我国闪速炼铜厂的清洁生产.pdf

1 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年3 期 我国闪速炼铜厂的清洁生产 邓志文1 ，黎剑华2 ，陈静娟2 1 ．南昌有色冶金设计研究院，南昌3 3 0 0 0 2 ；2 ．南昌工程学院，南昌3 3 0 0 0 9 摘要从清洁的原料和能源、清洁的生产过程和清洁的产品等方面对国内外闪速炼钢厂清洁生产状况分 析基础上，探讨了我国闪速炼铜厂的清洁生产方向。 关键词闪速炼铜厂；清洁生产；闪速熔炼 中图分类号T F 8 1 1文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 { 2 0 0 6 0 3 0 0 1 6 0 4 S t u d yo nC l e a rP r o d u c t i o no fF l a s hC o p p e rS m e l t e ri nC h i n a ’DENGZ h i ．w e n l ，L IJ i a n h u a 2 ，C H E NJ i n g - j u a n 2 1 ．N a n c h a n gE n g i n e e r i n g ＆R e s e a r c hI n s t i t u t eo fN o n f e r r o u sM e t a l s 。N a n c h a n g3 3 0 0 0 2 ，C h i n a ； 2 ．N a n e h a n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，N a n c h a n g3 3 0 0 0 9 ，C h i n a A b s t r a c t B a s i so fa n a l y s i n gt h ec l e a n e rp r o d u c t i o na c t u a l i t yo fd o m e s t i ca n do v e r s e a sf l a s hc o p p e rs m e l t e rf r o m c l e a r ．m a t e r i a la n de n e r g ys o u r c e s ，c l e a rm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n dc l e a rp r o d u c t i o ne t c ，i n d i c a t et h e d i r e c t i o no n c l e a n e rp r o d u c t i o no ff l a s hc o p p e rs m e l t e ri nC h i n a ． K e y w o r d s f l a s hC o p p e rs m e l t e r ，c l e a n e rp r o d u c t i o n ，f l a s hs m e l t i n g 半个世纪前，世界各国的铜是采用反射炉、鼓风 炉、电炉等传统方法熔炼，存在能耗高、烟气难治理、 环境污染严重、劳动强度大，操作条件差等弊病。2 0 世纪4 0 年代末奥托昆普公司首先开发应用闪速熔 炼法新工艺，5 0 年代起日本等一些铜冶炼厂相继建 设铜冶炼闪速炉。据统计，目前全世界火法炼铜厂 约1 1 0 家，其中闪速熔炼工厂4 0 多家，产铜量占总 量的5 0 ％以上，单台闪速炉最大铜产量已超过4 0 万t ／a ，而其它如诺兰达、三菱法、艾萨法等单台套生 产能力一般小于3 0 万t ／a 。我国相继在贵溪冶炼 厂、铜陵金隆公司、金川公司建造了三个闪速炼铜 厂，目前山东阳谷祥光铜业有限公司又正在建造一 个闪速炼铜厂，还有福建紫金公司等单位正准备建 造闪速炼铜厂。 闪速炼铜厂的整个工艺过程一般包括预干燥、 干燥、熔炼、吹炼、精炼、电解、贵金属回收和制酸等 几大部分，铜冶炼是集废气、废水、废渣和噪声等污 作者简介邓志文 1 9 6 7 一 ，江西省泰和县人，男，高级工程师 染相对较重的行业，存在较大的清洁生产潜力。