造渣反應(yīng)，并進(jìn)行澄清分離。,5,圖,圖5.1 奧托昆普閃速爐,6,圖5.2 奧托昆普閃速爐,7,奧托昆普閃速熔煉爐的自動控制：主要用計算機(jī)來控制

4、閃速爐產(chǎn)出的銅品位，冰銅溫度和爐渣中Fe/SiO2 比的控制。它們分別由控制反應(yīng)塔送風(fēng)量、重油量和爐料中石英溶劑的比率來實現(xiàn)。,8,2、印柯閃速爐熔煉,印柯閃速爐熔煉法也稱之為氧焰熔煉法，該法是用工業(yè)氧（9598%O2）將干精礦和熔劑從爐子兩端水平噴入爐子的反應(yīng)區(qū)，爐料在熔池上面的爐膛空間強(qiáng)烈氧化，熔煉產(chǎn)出冰銅和爐渣。 冰銅品位4548%，渣含銅0.6%0.7%。煙氣SO2含量7080%。由于采用工業(yè)氧，煙氣量很小。,9,圖5.3 INCO閃速爐,10,印柯閃速爐的優(yōu)點是床能率比奧托昆普閃速爐高約30%，總能耗較低，煙氣量少，煙氣SO2含量高，便于回收（生產(chǎn)硫酸或液態(tài)SO2 ），煙塵率低（2%

5、左右）。,11,閃速熔煉的突出優(yōu)點： 1) 能耗低。反應(yīng)所需的熱量，大部分或全部來自硫化物本身的強(qiáng)烈氧化放出的熱。 2) 煙氣量小，有利于制酸。 3) 生產(chǎn)速度高。大型的5060t/m2d 4) 環(huán)境保護(hù)好。,12,閃速熔煉的主要缺點： 1) 反應(yīng)區(qū)氧位高，渣含F(xiàn)e3O4及渣含銅高，爐渣必須貧化。 2) 煙塵量大。,表5-1 閃速爐各產(chǎn)物成分,13,閃速爐的主要熔煉過程發(fā)生在反應(yīng)塔內(nèi)。氣流中的精礦顆粒在離開反應(yīng)塔底部進(jìn)入沉淀池之前完成氧化和熔化等過程。 發(fā)生在反應(yīng)塔內(nèi)的是一個由熱量傳遞、質(zhì)量傳遞、流體流動和多相多組分間的化學(xué)反應(yīng)綜合而成的復(fù)雜過程。 研究反應(yīng)塔內(nèi)的傳輸現(xiàn)象，對獲得高的生產(chǎn)率與金

6、屬回收率、長的爐壽命和低的能源消耗的具有理論指導(dǎo)意義，也為噴嘴和爐型設(shè)計的改進(jìn)提供基礎(chǔ)。,二、閃速熔煉的基本原理,1、反應(yīng)塔內(nèi)的傳輸現(xiàn)象,14,精礦顆粒和氣體的運動規(guī)律,從反應(yīng)塔頂部噴嘴噴出的氣-固（精礦）混合流，離開噴嘴后，在塔內(nèi)形成了兩個區(qū)域： 1.噴嘴口附近的噴射區(qū)（或稱入口區(qū)）； 2. 擴(kuò)張氣流區(qū) (如圖5.4中的截面A-A以下)。 擴(kuò)張區(qū)延續(xù)到熔池面上時流體形狀改變。此時的氣流速度稱為終點氣流速度。,15,圖 5.4 反應(yīng)塔內(nèi)的氣體-精礦流散布示意圖（中央噴嘴）,16,等溫氣體噴射時的速度衰減由下式表達(dá): 式中，Ux為從入口點開始的x距離上的中心噴射速度(m/s)；U0為入口初始速度

