CN107002172B - 等离子体和含氧气体燃烧炉 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种适合在灵活的氧化还原条件下熔炼和分离金属的装置。更具体地，本发明涉及一种用于熔炼冶金炉料的装置，所述装置包括容许含有高达确定水平面的熔融炉料的浴炉，其特征在于，该熔炉装备有：至少一个非转移等离子体焰炬，用于产生第一热气体；至少一个含氧气体燃烧器，用于产生第二热气体；和浸没式喷射器，用于在所述确定水平面以下喷射所述第一热气体和所述第二热气体。

Description

等离子体和含氧气体燃烧炉

本公开涉及一种适合在灵活的氧化还原条件下熔炼和分离金属的装置。

含氧气体燃烧器已被用于火法冶金以熔炼复杂的冶金炉料。该技术非常适合于维持氧化条件，例如用于将硫化物进料转化为金属和SO₂的氧化条件。当需要温和还原条件，例如用于还原容易还原的金属如PGM或铜时，它也是有用的。然而，惰性较小的元素如铁的还原远远超出含氧气体燃烧器的可行范围之外。

当需要强还原条件时，燃烧器必须利用极贫混合物操作，基本上产生CO，很少产生或不产生CO₂。燃烧器气体的可用焓因此低得多，并且可能不足以补偿熔炉的热损失和/或提供足够的热量来驱动吸热反应，例如金属氧化物的还原。到燃烧器的流率可以增加，但这也增加了在集尘室中和在燃烧后装置中要处理的气体体积。

另一方面，等离子体燃烧器适于在同样利用极贫气体混合物的情况下，在保持气体流率相对低的同时产生极高的可用焓。然而，它们有自己的局限性，一个缺点是耗电，电在许多国家是相当昂贵的能源。另一个缺点与更高的磨耗和随之而来的维护成本有关。

冶金过程通常包括一系列氧化和还原步骤，有时穿插着相分离。在每个步骤中通常使用不同的熔炉，熔融或固化相在各熔炉之间转移。然后将每个熔炉优化以在特定范围的氧化或还原条件下操作。

现在已发现，单个装置可以适当地同时装备含氧气体燃烧器和等离子体燃烧器，只要两种技术以兼容的方式实施即可。这确保了含氧气体模式与等离子体模式之间的平滑过渡，而无需以任何方式重新配置所述装置。事实上，如果需要的话，两种模式可以同时运行，例如当需要非常高的能量输入时。此外，熔浴可以保持在同一熔炉内，这大大简化了连续工艺步骤。

为此，将焓通过至少2个浸没式鼓风口，一个装备有含氧气体燃烧器，另一个装备有等离子体燃烧器，以热气体形式直接引入熔浴中。当提供多于2个鼓风口时，燃烧器的类型可以根据所需的冶金进行混合和匹配。

鼓风口应该优选是短的，以造成最小的磨耗和磨损。这也确保了低的热损失。它们可以水平安装，在熔浴的水平面以下穿透熔炉壁。然后将燃烧器，无论是等离子体式的或含氧气体燃烧式的，安置在熔炉外部的可浸没(又名“浸没式”)位置；它们需要被不断地供给气体以避免熔融物质回流，从而造成严重损坏。可选地，鼓风口可以以一定角度安装，其仍然吹入熔浴中，但允许燃烧器驻留在熔浴水平面上方和熔炉外部。这种布局导致稍长的鼓风口，但确保了没有熔融物质能够流回燃烧器中。虽然在大型熔炉中可能不太推荐这样做，但是鼓风口也可以垂直放置。

所述装置就可以达到的氧化还原电位(pO₂)而言是特别通用的。含氧气体燃烧器理想地有助于将补充氧气引入熔体(通过施加富氧气混合物)，而等离子体燃烧器理想地适用于引入补充还原剂(通过与等离子体气体一起添加天然气或者通过将其作为围绕等离子体的屏蔽气引入)。

