CN105890362B - 一种氧化和还原气氛共存的冶金反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氧化和还原气氛共存的冶金反应装置，所述反应装置包括反应塔；所述反应塔顶部设有氧气和固炭的加料装置；所述氧气和固炭不断自塔顶向下加入反应塔中，通过固炭和氧气燃烧反应使反应塔自上而下形成强氧化区、弱氧化区、弱还原区和强还原区。本发明利用固炭在下落过程中与氧气反应速度的不断加快，从而使从上至下的方向上O₂/CO的比例不断降低，最终越过氧化和还原条件的界限，在空间中从上至下形成氧化和还原两种气氛。该冶金反应装置构建方法简单、一次性投资低、能耗低。

Description

一种氧化和还原气氛共存的冶金反应装置

技术领域

本发明属于冶金领域，尤其是涉及一种氧化和还原气氛共存的冶金反应装置。

背景技术

目前在黑色和有色冶金领域，有不少利用空间的气氛进行冶炼的工艺，即利用冶金容器内气体在高温下与固态或熔融态的矿粉间接触比表面积大、反应速度快的特点，来实现冶金功能。一般整个冶金空间都是一种单一的冶金环境，要么是氧化气氛占主导，即氧化环境，要么还原气氛占主导，即还原环境，也有在同一个反应容器内，空间是氧化气氛，熔池的熔体是还原环境的冶金工艺，但还从未出现同一个空间中，具有氧化和还原两种气氛的冶金环境。

在实际生产中，有部分冶金工艺需要对待冶炼矿物分别进行氧化和还原处理，传统的方案是分成两个或多个冶金容器分别进行氧化和还原，这种冶炼方法流程长、投资大、能耗高。这个问题到目前一直未得到很好的解决。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种冶金反应装置，以实现氧化和还原气氛在一个空间中共存。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种氧化和还原气氛共存的冶金反应装置，所述反应装置包括反应塔；所述反应塔顶部设有氧气和固炭的加料装置；所述氧气和固炭不断自塔顶向下加入反应塔中，通过固炭和氧气燃烧反应使反应塔自上而下形成强氧化区、弱氧化区、弱还原区和强还原区。

本发明中，固炭从反应塔顶部开始下落，在固炭下落的过程中，不断与氧气发生化学反应，一方面固炭是从常温加入，由于自身氧化反应放热及吸收周围高温环境的热量，在下落的过程中温度不断的升高，因而与氧气的反应速度不断加快，另一方面，随着反应的进行，固炭的粒径不断变小，和氧气接触的比表面积不断增大，这也使氧化反应的速度在不断的加快；上述两个因素导致固炭在下落过程中氧化反应的速度不断加快，单位时间内耗氧量不断增加，当氧气不足时，还不断生成CO，因而，在固炭下落轨迹上，从上到下，随着下落距离的增加，O₂/CO的比例在不断降低；在上部氧气充足，呈强氧化气氛，随着向下的方向，氧气不断的消耗，CO不断生成，渐变的方向为：强氧化气氛-弱氧化气氛-弱还原气氛-强还原气氛。

进一步，反应塔中的温度控制在800-1450℃。

进一步，所述反应装置加入氧气和固炭的摩尔比为1.1-1.9。

进一步，所述反应塔塔高为4-14m。

进一步，所述固炭为焦炭、兰炭、煤种的一种，优选为焦炭。

优选的，所述焦炭的粒径为0.5-5mm。若焦炭的粒径过小，则很快就烧完了，在反应塔下部无法再消耗氧气生成还原气体CO，因而无法构建还原环境；若焦炭粒径过大，则相对于同质量的多个小粒径的焦炭，比表面积小，气固接触面积小、传热升温慢、碳氧反应速度慢，影响反应塔下部的还原环境构建的效率。

优选的，所述反应装置还包括设置在反应塔上的燃料烧嘴；当碳氧反应放出的热量不足时，可通过燃料烧嘴为反应塔空间补充热量。燃料烧嘴通常布置在反应塔顶部，但根据需要，也可布置在反应塔侧壁上。

优选的，所述燃料烧嘴喷入的燃料为重油、天然气、液化石油气、碳氢化合物中的一种。

进一步，所述加料装置为喷嘴或喷枪或密封加料口。所述喷嘴通常为多通道结构，可同时通过喷嘴向反应塔加入待冶炼原料、焦炭、氧气、熔剂等物料。也可根据需要选用单通道喷嘴，在向反应塔中喷入待冶炼的原料的同时，由喷枪向反应塔中喷入氧气，由密封加料口向反应塔内加入焦炭。