7、(m/s)；r0為入口噴嘴半徑(m) 。 式(5-1)說明，氣流的終點速度乃由入口初始速度決定，入口初始速度對氣體在塔內(nèi)的停留時間起著決定性的作用。,Ux=12.4U0r0/x (5-1),17,公式是在等溫情況下得出的。 由于化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱使塔內(nèi)的氣體瞬間被加熱到高溫（1300以上），氣體體積膨脹擴(kuò)張了噴射錐空間，因而真實速度將大大減少。 對高為9m，直徑為6m的反應(yīng)塔，當(dāng)入口初速度為30m/s時 ，氣流在塔內(nèi)的停留時間約為2s。,18,從反應(yīng)塔頂落下的顆粒是與氣體處在同樣重力作用下的流體中。因此，顆粒的速度等于氣流速度加上顆粒的下落速度。 在實際條件下,混合流中的顆粒分散度是很大的，相鄰

8、兩顆粒間的平均距離大約等于20個顆粒的直徑，甚至更多。 顆粒的終點速度就可以用斯托克斯公式來描述: up=gc(p-g)d2p/18 (5-2) 式中, up為顆粒的終點速度（m/s）；gc為重力加速度(m/s2)；p和g分別為顆粒與氣體的密度（kg/m3）,dp為顆粒的直徑(m)；為氣體的粘度kg/(ms)。,19,按式(5-2)的計算,10m顆粒的終點速度僅為0.04m/s，而200m顆粒的終點速度為1.6m/s。因此,細(xì)顆粒流經(jīng)反應(yīng)塔的速度幾乎與氣流速度相等。而其停留時間也約為2s。較大顆粒通過反應(yīng)塔的速度約2倍于氣流速度(2m/s + 1.6m/s) ，停留時間更短。,20,對某些工廠

9、反應(yīng)塔操作數(shù)據(jù)的統(tǒng)計表明：在不同的反應(yīng)塔的高度下，平均氣流速度為1.44.7m/s時，相應(yīng)的氣體停留時間如圖5.5所示。,21,圖5.5 不同高度的反應(yīng)塔中的平均氣流 速度與其停留時間 (按N.J.Themelis數(shù)據(jù)繪出),22,與細(xì)顆粒相比，粗顆粒不但具有比表面積小和停留時間短的缺點，而且熱傳遞和質(zhì)傳遞系數(shù)也小。 在干精礦中，粒度級別的分布是不均勻的，全部顆粒達(dá)到同樣的反應(yīng)程度是不可能的。 對粗顆粒會有反應(yīng)不足，細(xì)顆粒則會反應(yīng)過度。,23,精礦中最常見的礦物有黃銅礦(CuFeS2)和黃鐵礦(FeS2)。閃速爐內(nèi)發(fā)生的總反應(yīng)可以表達(dá)如下: CuFeS2 + 5/4O21/2(Cu2SFeS)

10、 + 1/2FeO + SO2 2FeS2 + 7/2O2FeS + FeO + 3SO2 3FeO + 1/2O2Fe3O4 精礦顆粒氧化后最后形成的硫氧化物是在爐氣一定的氧分壓（logPo2約為-1.7）下反應(yīng)平衡時的產(chǎn)物。,2、反應(yīng)塔內(nèi)精礦氧化行為與熔煉產(chǎn)物的形成,24,由于精礦顆粒粒度與其表面性狀的差異，噴嘴結(jié)構(gòu)及其工況參數(shù)的影響，精礦顆粒在離開噴嘴后下落過程中的變化是不同的。有三種情況存在： 1.易燃的銅精礦粒子（或反應(yīng)快的粒子）直接被氧化成白锍或帶金屬銅的白锍，氧化放出的熱量使精礦粒子熔化為液態(tài)； 2.過氧化的熔融顆粒； 3.未反應(yīng)的顆粒。,25,過氧化的熔融粒子在反應(yīng)塔內(nèi)下落時，

