铜阳极炉天然气还原的生产实践.pdf

2 0 1 6年 2月第 1期 王 阗等 铜阳极炉天然气还原的生产实践 ． 1 7． 铜阳极炉天然气还原的生产实践 王 阗 ，吕重安 ，李 立 1 ． 大冶有色金属有限责任公 司冶炼厂 ， 湖北 黄石4 3 5 0 0 5 ； 2 ． 大冶有 色金 属有限责任公 司 ， 湖北 黄石4 3 5 0 0 5 [ 摘要 ] 介绍 了大 冶有 色 台炼厂 阳极 炉天 然气还原 的优 化 实践。通过 采 用天 然气增 压技 术 ； 开发 “ 浅氧化 带硫 丝还原” 工 艺； 还 原尾 期操 作 中控制炉 台角度 ， 实现 了天然气消耗 降低 ， 还原效率提 高， 取得 了较好 的经济效益 和环保 效益。 [ 关键词 ] 铜 ；火法精 炼 ；天然气还 原；阳极炉 ； 优化 ；增压 [ 中图分类 号] T F 8 1 1 [ 文献 标志码] B [ 文章编号 ] 1 6 7 2 6 1 0 3 2 0 1 6 0 1 0 0 1 7 - 0 5 O 前 言 目前 ， 世界上铜火法精炼常用的还原剂为煤基 、 重油、 柴油、 天然气 、 液化气等。其 中重油还原在传 统冶炼 中采用的较多 ， 其具有还原效率高、 速率快、 热效高等优点 ， 但是重油 、 柴油等还原剂在还原时产 生大量炭黑， 存在黑烟污染等环保 问题。采用煤基 还原 ， 还原时间短、 成本低、 无黑烟， 但易在铜水表面 形成煤灰层而影响铜水升温效果 ， 干扰铜样还原终 点判断 ， 并存在粉尘污染问题 。 近年来 ， 为了整治黑烟、 粉尘 污染 问题 ， 提 高阳 极板质量 ， 大冶有色冶炼厂选择采用天然气作 为主 要还原剂， 并对其工艺进行了研究和优化 。 1 天然气还原机理 天然气是 一种 多组分 的混 合气 体 ， 主要 成分 是烷烃 ， 其 中 甲烷 占绝 大多数 ， 另有 少量 的 乙烷 、 丙烷和丁烷 ， 此外 一般 还含有硫 化氢 、 二 氧 化碳 、 氮 和水气 ， 以及微量 的惰性气体 ， 如氦和氩 等。当 天然气喷人高温铜液 约 1 2 0 02 0℃ 中时 ， 发生 如 下反 应 1 甲烷 的分解 反 应 在 隔绝空 气并 加 热至 1 0 0 0℃的条件下 ， 甲烷分解生成炭黑和氢气 1 O 0 n C H 4 g C 2 H2 g 1 [ 作者简介 ]王 阗 1 9 7 3 一 ， 男 ， 云南 昆 明人 ， 硕士 ， 冶金 高 级工 程 师 ， 主要从事铜冶金 及相关工作 ， 现任大冶有色金属有限责任公司冶 炼厂副厂长 。 [ 收稿 日期]2 0 1 5 - 0 6 - 3 0 [ 修订 日期 ]2 0 1 5 - 1 卜 l 7 2 C u ， O的还 原反 应 。 。 H 2 { O} H2 O g 2 C { O} c O 3 C O { O} C 0 2 g 4 C H { O} C O g I -I 2 g C O 2 g 5 注 { O} 为游离氧 2 原天然气还原生产概况 2 ． 1天然气 还原 系统 大冶有色冶炼厂阳极炉天然气还原系统由该厂 自主设计施工完成。系统的电气仪表部分纳入炉前 计算机控制系统 ， 实现开停、 流量 调节的 自动化控 制 ； 氮气管道与还原天然气管道并列， 作为还原操作 时的应急气源和还原结束后风管的保护气源。还原 天然气 设计压 力 0 ． 30 ． 5 MP a 、 流量 6 0 01 5 0 0 m ／ h 。图 1为阳极炉天然气还原系统示意图。 切断阀流鼍计 调节阀 氮气 天然气 切 断 阀流 量计 调 节 阀 图 1 阳极 炉 天然气 还原 系统示 意 图 2 ． 2运行 情况 及存 在 的问题 该厂早期进行 了天然气还原生产试验 ， 解决了 煤基还原铜水表面受灰渣影 响的问题 ， 铜水流动性 明显加强 ， 产出的阳极板成分、 外观质量得到改善 ， 经环保部门监测还原作业期间外逸烟气林格曼黑度 为 1级。试验期间主要 操作 、 经济技 术参数如表 1 所示 ． 1 8 ． 