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低碳銅冶煉工藝技術研究與應用

文檔作者：周松林文檔來源：祥光銅業(yè)有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月27日
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2010年8月第4期 周松林：低碳銅冶煉工藝技術研究與應用 ．1．
 
低碳銅冶煉工藝技術研究與應用
周松林
(祥光銅業(yè)有限公司，山東陽谷252327)
『摘要] 祥光銅業(yè)是世界上第二家采用“雙閃”工藝的銅冶煉廠，通過引進消化和自主創(chuàng)新，祥光的“雙
閃”真正實現(xiàn)了高效、節(jié)能、環(huán)保、低碳冶煉。本文介紹了祥光銅業(yè)銅冶煉工藝技術的研究與應用。
[關鍵詞】銅冶煉；閃速熔煉；閃速吹煉；自熱；低碳；無碳精煉；SO：高濃度轉(zhuǎn)化
[中圖分類號] TF811；TF803．11 [文獻標識碼】B 【文章編號] t672～6103(2010)04—0001—04
1 概述
低碳經(jīng)濟是以節(jié)能、減排、環(huán)保為核心的新型經(jīng)
濟發(fā)展模式，是銅冶煉行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要
求。長期以來，傳統(tǒng)銅冶煉工業(yè)一直是低效率、高能
耗、高污染行業(yè)。近年來，我國銅冶煉行業(yè)取得了長
足的進步，一批先進、高效、節(jié)能、環(huán)保的銅冶煉工藝
相繼建成并順利投產(chǎn)，如閃速熔煉、澳斯麥特熔煉、
艾薩熔煉、氧氣底吹熔煉、閃速吹煉等，我國銅冶煉
工藝總體技術水平已上升到了一個新臺階。
祥光銅業(yè)公司是世界上第二家采用“雙閃”(閃
速熔煉和閃速吹煉)工藝的現(xiàn)代化銅冶煉廠，2007
年8月建成投產(chǎn)，一年內(nèi)實現(xiàn)達產(chǎn)達標。祥光銅業(yè)
通過引進、消化、吸收和自主創(chuàng)新，在美國肯尼科特
“雙閃”的基礎上前進了一大步，真正實現(xiàn)了清潔、高
效、節(jié)能、低碳冶煉，為低碳經(jīng)濟條件下銅冶煉行業(yè)
的發(fā)展提供了一個樣板。
本文分別從熔煉、吹煉、陽極精煉、電解、制酸五
大工序介紹祥光銅業(yè)銅冶煉工藝技術研究與應用情況。
2 低碳銅冶煉工藝技術研究與應用
2．1 “雙閃”爐自熱冶煉技術
2．1．1 “雙閃”爐自熱冶煉現(xiàn)狀
美國肯尼科特冶煉廠閃速熔煉爐可實現(xiàn)自然熔
煉，但閃速吹煉爐正常生產(chǎn)時仍需補充300 m ／h的
【作者簡介】周松林(1962一)，男，安徽祁門人，教授級高工，副總經(jīng)理。
f收稿日期】2010—06—01
天然氣，并沒有完全達到自熱吹煉。祥光銅業(yè)通過
自主創(chuàng)新，經(jīng)過物料平衡、熱平衡、冶金數(shù)模研究以
及工業(yè)化試驗，實現(xiàn)了“雙閃”爐自熱冶煉。
2．1．2 “雙閃”爐自熱冶煉技術的研究與應用
閃速爐是一種高效強化的冶煉爐，其最大的優(yōu)
點是充分利用爐料的巨大比表面。爐料進入爐內(nèi)
后，以高度懸浮狀態(tài)與氧接觸，在2 s內(nèi)完成各種反
應，反應放出的熱量非常大，這是閃速爐實現(xiàn)自熱冶
煉的基礎。
影響“雙閃”爐自熱冶煉的主要因素有富氧濃
度、冰銅品位、煙塵率、爐料S／Cu、投料量等。
富氧是實現(xiàn)“雙閃”爐自熱冶煉的第一要素?？?