11、它們彼此之間或者與尚未反應(yīng)的固體粒子（反應(yīng)慢的粒子）之間將發(fā)生碰撞。過氧化粒子中存在Fe3O4，與熔劑粒子碰撞時發(fā)生還原造渣反應(yīng)，并把熱量傳給未反應(yīng)粒子而使其熔化。由于粒子之間相互碰撞，粒子直徑逐漸增大。,26,在爐料中裝入煙塵和不裝入煙塵的條件下，基本完成還原與造渣反應(yīng)的時間是不同的，即該過程持續(xù)在反應(yīng)塔的高度段上是不同的。前者在3m以下。 反應(yīng)塔出口部的最終產(chǎn)物，是由輝銅礦和斑銅礦為主的過氧化熔融粒子和未反應(yīng)的黃銅礦固體粒子所組成。,27,從反應(yīng)塔落下的MeO-MeS液滴還只是初生的锍和渣的混合熔融物，到了沉淀池后,除了進(jìn)行由于比重不同的分層外,還有一系列的反應(yīng)要繼續(xù)進(jìn)行。繼續(xù)反應(yīng)的條件和

12、終渣的組成除了受沉淀池的溫度、氣氛和添加燃料等影響外，還取決于初渣的氧勢、溫度、初渣中二氧化硅的含量以及煙塵返回量的多少等因素。,3、沉淀池內(nèi)的反應(yīng),28,在沉淀池內(nèi)的主要反應(yīng)有以下幾類: （1）Fe3O4的還原反應(yīng) FeS + 3(Fe3O4) + = 10(FeO) + SO2 （5-5） 在有SiO2存在的情況下,FeO與SiO2造渣,使Fe3O4的還原變得容易。影響該反應(yīng)進(jìn)行的因素是爐渣中Fe3O4的活度、Fe/SiO2、锍品位、二氧化硫分壓和溫度以及各相之間接觸的動力學(xué)條件。 根據(jù)圖5.6，可以確定出沉淀池終渣中Fe3O4的含量(%)與锍品位的關(guān)系。,29,條件： PSO2=10kP

13、a; Fe3O4% 含量除1270時，渣含SiO2為26% 外，其余均為渣飽和SiO2,圖5.6 锍-渣-爐氣體系中锍品位與爐渣中的Fe3O4%關(guān)系,30,控制Fe3O4的一般途徑有: 提高反應(yīng)塔溫度 增加沉淀池燃油量，降低锍品位 降低Fe/SiO2，加入煤，以及優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)與操作條件等。,31,（2）Cu2O的硫化還原反應(yīng) (Cu2O) + FeS = Cu2S + (FeO) 式中, 表示锍相,( )表示渣相。在熔煉溫度1573K時,平衡常數(shù)為9604, 這樣高的值表示著反應(yīng)向右進(jìn)行的可能性大，從而以Cu2O形式進(jìn)入爐渣的量相當(dāng)小。 該反應(yīng)所表示的是理論上的情況,在生產(chǎn)實踐中,影響反應(yīng)進(jìn)行

14、的條件是較復(fù)雜的,Cu2O的硫化還原反應(yīng)可能會推遲。,32,（3）繼續(xù)氧化反應(yīng) 在高強(qiáng)度氧化熔煉生產(chǎn)高品位锍時，反應(yīng)塔會產(chǎn)生過氧化，液滴落入熔池后，還會發(fā)生硫化物的繼續(xù)氧化反應(yīng)。,33,閃速熔煉時，精礦中的Pb、Zn、As、Sb和Bi等雜質(zhì)元素的行為與分布是一個值得重視的問題。雜質(zhì)元素在閃速熔煉過程中的行為也是相當(dāng)復(fù)雜的。它們的分布與元素本身的性質(zhì)以及元素之間的相互作用，氧勢、溫度和锍成分等熔煉條件有關(guān)，也與精礦中 含量有關(guān)。表5.2列出了不同研究者和不同锍品位時的元素分布。,4、雜質(zhì)元素的行為與分布,34,表5.2 不同研究者和不同锍品位時元素分布,35,三、閃速熔煉的熱化學(xué)與能量消耗,閃速

