1.1.2　中國銅冶煉工業概述

2019年我國精煉銅產量為978.4萬噸/年[1]。我國銅冶煉行業生產集中度較高,礦產銅生產主要集中在江西銅業公司、銅陵有色公司、云南銅業公司、金川有色公司等7家大型企業。銅礦物原料的冶煉方法可分火法冶金與濕法冶金兩大類。

近30多年來,我國銅工業規模和技術裝備水平發展迅速,多家大型銅冶煉廠技術和裝備已經達到了世界先進水平,污染嚴重的鼓風爐、電爐、反射爐已逐步被淘汰,取而代之的是引進、消化并自主創新的富氧強化熔煉工藝,如閃速熔煉工藝和艾薩、奧斯麥特等富氧頂吹熔池熔煉工藝及我國自主開發的方圓氧氣底吹熔煉多金屬捕集工藝和金峰爐富氧雙側吹熔池熔煉工藝。

隨著國家對環保和節能減排的調控力度加大,我國銅工業骨干冶煉企業通過科技攻關和技術改造,大力引進和自主創新先進生產技術和裝備,從產業結構上優化能源消耗、促進節能降耗,逐步淘汰了污染嚴重的鼓風爐、電爐和反射爐煉銅技術[2]。

1.1.2.1　銅冶煉行業主要原料、產品及副產品

(1)銅冶煉行業主要原料

礦產銅冶煉行業主要原料為銅精礦,其主要成分為硫化銅礦,我國銅精礦中Cu品位一般為18%~26%,進口礦Cu品位相對高一些,可達30%左右,還含有S、Pb、Zn等金屬及Au、Ag等貴金屬。

部分企業采用濕法冶煉工藝,從低品位銅礦、難選氧化礦、礦山含銅廢石及其他金屬冶煉固廢中提取電積銅,主要生產地區為山西、安徽、江西、黑龍江、云南、湖北和新疆。

(2)銅冶煉行業產品及副產品

銅冶煉行業主要產品為粗銅和精銅,精銅包括電解銅和電積銅;少數企業也生產產品為陽極銅。

粗銅主要是以銅精礦為原料,經過火法熔煉、吹煉后產品,粗銅中銅含量為99%左右,并含有其他雜質。

以粗銅為原料,經過火法精煉后鑄成陽極板,產品為陽極銅,一般企業陽極板直接送電解系統生產陰極銅,少數企業沒有電解系統,以陽極銅為產品;陽極板(銅)經電解精煉,獲得產品為精銅,即陰極銅(電解銅);精銅中銅含量為不低于99.95%。

銅冶煉行業主要副產品為硫酸;在火法冶煉過程中,硫化銅礦冶煉產生的煙氣通常含有一定濃度的二氧化硫,為滿足環境保護要求以及資源回收利用的原則,首選的回收產品就是工業硫酸。

1.1.2.2　我國銅冶煉主要工藝與技術水平

近30多年來,我國銅工業規模和技術裝備水平發展迅速,在銅冶煉方面,自江西銅業公司貴溪冶煉廠1985年引進奧托昆普閃速熔煉技術開始,國內其他主要銅冶煉企業也先后引進了先進的銅冶煉技術和裝備,多家大型銅冶煉廠技術和裝備已經達到了世界先進水平,污染嚴重的鼓風爐、電爐、反射爐已逐步被淘汰,取而代之的是引進、消化并自主創新的閃速熔煉技術和諾蘭達、艾薩、奧斯麥特等富氧熔池熔煉新技術。

(1)火法冶煉工藝

當前,全球礦銅產量的75%~80%是以硫化形態存在的礦床經開采、浮選得到的銅精礦為原料。火法煉銅是生產銅的主要方法,特別是硫化銅礦,基本全部采用火法冶煉工藝。火法冶煉工藝處理硫化銅礦的主要優點是適應性強,冶煉速度快,能充分利用硫化礦中的硫,能耗低,特別適于處理硫化銅礦。其生產過程一般由備料、熔煉、吹煉、火法精煉、電解精煉幾個工序組成,最終產品為電解銅。