所述装置特别适于处理由“城市矿山”中收集的再循环材料构成的冶金炉料。这种进料众所周知是非均质的，并且需要实时过程控制来操纵熔浴温度和还原。这就是双重燃烧器熔炉的主要优点，因为它为操作者提供了补充自由度：焓输入确实可以独立于氧化还原电位进行调制，这是单独用含氧气体燃烧器不可能实现的成就。单独使用电等离子体解决了在还原条件下的焓输入问题。然而，将过程操纵为精确的pO₂是困难的：喷射到熔浴中的气体量低，结果是pO₂由炉料的广泛分散特性所主导。这是在减轻操作费用的同时实现的，而这是仅用等离子体燃烧器难以实现的成就。

需要允许更容易地将这两个参数保持在控制之下的方法。

为此，提出了一种用于熔炼冶金炉料的装置，其包括容许含有高达确定水平面的熔融炉料的浴炉，其特征在于，该熔炉装备有：至少一个非转移等离子体焰炬，用于产生第一热气体；至少一个含氧气体燃烧器，用于产生第二热气体；和浸没式喷射器，用于在所述确定水平面以下喷射所述第一热气体和所述第二热气体。

非转移等离子体焰炬与其中电极通常由碳制成的转移等离子体形成对比：碳电极具有固定还原条件的缺点，从而破坏了设备的通用性。

浸没式喷射器是指气体源与位于熔浴水平面以下的喷射点之间的连接管或鼓风口，因此处于浸没位置。这确保了气体与熔融物质之间的直接接触。

非转移等离子体焰炬是指使用等离子体焰炬的热气体发生器，由此在焰炬单元内部的电极之间保持电弧。气体通过输入口进入其中保持有电弧的流通室。气体加热到极端温度，并通过输出口以等离子体形式排出。

含氧气体燃烧器是指混合并燃烧含碳燃料和含氧气体的热气体发生器。混合区在燃烧器单元的内部，而燃烧区可以在单元的内部或外部。

此外，优选具有位于所述确定水平面以下的至少一个燃烧器和至少一个焰炬。该设置实际上允许使用非常短的连接管，热气体发生器可安置在喷射点水平面处，在熔炉外部。然而，需要采取措施以避免发生器被熔融物质溢流。可以使用通过喷射器的连续保护气流。

所设想的冶金要求通过等离子体焰炬和通过含氧气体燃烧器以通用的方式提供焓。两种系统应该能够在不同的方法步骤中递送所需的热量。为此，含氧气体燃烧器的以MJ/s表示的总标称焓与等离子体焰炬的以MJ/s表示的总标称焓的比率应该优选为1:5至5:1。类似地，容许进料到含氧气体燃烧器中的以Nm³/s表示的总标称气体流率与容许进料到等离子体焰炬中的以Nm³/s表示的总标称气体流率的比率应该优选为1:10至10:1。“标称”是指铭牌最大值。

该熔炉应该具有相当高的高度与直径的比率，以应对熔融物质的比浸没式气体喷射更远的剧烈溅射。假定熔炉具有直径d的圆柱底部和高度h，则比率h/d应该优选大于4。

这种装置对于冶金领域的许多不同的熔炼流程图是有用的。

在第一实施方式中，所述装置可用于熔炼冶金炉料的方法中，所述方法包括以下步骤：将包括过渡金属和造渣剂的冶金炉料进料到熔炉中；使用含氧气体燃烧器作为主要焓源来熔炼所述炉料，从而形成包含所述过渡金属的第一部分的合金和包含所述过渡金属的第二部分的炉渣；使用等离子体焰炬作为主要焓源在强还原条件下处理所述炉渣，从而通过将所述过渡金属的所述第二部分从所述炉渣转移到所述合金而形成过渡金属富集合金和过渡金属贫化炉渣；以及通过出渣(tapping)分离所述合金与所述贫化炉渣。

在第二实施方式中，所述装置可用于熔炼冶金炉料的方法中，所述方法包括以下步骤：将包括过渡金属和造渣剂的冶金炉料进料到熔炉中；使用含氧气体燃烧器作为主要焓源来熔炼所述炉料，从而形成包含所述过渡金属的第一部分的第一合金和包含所述过渡金属的第二部分的炉渣；通过出渣分离所述第一合金，将所述炉渣留在所述熔炉中；使用等离子体焰炬作为主要焓源在强还原条件下处理所述炉渣，从而通过将所述过渡金属的所述第二部分从所述炉渣转移到第二合金而形成过渡金属富集的所述第二合金和过渡金属贫化炉渣；以及通过出渣分离所述第二合金与所述贫化炉渣。

