稀氧燃烧技术在铜阳极精炼炉上的应用.pdf

8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第3 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 3 ．0 0 3 稀氧燃烧技术在铜阳极精炼炉上的应用 袁海滨，陈钢，杨建中 云南锡业股份有限公司铜业分公司，云南个旧6 6 1 0 0 0 摘要稀氧燃烧技术在铜阳极精炼炉上的应用结果表明，稀氧燃烧产生的烟气量约为煤气燃烧烟气量的 2 2 ．4 ％，每吨阳极铜的能耗由应用前的大于8 8k g c e 降低至4 2k g c e 。稀氧燃烧技术对铜水提温较快，加 速了氧化脱硫作业，炉内温度调整灵活、迅速，还原结束铜水温度达到11 9 0 ℃以上，满足阳极板正常浇 铸的需要。 关键词稀氧燃烧；阳极炉；精炼；铜 中图分类号T F 8 1 1文献标志码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 0 3 一o 0 0 8 一0 3 A p p l i c a t i o no fD i l u t eo x y g e nC o m b u s t i o no nC o p p e rA n o d eR e f i n i n gF u r n a c e Y U A NH a i - b i n ，C H E NG a n g ，Y A N GJ i a n z h o n g C o p p e rB r a n c ho fY u n n a nT mL i m i t e dC o m p a n y ，G e j i u6 6 1 0 0 0 ，Y u n n a n ，C h i n a A b s t r a c t D i I u t eo x y g e nc o m b u s t i o nt e c h n o I o g yw a sa p p l i e do nc o p p e ra n o d er e “n i n gf u r n a c e ．T h er e s u I t s s h o wt h a tf l u eg a sv o l u m eg e n e r a t e db yd i l u t eo x y g e nc o m b u s t i o ni s o n l y2 2 ．4 ％ o ft h a to f c o a lg a s c o m b u s t i o n ． E n e r g yc o n s u m p t i o np e rt o na n o d ec o p p e rd r o p sf r o m8 8k g c ea b o v et o4 2k g c e ． T e m p e r a t u r e o f “q u i dc o p p e r c a nb er a i s e dq u i c k l y b yd i l u t eo x y g e nc o m b u s t i o nt e c h n o I o g i e s ， w h i c ha c c e I e r a t e d e s u l f u r i z a t i o nb yo x i d a t i o no p e r a t i o n ． T e m p e r a t u r eo fl i q u i dc o p p e ri s 1 19 0 ℃ a b o v ea f t e rr e d u c t i o n ， w h i c hm e e t st h er e q u i r e m e n to fa n o d ep l a t ec a s t i n g ． K e yw o r d s d i I u t eo x y g e nc o m b u s t i o n ；a n o d ef u r n a c e ；r e f i n i n g ；c o p p e r 冰铜吹炼产出的粗铜中粗铜必须经精炼除杂 后[ 1o 浇铸成阳极板，再送电解精炼才能作为阴极铜 销售或再深度加工成铜材等产品销售。