中 国 有色 冶 金 A生产实践篇 重金属 由表 1可知 ， 阳极 炉 早期 使 用 天 然 气 还原 的生 产试验 比较成功 ， 但仍存在以下三方面的问题 1 还原操作时间偏长 ， 平均为 2 3 0 ra i n ； 2 还 原 天然 气 单耗 偏 大 ， 吨 铜单 耗 平均 为 7． 56 IT I 3 风管堵塞 次数 多， 还原操作期 间平均 每炉 风管堵 塞 清理 2 ． 7 5次 ， 炉 前职工 劳 动强度 较大 。 3 天然气还原工艺 的优化 3 ． 1还原 天然 气增压 提效 3 ． 1 ． 1 工艺 原理 原还 原天然 气 的压 力 仅 0 ． 2 6～ 0 ． 3 2 MP a ， 还 原 操作时易发生风管堵塞 ， 平均每炉达 2 ． 7 5次。为减 少堵管， 炉前工在天然气还原操作时风管插入熔池 深度较浅 ， 天然气气泡在熔池中停 留时间偏短 ， 导致 天然气利用率较低 ， 还原操作时间偏长 ， 单耗增大。 国内外相关学者研究发现 ， 气体还原剂的利用 率取决于传质条件 ， 可由下式 表示 叼[ 1 一p - k a z ] 6 式 中 叼为气体还原剂利用率 ； Q为气体流量 ； k 为气体传质 系数 气体 流量增加 ， 液相传质系数降 低 ； o为单位熔体深度上气泡的气一液接 触面积； 为风管 出 口中心 到液 面的距 离 。 由公式 6 可知 在其他条件不变的情况下 ， 还 原过程 中增大压炉深度 ， 可以提高天然气的利用率 。 因此， 有必要增大还原天然气 的压力。 将还原天然气的压力提高至 0 ． 4～ 0 ． 5 MP a ， 还原 生产过程中压炉角度由[ 2 8～ 3 2 ] 。 调整为[ O t 2 5～ 3 0 ] 。 ， 风管插入熔池深度增加 5 0～1 5 0 m m。 同时 ， 气体压力提高， 还原过程对铜水的搅拌强 度增大 ， 传质效率提高。 3 ． 1 ． 2 天然气增压系统 大冶有色冶炼厂天然气增压设备于 2 0 1 4年 9 月完成施工安装 ， 2 0 1 4年 1 0月完成管道碰管 ， 开始 进 行增 压试 车试 验 。 1 设备 基本 参数 。增 压 设 备 由 国 内某 厂生 产 制造 ， V w一 1 0 ． 5 ／ 3 ． 5 5 ． 5天然气压缩机。压缩机结 构型式为无油润滑往复活塞式 ， 连续操作。设计处 理天 然 气 能力 为 1 0 ． 5 m ／ m i n ， 变频 调节 范 围 6 0 ％ ～ 1 0 0 ％ ， 即天 然 气增 压 后 流 量 1 5 0 0～2 5 0 0 H 1 ／ h 范 围内可 调 。 2 控制方式。增压设备控制装置满足现场控 制及远程控制方式， 满足间断运行的要求 ， 即只在阳 极 炉 还原过 程 中进 行 增 压 8 h周 期 内增 压 泵 运 行 2～3 h 。 3 ． 1 ． 3 前期 试车 1 增 压 性 能 满 足 要 求 。通 过 一 个 多 月 试 生 产， 增压系统能有效地将天然气压力 由 0 ． 2 6～ 0 ． 3 M P a 增 至 0 ． 3 5～ 0 ． 5 5 MP a ， 并 且 可在控 制 系 统设 置 出 口压 力上 限和 下 限 ， 超 出范 围 自动保 护跳 车 。 2 设计 考虑 不足 ， 压 缩 机不 能 稳 定 生产 ， 对 生 产 造 成影 响 。V w一 1 0 ． 5 ／ 3 ． 5 5 ． 5天 然 气压 缩 机 连 续 工作 时 ， 处 理 天 然气 的流 量 为 l 0 ． 5 m ／ m i n ， 变 频 范围 6 0 ％ ～1 0 0 ％ ， 按 照进 气 压 力 0 ． 2 8 MP a测 算 ， 理论上压缩机 出 口排气流量 范 围为 1 2 6 0～2 1 0 0 m ／ h 。而实 际运 行 中 ， 2 阳极 炉 还 原 天 然气 流 量 最 大 9 5 0 m ／ h ， 3 阳极炉 为 9 2 0 m ’ ／ h ， 均低 于设 计 的排 气 流量 下 限。这种 情况 容易造 成 压缩机 出 口压力 憋 高 ， 超过设 定 出 口压 力 上 限 0 ． 5 5 MP a ， 导 致 增 压 系 统跳 车 ， 不能 连续稳 定 生产 。 