CN109468469B - 一种复合气体喷吹碳还原熔融铜渣的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铜渣火法还原贫化的装置及方法，属于冶金工艺及设备技术领域，装置包括贫化电炉，气体发生装置，贫化电炉的顶部通过顶吹喷枪连接一混合仓，气体发生装置包括还原性气体装置和惰性气体装置，还原性气体装置和惰性气体装置的出气口均通过第一管道与混合仓的进气口连通，还原性气体与碳粉在混合仓内混合成所需配比的还原剂，在惰性气体的作用下，经顶吹喷枪送入贫化电炉，贫化电炉侧壁设有侧吹喷枪，惰性气体装置的出气口还通过第二管道连接侧吹喷枪，惰性气体将还原剂输送至熔融铜冶炼渣，能够实现碳还原剂的输送，有效的平衡各种还原剂的优缺点，工艺流程简单，适应性较强。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜渣火法还原贫化的装置及方法，属于冶金工艺及设备技术领域。
背景技术
在铜火法冶金过程中，通常采用的是强氧化吹炼工艺，这有利于提高铜锍产品的品位，但另一方面也相应的增加了渣中铜及其它有用金属的损失。炉渣是铜冶炼过程中最重要的副产品，其中含有相当数量的Cu、Co、Ni等重要有色资源，炉渣贫化成为炼铜流程中必要的流程之一。随着能源和资源的不断消耗，开发节能环保、回收率高的铜渣贫化新工艺对促进循环经济的可持续发展具有重要的战略意义。
现有的电炉强化贫化工艺存在贫化时间长、还原效率低、能耗高和污染气体排放及回收难度大等缺点。为了进一步提高贫化过程中的还原效率和降低污染气体的排放，近年来，国内外对铜吹炼炉渣的火法还原贫化过程进行了很多的研究，在流程的优化和装置的改进上取得了一定的成果。申请号为201210364451.4的专利开发了一种使用天然气作为还原剂，从熔融铜渣中直接还原会后铜和铁的方法，此流程虽然在碳排放上具有很大的优势，但具有天然气消耗量大、成本高和熔渣酸碱度调节难度高等局限，很难进行进一步的推广和应用。
申请号为201510553961.X的专利发明了一种顶吹吹炼炉内铜渣还原的方法，在冰铜吹炼造铜期接近终点时，提起喷枪枪嘴，投入还原剂和硫化物将铜渣中的部分Cu2O硫化为Cu2S，然后将喷枪伸到冰铜层继续进行吹炼。此发明虽然缩短了后续铜渣贫化过程的步骤，但还原效率低和SO2等排放困难等问题始终没有得到解决。
申请号为201611056424.5的专利公开了一种多元气体分布吹炼实现铜渣深度贫化的方法。其特点为充分利用熔融铜渣余热，气化脱硫使铜锍转化为氧化物，再通过还原剂深度还原得到含铜量较高的铜铁合金，并产出低硫低铜的贫化渣。此工艺可以实现气化分离渣中硫，尾渣中铜、硫含量低有利于贫化渣的后续处理，但产品中铜铁合金的处理难度大和工艺复杂等方面限制了其后续的实际应用。
申请号为201610144809.0的专利公开了一种搅拌卷入煤粉还原铜渣的方法，通过可调整搅拌高度的搅拌桨形成径高比为0.5～3的漩涡，通过喷嘴将还原剂和造渣剂输送至漩涡处，提高还原剂与熔渣的接触面积，加快其还原速率，此方法虽然提高的添加剂的使用效率，但大大提高了对装置设备的要求，增大了生产过程中的不确定性。
从以上专利中可以看出，铜渣电炉贫化过程中使用最为广泛的还原剂为固态和气态还原剂。但是常规的碳质固态还原剂容易漂浮在熔渣表面而导致还原不够充分，还原效率较低；天然气等气态还原剂容易过度还原而导致后续处理难度增加，并且具有较大的安全隐患。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中铜渣火法还原贫化过程中存在的诸多问题，提供了一种复合气体喷吹碳还原熔融铜渣的方法及其装置。