铜的精炼技 术近年来有了较大发展[ 2 。4 ] 。在工艺方面，由常态空 气氧化发展到富氧空气氧化，由插木还原、重油还原 发展到天然气、氨气、液化石油气还原，从而强化了 精炼过程，缩短了还原时间，提高了生产效率，降低 了生产成本。精炼设备大型化、机械化、自动化程度 日趋提高，过去采用几十吨到一百多吨的精炼炉，逐 步发展到2 0 0 ～3 0 0t ，目前国内少数厂家精炼炉还 升级到了4 0 0 ～6 0 0t [ 5 ] 。以前绝大多数厂家采用反 射炉精炼，随着环境要求越来越严格，反射炉逐步被 回转式阳极炉取代，在国内仅有极少数厂家仍采用 反射精炼炉。 回转式阳极炉r 5 3 以其更优越的自动化程度，更 好的操作环境，更为灵活的炉况气氛控制而广泛应 用于粗铜精炼，实现粗铜精炼的自动化，减轻了工人 的劳动强度，提高了劳动生产率，降低了能耗。稀氧 燃烧技术近年来才被国内各大铜冶炼厂引进使 用[ 6 ] 。稀氧燃烧技术以其更高效的热效率、更低的 烟气产生量、更快的提温速度和更容易控制炉内气 氛而逐渐被有色行业所接受并使用口1 。目前，国内 已有1 0 余家铜冶炼企业将稀氧燃烧技术应用于回 转式阳极精炼。稀氧燃烧技术在国外已成熟应 收稿日期2 0 1 4 一0 9 2 9 基金项目云南省财政厅、科技厅技术创新暨产业发展专项资金资助项目 2 0 1 4 X B 0 1 7 作者筒介袁海滨 1 9 8 4 一 。男，江西吉安人，硕士。工程师， 万方数据 2 0 1 5 年第3 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 9 用[ 8 ] ，国内正逐步推广使用，本文阐述稀氧燃烧技术 在云南锡业股份有限公司铜业分公司回转式阳极精 炼炉上的应用。 1 铜阳极精炼原理 粗铜的火法精炼r lo 是在精炼炉内向粗铜熔体中 鼓入空气，使熔体中对氧亲和力较大的杂质如锌、 铁、镍、砷、锑、铅、硫和锡等发生氧化，以氧化物的形 态浮于铜熔体表面形成炉渣，或挥发进入烟气而脱 除，部分难脱除的杂质还需采用相关的造渣剂或助 熔剂反应脱除，残留在铜熔体中的氧经还原脱去后， 铜即可浇铸成电解精炼用的阳极板。 2 稀氧燃烧技术原理 稀氧燃烧技术是由普莱克斯公司经过4 0 余年 的研发和探索开发出来的，涉及多项美国及中国专 利r 9 ] 。自2 0 世纪9 0 年代以来，在国内外的多项应 用实例中，该技术表现出了安全、可靠、高效和节能、 维护简单及对现有系统改动少的优点。 传统燃烧技术均以空气为助燃介质，而空气中 仅2 0 ％氧气为有用助燃介质，约8 0 ％为非助燃介 质，该非助燃介质进入炉内后，交换带走大量热量， 导致燃料热效率低。而稀氧燃烧技术，采用9 8 ％以 上浓度富氧作助燃介质，有效辅助燃料完全燃烧，热 量完全释放，产生气体量明显小于传统燃烧技术气 体量，烟气带走热量少，炉内燃料热效率高。 普莱克斯开发的“D o C J L ”烧嘴是一种利用炉 内烟气循环而降低火焰峰值温度并进而降低N q 排放的卷吸式“J I 。”烧嘴 如图1 所示 ，它通过高动 量氧气燃料射流带来强劲的炉气卷吸，并且促进更 均匀的温度分布和热量传递。 图1 稀氧燃烧J L 烧嘴砖结构图 F i g ．1 J Lb u r n e rb r i c ks t r u c t u r ed i a g r a m o fd i l u t eo x y g e nc o m b u s t i o n 3 稀氧燃烧技术在铜阳极精炼炉上的 应用 3 ．1 稀氧燃烧对精炼产生烟气量的影响 稀氧燃烧应用前，精炼炉燃烧需要的煤气量为 30 0 0m 3 ／h 、柴油2 5 0k g ／h 、助燃风40 0 0m 3 ／h ，稀 氧燃烧应用后，精炼炉燃烧省去了煤气和助燃风，只 需补充5 5 0m 3 ／h 的富氧空气。 稀氧应用前，使用的热煤气主要可燃气体成分 及其体积含量分别为C 2 0 ．5 ％、C H 。1 ．8 ％和H 1 9 ％，另外还有不可燃气体成分及其体积含量分别 为N 4 9 ％和C O 9 ．7 ％。