CN105349798A - 采用天然气与氮气的混合气体还原含氧铜液的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种采用天然气与氮气的混合气体还原含氧铜液的方法，包括以下步骤：将所述天然气与氮气预混合后再通入含氧铜液中进行还原，其中所述天然气与氮气的混合比例通过监测的参数来调节。本发明也提供一种采用天然气与氮气的混合气体还原含氧铜液的装置。
Description
技术领域
本申请属于铜熔炼领域，具体而言，涉及一种采用天然气与氮气的混合气体还原含氧铜液的方法及装置。
背景技术
再生铜熔炼过程包括熔化、氧化、扒渣和还原阶段。为提高铜的纯度，用吹入压缩空气来氧化除杂，再用还原剂还原脱氧。传统再生铜熔炼还原过程中，人们常常采用插木还原。但由于木材资源宝贵，为保护环境，还原过程逐渐采用天然气替代插木还原。
目前，使用天然气进行还原存在如下弊端：(1)天然气的利用率低，还原时间长；(2)天然气与铜液反应不完全，产生大量黑烟造成环境污染；(3)天然气在铜液中裂解产生的氢气易被铜液吸收，使铜出现一些微孔，影响产品质量；(4)由于在还原过程中天然气流量没有做出适量和及时调整，导致还原过程某些时间段天然气过量，使铜液温度过高。铜液温度越高越易吸入氧气再次氧化。为使铜液的氧含量降低到要求指标，相应的还原过程就会被拉长。
发明内容
为解决上述铜熔炼工艺中的弊端，本发明采用天然气与氮气的混合气体来还原含氧铜液，并根据监测的参数调节天然气和氮气的混合比例。
具体地，首先，将天然气和氮气在一个混合器内进行预混。进入混合器的天然气流量和氮气流量分别由天然气流量控制阀组和氮气流量控制阀组来进行精确控制。
因此，一方面，本发明提供一种采用天然气与氮气的混合气体还原含氧铜液的方法，包括以下步骤：将所述天然气与氮气预混合后再通入含氧铜液中进行还原，其中所述天然气与氮气的混合比例通过监测的参数来调节。
根据一个优选的实施方式，上述方法中所述参数选自：
(1)盛装所述含氧铜液的熔炼炉的炉温变化和炉气中CO浓度的变化；或
(2)盛装所述含氧铜液的熔炼炉的烟道出口处烟气温度变化和烟气中CO浓度的变化；或
(3)所述含氧铜液中含氧量的变化。
然后将天然气和氮气的混合气体输送到还原喷管。最后将还原喷管埋入铜液中进行还原。还原喷管可通过加料口插入熔炼炉内，亦可安装在熔炼炉顶部，还原时将还原喷管插入铜液内。不需要时，还原喷管移出熔炼炉。
本发明在天然气中混入氮气再插入铜液中。氮气的存在，增强了对铜液的搅拌强度，增加了天然气与铜液中氧化亚铜的接触机会，改善了天然气的动力学性能，从而提高天然气的利用率，减轻了环境污染。氮气的存在也减少了氢气在铜液的溶解度，而且还可阻止铜液表面与空气接触，防止重新溶解氧的现象发生。这样不仅可以提高铜液质量，也可缩短还原时间。
根据一个优选的实施方式，其中所述天然气与氮气的混合比例在还原初期大于还原后期。在还原初期，由于铜液中氧化亚铜的含量相对较高，这时需要送入较多的天然气进行还原。随着还原的进行，铜液中氧化亚铜的含量逐渐降低，这时需要减少天然气量，而增加氮气量。天然气与氮气的比例在还原初期时，可以全部是天然气，然后逐步增加氮气的含量，使得二者的比例为30∶1，15∶1，10∶1，5∶1，3∶1，2∶1，1∶1。然后随着还原过程逐步降低，天然气的含量逐渐减少，达到1∶2，1∶3，1∶5，1∶10，1∶15或1∶30直至可以全部是氮气。根据上述监测到的参数，可以每1，2，3，4，5，10，15，20，或30分钟调整天然气和氮气的流量比例。在还原过程中有效控制天然气和氮气的混合比例，可进一步提高天然气的利用率、减少黑烟生成、减少氢气在铜液中的溶解和避免铜液温度过高。
本发明通过如下方式控制还原过程中天然气和氮气的混合比例：
(1)方式一：监测熔炼炉的炉温变化和炉气中CO浓度的变化