清 洁生产的基本要点是清洁的能源和原料、清洁的生 产过程、清洁的产品。 1清洁的原料和能源 1 原料方面铜精矿的清洁程度影响着工厂的 能耗和A s 、F 等杂质元素的排放量。与国外铜精矿 相比，国内铜精矿多表现为含水高，C u 品位低，凰、 F 等杂质含量高，造成单位产品能耗和污染物排放 指标较高。如进口铜精矿平均含水小于1 0 ％，不 需进行预干燥，根据贵溪冶炼厂一期工程年产1 0 万 t 铜的生产情况，每年可减少预干燥燃煤烟尘和S 0 2 排放量分别约3 0t 和2 5 6t ；国外进口混合铜精矿含 铜品位达到2 8 ％，国内混合铜精矿铜品位在2 5 ％左 右，以年产2 0 万t 铜计算，铜精矿含铜品位提高 3 ％，可减少8 ．7 5 万t ／a 的投料量，相应节约单位产 品的辅助材料和燃料消耗，减少精矿运输量；铜精矿 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年3 期 1 7 中A s 、F 等杂质含量的降低，可减少冶炼烟气中烟 尘的杂质含量，相应降低制酸系统稀酸洗涤工序的 废酸产生量以及其中的杂质含量，进而减少废酸处 理工段砷滤饼和废液的排放量，减小末端处理负荷， A s 、F 等杂质含量的降低可使制酸系统触媒中毒的 可能性减小，从而减小烟气事故排放的可能性。 2 能源方面尽可能地回收熔炼、吹炼和制酸 系统的余热产生蒸汽或发电，回用于厂内生产，减小 锅炉供热规模和能量消耗。以年产2 0 万t 铜的闪 速炼铜厂为例，回收余热可产蒸汽8 0t ／h ，与燃煤产 蒸汽相比，每年可减少烟尘和s c h 排放量分别约 2 0 0t 和20 8 0t 按煤含硫0 ．8 ％，不脱硫计算 。 2清洁的生产过程 2 ．1 清洁的生产工艺 1 精矿预干燥工艺如果铜精矿含水大于 1 0 ％需进行预干燥。随着国产铜精矿的不足和进口 铜精矿的大量增加，通过矿山脱水新技术、新工艺的 采用，国产铜精矿的含水率在不断降低，并可通过与 进口铜精矿搭配使精矿含水率小于1 0 ％，逐步取消 能耗高、污染重的预干燥。新建的闪速炼铜厂已取 消预干燥工序。 2 精矿干燥工艺精矿干燥主要有蒸汽干燥和 气流干燥2 种。目前我国贵溪冶炼厂 三期工程采 用了蒸汽干燥 、金隆铜业公司、金川公司3 家闪速 炉工厂均采用了气流干燥技术，成熟可靠，操作简单 易维护。蒸汽干燥机的热源是饱和蒸汽，可以利用 闪速熔炼炉和闪速吹炼炉余热锅炉产生的蒸汽。蒸 汽干燥与气流干燥相比具有如下清洁生产特点 ①流程短。一台蒸汽干燥机取代气流干燥的圆 筒干燥机、鼠笼打散机、气流于燥管三段干燥过程， 并省去一套复杂的重油／粉煤燃烧装置。烟气处理 系统也很简单，省去了结构庞大，造价高的电收尘、 排风机和高烟囱。蒸汽干燥与气流干燥相比可节省 投资5 ％～1 0 ％。 ②气流干燥需采用重油或粉煤作燃料，增加环 境污染；而蒸汽干燥可以采用余热锅炉的蒸汽作热 源，有利于减轻环境污染，充分利用能源，减少S 0 2 和烟尘排放量。 3 熔炼工艺近1 0 多年来，围绕解决大气污染 和节能两个中心课题，铜冶炼工艺得到了不断改进， 淘汰了敞开式鼓风炉、反射炉、电炉等效率低、能耗 高、劳动条件差以及环境污染严重的落后工艺。目 前国内外比较有代表性的、较为先进的炼铜工艺有 富氧密闭鼓风炉炼铜法、诺兰达炼铜法、瓦纽柯夫炼 铜法、改进型白银炼铜法、艾萨炼铜法和闪速炼铜 法。从目前世界上新建大型铜冶炼厂选择的熔炼工 艺来看，主要在闪速熔炼和艾萨熔炼两种工艺中选 择。 闪速熔炼的特点①技术先进成熟可靠；②可以 进行高富氧熔炼，且炉子密闭性好，烟气量小，S 0 2 浓度高，有利于制酸，硫的利用率大于9 5 ％；③精矿 经过深度干燥，显著节能；烟气含湿量低，熔炼烟气 处理容易；④环境保护及劳动条件好。 艾萨熔炼的特点原料预处理比较简单，不需要 深度干燥，对入炉物料的要求不太高，炉体简单，投 资略低，比较适合中小型冶炼厂。缺点是①由于精 矿未进行深度干燥，精矿中的水份在熔炼炉内 12 0 0 ℃以上脱除，消耗燃料大，产出的烟气多，湿度 高，对烟气后续处理不利；②需要高压风机，动力消 耗大，总能耗高；③目前只能与转炉配套，加料口是 敞开的，炉内负压波动会造成炉口冒烟，如果负压控 制太大，又会造成大量的漏风，环保效果差。 