15、熔煉的生產(chǎn)過程中，精礦中的硫化物氧化以及造渣反應(yīng)放出大量的熱，輔之以熱風(fēng)或富氧空氣，使過程能半自熱或自熱進(jìn)行。隨著精礦中的發(fā)熱元素硫和鐵的含量不同和礦物相組成不同，氧化反應(yīng)放出的熱量也不同。,1、 閃速熔煉的熱化學(xué),36,放出的熱量還取決于氧化程度，即生產(chǎn)出的銅锍品位越高，化學(xué)反應(yīng)放出的熱量就越多。表5.3列出了典型的硫化銅精礦的發(fā)熱值，并和普通燃料發(fā)熱值進(jìn)行比較。 一般銅精礦，生產(chǎn)含銅為40%60%的銅锍時，反應(yīng)的凈熱約為25003300kJ/(t精礦)。,37,表5.3 精礦和燃料發(fā)熱值的比較,38,熔煉過程所需的總熱量是由熱平衡關(guān)系決定的： Qfu+Qai+Qrea=Qslg+Qmat+

16、Qgas +Qlos 式中，熱量Q的右下角標(biāo)fu、ai與rea分別表示燃料燃燒熱、鼓風(fēng)帶入的顯熱、和化學(xué)反應(yīng)熱；slg、mat、gas和los分別表示爐渣帶走的熱、锍帶走的熱、爐氣帶走的熱和爐子的熱損失。過程要實現(xiàn)自熱，即Qfu=0，可以采取的方法有預(yù)熱空氣提高風(fēng)溫，或者減少爐氣量，或者兩者同時應(yīng)用。近十多年來的閃速熔煉技術(shù)進(jìn)步表明，提高富氧濃度，減少爐氣量的途徑更具有意義。,39,影響閃速熔煉的能量消耗的因素很多，主要的有能源方案的選擇和組合，爐子規(guī)模，精礦品位，锍品位，富氧濃度，精礦噴嘴結(jié)構(gòu)以及操作控制等?？晒╅W速熔煉使用的能源包括重油、煤、焦粉、天然氣以及氧氣等。能量消耗最終是以能量成本

17、來體現(xiàn)的。見下表5.4,2、閃速熔煉能量消耗,40,表5.4 計算能耗成本的條件,41,四、 閃速爐結(jié)構(gòu),閃速熔煉有兩種基本的爐型：一種是因科閃速爐（如圖5.7所示）。另一種是奧托昆普閃速爐。奧托昆普型閃速爐在50多年的發(fā)展歷程中，隨著生產(chǎn)實踐中出現(xiàn)的各種問題，作了不斷的改進(jìn)。重大的變化是在爐型方面。針對熔煉過程中沉淀池內(nèi)容易生成Fe3O4爐結(jié)，渣含Cu高，日本玉野冶煉廠在沉淀池內(nèi)加了三根電極（如圖5.8所示），以電能輔助加熱，減輕了爐結(jié)，降低了渣含銅。,1、閃速爐爐型,42,圖5.7 加拿大國際鎳公司工業(yè)氧氣閃速爐爐型,43,圖5.8 日本玉野冶煉廠閃速爐爐型,44,以后該廠又通過添加焦粉，