3 方案优化。针对早期压缩机的气体排量 以 及使用情况 ， 提出了两种优化方案 方案一 减少进气量 ， 将压缩机进气阀门开度减 小一半 ， 实际工作流量 上限为 2 1 0 0 m ／ h0 ． 5 1 0 5 0 r n ／ h ， 下 限 为 1 2 6 0 m ／ h X 0 ． 5 6 3 0 m ／ h 。 方案二 增加 回流装置 ， 适 当调整压缩 机的转 速 ， 使压缩机排气量在 9 0 0 IT I ／ h左右， 使排气 口多 2 0 中 国 有色 冶 金 A生 产实践篇 重金属 表 3 控制不同氧化终点 3 阳极炉还原 时间及天然气消耗 由表 3可知 “ 浅氧 化 带硫 丝 还 原 ” 氧 化终 点 较 传 统 氧化 工 艺终 点 ， 单 炉 次 还 原操 作 时 间缩 短 2 7 ％ ， 还原单耗降低 1 3 ． 1 ％。 后期的实践发现 ， “ 浅氧化带硫丝还原 ” 工艺受 冶炼厂矿源 、 外购冷铜等杂质元素含量波动的影响。 为确保 阳极 板质 量 ， 阳极 炉 “ 带硫 丝 还 原 ” 工 艺 只 能 在矿源较好的情况下使用 ； 否则氧化过程除杂不彻 底 ， 会 出现 阳极 板 表 面起 黑 皮 、 阳极 板 易鼓 包 、 溜 槽 及浇铸包易粘结等问题。 3 ． 3还原 过程 天然气 流量 控制 氧化精炼后， 铜液中含 [ 0] 约为 1 ％ ， 还原天然 气喷入熔池后 ， 铜液 中 [ 0] 由铜 液 向气- 液 界面传 递 ， 不 断与 C H 分 解 产 生 的 C原 子 、 H 发 生 反 应 ， 生成 C O、 C O ， 这 时 C原 子 、 H 及 C O 由 于浓 度 差 ， 在铜液中不断扩散 ， 使还 原反应连续发生。随着铜 液中[ 0] 浓度降低 ， 反应速率逐渐发生变化 ， 冶炼厂 还原操作尾期时黑烟较大的现象也证 明了该规律。 N． J ． T h e me l i s 等人研究得 出的脱氧速率与铜液 [ 0] 浓度、 还原气体流量的关系 如图 3所示 。 罄 △大 流 量 ， 0小 流 量 图 3 脱氧速率与铜液[ 0] 浓度、 还原气体流量关系 由图 3可 知 ， 当铜 液 中 [ 0] 浓 度 0 ． 1 ％ 时 ， 反 应速度不随[ 0] 浓度变化 ， 但与还原天然气流量有 关 ； 当铜液 中[ 0] 浓 度 ≤0 ． 1 ％时 ， 脱 氧速度 随着 [ 0] 浓度 的降低而减慢 ， 与还原天然气 流量关系不 大， 液相中铜液 中[ 0] 传质成为限制步骤。 根据脱氧速率与铜液f 0] 浓度 、 还原气体 流量 的关系 ， 通过控制还原过程 中不同阶段 天然气流量 实 现天然气 消 耗量 降低 。在确 保还 原天 然气 压力 的 前提 下 ， 通 过调 整压 炉 角 度 来 改 变 风管 插 入 熔 池 深 度 ， 实现 天然气 流 量 控 制 。表 4为 流量 不 变 和 尾 期 终点前 3 0 m i n 流量控制两种条件下还原时间、 天 然气 消耗情 况 。 表 4 流 量控 制两 种条 件下还 原 时间及 天然 气 消耗 注 压 炉 角 度 中 ， 如 1 2 3 0 。 ， 1 2 。 表 不 放 渣 角 度 ， 操 作 角 度 为 4 2 。 。 由表 4可知 在其他条件基本相同的条件下， 可 通过控制操作压炉角度， 小范围调整还原天然气 流 量， 提高还原天然气利用率 ， 降低天然气单耗。同 时， 降低流量基本解决了还原尾气的黑烟问题 。 通过试验、 经验总结 ， 还原天然气的压力为 0 。 4～ 0 ． 5 MP a 时 ， 还原操作过程 中压炉角度 范围为[ 2 53 0 ] 。 ， 其 中 。 为放渣角度。 4 结论 1 成功消化吸 收还原 天然气增 压技术 ， 解决 了压缩泵早期频繁跳车的问题 ； 还原天然气流量增 大 3 0～5 0 I n ／ h ， 还 原 操 作 时 间 缩 短 至 1 8 0 mi n以 内， 风管堵塞 问题减少 ， 还原单 耗降低至 5 13 “1 ／ t C u 左右 ， 降 幅达 3 5 ％ ～ 4 5 ％ 。 