为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种复合气体喷吹碳还原熔融铜渣的装置，包括贫化电炉，气体发生装置，贫化电炉的顶部通过顶吹喷枪连接一混合仓，气体发生装置包括还原性气体装置和惰性气体装置，还原性气体装置和惰性气体装置的出气口均通过第一管道与混合仓的进气口连通，还原性气体与碳粉在混合仓内混合成所需配比的还原剂，在惰性气体的作用下，经顶吹喷枪送入贫化电炉。
进一步地，所述贫化电炉侧壁设有侧吹喷枪，惰性气体装置的出气口还通过第二管道连接侧吹喷枪。
进一步地，顶吹喷枪连接一升降装置，通过升降装置提升顶吹喷枪，停止还原剂的喷吹和输送。
进一步地，顶吹喷枪设有水冷套。
进一步地，贫化电炉侧壁还设有进渣口、出渣口、出锍口；进渣口、出渣口以及出锍口均为开合式。
本发明还提供一种利用上述装置处理铜渣的方法，包括如下步骤：
将熔融铜冶炼渣送入贫化电炉，经过二次升温加热至1300～1500℃；
将还原性气体和碳粉在混合仓内按一定比例混合组成还原剂；
通过顶吹喷枪从贫化电炉的顶部吹入惰性气体，惰性气体将还原剂输送至贫化电炉内的熔融铜冶炼渣，同时通过侧吹喷枪从贫化电炉的侧面吹入惰性气体；
还原剂与熔融铜冶炼渣在贫化电炉内进行选择性还原；
通过升降装置提起顶吹喷枪，停止还原剂的喷吹和输送；
通过静态沉降过程促使渣铜分离；
通过出渣口和锍口回收产品。
进一步地，还原性气体包括H2、CO、低分子烃类、天然气、焦炉、高炉尾气以及含还原气体成分的工业废气。
进一步地，惰性气体为Ar或N2。
进一步地，还原剂中的碳氢比为摩尔比，具体为当量碳分子(C)和当量氢气分子(H2)的摩尔比(C/H2)，还原剂输送用惰性气体的流量和分压为还原性气体流量和分压的1～1.5倍。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
一、通过顶吹喷枪吹入的惰性气体将混合仓内由还原性气体和碳粉混合形成的还原剂输送至熔融铜冶炼渣，能够实现碳还原剂的输送，有效的平衡各种还原剂的优缺点，提高还原过程的针对性；
二、通过侧吹气体的搅拌能够进一步提高还原效率，促进铜锍的聚集和长大；通过采用惰性气体与还原气体混合，提高实际操作工程中的安全系数；
三、工艺流程简单，适应性较强，在现有的电炉贫化设备上就可以实现，并且有利于后续高热值工业化尾气的综合回收和利用，环保效益高。
附图说明
图1为本发明实施例一种铜渣火法还原贫化的装置结构示意图；
图2为本发明实施例一种铜渣火法还原贫化的工艺流程图；
图3为本发明实施例贫化后炉渣的物相分析图。
图中：1-贫化电炉、2-进渣口、3-出渣口、4-出锍口、5-顶吹喷枪、6-水冷套、7-混合仓、8-升降装置、9-侧吹喷枪、10-气体发生装置、11-还原性气体装置、12-惰性气体装置、13-第一管道、14-第二管道。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。
如图1所示，本发明提供的一种复合气体喷吹碳还原熔融铜渣的装置，包括贫化电炉1，气体发生装置10，贫化电炉1的顶部通过顶吹喷枪5连接一混合仓7。气体发生装置10包括还原性气体装置11和惰性气体装置12，还原性气体装置11和惰性气体装置12的出气口均通过第一管道13与混合仓7的进气口连通。还原性气体与碳粉在混合仓7内混合成所需配比的还原剂，在惰性气体的作用下，经顶吹喷枪5送入贫化电炉1。
将温度为1200℃的熔融铜冶炼渣直接进入贫化电炉1，经过二次升温加热至1300℃～1500℃，使熔渣具有良好的流动性，并能充分利用熔渣余热。气体发生装置10，第一管道13，混合仓7以及顶吹喷枪5形成第一流动通道。第一流动通道中，在惰性气体的作用下，顶吹喷枪5将由还原性气体和碳粉混合形成的还原剂输送至熔融铜冶炼渣，实现碳还原剂的输送，有效的平衡各种还原剂的优缺点，提高还原过程的针对性。