1)熔煉工序

富氧強化熔煉工藝是目前銅火法冶煉的主流技術,包括閃速熔煉工藝和熔池熔煉工藝;其中熔池熔煉工藝又分為頂吹、底吹和側吹工藝。

① 閃速熔煉工藝。閃速熔煉的生產過程是用富氧空氣或熱風,將干精礦噴入專門設計的閃速爐的反應塔,精礦粒子在空間懸浮的1~3s時間內,與高溫氧化性氣流迅速發生硫化礦物的氧化反應,并放出大量的熱,完成熔煉反應即造锍的過程。反應的產物落入閃速爐的沉淀池中進行沉降,使銅锍和渣得到進一步的分離。

該工藝技術具有生產能力大、能耗低、污染少等優點,單套系統每年最大礦銅產能可達40萬噸以上,適用于規模20萬噸/年以上的工廠。但是要求原料進行深度干燥到含水<0.3%,精礦粒度<1mm,原料中雜質鉛加鋅不宜高于6%。工藝的缺點是設備復雜、煙塵率較高,渣含銅比較高,需要進行貧化處理。

閃速熔煉工藝在能效和環保方面的特點:閃速熔煉的銅精礦氧化反應迅速,單位時間內放出的熱量多,加快了熔煉速度,使熔煉的生產率大幅度提高,為反射爐與電爐熔煉的2倍。采用了富氧工藝后,在銅精礦含硫正常情況下可實現自熱熔煉,大大降低了燃料的消耗。由于精礦中硫化物的氧化反應程度高,且采用高濃度的富氧空氣熔煉,煙氣量少,煙氣中的SO₂濃度可提高到30%以上,有利于煙氣制硫酸過程中硫的回收和環境保護,硫的捕集率和回收率均可達到98%以上。

閃速熔煉工藝是現代火法煉銅的主要工藝之一,目前世界約50%的粗銅冶煉能力采用閃速熔煉工藝。中國目前采用閃速熔煉工藝的冶煉廠主要有貴溪冶煉廠、金隆公司、金川集團公司銅冶煉廠和山東陽谷祥光銅業公司。

② 富氧熔池熔煉工藝。富氧熔池熔煉工藝是通過噴槍把富氧空氣強制鼓入熔池,使熔池產生強烈攪動狀態加快了化學反應的速度,充分利用了精礦中的硫、鐵氧化放出的熱量進行熔煉,同時產出高品位冰銅。熔煉過程中不足的熱量由燃煤和燃油提供。對比閃速爐反應塔的熔煉過程,熔池熔煉也是一個懸浮顆粒與周圍介質的熱與質的傳遞過程。所不同的是,懸浮粒子是處在一個強烈攪動的液?氣兩相介質中,受著液體流動、氣體流動及兩種流體間的相互作用以及動量交換的影響。由于熔池熔煉過程的傳熱與傳質效果好,可大大強化冶金過程,達到提高設備生產率和降低冶煉過程能耗的目的,因此20世紀70年代后熔池熔煉得到了迅速發展。

2)吹煉工序

① P.S轉爐吹煉技術。1905年Peirce和Smith成功應用堿性耐火材料內襯臥式吹煉轉爐,使PS轉爐成功用于銅的吹煉,近百年來已成為世界上普遍采用的成熟工藝。轉爐的銅锍吹煉過程中,向轉爐中連續吹入空氣,當熔體中FeS氧化造渣被除去后爐內僅剩Cu₂S(即白冰銅),Cu₂S繼續吹煉氧化生成Cu₂O,Cu₂O再與未被氧化的Cu₂S發生交互反應獲得金屬銅。

該工藝成熟可靠,設備和操作簡單,投資低,不加燃料吹煉,可用空氣和低濃度的富氧空氣。能夠利用剩余熱量處理工廠中的含銅中間物料(粗銅殼、殘陽極、煙塵、冷冰銅等),還能夠處理外購的冷雜銅,生產成本低。

該工藝適用范圍廣,無論生產規模大小,銅锍品位高低均可應用該工藝;P.S轉爐吹煉工藝為分周期、間斷作業;其缺點是爐體密閉差,漏風大,煙氣SO₂濃度低,設備臺數多,物料進出需要吊車裝運,低空污染較嚴重。

② 閃速吹煉工藝。閃速吹煉工藝技術發明于1979年,在奧托昆普閃速熔煉直接生產粗銅的技術基礎上發展而成,20世紀80年代中期在美國肯尼柯特應用成功。閃速吹煉工藝是將熔煉爐產出的熔融的銅锍進行水淬,磨細干燥后在閃速爐中用富氧空氣進行吹煉得到粗銅,基本原理和工藝過程同閃速熔煉,但是加入的是高品位銅锍,吹煉過程連續作業。該工藝適用于年產20萬噸粗銅以上大規模工廠。

