CN113736940B - 一种转底炉处理铜渣的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种转底炉处理铜渣的方法，包括原料处理、配料、混合、成型、物料烘干、焙烧还原、烟气处理、成品冷却、磨矿、磁选及铁粉冷压步骤，采用碳氢联合还原技术将铁氧化物还原为金属铁、氧化锌还原成金属锌后挥发再氧化收集，可使铜渣中的Fe2SiO4高效还原，中间产品直接还原铁金属化率可达到90％以上，锌脱除率达到95％以上，整个工艺铁回收率达到85％以上；采用碳氢联合还原技术，还原温度低，能耗低。本工艺还原温度在800～1230℃；还原后期采用氢气作为主要还原剂，副产物是水，绿色环保，处理每吨铜渣碳排放量是碳冶金转底炉工艺的50～70％；本工艺中的还原煤采用低阶煤，代替无烟煤，成本低。

Description

一种转底炉处理铜渣的方法
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及一种转底炉处理铜渣的方法。
背景技术
铜渣是铜冶炼过程中产生的渣，每生产1吨铜将产出约2.2吨冶炼渣，按2019年铜产量978.4万吨规模计算，每年产生的冶炼弃渣在2000万吨以上。铜渣的化学组成为SiO2:30％～40％，Fe：27％～40％，Zn：1％～3％；主要物相为铁橄榄石，其回收难度极大。目前，大多数铜冶炼企业将铜渣部分出售给建材企业去用于水泥添加剂和制砖，部分堆存，没有最大限度的回收冶炼渣中的有价金属。在铜冶炼行业利润降低、环保要求日益严格的情况下，合理的对铜渣进行综合处理并实现经济效益，对铜冶炼企业来说至关重要。
利用铜冶炼渣提铁的方法主要有以下三种：(1)采用直接选矿或氧化改性方法提铁。因铜渣的磁性较低造成铁回收率很低；(2)采用熔融还原方法提铁。其生产能耗和生产成本较高；(3)采用直接还原提铁。以碳为还原剂，还原温度高，达到了铁橄榄石的软熔温度，使铜渣表面产生液相，从而使铁化合物的还原反应难以维持下去，产品金属化率低、磨选产品的铁品位低及金属回收率低。
根据CO与H2还原铁氧化物的热力学特性，在温度低于810℃时，CO的还原能力高于H2，在温度高于810℃时，H2的还原能力高于CO，因此在还原前期采用碳还原，还原后期采用氢还原，碳氢联合还原可有效提高还原效率，大大提高还原产品的产量和金属化率。与传统碳还原工艺相比，碳氢联合还原过程需要消耗大量的H2，目前大规模制氢的方法主要有：电解水制氢、天然气裂解制氢、石油气化和裂化制氢、煤气化制氢、焦炉煤气制氢等，以上各种制氢工艺因为生产成本较高，都没有大规模的推广应用，因此能够规模经济地供给氢气是碳氢联合还原工艺发展的前提和基础。
专利公开号CN111748686A公开了一种有色冶炼渣直接还原工艺，该工艺包括：将有色冶炼渣、高挥发分煤干燥磨细后与粘结剂混合制成球团，干燥后入转底炉焙烧还原，还原温度1250～1280℃，焙烧时间28～35min，获得金属化率92～95％的金属化球团，再经无氧冷却后进行干磨干选，抛除尾矿后得到铁粉。该工艺采用氢气作为还原剂，解决了还原过程中金属化率低、磨选产品铁品位低及金属回收率低的问题，但该发明没有回收铜渣中的锌元素。
发明内容
为此，本发明提供一种转底炉处理铜渣的方法，用以提供一种高效、节能、环保的处理铜渣的方法。
一种转底炉处理铜渣的方法，包括如下步骤:
(1)原料处理：选取挥发分含量30～50％、灰分含量<10％的高挥发分煤，分为高挥发分煤一和高挥发分煤二，将高挥发分煤一、石灰石磨至粒度100～200目，将高挥发分煤二破碎至粒度5～25mm；
(2)配料、混合：选取配料铜渣、膨润土和高挥发分煤二，将(1)处理得到的高挥发分煤一、石灰石与配料铜渣、膨润土按比例配料后混匀，配料比例按照重量份为，铜渣100份、高挥发分煤一5～20份，高挥发分煤二10～25份、石灰石5～15份、膨润土1～4份；
(3)成型：将(2)混匀后的物料制备成含水8％～12％、粒度为6～25mm的湿成型物料；
(4)物料烘干：将(3)制备的湿成型物料，干燥脱水，干燥后物料水份<5％；
(5)焙烧还原：将(4)制备的干燥物料由转底炉第一布料口均匀布在转底炉环形炉床上，物料在炉底上铺的料层厚度为10～80mm，物料随转底炉转动先后经过预还原区、浅度还原区和深度还原区，在深度还原区加入(2)中选取的高挥发分煤二分别由多个布料口加入，所述预还原区温度500～1000℃，所述浅度还原区温度600～1100℃，所述深度还原区温度800～1230℃，还原时间为10～60min，高挥发分煤热解产生的H2与碳气化反应生成的H2和CO将物料充分还原；
(6)成品冷却：经过(5)处理还原后的产品DRI从转底炉内排出，进入冷却机冷却至200℃以下；
(7)磨矿、磁选：将(6)冷却的产品DRI研磨成粉状并通过磁选回收铁粉；
(8)冷压成型：将(7)回收铁粉冷压形成铁粉冷压块；
(9)烟气处理：原料中的氧化锌还原为金属锌后，挥发进入烟气系统中，并被再次氧化收集；500～1000℃高温烟气由转底炉排出经空气换热器、余热锅炉多级回收余热后，温度降至～200℃，进入转底炉烟气除尘器，净化后的烟气尾气送至烟气炉与热烟气混合后用于物料烘干，烘干后的烟气～120℃经除尘、脱硫脱硝达标后排放；氧化锌在余热锅炉灰仓和转底炉烟气除尘器中逐级回收。
进一步地，(5)中在深度还原区加入高挥发分煤二，用于增强氢气浓度。
进一步地，所述(5)焙烧还原步骤中，其中：
在所述转底炉预还原区是以碳还原为主的还原反应，包括：
物料在转底炉内被加热时，当表层温度升高到～550℃时，表层还原煤一中的挥发分析出并进入炉膛燃烧空间内，作为燃料燃烬；随着物料的不断升温，物料中的C与CO2发生碳气化反应生成CO，CO作为还原剂开始还原铁氧化物，由于还原煤发生不充分热解产生的H2量较少，且在温度较低时，H2的还原能力比CO弱；
在转底炉浅度还原区是以氢还原为主的还原反应，包括：
当物料表层温度升高至900℃时，物料芯部的还原煤一逐渐开始热解，热解出的挥发分在经过表层的高温环境时发生充分热解，最终的产物为活性碳和H2，H2会与达到还原温度的金属氧化物发生还原反应，生成金属和水，水又与碳进行碳气化反应生成H2和CO，H2再作为还原剂还原金属氧化物，再生成水，水又会气化新的碳生成新的H2和CO，如此循环往复产生剧烈的耦合效应，将部分金属氧化物还原成为金属；
在转底炉的深度还原区是以氢还原为主的还原反应，包括：
物料经过浅度还原区后进入深度还原区，深度还原区上设置多个布料口，将粒度5～25mm的高挥发分煤二布料在高温物料上方，高挥发分煤二开始热解，热解最终的产物为活性碳和H2，H2会与达到还原温度的金属氧化物发生还原反应，生成金属和水，水又与碳进行碳气化反应生成H2和CO，H2再作为还原剂还原金属氧化物，再生成水，水又会气化新的碳生成新的H2和CO，如此循环往复产生剧烈的耦合效应，最终将大部分金属氧化物还原成为金属。