根据热煤气中主要的可 燃气体来计算完全燃烧需要消耗的氧气量，再反推 出所需消耗的助燃空气量。经详细计算，除去煤气 完全燃烧所消耗的助燃空气外，还有部分富余空气 及煤气中不可燃的气体，再加上柴油燃烧产生的烟 气等，都将汇总至后端烟 道 气里，计算得到原煤气 燃烧系统尾端产生的烟气量约为67 0 5m 3 ／h 标态， 下同 。然而，采用稀氧燃烧计算，每小时仅柴油完 全燃烧约产生l5 0 0m 3 烟气，烟气量约为煤气燃烧 的2 2 ．4 ％，也就是说烟气排放量减少了7 7 ．6 ％。 根据精炼炉出口烟气温度，原煤气燃烧出口烟 气温度常大于3 0 0 ℃，稀氧燃烧出口烟气温度约 1 5 0 ℃，稀氧燃烧每小时产生的烟气量带走了9 7 ．2 M J 的热量，而原煤气燃烧系统则每小时产生的烟 气量带走了21 6 7M J 的热量。由此也可以看出，在 相同阳极铜产量的前提下，稀氧燃烧避免了因烟气 带走20 6 9 ．8M J 的热量损失。 3 ．2 稀氧燃烧对精炼能耗的影响 云南锡业股份铜业分公司在引进稀氧燃烧技术 前1 2 个月的生产中，回转式阳极精炼炉主要以煤气 和柴油作为主燃料提供精炼所需热源，助燃风机提 供助燃空气。稀氧燃烧技术在回转式阳极精炼炉改 造后，即取消了原煤气和柴油燃烧模式，改用稀氧烧 嘴，燃料仅以柴油为主，以富氧浓度为9 8 ％以上的 氧气作助燃风。稀氧燃烧技术应用前后的能耗如图 2 所示。 从图2 可知，稀氧燃烧技术应用后，吨阳极铜的 能耗明显降低，能耗由应用前的8 8k g c e 以上降低 至4 2k g c e ，该能耗指标一直比较稳定。稀氧燃烧技 术的应用，吨阳极铜能耗节约了5 0 ％以上。 稀氧燃烧应用前，每小时能化冷粗铜及其他铜 物料7 ．5t 左右，而该技术应用后，每小时能化的冷 粗铜等物料提高至1 5t 以上。这是由于稀氧燃烧 虢乏 一之一啜 枪、 ≮0 描 万方数据 1 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第3 期 8 芒 糕 Ⅲ ＆ 虽 肇 卫 冒 磁 ■ ．、7 。＼I稀氧燃烧应用前稀氧燃烧应用 ● y 。、／I 。 } l 一●～●一，- 一- 后 024681 1 21 41 61 8 生产时问，月 图2 稀氧燃烧对精炼能耗的影响 F i g ．2 E f f e c to fd i l u t eo x y g e nc o m b u s t i o n o ne n e r g yc o n s u m p t i o no fr e f i n i n g 炉内无明显火焰，热量扩散均匀，加强了炉内铜水与 炉膛温度的热交换效率，显著提高了冷料的化料速 度，提高了物料的处理能力，从而提高了单位时间内 的产量，稀氧燃烧烟气量少，热量被烟气带走热量降 低，降低了吨阳极铜的能耗。而原煤气加柴油燃烧 系统，因使用空气助燃，大量非助燃气体如氮气等， 进入炉内后带走了大量热量，使得热量的有效利用 率偏低。 此外，稀氧燃烧技术应用后，取消了热煤气的使 用，还取消了助燃风机，仅使用柴油燃烧，不仅炉况 的可控性强，操作简单、参数调整快捷，而且节能效 果也显著。 3 ．3 稀氧燃烧对回转炉氧化还原精炼过程的影响 稀氧燃烧技术应用于回转式精炼炉后，对氧化 过程脱硫影响较大，脱硫速率明显加快。该技术应 用前，在炉内熔融粗铜水中含硫约o ．6 ％～o ．8 ％ 时，通常氧化作业时间至少需消耗3 ～4h 。而稀氧 燃烧技术应用后，在炉内熔融粗铜水中含硫等同情 况下，仅需1 ．0 ～1 ．5h 。这是因为，稀氧燃烧精炼 过程，在氧化作业待料或熔料期间，回转式精炼炉可 以提前改变燃烧模式，适当提高富氧与柴油的比例 系数，调整炉内氧化气氛，炉内有大量富余氧气，通 过炉底透气砖的搅拌，加快铜水中的硫与氧的氧化 反应，将氧化作业提前，可缩短后续氧化作业时间， 提高了有效作业率，提高产能。 文献[ 1 0 ] 指出，精炼过程最佳脱硫温度为11 2 0 ～11 5 0 ℃，温度越高，脱硫速率越低。而回转式精 炼炉在氧化作业前，除接收足够的吹炼热粗铜外，常 还需适当补充部分冷粗铜或其他杂铜，以增加单炉 处理量。