富氧在有色冶金中的应用和发展.pdf

富氧在冶金中的应用和发展 ① 昆明冶金研究院 ② 徐凤琼 摘 要 阐述了富氧用于冶金的节能依据,富氧技术在冶金中的应用和发展,并对其现状与 未来作了综述。 关键词 能源消耗 燃料 富氧冶炼技术 钢铁冶炼 有色冶金 Application and Development of Oxygen - Enriched Air in Metallurgy XU FengQiong Kunming Metallurgy Research Institute , Kunming 650031 ABSTRACT The basis of energy - saving metallurgy with oxygen - enriched technique is described. Applica2 tion and development history of this technique and its current situation and future in metallurgy are reviewed. KEY WORDS energy - saving fuel consumption oxygen - enriched metallurgy iron and steel smelting nonferrous metallurgy 1 前 言 在人类冶金发展史中,从炼金术到现代 冶金,始终和能源消耗密不可分,冶金离不 开燃料与空气。早期的冶金过程完全依赖于 燃料在自然的空气中燃烧以维持所需的热 量。由矿物中提取金属就在此状况下进行, 从而为人类提供各种所需的金属材料,对人 类文明作出了重要的贡献。 早期的冶金都是利用空气,火法冶金更 是如此。一方面需要燃料供热,耗费大量能 源近代随着燃料资源的减少,矛盾更加突 出 ; 另一方面又产出大量的燃烧炉气,有 时炉气中含有价成分,如SO2、As2O3等, 若不回收利用,其又对环境造成严重污染。 近代工业生产的环境污染遍及世界各地,充 分说明了这一点。 面对能源资源的减少及环境污染,未来 的冶金必须做出较大的技术改进,以同时满 足社会发展对冶金材料的需求和人类对生存 环境的质量要求。冶金上富氧的应用便是一 个最好的解决办法之一,该项技术已被认为 是近半个世纪以来冶金界的四大发明之 一 〔1〕。 2 富氧在冶金中的节能依据 冶金过程中,特别是火法冶金,各高耗 能单元过程如反射炉熔炼、鼓风炉熔炼、转 炉吹炼等,其热平衡可表述如下 ∑Q损∑Q化∑Q料-∑Q固产 13 1999年4月 云 南 冶 金 Apr. 1999 第28卷第2期总第155期 YUNNAN METALLURGY Vol. 28. No. 2 Sum 155 ① ②昆明市 650031 19980316 收稿 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. -∑Q气产-∑Q料温1 ∑Q料∑Q料固∑Q料气2 ∑Q料温∑Q料气温∑Q料固温3 式中∑Q损为熔炼或精炼的冶金单元 过程热损失的总和,就一定环境及过程条件 而言,可以认其为定数;∑Q化为燃料等可 燃物质在燃烧时所释放的能量,在给定的单 元过程中,其配料一定,因而也为定数; ∑Q料为冶炼过程时各组分物料所带入的能 量,∑Q固 产、∑Q气产分别为冶炼过程固体 产物及气体排放时所携带的能量,∑Q料温 为所配物料包括固体物料和气体组分在冶炼 升温时吸收的热量。对一定的冶金单元过 程,当配料固定,唯有气体组分的成分可变 动 时,式1和2、3中 ∑Q损、∑Q化、∑Q料固、∑Q固产、 ∑Q料固温等均为定数,将2、3式代入 1式,则式1变为 ∑Q料气-∑Q气产-∑Q料气温 -k -∑Q化4 上式中k为 0的常数 当 采 用 富 氧 时,∑Q气产、∑Q料气、 ∑Q料气温因 气 体 量 减 小 而 变 小 ∑Q料气-∑Q气产-∑Q料气温减少,从而 k∑Q化减少,由于k为定数,∑Q化就必 须减小以满足4式。