CN101705369B - 一种脉动旋流法铜冶炼工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉动旋流法铜冶炼工艺及装置，干燥的铜精矿粉或冰铜粉与富氧空气混合后以高速旋转状态进入反应器，形成以轴线为中心的高旋流体，高旋流中心引入脉动氧气和脉动燃烧，使高旋流体内产生脉动紊流，促进粒子间相互碰撞，反应器内形成高温场、高氧场、高粒子场的脉动旋流反应区，完成铜精矿造冰铜、造渣反应或冰铜造粗铜、造渣反应。反应后熔融物沉降于反应器下的熔池进行冰铜和渣分离或粗铜和渣分离。SO₂烟气送入制酸工序。本发明优点：一是反应效率高，氧利用率高，烟尘发生率低；二是产能大，能耗低，反应的空间小，反应的热能集中，炉体耐火材料的损耗小，不需要巨大的冶金炉膛，投资成本低；三是环保好，工艺操作简单、方便、可靠。

Description

一种脉动旋流法铜冶炼工艺及装置

技术领域

本发明涉及铜、镍、铅等冶金技术领域，特别涉及一种脉动旋流法铜冶炼工艺及装置。

背景技术

铜在自然界中主要是硫化矿和氧化矿，特别是硫化矿分布最广，大约有80％的铜矿以Cu-Fe-S矿石形态存在。对于这类矿石提铜通常采用火法冶金的方法，一般流程为：硫化铜矿石→采选工序→铜精矿→熔炼工序→冰铜→吹炼工序→粗铜→阳极炉工序→阳极铜→电解工序→高纯阴极铜。目前熔炼工序主要有闪速熔炼和熔池熔炼两大类，因闪速熔炼具有高效、节能、环保等优点，所以，当今世界60％以上的铜是由闪速熔炼工艺生产的，闪速熔炼工艺原理是：干燥的铜精矿粉颗粒在反应塔内被分布风完全分散悬浮，氧和悬浮的精矿颗粒在反应塔的整个空间内进行反应，这种工艺存在以下问题：一是反应在整个反应塔空间进行，故热负荷大，炉壁冲刷严重，炉寿命短；二是因精矿颗粒存在分散悬浮，故颗粒间碰撞机率小，反应不完全，存在过氧化和欠氧化现象，烟尘发生率高；三是高投料情况下热负荷特别大，一般热负荷超过2200MJ/m³.h时，闪速炉的反应塔承受不了，故限制了单台闪速炉的高产能。

发明内容

本发明目的就是为了解决上述问题，提供一种脉动旋流法铜冶炼工艺及装置，它在充分利用物料颗粒比表面积和反应热能的同时，有效减少反应塔热负荷空间，避免高温熔体对冶金炉壁的冲刷腐蚀，同时有效提高反应效率、降低烟尘发生率，满足高富氧、高产能、低能耗冶炼的要求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种脉动旋流法铜冶炼工艺，它的步骤为，

1)干燥铜精矿粉或冰铜粉与富氧空气分别送入喷嘴混合形成气固两相混合体，通过安装在喷嘴中的旋流器使气固混合体高速旋转进入反应器中，在反应器中形成以轴线为中心的高旋流体；

2)脉动旋流喷嘴将氧气和燃料以脉动形式送入高旋流体中，使高旋流体中心产生脉动紊流。

3)反应器内高旋流体内的物料颗粒被加热达到着火温度，进而高温燃烧、反应使物料颗粒或溶剂粒子融化为熔融小液滴；同时旋流体急速膨胀，在脉动、膨胀、旋转向心力的作用下，小液滴碰撞长大后的液滴在重力和离心力的作用下从高旋流体中分离，沉降于反应器下的熔池中；