贫化电炉1侧壁设有侧吹喷枪9。惰性气体装置12的出气口还通过第二管道14连接侧吹喷枪9。惰性气体装置12，第二管道14以及侧吹喷枪9形成第二流动通道。侧吹喷枪9将惰性气体从贫化电炉1的侧壁吹入贫化电炉1，惰性气体对熔渣进行搅拌，使碳粉在熔渣中能有均匀分布，同时加快熔渣中铜锍颗粒的聚集和长大。
顶吹喷枪5连接一升降装置8，通过升降装置8提升顶吹喷枪5。当还原过程到达预期终点后，通过升降装置8提升顶吹喷枪5，停止还原剂的喷吹和输送。顶吹喷枪5设有水冷套6，防止碳粉堵塞喷头。贫化电炉1侧壁还设有进渣口2、出渣口3、出锍口4，进渣口2、出渣口3以及出锍口4均为可开合式。反应结束后通过静态沉降过程促使渣铜分离，最后通过可开合式的出渣口3与出锍口4回收产品。
如图2所示，本发明提供的利用上述装置处理铜渣的方法，包括如下步骤：
将熔融铜渣直接由冶炼炉送入贫化电炉，经过二次升温加热至1300～1500℃；
将还原性气体和碳粉在混合仓内按一定比例混合组成还原剂；
通过顶吹喷枪从贫化电炉的顶部吹入惰性气体，惰性气体将还原剂输送至贫化电炉内的熔融铜冶炼渣；同时通过侧吹喷枪从贫化电炉的侧面吹入惰性气体；
还原剂与熔融铜冶炼渣在贫化电炉内进行选择性还原；
通过升降装置提起顶吹喷枪，停止还原剂的喷吹和输送；
通过静态沉降过程促使渣铜分离；
通过出渣口和出锍口回收产品。
其中，熔渣送入贫化电炉时温度可为1200℃，二次升温加热至1300℃～1500℃的熔渣具有良好的流动性，并能充分利用熔渣余热。侧吹惰性气体对熔渣搅拌，能够使碳粉在熔渣中均匀分布，同时加快熔渣中铜锍颗粒的聚集和长大。还原过程到达预期终点后，通过升降装置8提起顶吹喷枪5，停止还原剂的喷吹和输送。
本实施例中的还原性气体主要包括：H2、CO、低分子烃类、天然气、焦炉和高炉尾气、含还原气体成分的工业废气。惰性气体主要为Ar或N2。在反应的过程中需通过控制还原剂比例及用量(碳氢摩尔比范围为0～1)、顶吹时间(30～120min)和喷吹气体的流量和分压(根据还原过程的具体要求进行计算和调整)使熔渣能够选择性还原。
本发明实施例中所用渣为铜冶炼过程吹炼炉渣，其主要物相及其含量如表1所示。下面参看具体实施例，对本发明进行说明。以下所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本专利的范围。以下所举实例的检测方法均为本行业常规的检测方法。
表1实例用渣的物相组成及含量/wt.％
实施例一
本实施例为选择性还原炉渣中的磁铁矿相。实验过程为实验室规模的实验，贫化过程中加热贫化电炉的为电阻炉，反应容器根据专利要求设计，熔渣处理量约为5kg。本实施例采用图1所示的装置及图2所示的工艺流程处理熔融铜渣，具体如下：
首先，将冶炼炉渣放入电阻炉，升温至1400℃，使熔渣具有良好的流动性；其次，设计顶吹还原剂碳氢摩尔比为1：2(实际用还原剂为CH4，流量40L/min,压力0.2MPa)，输送用惰性气体为Ar气，流量为40L/min，压力为0.2MPa喷吹时间为30min，同时侧吹搅拌用惰性气体为Ar气，流量为40L/min，压力0.2MPa；还原结束后，继续侧吹搅拌30min；后续停止喷吹，静置沉降1h；最后经过出渣口3和出锍口4排出余渣和铜锍。
沉降后炉渣主要物相分析如图3所示，其主要组成为铁橄榄石(Fe2SiO4)相和少量的铜铁合金相，和原始炉渣对比基本不含有磁体矿相。对余渣和铜锍产品进行ICP-AES分析，余渣含铜量为0.2％，铜锍的主要组成为Cu、Pb、S和少量的Fe，符合熔渣选择性还原的要求。