在精炼炉进入氧化作业前，炉内熔融铜水 温度常在11 2 0 ℃左右，此偏低铜水温度也不利于 快速脱硫。为加快脱硫速率，必须提高温度至11 5 0 ℃左右。由于稀氧燃烧技术具有热量利用率高，烟 气带走的热量少，对铜水提温较快的特点，特别是对 铜水的提温明显快于应用前的煤气燃烧模式，尤其 在11 2 0 ～11 5 0 ℃温度范围内，稀氧燃烧的提温更 明显，耗时较短，这也是稀氧燃烧技术应用后能在较 短时间内完成氧化作业脱硫过程的原因之一。 稀氧燃烧技术应用后对精炼炉还原过程带来的 便利更是显而易见的。传统还原作业前，氧化结束 温度至少达11 5 0 ℃即可进人还原作业。然而，当 还原过程操作不当时，可能导致还原结束温度低于 11 9 0 ℃，低于浇铸阳极板所需的最低温度，无法满 足浇铸作业时，常需再次氧化后又还原，以此来提高 铜水温度，确保浇铸过程的顺利进行。然而，稀氧燃 烧技术应用后，常在l1 5 0 ℃左右甚至11 8 0 ℃以上 均可停止烧嘴枪运行，取出J 枪和L 枪，在还原过程 不向炉内供柴油或供氧气，直接喷还原剂还原，还原 结束铜水温度仍可保证在l1 9 0 ℃以上。如果氧化 结束铜水温度在11 2 0 ～11 5 0 ℃，即可进入还原作 业。此时，稀氧燃烧的柴油枪和氧枪不能停止工作， 操作上需作适当调整，略微提高些柴油量，同时增加 富氧量，富氧与柴油量的比例提高即可，通过部分富 余氧气助燃铜水表面不完全反应的还原剂充分燃 烧，也可以达到提高铜水温度的目的。 4结论 1 稀氧燃烧的烟气量约为煤气燃烧烟气量的 2 2 ．4 ％，理论上烟气排放量减少了7 7 ．6 ％，减少了 20 6 9 ．8M J 的热量损失。 2 稀氧燃烧技术应用后，吨阳极铜的能耗降低 了5 0 ％以上，炉况的可控性强，操作简单、参数调整 快捷，缩短了单炉期的作业时间，提高了有效作业率 和单位时间内的产能。 3 对偏低或偏高的初始还原铜水温度，通过相 应的技术调整，均可达到还原结束铜水温度11 9 0 ℃以上，满足阳极板正常浇铸所需温度。 参考文献 [ 1 ] 许并社，李明照．铜冶炼工艺[ M ] ．北京化学工业出版 社，2 0 1 0 1 4 8 1 5 8 ． [ 2 ] 有色冶金炉设计手册编委会．有色冶金炉设计手册 [ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 4 6 7 1 6 8 0 ． [ 3 ] 欧福文．摇炉精炼废杂铜的生产实践[ J ] ．有色金属 冶 炼部分 ，2 0 1 3 8 1 4 16 ． 下转第1 5 页 万方数据 2 0 1 5 年第3 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 1 5 参考文献 [ 1 ] 朱茂兰，涂锼，朱根松，等．铜电积技术的现状及发展 [ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 8 9 1 3 ． [ 2 ] 衷水平．铜电积工程实践及添加剂优化探讨[ J ] ．有色 金属 冶炼部分 ，2 0 1 5 1 6 一l o ． [ 3 ] 金正聪．浅析电铜厂铁离子控制方法[ J ] ．有色矿冶， 2 0 1 2 ，2 8 1 2 7 2 9 ． [ 4 ] 朱秋华，方荣茂，张玲文，等．扩散渗析法回收湿法炼铜 厂电解贫液中的硫酸[ J ] ．膜科学与技术，2 0 1 3 ，3 3 1 6 2 6 5 ． [ 5 ] 朱卫平．斯特里特工业 印度 有限公司C h i n c h p a d a 精 炼厂的电解液杂质控制[ J ] ．中国有色冶金，2 0 0 7 ，3 6 6 7 一1 1 ． [ 6 ] 李仕雄，安娟，刘爱心，等．冶金工业废液中硫酸的回收 [ J ] ．湖南有色金属，2 0 1 1 ，2 7 4 2 5 2 7 ．8 0 ． [ 7 ] 原金钊．树脂床吸附技术在混酸回收中的应用[ J ] ．山 西冶金，2 0 0 5 ，2 8 4 2 5 2 6 ． [ 8 ] 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