从工厂大型化、操作运行平稳，能耗和环境保护 等方面综合比较，闪速熔炼技术具有明显的优势。 4 吹炼工艺目前国内外有闪速炉吹炼、奥斯 麦特浸没顶吹、三菱法C 炉、霍勃肯虹吸转炉及常 规P S 卧式转炉，国内普遍采用P S 卧式转炉。P S 转炉吹炼的优点是工艺成熟可靠、粗铜质量高、投资 较低，但是转炉吹炼在清洁生产方面存在如下缺点 ①转炉吹炼为间断作业，烟气波动大，炉口漏风 大，导致送制酸系统的烟气量大，s 0 2 浓度低，投资 增大。 ②炉口不密闭、包子运输过程中S 0 2 散逸等， 存在大量的低空烟气污染。 ③转炉耐火材料寿命短，维修频繁，耐火材料消 耗大。 闪速吹炼技术是冰铜吹炼的最新工艺，已成功 应用了8 年。闪速吹炼炉主要具有如下优点 ①闪速吹炼是强化吹炼过程，年产铜4 0 万t 冶 炼厂只需一台吹炼炉则可取代6 台常规P S 转炉， 设备数量少、占地小。 ②采用高浓度的富氧空气吹炼，烟气量小且 S 0 2 浓度高，闪速吹炼烟气量大约只有P S 转炉的 1 ／1 0 ，后续的余热系统和烟气制酸系统设备小，投资 省，运行费用低。 ③车间内无吊车和包子运输，炉体密闭性好，车 间内无低空污染，环保效果好。 万方数据 1 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年3 期 ④炉体寿命长，耐火材料消耗量低。 闪速吹炼炉已成为世界上最有望取代P S 转炉 的吹炼工艺，使低空污染问题得到显著改善，以年产 2 0 万t 铜为例，与P S 转炉工艺相比，每年可减少烟 尘和S 0 2 排放量分别约3 7 7t 和16 9 0t 。我国正在 建设的山东阳谷祥光铜业有冁公司闪速炼铜厂将采 用闪速吹炼工艺。 5 精炼工艺国外普遍采用成熟的回转式阳极 炉，世界上采用这种方式精炼的厂家有4 0 多家，国 内目前采用大型回转式阳极炉的有贵冶、大冶、金 隆、云铜及金川5 家铜冶炼厂。回转式阳极炉正朝 着大型化发展，单台阳极炉最大能力已达6 0 0t 。国 内已完全掌握了回转式阳极炉设计技术，并基本保 持与国际先进水平同步。 6 阳极泥处理工艺阳极泥处理及金银回收的 工艺较多，比较成熟且能上规模的有火法、湿法、选 冶法等。选冶法因其硒收率低、污染大、脱硒不彻底 影响金银回收率而逐渐被淘汰；传统火法因其劳动 条件差、能耗高、生产周期长、金银回收率低而在新 建工程中不宜再采用；目前较具竞争力的工艺有 A u s m e l t 炉、湿法、卡尔多炉。卡尔多炉工艺与A u s m e l t 炉、湿法工艺相比具有下列明显优势 ①主干流程短卡尔多炉因其一炉顶三炉，使其 主干流程比传统火法流程减短近2 ／3 ；对湿法流程 而言，亦因其能取代焙烧蒸硒、分碲、分金、分银四大 工序而使主干流程减短近2 ／3 。 ②能耗低卡尔多炉的脱硒、熔炼、吹炼三大过 程同炉分步连续完成，省去了传统火法的冷料二次 加热，且自身炉体具有容积小、散热少、炉体旋转、给 热及热交换工况良好等特点，因而节能。 ③劳动定员少、劳动生产率高卡尔多炉工艺比 湿法工艺定员少3 0 ％。卡尔多炉工艺全员劳动生 产率比湿法工艺高一倍，比A u s m e l t 工艺高一半。 ④生产成本低从铜阳极泥到金银合金，卡尔多 炉工艺的加工成本比湿法工艺约低1 ／3 ，比A u s m e l t 炉工艺约低1 ／2 。 ⑤环境条件好卡尔多炉生产工艺过程对“三 废”的治理达到欧洲环保标准，所采用的环保治理措 施可确保周边环境和工作环境保持良好状态。 6 电解工艺目前国内外采用的电解工艺有传 统工艺和永久性不锈钢阴极两种。传统法在我国已 有多年生产历史，工艺成熟可靠，但始极片制作工艺 复杂，需要独立的生产系统，劳动强度大；始极片质 软，平直度不好，生产过程中易造成短路，阴极铜的 质量难以保证。永久性阴极电解工艺通常是采用大 极板，与传统的大极板工艺不同的是它采用不锈钢 板做成阴极代替铜始极片，阴极铜产品从不锈钢阴 极上剥取，取消了繁琐的始极片生产系统，简化了生 产过程，减少了设备和操作人员。