进一步地，所述转底炉炉膛内部通过烧嘴燃烧进行供热，炉内还原温度最高～1230℃,产生的烟气在炉料上方与物料旋转方向逆向流动过程中，依靠炉壁和火焰的辐射传热，将燃料燃烧产生的热量传递给物料。
进一步地，所述空气换热器将空气预热至200～400℃，并将加热的空气传至底炉作为助燃空气。
进一步地，(9)中回收所述氧化锌粉尘中氧化锌品位50％～65％。
本工艺中带来的有益效果：
1)本工艺采用碳氢联合还原技术将铁氧化物还原为金属铁、氧化锌还原成金属锌后挥发再氧化收集，可使铜渣中的Fe2SiO4得到高效还原，中间产品直接还原铁金属化率可达到90％以上，锌脱除率达到95％以上，整个工艺铁回收率达到85％以上。
2)本工艺采用碳氢联合还原技术，还原温度低，能耗低，本工艺还原温度在800～1230℃，传统转底炉还原温度在1250～1350℃。
3)本工艺还原后期采用氢气作为主要还原剂，副产物是水，绿色环保，处理每吨铜渣碳排放量是碳冶金转底炉工艺的50～70％。
4)本工艺还原煤分别在配料和深度还原阶段加入，强化了后期氢还原的还原性气氛，提高了还原效率及金属化率。
5)本工艺中的还原煤采用低阶煤，代替无烟煤，成本低。
尤其，所述高挥发分煤一粒度为100～200目，在此范围内，高挥发分煤一，热解速度适中，能够全方位与铜渣接触，更易实现前期碳为主的碳还原反应，且热解产生的H2能够有效的参与还原。
尤其，将混合物料制备成粒度为6～25mm的湿成型物料，在此范围内，湿成型物料芯部还原完全，且还原速率适中，还原产生的烟气中粉尘含量较少，收得的锌灰中氧化锌含量高，得到较高品位氧化锌粉
尤其，干燥后物料水份满足<5％,在此范围内，有利于氢气还原金属氧化物正向进行。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
铜渣中含有TFe 41.63wt％，Zn 2.15wt％，SiO233.12wt％，CaO 2.23wt％，Al2O33.36 wt％。
一种铜渣处理方法，包含以下步骤：
(1)原料处理：选取挥发分含量30～50％、灰分含量<10％的高挥发分煤，分成两部分——高挥发分煤一和高挥发分煤二，将高挥发分煤一、石灰石磨至粒度100～200目，将高挥发分煤二破碎至粒度5～25mm。
(2)配料、混合：选取铜渣100份、高挥发分煤一15份、石灰石10份、膨润土2份，按比例配料后混匀。
(3)成型：将混匀后物料制备成含水10％、粒度为20mm的湿成型物料。
(4)物料烘干：将湿成型物料干燥脱水，干燥后物料水份<5％。
(5)焙烧还原：将物料由转底炉的第一布料口均匀布在转底炉环形炉床上，料层厚度为40mm，物料随转底炉转动先后经过预还原区、浅度还原区和深度还原区，在深度还原区加入高挥发分煤二20份，分别由3个布料口加入，控制预还原区温度750℃，浅度还原区温度900℃，深度还原区温度1200℃，还原时间30min，高挥发分煤热解产生的H2与碳气化反应生成的CO将物料充分还原。
(6)成品冷却：还原后的产品DRI从转底炉内排出，进入冷却机冷却至200℃以下，物料金属化率94.9％，锌脱除率98.2％。
(7)磨矿、磁选：将冷却后的DRI磨细，然后磁选回收铁粉。
(8)冷压成型：将铁粉冷压形成铁粉冷压块作为产品外售，铁回收率87.6％。