以采用高富氧或純氧是“雙閃”爐的主要特點，富氧
濃度越高越易實現(xiàn)自熱冶煉。
冰銅品位是影響“雙閃”爐自熱冶煉的重要因
素。冰銅品位的選擇是分配兩爐熱量的關鍵，品位
過高雖然對熔煉爐自熱冶煉有利，但會造成吹煉爐
熱量過少，無法滿足吹煉爐自熱需要；品位過低可以
滿足吹煉爐自熱需要，但會使吹煉爐產(chǎn)生大量含銅
20％的高銅渣，造成銅的直收率過低，同時，大量的
閃速吹煉爐高銅渣要返回閃速熔煉爐處理，給閃速
熔煉爐的自熱冶煉帶來困難。所以選擇合適的冰銅
品位很重要。
煙塵率是影響“雙閃”爐自熱冶煉的關鍵因素。
“雙閃”爐的煙塵都要返回系統(tǒng)循環(huán)處理，煙塵進入
爐內(nèi)反應時需吸收大量的熱能，所以降低“雙閃”爐
的煙塵率是實現(xiàn)自熱的關鍵。
· 2· 中國有色冶金 A卷生產(chǎn)實踐篇·重金屬冶金
合理的爐料S／Cu是閃速熔煉自熱的基本條
件。爐料S／Cu越高，越容易實現(xiàn)自熱，S／Cu過高會
導致反應塔熱負荷過大，影響閃速爐壽命，而S／Cu
過低會導致反應熱不足，無法實現(xiàn)自熱。合理配料，
保持穩(wěn)定適當?shù)腟／Cu，是閃速熔煉自熱過程正常進
行的基本條件。
投料量越大，熔煉強度越大，熱效率越高，越容
易實現(xiàn)自熱。
祥光銅業(yè)運用自主研發(fā)的“雙閃”爐冶金數(shù)模對
影響自熱冶煉的各種參數(shù)進行組合運算，從中找出
自熱冶煉的最佳控制參數(shù)。經(jīng)過一年多的工業(yè)試
驗，對“雙閃”爐工藝條件和參數(shù)不斷優(yōu)化，實現(xiàn)了閃
速熔煉爐和閃速吹煉爐的自熱冶煉。
閃速熔煉爐工藝參數(shù)：干礦裝料量120～140 t／h，
富氧濃度O：75％ ～85％ ，冰銅品位67％ ～70％ ，
S／Cu 0．95—1．0，煙塵量9～1 1 t／h。
閃速吹煉爐工藝參數(shù)：冰銅裝入量40～45 t／h，
富氧濃度O 80％ ～85％，煙塵量1．5～2．5 t／h。
2．2 粗銅無碳火法精煉工藝技術
2．2．1 粗銅火法精煉現(xiàn)狀
粗銅火法精煉自問世以來，一直采用氧化還原
工藝，至今沒有實質(zhì)性突破。目前，國內(nèi)外礦銅冶煉
廠的粗銅火法精煉工藝都是采用氧化還原法。
隨著銅冶煉技術進步和富氧強化冶煉的發(fā)展，
粗銅中的雜質(zhì)元素除硫之外大部分已在熔煉和吹煉
工序除去，實踐表明，絕大多數(shù)礦銅冶煉廠陽極爐精
煉工序的主要作用是脫除粗銅中的硫，對閃速吹煉
產(chǎn)出的高硫粗銅更是如此。
美國肯尼科特冶煉廠高硫粗銅陽極爐精煉采用
的是傳統(tǒng)的氧化還原工藝。祥光銅業(yè)原陽極爐精煉
是由德國麥爾茲公司設計的交鑰匙項目，精煉工藝
也是采用傳統(tǒng)氧化還原工藝，設有8個風口，氧化空
氣量設計值為4 200 m’／h，還原天然氣量設計值為
3500 m3／h，氧化(包括預氧化)和還原時間設計值為10 h。
祥光銅業(yè)投產(chǎn)初期，陽極爐采用氧化還原工藝，
噴濺嚴重，氧化還原時間長，一般平均超過10 h，最
長達24 h，嚴重制約了閃速吹煉爐的生產(chǎn)，成為全公
司生產(chǎn)的瓶頸。而且，還原作業(yè)時陽極爐現(xiàn)場黑煙
彌漫，污染特別嚴重。為此，祥光銅業(yè)開展科技攻
關，自主研發(fā)出一種粗銅火法精煉新工藝。
2．2．2 無碳精煉工藝技術的研究與應用
傳統(tǒng)氧化還原工藝的原理是：先通人空氣(氧)
進行深氧化將硫和其他雜質(zhì)除盡，再用碳氫還原劑
還原除氧。氧化終點判斷是粗銅含硫小于0．005％，
還原終點判斷是粗銅含氧小于0．2％。工業(yè)生產(chǎn)實
踐表明，陽極爐在不添加熔劑的情況下，深氧化脫雜