进一步，所述冶金反应装置可应用于冶炼须经过氧化和还原两个冶金阶段的含金属硫化物的物料、含金属氧化物的物料、电子废料中的一种。例如：硫化矿的冶炼，需要先氧化燃烧除硫，再还原氧化铅，得到粗铅，传统方法是采用两个炉子分别进行氧化和还原过程，采用本发明提供的冶金反应装置，可以一步完成氧化和还原过程，流程短、能耗低、结构简单；再如：废旧电路板(主要含铜及有机物)的回收利用，需要先在空间氧化烧掉其中的有机物，再还原其中被氧化的铜金属，得到粗铜，相比同类技术，采用本发明提供的冶金反应装置，在同一个空间完成有机物的氧化燃烧和铜的还原，更节能环保并节省投资。

当反应装置为一种闪速炉时，还包括设置在反应塔底部的熔池，所述反应塔位于熔池的一端，所述熔池的另一端设有上升烟道。

相对于现有技术，本发明所述的冶金反应装置具有以下优势：本发明在同一个空间中，同时构建出具有氧化和还原两种气氛的冶金环境；利用固炭在下落过程中与氧气反应速率的不断加快，从而使从上至下的方向上O₂/CO的比例不断降低，最终越过氧化和还原条件的界限，在空间中从上至下形成氧化和还原两种气氛。该冶金反应装置构建方法简单、一次性投资低、能耗低。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1所述的冶金反应装置。

图2为本发明实施例2所述的冶金反应装置。

附图标记说明：

1-反应塔，2-加料装置，3-燃料烧嘴，4-强氧化区，5-弱氧化区，6-弱还原区，7-强还原区，8-熔池，9-上升烟道。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

实施例1 一种氧化和还原气氛共存的冶金反应装置

如图1所示，一种氧化和还原气氛共存的冶金反应装置，反应装置包括反应塔1；反应塔1顶部设有氧气和焦炭的加料装置2；氧气和焦炭不断自塔顶向下加入反应塔1中，通过焦炭和氧气燃烧反应使反应塔1自上而下形成强氧化区4、弱氧化区5、弱还原区6和强还原区7。反应塔1中的温度控制在1000-1200℃。反应装置加入氧气和焦炭的摩尔比为1.3。反应塔1塔高为7m。焦炭的平均粒径约为1mm。

本实施例中，焦炭从反应塔顶部开始下落，在焦炭下落的过程中，不断与氧气发生化学反应，一方面焦炭是从常温加入，由于自身氧化反应放热及吸收周围高温环境的热量，在下落的过程中温度不断的上升，因而与氧气的反应速度不断加快，另一方面，随着反应的进行，焦炭的粒径不断变小，和氧气接触的比表面积不断增大，这也使氧化反应的速率在不断的增快；由于氧化反应的加快，单位时间内耗氧量不断增加，当氧气不足时，焦炭气化生成CO，因而，在焦炭下落轨迹上，从上到下，随着下落距离的增加，O₂/CO的比例在不断降低；在上部氧气充足，呈强氧化气氛，随着向下的方向，氧气不断的消耗，CO不断生成，渐变的方向为：强氧化气氛-弱氧化气氛-弱还原气氛-强还原气氛。

反应装置还包括设置在反应塔1塔顶的燃料烧嘴3；当碳氧反应放出的热量不足时，可通过燃料烧嘴3为反应塔1空间补充热量。燃料烧嘴3喷入的燃料为重油、天然气、液化石油气、碳氢化合物中的一种。

实施例2 一种氧化和还原气氛共存的闪速炉

如图2所示，一种氧化和还原气氛共存的闪速炉，闪速炉包括反应塔1；反应塔1顶部设有氧气和焦炭的加料装置2；氧气和焦炭不断自塔顶向下加入反应塔1中，通过焦炭和氧气燃烧反应使反应塔1自上而下形成强氧化区4、弱氧化区5、弱还原区6和强还原区7。本发明还包括设置在反应塔塔顶的喷嘴；喷嘴喷入的燃料为金属硫化物、金属氧化物、电子废料中的一种。闪速炉还包括设置在反应塔1底部的熔池8，反应塔1位于熔池8的一端，熔池8的另一端设有上升烟道9。

反应塔1中的温度控制在1200-1450℃。反应装置加入氧气和焦炭的摩尔比为1.6。反应塔1塔高为7.5m。焦炭的平均粒径约为3mm。

本实施例中，焦炭从反应塔顶部下落的过程中，不断与氧气发生化学反应，一方面由于焦炭是从常温加入，由于自身氧化反应放热及吸收周围高温环境的热量，在下落的过程中温度不断的上升，因而与氧气的反应速度不断加快，另一方面，随着反应的进行，焦炭的粒径不断变小，和氧气接触的比表面积不断增大，这也使氧化反应的速度在不断的增快；由于氧化反应的加快，单位时间内耗氧量不断增加，当氧气不足时，还不断生成CO，因而，在焦炭下落轨迹上，从上到下，随着下落距离的不断增大，O₂/CO的比例在不断降低；在上部氧气充足，呈强氧化气氛，随着向下的方向，氧气不断的消耗，CO不断生成，渐变得方向为：强氧化气氛-弱氧化气氛-弱还原气氛-强还原气氛。