这两个实施方式导致产生“清洁的”炉渣，即不含不希望的元素。挥发性元素如Zn或Cd可以通过烟化来提取；非挥发性元素如Cu和Co可以转移到合金相。在这两种情况下都需要合适的还原条件；就待实现的pO₂而言，这些是本领域技术人员所熟知的。它们可以通过减少含氧气体的流入或通过含碳物质的流入而获得。可以通过分析相组成来验证并且如果需要的话校正条件的适用性。这样的分析可以在过程完成期间实时执行。

在第三实施方式中，所述装置可用于熔炼冶金炉料的方法中，所述方法包括以下步骤：将包括过渡金属和造渣剂的冶金炉料进料到熔炉中；使用等离子体焰炬作为主要焓源在强还原条件下熔炼所述炉料，从而形成包含过渡金属的合金和过渡金属贫化的第一炉渣；通过出渣分离所述第一炉渣，将所述合金留在所述熔炉中；使用含氧气体燃烧器作为主要焓源来处理所述合金，从而通过将部分过渡金属从所述合金转移到第二炉渣而形成过渡金属部分贫化的合金和过渡金属富集的所述第二炉渣；以及通过出渣分离所述过渡金属部分贫化的合金与所述第二炉渣。

第三实施方式描述了按照包括还原和随后氧化的顺序来使用装置。最后的炉渣不是“清洁的”，但实际上可以作为进料的一部分再循环到所述方法的第一步骤。

主要焓源是指所述来源提供了超过50％的供应到熔炉的总焓，所述总焓以MJ表示。

在上述方法中，优选在将气体吹入炉渣中的水平面处进行浸没式喷射。然而，例如根据上述第三实施方式的合金处理步骤也可以通过将气体喷射到合金中来进行。

这种组合允许深度还原，足够的焓输入，并且即使在高度可变的进料的情况下也提供足够的通用性来维持所需条件。

实施例：在装备有含氧气体燃烧器和等离子体焰炬的熔炉中进行Cu-Ni-Fe分离。

将一批6吨的具有根据表1的组成的焙烧Cu-Ni-Fe浓缩物在开放式浴炉中加工，以经济和有效的方式对Cu和Ni进行限价。所述浴炉一方面装备有连接到浸没式鼓风口的3MW非转移等离子体焰炬，和1.5MW含氧气体燃烧器位于其中的另一个浸没式鼓风口。熔炉内径为1.5米，并且可用高度(底部至进料口)为7米。

表1：进料的组成(重量％)

Cu	Ni	Fe	CaO	SiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	MgO
							2.5	5	22	3.8	40	3.8	4

在第一步骤中，用含氧气体燃烧器在1200℃下施加温和的还原条件，以还原浓缩物中存在的大部分Cu，并将Ni和Fe收集在炉渣相中。在12小时的分批过程中，将上述浓缩物以0.5吨/小时的速率与作为助熔剂的0.1吨/小时的石灰石一起装料。为了维持熔浴温度为1200℃且适当λ为0.7的熔炉热平衡，含氧气体燃烧器将200Nm³/h的天然气和240Nm³/h的氧气喷射到熔浴中。12小时批次后，形成约160kg的第一合金，和5.8吨的含Ni-Fe炉渣。相应组成如表2和表3所示。

表2：第一合金的组成(重量％)

Cu	Ni	Fe
			94	1.8	4

表3：炉渣的组成(重量％)

Cu	Ni	Fe	CaO	SiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	MgO
							0.025	5	22.5	15	41	3.9	4.1

排放出合金，关闭含氧气体燃烧器，维持通过鼓风口的安全氮气流，并且起动等离子体焰炬以将渣池加热至1500℃以进行Ni和Fe回收。3小时批次后，获得约1.6吨的Fe-Ni第二合金，和4.1吨清洁炉渣。相应组成如表4和表5所示。

表4：第二合金的组成(重量％)

Cu	Ni	Fe
			0.09	18.5	81.4

表5：清洁炉渣的组成(重量％)