由于不锈钢阴极 平直，生产过程中短路现象少，不但提高了产品质 量，而且可使用较高的电流密度和较小的极距，进一 步提高了单位面积的产能，残极率低 残极率可由传 统法的2 0 ％降至1 6 ％ 、综合能耗低 将能耗折算成 标煤，每年可节约标准煤33 8 5t 。至1 9 9 9 年底， 世界上已有2 4 家工厂采用永久性阴极电解工艺，贵 溪冶炼厂的2 0 万t 永久性阴极工艺电解车间已经 投产。 ’ 7 制酸工艺。两转两吸是目前最先进的烟气 制酸工艺。与一转一吸相比，它要求的S 0 2 浓度一 般应在6 ．5 ％以上 这也是鼓风炉、反射炉、电炉等 产生低浓度S 0 2 烟气的熔炼工艺被摒弃的原因 ； 具有硫资源回收率高，尾气中S 0 2 排放浓度低等特 点。两转两吸烟气中硫回收率一般大于9 8 ％，总硫 利用率大于9 5 ％，尾气S 0 2 排放浓度小于0 ．0 3 ％； 一转一吸烟气中的硫回收率大于9 6 ％，总硫利用率 低于8 5 ％，尾气s 0 2 排放浓度在0 ．2 ％以上。 综上所述，目前世界上最先进清洁的闪速炼铜 厂应是集铜精矿蒸汽干燥、闪速熔炼、闪速吹炼、回 转式阳极炉精炼、永久性不锈钢阴极电解、卡尔多炉 处理阳极泥和动力波烟气净化、两转两吸制酸工艺 于一体的流程，该流程的突出特点是节能、环保、高 效。这些技术在国内几个大型铜冶炼厂都分别被采 用，但还没有一个工厂能够如此完美地集中以上所 有技术，主要是由于这些厂在建设初期对国外先进 技术了解不够未能先期采用，而后期扩产改造时由 于受场地、停产时间等因素的限制无法实施。随着 国家改革开放政策的落实，铜冶炼行业引进了大量 国外的先进技术和设备，并在此基础上不断消化、吸 收，以上工艺流程除了少数关键设备需从国外引进， 大部分设备都已实现国产化，而且我国在大型铜冶 炼厂的设计、设备制造、工程施工都积累了丰富的经 验，依靠国内力量建成世界上最先进清洁的铜冶炼 厂是完全可以实现的。 2 ．2 清洁生产措施 除采用上述先进的清洁工艺外，闪速炼铜厂．尚 可从以下各方面进一步提高清洁生产水平 1 实行清污分流，一水多用。热污染废水和污 下转第2 2 页 万方数据 2 2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年3 期 [ 4 ] 时国栋．中空纤维反应器的操作模式[ J ] ．化工学报， 1 9 9 3 ，4 4 2 1 5 1 1 5 6 。 [ 5 ] S a b o n iA ，A 1 e x a n d r o v aS ．S u l f u rd i o x i d ea b s o r p t i o na n d d e s o r p t i o nb yw a t e rd r o p s [ J ] ．C h e m i c a lE n g i n e e r i n gJ o u r - n a l ．2 0 0 1 ，8 4 5 7 7 5 8 0 ． [ 6 ] A l a nG a b e l m a n a ，S u n T a kH w a n g b ．H o l l o wf i b e rm e m ． b r a h ee o n t a c t o r a [ J ] 。J o u m a lo fM e m b r a n eS c i e n c e ，1 9 9 9 ， 1 5 9 6 1 1 0 6 ． [ 7 ] 潘江．柠檬酸盐法处理烟气二氧化硫的研究[ D 】．西 安西安建筑科技大学，2 0 0 1 ． 上接第4 页 集度明显增大，可以作为富镍渣进一步提镍制取镍 产品。 3结论 试验提出的处理钴镍渣流程是合理的。采用硫 酸浸出符合湿法炼锌要求，便于净化后液返回湿法 炼锌系统；采用强氧化剂N a 2 s z 0 8 氧化沉钴，能得到 1 8 ％左右的富钴渣；采用锌粉加S b 2 0 3 、C u S 0 4 置换 镍，能得到5 ％左右的富镍渣。最终达到了钴、镍和 镉分别开路处理，锌留在净化后液返回湿法炼锌系 统的目的。 参考文献 [ 1 ] 魏昶，王吉坤．湿法炼锌理论与应用[ M ] ．