实施例二
本实施例为还原制备铜铁合金。实验过程为扩大规模的试验，贫化过程中加热贫化电炉的为感应炉，反应容器根据专利要求设计，熔渣处理量约为500kg。本实施例采用图1所示的装置及图2所示的工艺流程处理熔融铜渣，具体如下：
首先，将冶炼炉渣放入感应炉，升温至1500℃，使熔渣具有良好的流动性；其次，设计顶吹还原剂碳氢摩尔比为1：4(实际用还原剂为碳粉和H2，H2流量为100Nm3/h，压力0.3MPa)，输送用惰性气体为Ar气，流量为100Nm3/h，压力0.3MPa，喷吹时间为60min，同时侧吹搅拌用惰性气体为Ar气，流量为50Nm3/h，压力0.3MPa；还原结束后，继续侧吹搅拌30min；后续停止喷吹，静置沉降30h，熔渣底部出现合金熔体相；沉降后余渣通过底部出渣口3排出，随后铜铁合金相通过底部出锍口4排出。
所得合金产品为83.5Kg，其中Fe含量为69.7wt.％，Cu含量为26.9wt.％,贫化后渣Cu含量为0.17wt.％，Cu综合回收率为95.6％，符合熔渣直接还原制备铜铁合金的要求。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种复合气体喷吹碳还原熔融铜渣的装置，包括贫化电炉(1)，气体发生装置(10)，其特征在于：
所述贫化电炉(1)的顶部通过顶吹喷枪(5)连接一混合仓(7)；
所述气体发生装置(10)包括还原性气体装置(11)和惰性气体装置(12)，所述还原性气体装置(11)和所述惰性气体装置(12)的出气口均通过第一管道(13)与所述混合仓(7)的进气口连通；
还原性气体与碳粉在所述混合仓(7)内混合成所需配比的还原剂，在惰性气体的作用下，经顶吹喷枪(5)送入所述贫化电炉(1)；
所述贫化电炉(1)侧壁设有侧吹喷枪(9)；所述惰性气体装置(12)的出气口还通过第二管道(14)连接所述侧吹喷枪(9)。
2.根据权利要求1所述的复合气体喷吹碳还原熔融铜渣的装置，其特征在于：所述顶吹喷枪(5)连接一升降装置(8)，通过所述升降装置(8)提升所述顶吹喷枪(5)，停止还原剂的喷吹和输送。
3.根据权利要求2所述的复合气体喷吹碳还原熔融铜渣的装置，其特征在于：所述顶吹喷枪(5)设有水冷套(6)。
4.根据权利要求1所述的复合气体喷吹碳还原熔融铜渣的装置，其特征在于：所述贫化电炉(1)侧壁还设有进渣口(2)、出渣口(3)、出锍口(4)；进渣口(2)、出渣口(3)以及出锍口(4)均为开合式。
5.一种利用权利要求1～4中任一项所述的装置处理铜渣的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将熔融铜冶炼渣送入贫化电炉，经二次升温加热至1300～1500℃；
将还原性气体和碳粉在混合仓内按一定比例混合组成还原剂；
通过顶吹喷枪从贫化电炉的顶部吹入惰性气体，惰性气体将还原剂输送至贫化电炉内的熔融铜冶炼渣，同时通过侧吹喷枪从贫化电炉的侧面吹入惰性气体；
还原剂与熔融铜冶炼渣在贫化电炉内进行选择性还原；
通过升降装置提起顶吹喷枪，停止还原剂的喷吹和输送；
通过静态沉降过程促使渣铜分离；
通过出渣口和锍口回收产品。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：还原性气体包括H2、CO、低分子烃类、天然气、焦炉、高炉尾气以及含还原气体成分的工业废气。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：惰性气体为Ar或N2。
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