(9)烟气处理：原料中的氧化锌还原为金属锌后，挥发进入烟气系统中，并被再次氧化收集。720℃高温烟气由转底炉排出经空气换热器、余热锅炉多级回收余热后，温度降至～200℃，进入转底炉烟气除尘器，净化后的烟气尾气送至烟气炉与热烟气混合后用于物料烘干，烘干后的烟气(～120℃)经除尘、脱硫脱硝达标后排放。氧化锌在余热锅炉灰仓和转底炉烟气除尘器中逐级回收。
实施例二
铜渣中含有TFe 41.63wt％，Zn 2.15wt％，SiO233.12wt％，CaO 2.23wt％，Al2O33.36 wt％。
一种铜渣处理方法，包含以下步骤：
(1)原料处理：选取挥发分含量30～50％、灰分含量<10％的高挥发分煤，分成两部分——高挥发分煤一和高挥发分煤二，将高挥发分煤一、石灰石磨至粒度100～200目，将高挥发分煤二破碎至粒度5～25mm。
(2)配料、混合：选取铜渣100份、高挥发分煤一18份、石灰石10份、膨润土3份，按比例配料后混匀。
(3)成型：将混匀后物料制备成含水10％、粒度为20mm的湿成型物料。
(4)物料烘干：将湿成型物料干燥脱水，干燥后物料水份<5％。
(5)焙烧还原：将物料由转底炉的第一布料口均匀布在转底炉环形炉床上，料层厚度为60mm，物料随转底炉转动先后经过预还原区、浅度还原区和深度还原区，在深度还原区加入高挥发分煤二22份，分别由3个布料口加入，控制预还原区温度780℃，浅度还原区温度950℃，深度还原区温度1220℃，还原时间35min，高挥发分煤热解产生的H2与碳气化反应生成的CO将物料充分还原。
(6)成品冷却：还原后的产品DRI从转底炉内排出，进入冷却机冷却至200℃以下，物料金属化率94.5％，锌脱除率97.8％。
(7)磨矿、磁选：将冷却后的DRI磨细，然后磁选回收铁粉。
(8)冷压成型：将铁粉冷压形成铁粉冷压块作为产品外售，铁回收率86.8％。
(9)烟气处理：原料中的氧化锌还原为金属锌后，挥发进入烟气系统中，并被再次氧化收集。750℃高温烟气由转底炉排出经空气换热器、余热锅炉多级回收余热后，温度降至～200℃，进入转底炉烟气除尘器，净化后的烟气尾气送至烟气炉与热烟气混合后用于物料烘干，烘干后的烟气(～120℃)经除尘、脱硫脱硝达标后排放。氧化锌在余热锅炉灰仓和转底炉烟气除尘器中逐级回收。
实施例三
铜渣中含有TFe 41.63wt％，Zn 2.15wt％，SiO233.12wt％，CaO 2.23wt％，Al2O33.36 wt％。
一种铜渣处理方法，包含以下步骤：
(1)原料处理：选取挥发分含量30～50％、灰分含量<10％的高挥发分煤，分成两部分——高挥发分煤一和高挥发分煤二，将高挥发分煤一、石灰石磨至粒度100～200目，将高挥发分煤二破碎至粒度5～25mm。
(2)配料、混合：选取铜渣100份、高挥发分煤一20份、石灰石10份、膨润土3份，按比例配料后混匀。
(3)成型：将混匀后物料制备成含水10％、粒度为20mm的湿成型物料。
(4)物料烘干：将湿成型物料干燥脱水，干燥后物料水份<5％。
(5)焙烧还原：将物料由转底炉的第一布料口均匀布在转底炉环形炉床上，料层厚度为80mm，物料随转底炉转动先后经过预还原区、浅度还原区和深度还原区，在深度还原区加入高挥发分煤二25份，分别由4个布料口加入，控制预还原区温度800℃，浅度还原区温度980℃，深度还原区温度1230℃，还原时间40min，高挥发分煤热解产生的H2与碳气化反应生成的CO将物料充分还原。
(6)成品冷却：还原后的产品DRI从转底炉内排出，进入冷却机冷却至200℃以下，物料金属化率93.2％，锌脱除率97.5％。