2 研究并应用 了“ 浅氧化带硫丝还原” 工 艺， 该技术在炉前岗位推广应用 ， 吨铜还原单耗进一步 降低 4 m 左右 ， 还原 时间减少 到 2 h以内。但该技 术受矿源 、 外购冷铜质量等影响 ， 为避免影响阳极板 质 量 ， 入炉粗 铜渣 量和 杂质 较多 时不 能应 用 。 3 还原 天然 气 的 压力 为 0 ． 4～0 ． 5 MP a时 ， 还 9 8 7 6 5 4 3 2 l 0 0 0 O 0 0 0 0 0 2 0 1 6年 2月第 1期 王 阗等 铜阳极炉天然气还原的生产实践 ． 2 1． 原操作过程 中压炉角度范围为[ 2 53 0 ] 。 ， 在 还原尾期通过操控压炉角度 ， 小范围调整还原天然 气流量 ， 提高还原 天然气利用 率 ， 基本解 决了黑 烟 问题 。 [ 参考文献 ] [ 1 ] 金泽志 ，盛柏青 ．减 少天然气 在反射 阳极 炉消耗 量的研 究及 应用 [ J ] ．价值工程 ， 2 0 1 4 ， 3 2 7 67 7 ． [ 2 ] 张建坤 ， 王勇等．铜 回转 式 阳极 炉燃 煤工艺 技术 的探讨 f J ] ． 中国有色冶金 ， 2 0 0 5， 5 9 4 3 ． [ 3 ] 王前 ， 沈强华等． 新型固体还原剂在铜 回转式阳极炉还原 过程 中的应用[ J ] ．云南冶金 ， 2 0 0 8， 2 5 6 6 0 ． [ 4 ] 余忠珠 ， 李 仲文 ，贺 晓红．新 型还 原剂在金 昌冶炼 厂铜 阳极 炉上的应用 [ J ] ．有色金属 ， 2 0 0 3 ， 4 8 9 9 0 ． [ 5 ] Z h o n g h u a L i u ，We n C h e n，Q i a n g h u a S h e n ．P r e p a r a t i o n o f n o v e l r e d u c i n g a g e n t a n d i t s a p p l i c a t i o n i n c o p p e r p y r o r e f i n i n g[ J ] ． T r a n s ． I MM ，2 0 0 3， 1 1 2 1 3 71 3 9． [ 6 ] 朱祖泽 ， 贺家齐．现代铜冶金学[ M] ．北京 科学出版社， 2 0 0 3 ． Pr a c t i c e o f n a t u r a l g a s r e du c i n g i n c o p pe r a n o d e f u r na c e WANG T i a n ，埔C h o n g a l l ，L I L i Abs t r ac tTh e a r t i c l e i n t r o d uc e d t h e a p pl i c a t i o n a n d o p t i mi z a t i o n o f n a t u r a l g a s r e d u c i ng i n a n o d e f ur n a c e a t Da y e No n f e r r o u s S me he r ．Ad o p t i n g t h e g a s b o o s t i ng t e c hn o l o g y．t h e n e w p r o c e s s“ pr o pe r d e g r e e o f o x i d a t i o n”wa s d e v e l - o pe d．