Ni	Fe	CaO	SiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	MgO
						0.02	0.3	30	58	5.5	5.8

等离子体焰炬在具有700Nm³/h空气作为等离子体气体和500Nm³/h天然气的强还原条件下操作，获得喷射气体的平均λ为0.3。在此过程中等离子体焰炬的电功率为2.3MW。为了保持液体炉渣，在炉渣清洁步骤中加入0.2吨/小时的石灰石。该实施例说明了根据待回收的不同金属来使用两种加热技术。

Claims (10)

1.一种用于熔炼冶金炉料的装置，其包括容许含有高达确定水平面的熔融炉料的浴炉，其特征在于，该熔炉装备有：

-至少一个非转移等离子体焰炬，用于产生第一热气体；

-至少一个含氧气体燃烧器，用于产生第二热气体；和

-浸没式喷射器，用于在所述确定水平面以下喷射所述第一热气体和所述第二热气体。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个燃烧器和至少一个焰炬被安置在所述确定水平面以下。

3.根据权利要求1至2中的任一项所述的装置，其中所述含氧气体燃烧器的以MJ/s表示的总标称焓与所述等离子体焰炬的以MJ/s表示的总标称焓的比率为1:5至5:1。

4.根据权利要求1至2中的任一项所述的装置，其中容许进料到所述含氧气体燃烧器中的以Nm³/s表示的总标称气体流率与容许进料到所述等离子体焰炬中的以Nm³/s表示的总标称气体流率的比率应该优选为1:10至10:1。

5.根据权利要求1至2中的任一项所述的装置，其中所述熔炉具有大致圆柱形状，具有直径为d的圆形底部和具有高度h的侧壁，h与d的比率大于4。

6.一种根据权利要求1至5中的任一项所述的装置的用途，其用于熔炼冶金炉料。

7.一种使用根据权利要求1至5中的任一项所述的装置来熔炼冶金炉料的方法，其包括以下步骤：

-将包括过渡金属和造渣剂的冶金炉料进料到熔炉中；

-使用含氧气体燃烧器作为主要焓源来熔炼所述炉料，从而形成包含所述过渡金属的第一部分的合金和包含所述过渡金属的第二部分的炉渣；

-使用等离子体焰炬作为主要焓源在强还原条件下处理所述炉渣，从而通过将所述过渡金属的所述第二部分从所述炉渣转移到所述合金而形成过渡金属富集合金和过渡金属贫化炉渣；和

-通过出渣分离所述合金与所述贫化炉渣。

8.一种使用根据权利要求1至5中的任一项所述的装置来熔炼冶金炉料的方法，其包括以下步骤：

-将包括过渡金属和造渣剂的冶金炉料进料到熔炉中；

-使用含氧气体燃烧器作为主要焓源来熔炼所述炉料，从而形成包含所述过渡金属的第一部分的第一合金和包含所述过渡金属的第二部分的炉渣；

-通过出渣分离所述第一合金，将所述炉渣留在所述熔炉中；

-使用等离子体焰炬作为主要焓源在强还原条件下处理所述炉渣，从而通过将所述过渡金属的所述第二部分从所述炉渣转移到第二合金而形成过渡金属富集的所述第二合金和过渡金属贫化炉渣；和

-通过出渣分离所述第二合金与所述贫化炉渣。

9.一种使用根据权利要求1至5中的任一项所述的装置来熔炼冶金炉料的方法，其包括以下步骤：

-将包括过渡金属和造渣剂的冶金炉料进料到熔炉中；

-使用等离子体焰炬作为主要焓源在强还原条件下熔炼所述炉料，从而形成包含过渡金属的合金和过渡金属贫化的第一炉渣；

-通过出渣分离所述第一炉渣，将所述合金留在所述熔炉中；

-使用含氧气体燃烧器作为主要焓源来处理所述合金，从而通过将部分过渡金属从所述合金转移到第二炉渣而形成过渡金属部分贫化的合金和过渡金属富集的所述第二炉渣；和

-通过出渣分离所述过渡金属部分贫化的合金与所述第二炉渣。

10.根据权利要求7至9中的任一项所述的方法，其中所述浸没式喷射器被安置以将所述第一热气体和所述第二热气体喷射到所述炉渣中。