∑Q化的减小即燃 料减少,能源消耗减少。当烟气量减小后, 冶金过程中产出的分散于气相中的物质其浓 度相应增大。这就有利于烟气治理,减少有 害物质排放量,改善其对环境的污染 〔2,3,4〕。 表1列出国内某厂在鼓风炉炼铜工艺中采 用富氧前后的技术经济指标 〔3〕, 由这些数据可 知,富氧用于冶金,明显降低能耗,充分利用 矿物本身所携带的能源 〔3 ,6〕, 包括可燃烧的化 学能和潜在热能,强化冶金过程,增大处理能 力,提高烟气中组分的含量,有利于烟气处 理,从而明显改善企业的经济效益 〔6～9〕, 并可 间接地节省投资费用 〔8〕 。 表1 鼓风炉炼铜采用富氧前后的指标对比 Tab. 1 Metallurgical contrast between copper blast smelting before and after using oxygen - enriched air at a domestic plant 序号指 标单位富氧熔炼空气熔炼 1富氧浓度2716321 2精矿含铜1712522130 3焦 率610810120 4粗铜产量t/ d6017056180 5脱 硫 率5513043 6烟气SO2浓度71533179 7硫酸产量t/ d201154 3 富氧在冶金中的应用现状 空气含氧气20195 ,其余为N2。只 有氧气参与冶金过程,而N2气无任何有益 的作用。它的存在,一方面随烟气带走大量 加热至高温的能源,增大了烟气的处理量, 另一方面在炉型设计时必须考虑燃烧时N2 的膨胀所占用的空间。富氧的采用,即是提 高助燃空气中氧的含量。工业富氧含氧量为 25 ～99 。一般将用于冶金的气体中之氧 气含量为35 ～80 的冶炼过程称为富氧 冶炼 〔10〕。采用的富氧有的氧含量仅 24 , 而有的则高达90 以上,这都与冶金过程 的特殊性有关。 如果采用的炉型结构好,冶炼矿物中可 燃物如硫含量高,又采用高浓度富氧进行冶 炼,则不配加任何燃料都会因燃烧热量过 剩,使炉温升高,而无法维持正常的冶炼; 反之冶炼炉型结构不好,热损耗大,即令采 用高浓度富氧,冶炼过程能量依然不平衡, 便需补充部分燃料方能维持正常冶炼。合适 的富氧浓度由工艺过程、炉型、矿物形态等 所决定。 311 富氧技术在冶金中应用的发展 自从英国学者Herry Bessemer发明了底 吹转炉炼钢后,因能耗高,而令许多冶金学 23 1999年4月 云 南 冶 金 Apr. 1999 第28卷第2期总第155期 YUNNAN METALLURGY Vol. 28. No. 2 Sum 155 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 家致力于节能的研究。20世纪20～30年代 所进行的广泛研究证明富氧可以节能降耗。 人类从1895年就已经能由空气中制得 富氧 〔11〕, 其浓度完全能满足冶金的要求。 富氧制备技术随冶金工业的发展,不断改进 完善,其成本明显降低。富氧冶金节能降耗 所增利润,远比使用富氧所消耗能源的费用 多得多,经济上的可行为其工业应用创造了 良好的条件。 世界上第一个应用富氧冶炼技术的是在 1937年于底吹转炉炼钢Bessemer上 〔12〕。 由于其应用的成功,促使其在有色冶金领域 也得到重视。1933年Cominco开始于锌沸 腾焙烧中进行富氧试验,并在1937年实现 工业化应用。1945年Inco首次在铜精矿熔 炼时进行富氧试验研究; 1951年日本Hi2 tachi熔炼厂对富氧在转炉中的应用进行了 试验研究。同时,世界大规模的富氧顶吹炼 钢转炉技术即LD技术在奥地利大获成功, 有力地推动了富氧在冶金中的应用,详细情 况见表2。 富氧技术在工业上的早期研究与生产实 践为其在冶金中大规模的生产应用建立了坚 实的基础。70年代初,富氧在冶金中得到 了广泛的应用,遍及炼钢、炼铁与铜、铅、 锌、镍、钴、锡等的冶金。