By c o n t r o l l i n g t h e f u r na c e a n g l e a t t h e e v e n i n g o f r e d u c t i o n o pe r a t i o n，t h e g a s c o n s u mp t i o n wa s r e d u c e d，t h e r e d u c t i o n e ffic i e n c y wa s i mp r o v e d，a n d g o o d e c o n o mi c a n d e n v i r o n me n t a l be n e fi t s we r e o b t a i n e d． Ke y wo r d sc o p pe r ；p y r o r e f i n i n g；n a t u r a l g a s r e d u c i n g；a n o de f u rna c e；o p t i mi z e；b o o s t pr e s s u r e 中国恩菲主编 S EMI国际标准正式发布 由中国恩菲主导编制的 电感耦合等离子体光谱 法测量光伏 多晶硅用工业硅粉中 B、 P 、 F e 、 A 1 、 C a的含 量 标准编号 S E MI P V 6 4 - 0 7 1 5 正式发布 ， 并获得 S E M I 颁 发的标准发布牌。这是中国光伏企业推进光伏 领域 国际标准获得的又一次突破。 随着光伏产业的快速发展 ， 对多晶硅 的品质也提出了更高的要求 ， 尤其是杂质含量的控制。多晶硅制造 过程的最关键的原料是硅粉 ， 而硅粉中 B、 P 、 F e 、 A l 、 c a的杂质含量极大影响产 出三氯氢硅 的纯度。因此 ， 多 晶硅原材料的硅粉中杂质含量问题受到业内高度重视。中国恩菲组织专业力量进行基础研究和创新 ， 对硅 粉 中的 B 、 P 、 F e 、 A l 、 C a 杂质进行检测 ， 最终形成光伏多晶硅用工业硅粉中 B 、 P 、 F e 、 A 1 、 C a含量的测量标准。 2 0 1 2年 8月， 中国恩菲工程公司提出 S E MI 标准立项 申请 。为增强标准的科学性、 合理性 ， 中国恩菲联 合洛阳中硅高科技有限公 司 S I N O S I C O 、 国家太 阳能光伏产 品质量监督检验 中心 C P V T 、 江西赛维 L D K 光伏硅科技 有 限公 司 L D K 、 无锡 尚德 太 阳能 电力 有 限公 司 S u n t e c h P o w e r 、 新 特 能源股 份有 限公 司 T B E A 、 江苏中能硅业科技发展有限公司 G C L 等多家机构成立 了标准编制组 ， 研究分析方法 ， 并利用多 晶硅材料制备技术国家工程实验室和其他多家机构做验证试验 ， 积累了充分数据。另外， 标准编制组还与美国 太阳能营运商 S u n E d i s o n 、 比利时苏威化工集团 S o l v a y 、 台湾友晁能源等多个公司的资深专家就标准 中涉及的 技术问题深入交换了意见。在经历 了7次委员会会议审核、 5轮全球投票以及不断修改完善后 ， 标准草案终于 获得全球专家的一致认 同， 2 0 1 5年 5月 1 9 E l 在美 国通过所有程序审核 ， 并于 2 0 1 5年 7月向全球发布。 S E MI 国际半导体设备与材料协会 是一家全球高科技领域专业行业协会， 创立于 1 9 7 0年， 4 0多年来， S E MI 致力于国际标准的制定 ， 拥有会员公司 2 0 0 0多家。会员系从事半导体 、平面显示 、 太阳能光伏、 纳米科 技、 微电子机械系统等领域开发 、 生产和技术支持的公司。来 自美洲、 欧洲、 日本、 韩国、 中国大陆及中国台湾地 区等地的 1 0 0 0家公司， 5 0 0 0多名志愿者投身于 S E MI 国际产业技术标准活动 ， 他们代表着全球各地产业的呼 声和需求。目前 ， S E M I 全球已成立了2 3个标准委员会及 2 0 0多个工作小组 ， 制定了高达9 0 0项、 2 0大类的标准 及安全相关准则 ， 广为全球 I D M厂、 晶圆厂、 封装测试厂等应用， 为推动全球产业标准的制定贡献力量。 中国恩菲 同时还参 与编制两项 S E MI 标准 ， 其 中 硅粉 中总碳含量测试方法 标准编号 S E MI P V 5 9 ． 0 1 1 5 已于 2 0 1 5年 1月 1 5日成功发布 ， 另一项 S E MI 标准 硅中氯离子检测方法 已经进入最后审核阶段 ， 预计在 2 0 1 6年上半年获准通过。