闪速炉还包括设置在反应塔1塔顶的燃料烧嘴3；当碳氧反应放出的热量不足时，可通过燃料烧嘴3为反应塔1空间补充热量。燃料烧嘴3喷入的燃料为重油、天然气、液化石油气、碳氢化合物中的一种。

本发明反应装置用于冶金时，待冶炼原料的氧化反应和还原反应能在同一个反应装置内完成，大大减少了投资成本，降低了能耗，同时提高了冶金效率。

实施例3 利用本发明冶金反应装置对废弃电路板进行闪速熔炼的工艺

本实施例涉及一种废弃电路板的火法冶炼工艺，主要目的是回收废弃电路板中Cu和Au、Ag等有价金属。

1、原料准备

冶炼原料为市场上直接购买的电路板粉末，平均粒径约为1mm，其中主要含Cu(一般含量在10％以上)、Al、Fe等金属；熔剂为石英和生石灰，粒度小于1mm，干燥至含水小于1％；造气燃料为焦炭，粒径范围为0.5-5mm；反应的含氧气体直接采用工艺氧(O₂≥98％)。

2、造气过程

将电路板粉末、熔剂、氧气和焦炭通过设置在闪速炉顶部的喷嘴喷入闪速炉反应塔内，焦炭从反应塔顶部下落的过程中，不断与氧气发生化学反应，一方面焦炭是从常温加入，由于自身反应放热及吸收周围环境的热量，在下落的过程中温度不断的上升，因而与氧气的反应速度不断加快，另一方面，随着反应的进行，焦炭的粒径不断变小，和氧气接触的比表面积不断增大，这也使氧化反应的速率在不断的增快；由于氧化反应的加快，单位时间内耗氧量不断增加，当氧气不足时，焦炭气化生成CO，因而，在焦炭下落轨迹上，从上到下，随着下落距离的增加，O₂/CO的比例在不断降低；在上部氧气充足，呈强氧化气氛，随着向下的方向，氧气不断的消耗，CO不断生成，反应塔从上之下形成：强氧化气氛-弱氧化气氛-弱还原气氛-强还原气氛。

3、熔炼过程

进入高温炽热的反应塔后，电路板粉末中的有机物在上部的氧化环境下充分燃烧并放出大量的热量，燃烧产生的烟气进入上升烟道，同时，Al、Fe等金属发生氧化反应也会放出大量的热量，使反应塔的温度可以维持在1100℃-1400℃，在此高温下，电路板粉末中的Cu金属被熔融成液滴向下滴落，其中一部分Cu在氧化区被氧化成Cu₂O；

在上部完成氧化反应后的熔体落入反应塔下部的还原区，由于Cu₂O在高温下极易被CO还原，在反应塔下部的在还原区，所有的Cu₂O又被重新还原成金属Cu，最终落入熔池中。

在熔池中，熔剂与电路板粉末中部分氧化物反应造渣，由于密度的差异，Cu金属流经渣层后进入熔池下部，经过沉淀分层，熔池形成渣层和粗铜层，少量的金银易溶解富集于铜液中，被捕集后进入粗铜合金层，粗铜合金层排出炉外后得到粗铜(含Cu 98％)。本冶炼工艺Cu的回收率为97.9％，Au的回收率为99％，Ag的回收率为98％。

后续可对粗铜进行吹炼、精炼炉精炼和电解精炼以提纯铜，对电解得到的阳极泥进行湿法处理后可回收富集于其中的金、银及铂族贵金属。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种氧化和还原气氛共存的冶金反应装置，其特征在于：所述反应装置包括反应塔；所述反应塔顶部设有氧气和固炭的加料装置；所述氧气和固炭不断自塔顶向下加入反应塔中，通过固炭和氧气燃烧反应使反应塔自上而下形成强氧化区、弱氧化区、弱还原区和强还原区；所述固炭为焦炭，所述焦炭的粒径为0.5-3mm。

2.根据权利要求1所述的冶金反应装置，其特征在于：反应塔中的温度控制在800-1450℃。

3.根据权利要求1所述的冶金反应装置，其特征在于：所述反应装置加入氧气和固炭的摩尔比为1.1-1.9。

4.根据权利要求1所述的冶金反应装置，其特征在于：所述反应塔塔高为4-14m。

5.根据权利要求1所述的冶金反应装置，其特征在于：还包括设置在反应塔上的燃料烧嘴。

6.根据权利要求1所述的冶金反应装置，其特征在于：所述加料装置为喷嘴或喷枪或密封加料口。

7.根据权利要求1所述的冶金反应装置，其特征在于：所述冶金反应装置用于冶炼须经过氧化和还原两个冶金阶段的含金属硫化物的物料、含金属氧化物的物料、电子废料中的一种。

8.根据权利要求1-7任一项所述的冶金反应装置，其特征在于：还包括设置在反应塔底部的熔池，所述反应塔位于熔池的一端，所述熔池的另一端设有上升烟道。