4)在熔池中进一步完成造渣反应，并依靠不同的比重，实现冰铜、渣的分离或粗铜、渣的分离；

5)SO₂高温烟气在引风机抽力的作用下，从冶金炉的排烟口进入到余热锅炉和制酸系统进行热能和SO₂的回收。

一种脉动旋流法铜冶炼工艺用装置，它包括冶金炉和脉动旋流喷嘴；其中冶金炉包括反应器、熔池以及与熔池连接的排烟道；脉动旋流喷嘴安装在反应器顶部，富氧空气与干燥粉状物料分别送入脉动旋流喷嘴混合形成气固两相混合体，通过安装在脉动旋流喷嘴中的旋流器使气固混合体高速旋转进入反应器中，在反应器中形成以轴线为中心的高旋流体；脉动旋流喷嘴内设有脉动氧枪和脉动燃料枪，脉动氧枪和脉动燃料枪产生脉动紊流进入到混合高旋流体的中心。

所述脉动旋流喷嘴包括由外向内布置的物料通道、主工艺富氧空气通道、脉动氧枪和脉动燃料枪，它们组成套筒状结构，具有同一个圆心和中心线，顶部互不相通；在物料通道进口处安装流化给料器；主工艺富氧空气通道的空腔内插入脉动氧枪，在脉动氧枪的出口外层是旋流器，旋流器固定在脉动氧枪上。

所述物料通道中部为文丘里喷管状的收缩，出口处为水冷元件或耐高温材料元件。

所述物料通道、主工艺富氧空气通道、脉动氧枪和脉动燃料枪的进口相互间采用法兰的对接。

所述主工艺富氧空气通道通过两条管道与工艺富氧空气管道对接，两条管道上分别安装有拉瓦尔喷管和调节阀。

所述脉动燃料枪进口处安装风力传动叶片。

本发明的原理为：干燥物料(铜精矿粉或冰铜粉、熔剂粉)和富氧空气混合后以高速旋转进入反应器内，在反应器内形成旋流体，由于在这个旋流体中物料粒子和氧分子以轴线为中心呈螺旋状同时向前运行，所以参与反应的物料粒子和氧分子的碰撞机率小，反应效率低，另外，旋流体中心是物料粒子的富集区，缺少物料粒子反应的必要氧量，为了增加粒子间的碰撞机率，避免过氧化和欠氧化的两极分化，保证反应充分完全，将氧气和燃料以脉动形式送入到旋流体的中心，利用脉动氧气和脉动燃烧气体在旋流体中心产生脉动紊流，增加物料粒子和氧分子的碰撞机率，为反应创造良好的动力学条件，使加入到反应器中的物料粒子与氧充分碰撞结合，在反应器中心形成高温场、高氧场、高粒子场的脉动旋流体，在脉动旋流体内完成铜精矿的造冰铜、造渣反应或冰铜粉的造粗铜、造渣反应。反应后的熔融产物在旋流脉动内相互碰撞长大而沉降于反应器下的熔池内，在熔池中进一步完成造渣反应并实现渣铜分离。反应产生的SO₂烟气由排烟道送到制酸工序。

铜精矿熔炼的主要反应为：CuFeS₂+O₂→Cu₂S+FeS+SO₂

                        FeS+O₂→FeO+SO₂

                        FeO+SiO₂→FeO·SiO₂

冰铜粉吹炼的主要反应为：Cu₂S+O₂→Cu₂O+SO₂

                        Cu₂S+Cu₂O→Cu+SO₂

                        FeS+O₂+CaO→CaFe₂O₄

铜精矿熔炼的主要反应产物是冰铜(Cu₂S+FeS)、熔炼渣、SO₂烟气。

冰铜(Cu₂S+FeS)粉吹炼的主要反应产物是粗铜、吹炼渣、SO₂烟气。

本发明工艺参数：富氧空气含氧为50～99％，铜精矿粉或冰铜粉的含水＜0.3％。脉动氧气为工业氧，体积流量为工艺所需总氧量的5～20％。脉动燃烧的燃料为天然气或液化石油气，体积流量为50～500Nm³/h。

本发明不仅适用于铜冶炼，同样适用于镍冶炼和铅冶炼。

本发明的有益效果为：一是粒子间的碰撞机率高，反应完全，氧利用率高，烟尘发生率低，；二是产能大，能耗低，反应的空间小，反应的热能集中，炉体耐火材料的损耗小，不需要巨大的冶金炉膛，投资成本低；三是环保好，工艺简洁，控制操作简单、方便、可靠。