世界大多数国家 如美国、英国、日本、俄罗斯、德国、法 国、加拿大等均广泛推广和应用了富氧技 术,使用范围越来越广。 312 富氧在钢铁冶金中的应用现状 目前世界富氧消耗中,钢铁占50 以 上 〔11〕, 各大型炼铁钢厂基本上都采用 富氧鼓风。现代钢、铁联合企业中,没有例 外地都自建有配套的氧气厂,富氧鼓风可以 增大处理能力,降低热消耗水平,提高高炉 煤气质量〔 13〕。炼钢过程中 ,由于炼钢方法 不一样,富氧使用情况也不同。对转炉或平 炉炼钢法,采用富氧是30年代开始的重要 技术革新,一直沿用至今,已是极成熟和普 遍采用的工艺。 313 富氧在有色冶金中的应用现状 富氧在有色金属冶金中的应用及推广比 钢铁冶金晚,这可能是因为有色金属的多品 种及冶炼处理的复杂性所致。有色冶金富氧 的使用量占总富氧消耗量的6 以上 〔14〕。 主要用于熔炼的各种炉型如熔池熔炼炉、反 射炉、鼓风炉、闪速熔炼炉及吹炼转炉和精 炼过程中的各种炉型如精炼反射炉中。 富氧技术按应用而言可分为二类,一类是与 矿物中硫燃烧有关的过程即氧化熔炼等过 程,另一类是火法冶金中配入燃料燃烧时采 用富氧的燃烧炉应用及新型设计的燃烧炉应 用。 对铜冶金,世界上已有60 以上的工 厂采用了富氧技术。目前新的技术有荷兰的 Autokumpu闪速炉、加拿大的Horne熔炼厂 采用的Noranda法、日本Naoschirma熔炼 厂用的Mitsubishi法、前苏联Balhash厂中 采用的ΠЖВ 熔炼法、智利Caletones厂采用 的改良转炉熔炼法CMT及中国的白银 炼铜法 〔15〕。Inco 式富氧熔炼法 〔16〕 是当今节 能的新型富氧炼铜法,有逐渐取代传统炼铜 方法的趋势。传统的密闭鼓风炉虽然正在被 取代,但在我国仍占有较大比重,正在进行 技术改造 〔17〕。各炼铜企业现正为采用新的 富氧 熔 炼 技 术 而 进 行 相 应 的 改 造 和 建 设 〔13 ,18 ,19〕。 炼铅易于炼铜,目前炼铅工业中已采用 了比较新的技术。QSL炼铅法及前苏联 К И В ЦИT炼铅法、艾萨熔炼法都已采用富 氧技术 〔11〕。世界各国正在推广应用这些节 能降耗的炼铅新方法。含铅烟尘的处理中, 富氧的使用显得更为重要,它明显节能降 耗。如瑞典Ronnskar熔炼厂在TBRC炉上 采用富氧炼铅 〔11〕, 即TBRC 卡尔多法。 世界上60 以上的炼铅企业都采用了富氧 技术 〔11〕。 33 徐凤琼 富氧在冶金中的应用和发展 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表2 富氧技术在冶金中应用的发展过程 Tab12 Development history of the application of oxygen - enriched technique in metallurgy 年份研究、应用的单位、个人,处理矿物形态、方法及应用的设备 1920～1930富氧冶金处理低品位精矿的试验研究 1931Bessemer转炉上采用富氧 1933Cominco对富氧锌沸腾焙烧进行研究测试 1937Cominco富氧锌沸腾焙烧实现工业化应用 1945Inco对铜精矿富氧熔炼进行研究测试 1949Cominco在铜鼓风炉、烟化炉进行富氧操作 1951日本Hitachi熔炼厂对富氧转炉熔炼进行研究,同年奥地利富氧顶吹转炉技术 LD 技术实现工业化生产 1952加拿大Inco富氧闪速炉熔炼投产 1958日本Hitachi熔炼厂富氧转炉投产 1960前苏联伊尔库茨克进行富氧铜鼓风炉熔炼 1961日本Ashio熔炼厂在Outokumpu闪速炉上进行富氧熔炼研究 1962Asarco对铅鼓风炉进行富氧技术研究 1963前苏联在Almalsk和Balkhash厂采用富氧技术 1966日本采用Noranda法的Saganoseki熔炼厂在鼓风炉和Pierce - Smith转炉上进行富氧熔炼研究和生产 1967 