效果并不明顯，特別是將硫降到0．005％過程中，氧
化脫硫效率非常低，氧化時間長，這期間通入的空氣
(氧)除極少部分與硫和其他雜質(zhì)反應外，絕大部分
氧與銅反應生成大量Cu O，當氧化作業(yè)將硫降到
0．005％以下時，銅液中含氧高達0．8％以上，為此，必
須用大量碳氫還原劑將氧除到0．2％以下。
氧化還原法的主要缺點是：氧化和還原是兩個
互相對立的作業(yè)過程，生產(chǎn)作業(yè)時間長，生產(chǎn)效率
低，還原劑消耗高，黑煙污染和碳污染嚴重。
通過大量理論研究和多次工業(yè)試驗，祥光銅業(yè)
成功開發(fā)出了無氧化無還原粗銅火法精煉新工藝，
并成功應用于工業(yè)生產(chǎn)。
新工藝的核心是取消氧化還原作業(yè)，通過鼓入
惰性氣體攪拌銅液達到一步脫硫除氧的目的，做到
還原劑的零消耗，真正實現(xiàn)粗銅的無碳火法精煉。
傳統(tǒng)粗銅火法精煉工藝和祥光銅業(yè)無碳精煉新工藝
對比見圖1。
相銅
還
(天
粗銅
丁
l 豎 J
I惰氣攪拌卜—一氮氣
L——————— — —
’
?！?。?！?。。。。。 。。。。’。。。。。一
祥光粗銅火法精煉工藝
傳統(tǒng)粗銅火法精爍工藝
圖1 粗銅火法精煉工藝流程對比
祥光銅業(yè)采用新工藝后，精煉時間由10 h以上
縮短到1 h以內(nèi)，還原天然氣消耗為零，無黑煙污染
和二氧化碳污染。
新工藝的成功運行為今后取消銅冶煉四大工序
之一的陽極爐工序奠定了基礎，具有歷史性意義。
2．3 高濃度SO 轉(zhuǎn)化制酸工藝技術
2-3．1 冶煉煙氣制酸現(xiàn)狀
常規(guī)的冶煉煙氣制酸技術處理煙氣的SO 濃度
最高在12％左右。隨著銅冶煉富氧技術的發(fā)展，采
2010年8月第4期 周松林：低碳銅冶煉工藝技術研究與應用 ．3．
用的富氧濃度不斷提高，冶煉煙氣SO 濃度不斷上
升，達到20％以上已成為現(xiàn)實?！半p閃”銅冶煉煙氣經(jīng)
余熱回收和除塵后的氣體SO 濃度高達22％～25％，
如采用常規(guī)煙氣轉(zhuǎn)化制酸技術需要將煙氣稀釋，煙
氣量增加一倍左右，相應制酸裝置需擴大一倍左右，
這顯然對于投資、運行成本、運行能耗等是極其不利
的，也不能充分發(fā)揮“雙閃”銅冶煉工藝的優(yōu)勢。美
國肯尼科特冶煉廠仍采用傳統(tǒng)常規(guī)的制酸工藝。
煙氣制酸技術如何適應冶煉煙氣SO 濃度不斷
上升已成為世界煙氣制酸行業(yè)面臨的一項重大課
題，開發(fā)高濃度轉(zhuǎn)化技術對整個行業(yè)的發(fā)展有著重
大意義。
2．3．2 高濃度SO：轉(zhuǎn)化技術的研究與應用
SO 轉(zhuǎn)化為SO 是制酸的核心反應：
SO2+1／20 SO3+Q (1)
該反應是可逆放熱反應，通常在多層觸媒層中
進行絕熱反應。對于高濃度SO：煙氣制酸而言，其
最關鍵的是轉(zhuǎn)化器第一層觸媒層的限制，因觸媒最
高耐溫為650 oC。
對一層觸媒而言，其溫度與轉(zhuǎn)化反應的關系如
下：
T女=T^+hXT (2)
式中：T 為出口溫度；T人為進口溫度；入為絕熱系數(shù)；
X 為層轉(zhuǎn)化率。
祥光銅業(yè)高濃度SO：轉(zhuǎn)化技術的核心是：降低
轉(zhuǎn)化器一層的SO 濃度，抑制反應(1)正向進行，降
低一層轉(zhuǎn)化率x ，從而控制一層出口反應溫度小于
650 cc。具體實施方法：從第三層觸媒層出口抽取
大于10％～15％的煙氣返回至第一層人口，由于返回
煙氣中SO，濃度高，且SO：濃度低，使一層入口混合
后的煙氣SO 濃度下降，抑制了一層轉(zhuǎn)化反應的激
烈進行，從而實現(xiàn)控制一層反應溫度的目的。高濃
度SO：煙氣轉(zhuǎn)化控制原理圖參見圖2。