附图说明：

图1是本发明的所述的反应机理示意图。

图2是脉动旋流喷嘴结构示意图。

其中，1富氧空气，2粉状物料，3脉动氧气，4脉动燃料枪，5高旋流体，6脉动紊流，7分离出的液滴，8高温烟气，9反应器，10熔池，11排烟道，12脉动旋流喷嘴，13物料通道，14主工艺富氧空气通道，15脉动氧枪，16流化给料器，17旋流器，18拉瓦尔喷管，19调节阀，20风力传动叶片。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1中，本工艺装置由冶金炉和脉动旋流喷嘴12组成，冶金炉由钢结构、耐火材料、水冷元件等组成，分为反应器9、熔池10和排烟道11。富氧空气1与干燥粉状物料2在反应器9外的喷嘴中混合并形成为气、固两相的混合体，以高速旋转方式喷入到反应器9内形成高旋流体5；高频脉动氧气3进入到混合高旋流体5的中心，弥补中间氧势并在高旋流体5内制造脉动紊流6，促进粒子间的碰撞，延长粒子在旋流体中的停留时间，脉动燃料枪4提供的燃料在高旋流体的中心燃烧并产生脉动燃烧气流，用于保持高旋流体内需要的温度、反应中点燃物料颗粒和维持热平衡以及在高旋流体中产生脉动；高旋流体5受反应器9内的高温辐射和脉动燃料枪4燃烧燃料提供的热能影响，混合流体内的粉状物料2颗粒被加热达到着火温度，与其周围同样被加热的富氧空气1中的氧发生剧烈的化学反应，反应中的粒子在高旋流体5中随脉动紊流6运动，直至将氧粒子耗尽，粉状物料2颗粒的反应才会停止；反应产生的巨大热能被高旋流体5所控制，使未反应的固态颗粒(溶剂粒子)融化为熔融小液滴，反应和溶化后的小液滴受脉动紊流6的影响，相互间的碰撞机率成几何倍数的增长，碰撞长大后的在重力和离心力的作用下从旋流体中分离出来，分离出的液滴7沉降于反应器9下的熔池10中；分离出的富含SO₂的高温烟气8在引风机抽力的作用下，从冶金炉的排烟道11进入到余热锅炉和制酸系统进行热能和SO₂的回收。

图2中，脉动旋流喷嘴12是由物料通道13、主工艺富氧空气通道14、脉动燃料枪4、脉动氧枪15组成的套筒状结构，它们具有同一个圆心和中心线，顶部互不相通，为便于拆装、检修和定位，其进口相互间采用法兰的对接方式。主工艺富氧空气通道14通过两条管道与工艺富氧空气管道对接，两条管道上分别安装有拉瓦尔喷管18和调节阀19。物料通道13的外层是喷嘴的外壳，在其进口处安装有流化给料器16，中部为文丘里喷管状的收缩，出口为水冷套；在主工艺富氧空气通道14的空腔内插入脉动氧枪15，脉动氧枪15的出口外层是旋流器17，旋流器17固定在脉动氧枪15上，脉动氧枪15进口安装有风力传动叶片20。在脉动氧枪15内插入脉动燃料枪4。

本发明脉动旋流法铜冶炼工艺为：

粉状物料2(铜精矿或冰铜、熔剂)与富氧空气1分别送入脉动旋流喷嘴12混合形成气固两相混合体，通过安装在脉动旋流喷嘴12中的旋流器17使气固混合体高速旋转进入反应器9中，在反应器9中形成以轴线为中心的高旋流体5，为增加粒子间的碰撞机率，弥补旋流体中心氧量不足，在脉动旋流喷嘴12中心设置脉动氧枪15产生脉动气流3，将氧气以脉动形式送入高旋流体5中，另外，为补充高旋流体5中心热量，在脉动旋流喷嘴12最中央安装一个脉动燃烧枪4。气固两相混合体进入反应器9内一定的距离后，受反应器9内的高温辐射和脉动燃料枪4燃烧提供的热能影响，混合在高旋流体5内的物料颗粒被加热达到着火温度，与其周围同样被加热的富氧空气1中的氧分子在脉动紊流6条件下发生剧烈的化学反应，反应产生的巨大热能被高旋流体5所控制，使没有参与反应的物料颗粒(溶剂粒子)融化为熔融小液滴，同时还会使旋流体急速膨胀，在脉动、膨胀、旋转向心力的作用下，高旋流体5中形成更多杂乱的脉动紊流6，使反应和熔化后的小液滴相互间的碰撞机率成几何倍数的增长，碰撞长大后的液滴在重力和离心力的作用下从高旋流体5中分离，分离出的液滴7沉降于反应器9下的熔池10中，在熔池10中进一步完成造渣反应，并依靠不同的比重，实现冰铜、渣的分离或粗铜、渣的分离。SO₂高温烟气在引风机抽力的作用下，从冶金炉的排烟道11进入到余热锅炉和制酸系统进行热能和SO₂的回收。