前苏联在Almalsk熔炼厂的铜反射炉中试验采用富氧,同时Inco在反射炉、TBRC炉、转炉上开始使用富 氧, Nkana对富氧炼铜反射炉进行研究, Hoboken对鼓风炉、转炉进行富氧应用的研究 1968芬兰在Hajavaltad的Outokumpu闪速炉上进行富氧应用的研究 1970 加拿大在Home熔炼厂对Noranda法的试验厂进行富氧熔炼研究,同年日本在Outokumpu闪速炉上富氧技 术投入应用,前苏联Kivcet厂对Cu - Zn - Pb的复杂精矿进行富氧技术的熔炼 1971 日本Onahama熔炼厂对Mitsubishi法进行富氧技术的研究,智利在Harjavata的Caletone熔炼厂的铜镍闪速 炉上使用富氧 1974日本Naoshima熔炼厂对Mitsubishi法使用富氧 1976智利Caletones熔炼厂在CTM熔池熔炼炉上使用富氧 1978瑞典Ronnskar熔炼厂处理铜精矿上采用富氧 1980澳大利亚在Mount Isa的Isamelt的铅试验厂中采用富氧 1982美国Morenci熔炼厂对富氧喷射熔炼进行研究 1986Ismelt试验厂用富氧技术处理铜精矿 1987澳大利亚用前苏联 К И В ЦИ Т 法的铅厂投入生产 1990大量的有色金属生产中使用富氧 锌冶金厂是最早采用富氧技术的有色冶 金工厂,富氧最早应用于锌的沸腾焙烧。目 前锌冶炼主要采用焙烧浸出工艺流程,甚至 全湿法流程。而锌精矿的高压湿法浸出工艺 早在1958年就开始应用了富氧 〔11〕, 80 年 代Cominco公司的特雷尔厂就采用了富氧浸 出的全湿法工艺。火法炼锌中喷射炼锌法, 密闭鼓风炉等都使用了富氧。目前在锌焙 烧、锌渣挥发、锌烧结、锌鼓风炉熔炼中都 43 1999年4月 云 南 冶 金 Apr. 1999 第28卷第2期总第155期 YUNNAN METALLURGY Vol. 28. No. 2 Sum 155 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 采用了富氧 〔18〕。处理铅锌混和矿的 ISP法 也采用富氧技术。 Outokumpu闪速熔炼法是炼镍的常用火法 工艺,已经采用富氧技术 〔18〕, 镍鼓风熔炼法 也采用了富氧技术,目前世界上50 以上的 镍是采用富氧技术冶炼得到的 〔11〕 。 总之,富氧技术应用于空气参与的冶金 过程,具有明显的益处,在条件可行的工艺 过程中都有采用富氧的必要。 4 富氧在冶金中应用展望 冶金过程中,特别是火法冶金过程中, 由于富氧技术具有节省能源,降低能耗,增 大处理能力,降低生产成本,减少炉气量从 而有利于炉气的处理等优点,传统的凡属空 气参与的冶金过程都可能使用富氧,即在传 统工艺中广泛采用富氧技术。如烟化炉、贫 化炉等冶金炉中均有希望采用富氧技术。 未来的火法冶金,即在铜、铅、锌、 镍、锡、锑等等有色金属的火法冶金中,凡 不采用富氧技术的工艺均将被陶汰。 5 结 语 1未来冶金,特别是火法冶金,富氧 技术的广泛采用是大势所趋。 2与富氧技术相关的工艺设备研究、 开发,应用是火法冶金研究的重点。 参考文献 1 彭子玉.世界有色金属, 1989 , 17 2～4 2 铜陵有色公司试验组.有色冶炼, 1986 , 8 1～9 3 唐家惠.有色冶炼, 1985 , 8 7～12 4 铜陵有色金属公司总公程师冶炼组.有色金属, 1986 , 4 7～8 5 何 海.重有色冶炼, 1997 , 1 7～13 6 刘世友.有色金属, 1993 , 1 5～7 7 张学文等.有色金属, 1991 , 2 3～5 8 祝明星.世界有色金属, 1989 , 13 9～11 9 铜陵有色金属公司试验组.有色冶炼, 1986 , 4 1～7 10 彭子玉.有色金属, 1988 , 6 40～45 11 Pointe Claire et al. 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