高濃度(SO 16％～18％)轉(zhuǎn)化技術已成功應用于
祥光銅業(yè)工業(yè)生產(chǎn)，兩年多來的生產(chǎn)實踐表明，運行
情況非常好。高濃度轉(zhuǎn)化工藝與傳統(tǒng)制酸工藝主要
技術經(jīng)濟指標參見表1。
從表1看出，高濃度轉(zhuǎn)化制酸技術比傳統(tǒng)制酸
技術不僅節(jié)省投資，更主要的是能耗低，電耗比目前
國內(nèi)較好的同規(guī)模企業(yè)采用傳統(tǒng)制酸工藝的低
30％，彌補了閃速吹煉爐的能耗，使“雙閃”銅冶煉廠
整體綜合能耗保持在先進水平。
斜
擗
原料氣：‘P(s0 )16％+‘P(0 )12．8％
圖2 高濃度SO 煙氣轉(zhuǎn)化控制原理圖
表1 高濃度SO 轉(zhuǎn)化制酸工藝和傳統(tǒng)制酸
工藝主要技術經(jīng)濟指標對比
高濃度轉(zhuǎn)化制酸技術應用于銅冶煉煙氣制酸屬
世界首次，其工業(yè)化的成功應用為低能耗、低排放、
低污染的新型低碳經(jīng)濟發(fā)展提供了一個新方向。
2．4 余熱回收技術
2．4．1 銅冶煉余熱回收的現(xiàn)狀
新建和擴建的規(guī)模銅冶煉廠，一般對熔煉煙氣
余熱、吹煉煙氣余熱、制酸轉(zhuǎn)化煙氣余熱(中溫位余
熱)都進行回收，產(chǎn)出蒸汽用于發(fā)電或用作其他用
途，但陽極爐煙氣余熱、制酸系統(tǒng)低溫位(干吸熱酸)
余熱等基本都沒有回收。目前，僅美國肯尼科特冶
煉廠和祥光銅業(yè)公司分別對制酸低溫位(95℃干吸
酸)余熱和陽極爐煙氣余熱進行回收。據(jù)統(tǒng)計，陽極
爐煙氣余熱占整個冶煉煙氣余熱的10％，硫酸低溫
位余熱占整個制酸系統(tǒng)余熱的25％?？梢姡~冶煉
廠的熱能回收尚有一定潛力。
2．4．2 制酸低溫位余熱回收工藝技術的研究與應用
1984年美國孟莫克公司首次成功開發(fā)利用干
吸工序低溫位熱能生產(chǎn)蒸汽技術，命名為HRS(意
為“熱回收系統(tǒng)”)。目前，全球建設了23套HRS裝
∞ ∞∞加∞∞ 如加 0
· · 中固有色冶金 A卷生產(chǎn)實踐篇·重金屬冶金
置，大部分應用于硫磺制酸，用于銅冶煉制酸目前僅
有美國肯尼科特冶煉廠一家。
HRS主要由熱回收塔，酸循環(huán)泵，鍋爐及稀釋
器4臺設備組成。HRS的核心就是采用HRS熱回收
塔取代傳統(tǒng)工藝的吸收塔，用HRS鍋爐取代傳統(tǒng)工
藝的吸收塔酸冷卻器，以達到提高熱能溫位并加以
回收的目的。
含SO，的煙氣從HRS熱回收塔底進入從塔頂排
出，該塔裝有上下兩級填料層，下一級填料層的上塔
酸是220℃硫酸(H：SO 99％)，上一級填料層的上塔
酸則是與傳統(tǒng)吸收工藝濃度和溫度相似的硫酸
(H：SO 98％，溫度95℃)，以確保S0，吸收率。兩股
酸都從塔底流人與塔相連的泵槽，然后由HRS酸循
環(huán)泵送人HRS鍋爐，生產(chǎn)0．3—1．2 MPa的飽和蒸汽。
由于酸吸收SO，后濃度增加，需通過HRS稀釋器加
水以維持濃度，加水后的循環(huán)酸回到HRS熱回收塔
的下一級再進行吸收。
采用HRS后，可以將傳統(tǒng)制酸裝置熱回收率從
70％提高到93％以上，每噸酸除去裝置自用電后，凈
得電量350 kwh。
2．4．3 陽極爐煙氣余熱回收技術的研究與應用
一般銅冶煉廠陽極爐煙氣余熱基本都不回收利
用，祥光銅業(yè)首次開發(fā)應用了陽極爐煙氣二次燃燒
和余熱鍋爐一體化的余熱回收技術，系統(tǒng)結(jié)構見圖3。
二次女 燒室 一一—一
輻射室
＼ ／
出口
圖3 二次燃燒和余熱鍋爐一體化
的余熱回收系統(tǒng)
在余熱鍋爐前設雙體二次燃燒室，在二次燃燒
室向高溫煙氣鼓入空氣，未燃盡的甲烷、一氧化碳等