本发明所述的技术方案并不限制于本发明所述的实施例的范围内。本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。

Claims (6)

1.一种脉动旋流法铜冶炼工艺，其特征是，它的步骤为：

1)干燥铜精矿粉或冰铜粉与富氧空气分别送入喷嘴混合形成气固两相混合体，通过安装在喷嘴中的旋流器使气固混合体高速旋转进入反应器中，在反应器中形成以轴线为中心的高旋流体；

2)脉动旋流喷嘴将氧气和燃料以脉动形式送入高旋流体中，使高旋流体中心产生脉动紊流；

3)反应器内高旋流体内的物料颗粒被加热达到着火温度，进而高温燃烧、反应使物料颗粒或溶剂粒子融化为熔融小液滴；同时旋流体急速膨胀，在脉动、膨胀、旋转向心力的作用下，小液滴碰撞长大后的液滴在重力和离心力的作用下从高旋流体中分离，沉降于反应器下的熔池中；

4)在熔池中进一步完成造渣反应，并依靠不同的比重，实现冰铜、渣的分离或粗铜、渣的分离；

5)SO₂高温烟气在引风机抽力的作用下，从冶金炉的排烟口进入到余热锅炉和制酸系统进行热能和SO₂的回收；

其中，富氧空气含氧为50～99％，铜精矿粉或冰铜粉的含水＜0.3％，脉动氧气为工业氧，体积流量为工艺所需总氧量的5～20％；脉动燃烧的燃料为天然气或液化石油气，体积流量为50～500Nm³/h。

2.权利要求1所述的一种脉动旋流法铜冶炼工艺用装置，其特征是，它包括冶金炉和脉动旋流喷嘴(12)，其中冶金炉包括反应器(9)、熔池(10)以及与熔池(10)连接的排烟道(11)；脉动旋流喷嘴(12)安装在反应器(9)顶部，脉动旋流喷嘴(12)内设有旋流器(17)、脉动氧枪(15)和脉动燃料枪(4)，旋流器(17)使富氧空气(1)与干燥粉状物料(2)以高速旋转进入反应器(9)中形成高旋流体(5)，脉动氧枪(15)和脉动燃料枪(4)在高旋流体(5)的中心产生脉动紊流(6)。

3.如权利要求2所述的一种脉动旋流法铜冶炼工艺用装置，其特征是，所述脉动旋流喷嘴(12)包括由外向内布置的物料通道(13)、主工艺富氧空气通道(14)、脉动氧枪(15)和脉动燃料枪(4)，它们组成套筒状结构，具有同一个圆心和中心线，顶部互不相通；在物料通道(13)进口处安装流化给料器(16)；主工艺富氧空气通道(14)的空腔内插入脉动氧枪(15)，在脉动氧枪(15)的出口外层是旋流器(17)，旋流器(17)固定在脉动氧枪(15)上。

4.如权利要求3所述的一种脉动旋流法铜冶炼工艺用装置，其特征是，所述物料通道(13)中部为文丘里喷管状的收缩，出口处为水冷元件或耐高温材料元件。

5.如权利要求3所述的一种脉动旋流法铜冶炼工艺用装置，其特征是，所述主工艺富氧空气通道(14)通过两条管道与工艺富氧空气管道对接，两条管道上分别安装有拉瓦尔喷管(18)和调节阀(19)。

6.如权利要求3所述的一种脉动旋流法铜冶炼工艺用装置，其特征是，所述脉动燃料枪(4)的进口处安装风力传动叶片(20)。

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