通过监测到炉膛温度变化(dT/dt)和炉气中CO浓度的变化(dCO/dt)判定天然气的输入量是否过多。温度变化是通过热电偶或红外测温等温度测量传感器测量的温度值计算出温度变化值dT/dt。CO的变化值dCO/dt是通过CO测量传感器测量的CO浓度计算出来的。温度和CO测量传感器放置在炉膛内。当监测的温度变化值dT/dt和CO浓度变化值dCO/dt比预先给定的设定值高，这就表明天然气的输入量过多，天然气与氮气的混合比要降低。炉温和CO的变化信号会反馈到天然气流量控制阀组和氮气流量控制阀组，通过流量控制阀组改变进入到混合器的天然气和氮气流量，从而达到所需要的天然气和氮气的混合比。
(2)方式二：熔炼炉排烟口处烟气温度变化和烟气中CO浓度的变化
与方式一相同，通过监测到的烟气温度变化(dT/dt)和烟气中CO浓度的变化(dCO/dt)判定天然气的输入量是否过多。与方式一的不同之处是温度和CO测量传感器放置在熔炼炉排烟口处监测烟气的温度和CO浓度。当监测的温度变化值dT/dt和CO浓度变化值dCO/dt比预先给定的设定值高，这就表明天然气的输入量过多，天然气与氮气的混合比要降低。烟气温度和CO的变化信号会反馈到天然气流量控制阀组和氮气流量控制阀组，通过流量控制阀组改变进入到混合器的天然气和氮气流量，从而达到所需要的天然气和氮气的混合比。
(3)方式三：铜液中氧量的变化
铜液的含氧量可通过质谱仪或其它测氧含量仪器测量。当监测的铜液含氧量高过预先给定的最高设定值时，流量控制阀组控制天然气和氮气流量使天然气和氮气以较高的混合比进入还原喷管。当监测的铜液含氧量低于预先给定的最低设定值时，流量控制阀组调整天然气和氮气流量使天然气和氮气的混合比降低直至铜液的氧含量降低到要求指标。
根据本发明一个特别优选的实施方式，所述天然气与氮气的混合比例在还原初期为10∶1，还原后期为1∶10。天然气流量可由还原初期的300～500Nm3/hr减少到还原后期的30～50Nm3/hr，氮气流量可由还原初期的30～50Nm3/hr增加到还原后期的300～500Nm3/hr。
另一方面，本发明提供一种采用天然气与氮气的混合气体还原含氧铜液的装置，其特征在于，包括：
天然气供应装置(1)，其通过天然气流量控制阀组(3)与混合器(5)连接，用于向混合器(5)提供天然气；
氮气供应装置(2)，其通过氮气流量控制阀组(4)与混合器(5)连接，用于向混合器(5)提供氮气；
混合器(5)，其与还原喷管(6)连接，用于向铜液(7)提供天然气与氮气的混合气体；
熔炼炉(8)，用于盛装待还原含氧铜液；
PLC控制模块(11)，其一端与天然气流量控制阀组(3)和氮气流量控制阀组(4)连接，另一端与置于熔炼炉(8)中的监测仪器相连，用于控制所述天然气与氮气的混合比例。
根据一个优选的实施方式，所述置于熔炼炉(8)中的监测仪器选自所述熔炼炉(8)的烟道出口(9)处烟气温度变化和烟气中CO浓度的变化的监测仪器(10)、或所述熔炼炉(8)的炉温变化和炉气中CO浓度变化的监测仪器(13)或所述熔炼炉(8)内的铜液(7)的含氧量变化的监测仪器(14)。
根据一个优选的实施方式，本发明采用天然气与氮气的混合气体还原含氧铜液的装置包括一或多根还原喷管，所述还原喷管通过加料口(12)插入熔炼炉(8)内。
根据另一个优选的实施方式，本发明采用天然气与氮气的混合气体还原含氧铜液的装置包括还原喷管，所述还原喷管(6)通过熔炼炉炉顶(15)插入熔炼炉(8)内，即沿着熔炼炉(8)的长度方向尤其是均匀分布在炉顶(15)。
根据一个优选的实施方式，所述熔炼炉(8)的一侧安装有烧枪(16)，用于熔炼和氧化阶段，以及铜液再次升温。
本发明所提供的采用天然气与氮气的混合气体还原含氧铜液的方法和装置能够有效地提高天然气的利用率约30％、提高铜液质量并缩短还原时间约20-40％。
附图说明
图1是采用本发明的装置用天然气与氮气的混合气体还原含氧铜液的一种实施方式的示意图。
图2是采用本发明的装置用天然气与氮气的混合气体还原含氧铜液的一种实施方式的示意图。
图3是采用本发明的装置用天然气与氮气的混合气体还原含氧铜液的一种实施方式的示意图。
图4是采用本发明的装置用天然气与氮气的混合气体还原含氧铜液的一种实施方式的示意图。
图5是采用本发明的装置用天然气与氮气的混合气体还原含氧铜液的一种实施方式的示意图。