昆明云南科 技出版社，2 0 0 3 ． [ 2 ] 赵廷凯，唐谟堂．湿法炼锌净化钴渣新处理工艺[ J ] ．中 南工业大学学报，2 0 0 1 ，3 2 4 3 7 1 3 7 5 ． [ 3 ] J a r iN a s i ．S t a t i s t i c a la n a l y s i so f c o b a l tr e m o v a lf r o mz i n c e l e c t r o l y t eu s i n gt h ea r s e m e ．a c t i v a t e dp r o c e s s [ J ] ．H y ． d r o m e t a l l u r g y ，2 0 0 4 ，7 3 1 2 3 1 3 2 ． [ 4 ] Vv a nd e rP a s ，D r e i s i n g e rDB ．Af u n d a m e n t a ls t u d yo f c o b a l tc e m e n t a t i o nb yz i n cd u s ti nt h ep r e s e n c eo fc o p p e r a n da n t i m o n ya d d i t i v e s [ J ] ．H y d r o m e t a l l u r g y ，1 9 9 6 ，4 3 1 8 7 2 0 5 ． [ 5 ] K a r a v a s t e v aM ．T h ee f f e c to fc e r t a i ns u r f a c t a n t so nt h ec e ． m e n t a t i o no fc o b a kf r o mz i n cs u l p h a t es o l u t i o n sb ys u s p e n d e dz i n cp a r t i c l e si nt h ep r e s e n c eo fc o p p e ro ra n t i m o n y [ J ] ． C a n a d i a nM e t a U u r g y i c a lQ u a r t e r y l y ，2 0 0 1 ，4 0 2 1 7 9 1 8 4 ． 上接第1 8 页 染较重废水分开处理，减轻废水处理难度，减少废水 处理设施投资和运行费用。热污染废水经冷却后可 用于缓冷场渣冷却，减少外排水量，水循环利用率可 达到9 5 ％以上。 2 积极开发废渣利用新工艺，尽可能地对生产 过程中产生的废渣加以利用，减少固废排放和处置 量，提高资源利用率，如对砷滤饼、铅滤饼、铜滤饼等 进行综合利用。 3 根据国内的贵溪冶炼厂、铜陵冶炼厂监测资 料，以后建设闪速炼铜厂每吨铜的主要特征污染物 排放量建议按下述指标控制S 0 21 1 ．0 6k g 、C u 1 ．1 9g 、P b2 ．3 6g 、Z n4 ．7 0g 、C d0 ．2 4g 、A s1 ．1 9g 、 烟尘1 ．3 3k g 。 4 重视设备选型和生产管理，选择耐腐蚀性强和 密闭性好的设备，减少跑、冒、滴、漏对环境的污染。 5 综合能耗。根据有色金属工业节能设计技 术规定，从精矿到阴极铜的二级指标为每吨产品折 合标准煤9 7 0k g ，根据国内的贵溪冶炼厂、铜陵冶炼 厂的运行情况，以后建设闪速炼铜厂的能耗指标建 议按标准煤8 7 0 k g 控制。 3 清洁的产品 主要产品一高纯度阴极铜 9 9 ．9 9 ％ 、硫酸 H 2 S 0 49 8 ％ 、电金 A u9 9 ．9 9 ％ 和电银 A g 9 9 ．9 9 ％ 等均是高纯度产品，二次使用过程中废料 少。并且高纯度阴极铜、电金和电银均为固体产品， 便于运输，不会对沿途的运输线路造成二次污，但硫 酸为液态，具有强腐蚀性，需考虑运输防范应急措 施。 4结语 尽管我国闪速炼铜厂环保工作的不断改进使人 们改变了对原来铜冶炼厂环保工作的不良印象，但 与国外同样的闪速炼铜厂相比，我们的环保工作仍 存在不小的差距，持续改进的清洁生产潜力仍较大、 任务仍很重，应引起各企业的足够重视，为此行业的 清洁生产作出更大的贡献。 万方数据