進一步燃燒后進入余熱鍋爐輻射室。對流部設有6臺壓
縮空氣吹灰器，采用較大鍋爐汽包，以適應陽極爐氣
量變化大的要求。鍋爐運行壓力2．5MPa，采用自然
循環(huán)，蒸汽產(chǎn)量平均6．8 t，h，用于銅精礦蒸汽干燥。
2．5 高電流密度銅電解工藝技術
銅電解自1869年首次工業(yè)應用以來，工藝沒有
重大變化。目前，國內(nèi)外銅電解工藝發(fā)展趨勢為先
進的永久不銹鋼陰極電解。永久不銹鋼陰極電解工
藝世界上有三種：澳大利亞超達公司的ISA法，加拿
大鷹橋公司的KIDD法，芬蘭奧托昆普公司的OK
法。OK法的主要優(yōu)點是電流密度相對較高，比傳統(tǒng)
大極板電流密度高30 A／m 左右，祥光銅業(yè)銅選擇
OK法，電流密度設計值是280 A／m ，通過優(yōu)化工藝
參數(shù)和加強操作管理，最高可以達到3 10A／m 。
在銅電解生產(chǎn)過程中，提高電流密度是強化生
產(chǎn)、節(jié)約能源、降低成本的重要措施，是人們長期追
求的目標。然而，迄今為止，電流密度的“瓶頸”沒有
打破，傳統(tǒng)銅電解電流密度一般在220—250 A／m ，最
高不超過280 A／m ；永久不銹鋼陰極電解電流密度
一般在250～300 A／m ，最高不超過330 A／m 。
電流密度沒有實現(xiàn)突破的主要原因是濃差極化
問題，周期反向電流電解(PRC)雖然能克服濃差極
化，但電流密度也只能提高到330～400 A／m 左右，再
加上其能耗比常規(guī)電解高以及操作不穩(wěn)定，所以該
技術沒有得到廣泛推廣應用。
目前，祥光銅業(yè)同奧地利公司合作，共同開發(fā)一
種電解液平行流技術，通過改變電解液循環(huán)方式，克
服濃差極化，達到提高電流密度目的，預計電流密度
可以達到420 A／m ，項目明年建成投用。
3 結(jié)束語
“雙閃”是當今世界最先進的綠色生態(tài)銅冶煉工
藝之一，祥光銅業(yè)在美國肯尼科特“雙閃”的基礎上，
通過自主創(chuàng)新，全方位開發(fā)出低碳銅冶煉新工藝、新
技術，并成功應用于工業(yè)生產(chǎn)，提高了“雙閃”銅冶煉
工藝整體技術水平，使“雙閃”銅冶煉工藝更加高效、
節(jié)能、低碳、環(huán)保，為低碳經(jīng)濟條件下銅冶煉工業(yè)可
持續(xù)發(fā)展提供了一條新路。
『參考文獻1
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(下轉(zhuǎn)第53頁)
2010年8月第4期 唐謨堂等：一種很有前途的低碳清潔冶金方法——重金屬低溫熔鹽冶金 ．53．
二次資源可用低溫熔鹽冶金方法進行分離和富集。
(3)低溫熔鹽冶金適于處理鉛銅礦、鉛銻礦、鉛
鋅礦、鉍鉬礦、鎳鉬礦、高鉛銅鎳鈷復雜硫化礦等用
傳統(tǒng)火法冶金很難處理的多金屬復雜礦。
(4)低溫熔鹽冶金具有濕法冶金的特性，即有
液固兩種相態(tài)存在。因此，靜態(tài)熔煉設備如反射爐
不適合低溫熔鹽冶金。
(5)與精礦相比，熔鹽的量大，因此，熔鹽的再
生與循環(huán)利用，特別是以熔融態(tài)直接返回利用是低
溫熔鹽冶金推廣應用的關鍵。
針對低溫熔鹽冶金推廣應用中存在問題，提出
如下建議：
廣泛開展低溫熔鹽冶金的基礎理論和工藝研
究，政府及行業(yè)有關部門給予大力支持，有色冶金界
的同行積極參與和協(xié)同攻關。
重點開展已有體系的基礎理論和熔鹽再生與循
環(huán)利用的工藝研究，攻克熔鹽與固體物熱態(tài)分離的
技術關鍵。
重點開展適合低溫熔鹽冶金的動態(tài)熔煉設備的
開發(fā)研究。
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CN200910312440 x．2009—12—28．