图6是采用本发明的装置用天然气与氮气的混合气体还原含氧铜液的一种实施方式的示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式来进一步说明本发明，但是所述具体实施方式不应以任何方式视为对本发明范围的限制。
如图1所示，天然气(1)、氮气(2)分别经过天然气流量控制阀组(3)和氮气流量控制阀组(4)进入混合器(5)。在熔炼炉(8)的烟道出口(9)放置温度和CO监测仪器(10)，监测烟气温度和烟气CO的变化。烟气温度和烟气CO的信号反馈到PLC控制模块(11)计算出温度变化值和CO浓度变化值。当计算出的温度变化值和CO浓度变化值比预先给定的设定值高，天然气流量控制阀组(3)和氮气流量控制阀组(4)就开始调节进入混合器(5)的天然气和氮气流量，使天然气和氮气的混合比例降低。混合后的天然气和氮气连接到还原喷管(6)，通过熔炼炉(8)上的加料口(12)插入到铜液(7)中进行还原。
如图2所示，天然气(1)、氮气(2)分别经过天然气流量控制阀组(3)和氮气流量控制阀组(4)进入混合器(5)。在熔炼炉内(8)放置温度和CO监测仪器(13)，监测炉膛温度和炉气中CO的变化。炉膛温度和炉气CO的信号反馈到PLC控制模块(11)计算出温度变化值和CO浓度变化值。当计算出的温度变化值和CO浓度变化值比预先给定的设定值高，天然气流量控制阀组(3)和氮气流量控制阀组(4)就开始调节进入混合器(5)的天然气和氮气流量，使天然气和氮气的混合比例降低。混合后的天然气和氮气连接到还原喷管(6)，通过熔炼炉(8)上的加料口(12)插入到铜液(7)中进行还原。
如图3所示，天然气(1)、氮气(2)分别经过天然气流量控制阀组(3)和氮气流量控制阀组(4)进入混合器(5)。在熔炼炉(8)内的铜液(7)的含氧量用仪器(14)测量，测量出的含氧量信号反馈到PLC控制模块(11)。当监测的铜液含氧量高过在PLC控制模块(11)中预先给定的最高设定值时，天然气流量控制阀组(3)和氮气流量控制阀组(4)将控制天然气和氮气流量使天然气和氮气以较高的混合比在混合器(5)混合后进入还原喷管(6)。当监测的铜液(7)的含氧量低于预先给定的最低设定值时，流量控制阀组(3)和(4)将调整天然气和氮气流量使天然气和氮气的混合比降低直至铜液的氧含量降低到要求指标。混合后的天然气和氮气连接到还原喷管(6)，通过熔炼炉(8)上的加料口(12)插入到铜液(7)中进行还原。
如图4所示，天然气(1)、氮气(2)分别经过天然气流量控制阀组(3)和氮气流量控制阀组(4)进入混合器(5)。在熔炼炉(8)的烟道出口(9)放置温度和CO监测仪器(10)，监测烟气温度和烟气CO的变化。烟气温度和烟气CO的信号反馈到PLC控制模块(11)计算出温度变化值和CO浓度变化值。当计算出的温度变化值和CO浓度变化值比预先给定的设定值高，天然气流量控制阀组(3)和氮气流量控制阀组(4)就开始调节进入混合器(5)的天然气和氮气流量，使天然气和氮气的混合比例降低。混合后的天然气和氮气连接到还原喷管(6)。还原喷管(6)沿着熔炼炉(8)的长度方向均匀分布在炉顶(15)。还原阶段，还原喷管(6)插入到铜液(7)中进行还原。这种炉顶插入方式可使加料口在还原过程完全关闭，这样不仅可以减少热损，而且可减少空气进入炉膛对铜液进行再次氧化。还原结束后，还原喷管(6)可抽出熔炼炉(8)。熔炼炉(8)的一侧安装有烧枪(16)供熔炼、氧化，以及铜液再次升温阶段使用。
如图5所示，天然气(1)、氮气(2)分别经过天然气流量控制阀组(3)和氮气流量控制阀组(4)进入混合器(5)。在熔炼炉内(8)放置温度和CO监测仪器(13)，监测炉膛温度和炉气中CO的变化。炉膛温度和炉气CO的信号反馈到PLC控制模块(11)计算出温度变化值和CO浓度变化值。当计算出的温度变化值和CO浓度变化值比预先给定的设定值高，天然气流量控制阀组(3)和氮气流量控制阀组(4)就开始调节进入混合器(5)的天然气和氮气流量，使天然气和氮气的混合比例降低。混合后的天然气和氮气连接到还原喷管(6)。还原喷管(6)沿着熔炼炉(8)的长度方向均匀分布在炉顶(15)。还原阶段，还原喷管(6)插入到铜液(7)中进行还原。还原结束后，还原喷管(6)可抽出熔炼炉(8)。熔炼炉(8)的一侧安装有烧枪(16)供熔炼、氧化阶段使用。熔炼炉(8)的一侧安装有烧枪(16)供熔炼、氧化，以及铜液再次升温阶段使用。