閃速吹煉與閃速熔煉爐搭配使用即雙閃工藝,由于該工藝為連續吹煉技術,取消一般吹煉工藝用吊車吊裝銅包及渣包等操作,且設備密封性能好,無煙氣泄漏,徹底解決銅冶煉行業吹煉工序低空污染問題,大大降低無組織排放造成的SO₂和含重金屬煙塵污染程度。

③ 浸沒吹煉工藝。浸沒吹煉爐由爐頂加料孔加入干銅锍、熔劑、或底部熔池面上流入銅锍。富氧空氣或空氣進行吹煉作業。吹煉爐噴槍垂直插入固定的爐身,即奧斯邁特爐。

熱態或冷態銅锍加入爐內,用空氣或含氧30%~40%的富氧空氣經噴槍吹入熔體進行吹煉。

3)火法精煉工序

① 反射爐精煉工藝。將待精煉的液態或固態礦粗銅或再生銅由加料設備加入1250~1360℃的反射爐,靠燃料燃燒將物料加溫或融化,物料完全熔化后開始進行氧化精煉,除去粗銅里的雜質,得到符合澆鑄要求的陽極銅。

② 回轉爐精煉工藝。回轉爐氧化精煉及還原過程和反射爐一樣。回轉式精煉爐采用機械傳動,單臺能力可達600t以上,自動化水平高,不需要人工持管操作,整個過程在相對密封的設備內進行,很少有煙氣外泄,環保條件好。

回轉爐不適應處理大量的固體物料,所以不能用于專門處理固體廢雜銅,一般用于處理熱態融熔粗銅。

③ 傾動爐精煉工藝。傾動爐是由瑞士麥爾茲爐窯公司開發成功的,它實際上是可傾動的反射爐,既有固定式反射爐加料、扒料方便的優點,又有回轉爐可根據不同的精煉階段轉動爐體改變爐位的特點,所以多用于處理固體物料,如冷粗銅和廢雜銅。傾動爐處理固體物料的精煉過程及原理與反射爐一樣,僅是加料融化時間長,作業時爐體操作和回轉爐相似。

4)電解精煉工序

① 常規電解精煉工藝。常規電解精煉工藝采用銅薄片(厚度0.3~0.7mm)經加工安裝吊耳后制成銅始極片作為陰極,電解過程中銅離子析出于始極片上成為陰極銅。一片始極片僅能使用一個銅電解陰極周期,所以電解車間還需要配備種板槽,專門生產制作始極片用的銅薄片。種板槽所用的陽極和電解槽用的陽極一樣,采用的陰極板又稱母板,材質有不銹鋼板、鈦板和軋制銅板三種。當銅在陰極上沉積到合適的厚度后,將其從種板槽吊出剝下即送去制作始極片,母板送回種板槽循環使用。

與不銹鋼陰極電解精煉工藝相比,它工藝流程長,設備多。由于銅始極片薄,容易變形,所以采用的電流密度低,生產效率低。

② 不銹鋼陰極電解精煉工藝。最早的不銹鋼陰極電解精煉工藝——ISA法電解工藝是澳大利亞湯斯維爾銅精煉公司于1979年開發的,目前國外已有ISA法、KIDD法、OT法、EPCM法,國內也相繼開發出多種不銹鋼陰極板。該技術使用不銹鋼陰極板代替銅始極片作陰極,產出的陰極銅從不銹鋼陰極板上剝下,不銹鋼陰極板再返回電解槽中使用。由于不銹鋼陰極板平直,所以可采用高電流密度進行生產,同常規電解相比,它工藝流程簡單,生產效率高,產品質量好,因此具有常規電解及周期反向電解不可比擬的優點,是先進的電解精煉工藝技術。

(2)濕法冶煉工藝

針對低品位復雜礦、氧化銅礦、含銅廢礦石低品位的氧化銅,使用堆浸—萃取—電積等技術生產出的精銅稱為電積銅。

閃速熔煉工藝流程及產排污節點見圖1?1。

熔池熔煉工藝流程及產排污節點見圖1?2。

濕法煉銅工藝流程及產排污節點見圖1?3。