A prom ising low carbon clean metallurgical method
— — l0w—tem perature m olten salt metallurgy of heavy m etal
TANG Mo—tang，TANG Chao—bo，CHEN Yong-ming，YANG Jian-guang，YANG Sheng-hai，HE Jing，OU Zhao
Abstract：This paper introduces the basic concept，principle and characteristics of low—temperature molten salt
metallurgy of heavy meta1．The broad prospects were present based on an example of low—temperature alkaline
smelting of bismuth sulfide concentrate，secondary lead and high—lead copper—nickel-cobah polymetal sulfide
ores．The heavy metal such as lead，tin，antimony，bismuth which melting point is below 800~C can be extracted
and separated by low—temperature molten salt metallurgical method．This method also can be used to enrich
precious metal such as copper，nickel，cobalt，gold and silver when their melting point are above 1000~C．
Key words：heavy metal；precious metal；low——temperature molten salt metallurgy；clean metallurgy；low carbon
(上接第4頁)
Research and application of low carbon copper sm elting process
ZHOU Song——lin
Abstract：Xiangguang Copper is the second copper smelter which using “double-flash”process in the world．
The“double—flash”process in Xiangguang has been reached truly high eficiency，energy-saving，environmental
protection and low carbon smelting by impo~ation，assimilation and independent innovation．This paper introduces
the research and application of copper smelting process in Xiangguang Copper．
Key words：copper smelting；flash smelting；flash converting；self-heating；low carbon；carbonless refining；high
concentration SO2 conversion

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