如图6所示，天然气(1)、氮气(2)分别经过天然气流量控制阀组(3)和氮气流量控制阀组(4)进入混合器(5)。在熔炼炉(8)内的铜液(7)的含氧量用仪器(14)测量，测量出的氧含量信号反馈到PLC控制模块(11)。当监测的铜液含氧量高过在PLC控制模块(11)中预先给定的最高设定值时，天然气流量控制阀组(3)和氮气流量控制阀组(4)将控制天然气和氮气流量使天然气和氮气以较高的混合比在混合器(5)混合后进入还原喷管(6)。当监测的铜液(7)的含氧量低于预先给定的最低设定值时，流量控制阀组(3)和(4)将调整天然气和氮气流量使天然气和氮气的混合比降低直至铜液的氧含量降低到要求指标。混合后的天然气和氮气连接到还原喷管(6)。还原喷管(6)沿着熔炼炉(8)的长度方向均匀分布在炉顶(15)。还原阶段，还原喷管(6)插入到铜液(7)中进行还原。还原结束后，还原喷管(6)可抽出熔炼炉(8)。熔炼炉(8)的一侧安装有烧枪(16)供熔炼、氧化，以及铜液再次升温阶段使用。
Claims (9)
1.采用天然气与氮气的混合气体还原含氧铜液的方法，包括以下步骤：将所述天然气与氮气预混合后再通入含氧铜液中进行还原，其中所述天然气与氮气的混合比例通过监测的参数来调节。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述参数选自：
(1)盛装所述含氧铜液的熔炼炉的烟道出口处烟气温度变化和烟气中CO浓度的变化；或
(2)盛装所述含氧铜液的熔炼炉的炉温变化和炉内CO浓度的变化；或
(3)所述含氧铜液中含氧量的变化。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述天然气与氮气的混合比例在还原初期大于还原后期。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述天然气与氮气的混合比例为30∶1至1∶30，优选为10∶1至1∶10。
5.采用天然气与氮气的混合气体还原含氧铜液的装置，其特征在于，包括：
天然气供应装置(1)，其通过天然气流量控制阀组(3)与混合器(5)连接，用于向混合器(5)提供天然气；
氮气供应装置(2)，其通过氮气流量控制阀组(4)与混合器(5)连接，用于向混合器(5)提供氮气；
混合器(5)，其与还原喷管(6)连接，用于向铜液(7)提供天然气与氮气的混合气体；
熔炼炉(8)，用于盛装待还原含氧铜液；
PLC控制模块(11)，其一端与天然气流量控制阀组(3)和氮气流量控制阀组(4)连接，另一端与置于熔炼炉(8)中的监测仪器相连，用于控制所述天然气与氮气的混合比例。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述置于熔炼炉(8)中的监测仪器选自所述熔炼炉(8)的烟道出口(9)处烟气温度变化和烟气中CO浓度变化的监测仪器(10)、所述熔炼炉(8)的炉温变化和炉气中CO浓度变化的监测仪器(13)或所述熔炼炉(8)内的铜液(7)的含氧量变化的监测仪器(14)。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述还原喷管(6)通过加料口(12)插入熔炼炉(8)内。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述还原喷管(6)通过熔炼炉炉顶(15)插入熔炼炉(8)内。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述熔炼炉(8)的一侧安装有烧枪(16)，用于熔炼和氧化阶段，以及铜液再次升温。
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