18、使用一氧化碳濃度控制生產(chǎn)的技術(shù)，取消沉淀池內(nèi)電極的運行。而澳大利亞卡爾古利冶煉廠則作了另外的改進(jìn)，避免了沉淀池內(nèi)電極嚴(yán)重氧化燒損的困難，把每組呈三角形排列的兩組六根電極插入沉淀池的延伸部分-貧化區(qū)。如圖5.9所示。,45,圖5.9 澳大利亞卡爾古利與金川冶煉廠閃速爐爐型,46,這種結(jié)構(gòu)適應(yīng)了含有MgO的銅鎳精礦的熔煉，容易提高爐渣溫度，貧化區(qū)與沉淀池中的爐渣鎳锍共同處于一個體系，既利于锍品位的調(diào)整又利于降低渣中鎳、銅和鈷的損失。,47,2、閃速爐的爐體結(jié)構(gòu),奧托昆普型的閃速爐由反應(yīng)塔、沉淀池和上升煙道三部分組成。 反應(yīng)塔呈圓筒。沉淀池是由鉻鎂磚砌成的矩形池子，用于暫存銅锍及熔煉渣，以使銅锍沉清

19、分離。上升煙道是煙氣導(dǎo)入廢熱鍋爐的通道。 閃速爐本體主要由鋼結(jié)構(gòu)元件、耐火材料內(nèi)襯和水冷元件構(gòu)成。根據(jù)反應(yīng)塔、沉淀池和上升煙道的功能不同，各部分的鋼結(jié)構(gòu)、耐火材料和水冷元件各有特點。,48,3、閃速爐噴嘴,在閃速爐熔煉中，干燥的浮選硫化銅精礦與熔劑、燃料以及預(yù)熱空氣（或富氧空氣）是通過設(shè)置在反應(yīng)塔上部的精礦噴嘴噴入爐內(nèi)并進(jìn)行混合的。 在反應(yīng)塔中，精礦在距噴嘴一定距離處著火，被氧化形成爐渣和锍，精礦粉與反應(yīng)用空氣混合的均勻程度對精礦氧化反應(yīng)起著決定作用。若混合不好，就會有局部未反應(yīng)物料落入沉淀池，影響锍溫度和品位，煙塵量也增大。,49,精礦噴嘴的型式會影響精礦粉的著火點、反應(yīng)塔內(nèi)的回流量、死區(qū)的

20、位置、結(jié)瘤、灰渣生成以及Fe3O4生成等，即精礦噴嘴的好壞實際上會影響整個熔煉爐的運行。故閃速熔煉從1949年發(fā)展至今，噴嘴也在不斷地發(fā)展完善。 二十世紀(jì)七十年代以前，精礦噴嘴都是文丘里型噴嘴，結(jié)構(gòu)如圖5.10所示。,50,圖5.10 文丘里型精礦噴嘴 1.重油噴嘴；2.精礦溜管；3.送風(fēng)管；4.精礦噴嘴本體；5.文丘里狀收縮部； 6.精礦分散錐；7.精礦噴嘴圓錐,51,中央擴(kuò)散型精礦噴嘴是芬蘭奧托昆普公司研制成功的，該噴嘴不是文氏管型而是倒錐型，由殼體、料管、風(fēng)管、混合室等組成。 爐料從中央料管流入混合室，富氧空氣則從空氣管以一定的速度噴入混合室內(nèi)，精礦與空氣在此處進(jìn)行充分的混合。 混合室呈圓筒型，其底部在噴嘴的最下端與閃速爐頂相接。在精礦噴嘴中心安裝一根小管，其端部設(shè)有錐形噴頭，噴頭周圍分布有直徑3.5mm的許多小孔。 壓縮空氣由中間小管通入，爾后從小孔沿水平方向噴出，將精礦粉迅速吹散到整個反應(yīng)塔內(nèi)。,52,圖5.11 中央擴(kuò)散型精礦噴嘴示意圖,53,圖5.12是典型的奧托昆普閃速熔煉工藝流程。,五、閃速熔煉工藝,1、閃速熔煉工藝流程,54,圖5.12 閃速爐工藝流程圖,55,2、精礦的干燥,銅冶煉廠進(jìn)廠銅精礦含水一般為8%15%。冶煉前的配料作業(yè)、冶煉過程中及冶煉煙氣制酸都對精礦含水有一定要求。 在配料過程中，若含水高，精