(7)磨矿、磁选：将冷却后的DRI磨细，然后磁选回收铁粉。
(8)冷压成型：将铁粉冷压形成铁粉冷压块作为产品外售，铁回收率85.9％。
(9)烟气处理：原料中的氧化锌还原为金属锌后，挥发进入烟气系统中，并被再次氧化收集。780℃高温烟气由转底炉排出经空气换热器、余热锅炉多级回收余热后，温度降至～200℃，进入转底炉烟气除尘器，净化后的烟气尾气送至烟气炉与热烟气混合后用于物料烘干，烘干后的烟气(～120℃)经除尘、脱硫脱硝达标后排放。氧化锌在余热锅炉灰仓和转底炉烟气除尘器中逐级回收。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (6)

1.一种转底炉处理铜渣的方法，其特征在于，包括如下步骤:
(1)原料处理：选取挥发分含量30～50％、灰分含量<10％的高挥发分煤，分为高挥发分煤一和高挥发分煤二，将高挥发分煤一、石灰石磨至粒度100～200目，将高挥发分煤二破碎至粒度5～25mm；
(2)配料、混合：选取配料铜渣、膨润土和高挥发分煤二，将(1)处理得到的高挥发分煤一、石灰石与配料铜渣、膨润土按比例配料后混匀，配料比例按照重量份为，铜渣100份、高挥发分煤一5～20份，高挥发分煤二10～25份、石灰石5～15份、膨润土1～4份；
(3)成型：将(2)混匀后的物料制备成含水8％～12％、粒度为6～25mm的湿成型物料；
(4)物料烘干：将(3)制备的湿成型物料，干燥脱水，干燥后物料水份<5％；
(5)焙烧还原：将(4)制备的干燥物料由转底炉第一布料口均匀布在转底炉环形炉床上，物料在炉底上铺的料层厚度为10～80mm，物料随转底炉转动先后经过预还原区、浅度还原区和深度还原区，在深度还原区加入(2)中选取的高挥发分煤二分别由多个布料口加入，所述预还原区温度500～1000℃，所述浅度还原区温度600～1100℃，所述深度还原区温度800～1230℃，还原时间为10～60min，高挥发分煤热解产生的H2与碳气化反应生成的H2和CO将物料充分还原；
(6)成品冷却：经过(5)处理还原后的产品DRI从转底炉内排出，进入冷却机冷却至200℃以下；
(7)磨矿、磁选：将(6)冷却的产品DRI研磨成粉状并通过磁选回收铁粉；
(8)冷压成型：将(7)回收铁粉冷压形成铁粉冷压块；
(9)烟气处理：原料中的氧化锌还原为金属锌后，挥发进入烟气系统中，并被再次氧化收集；500～1000℃高温烟气由转底炉排出经空气换热器、余热锅炉多级回收余热后，温度降至～200℃，进入转底炉烟气除尘器，净化后的烟气尾气送至烟气炉与热烟气混合后用于物料烘干，烘干后的烟气～120℃经除尘、脱硫脱硝达标后排放；氧化锌在余热锅炉灰仓和转底炉烟气除尘器中逐级回收。
2.根据权利要求1所述的转底炉处理铜渣的方法，其特征在于，(5)中在深度还原区加入高挥发分煤二，用于增强氢气浓度。
3.根据权利要求1所述的转底炉处理铜渣的方法，其特征在于，所述(5) 焙烧还原步骤中，其中：
在所述转底炉预还原区是以碳还原为主的还原反应，包括：
物料在转底炉内被加热时，当表层温度升高到～550℃时，表层还原煤一中的挥发分析出并进入炉膛燃烧空间内，作为燃料燃烬；随着物料的不断升温，物料中的C与CO2发生碳气化反应生成CO，CO作为还原剂开始还原铁氧化物，由于还原煤发生不充分热解产生的H2量较少，且在温度较低时，H2的还原能力比CO弱；
在转底炉浅度还原区是以氢还原为主的还原反应，包括：
当物料表层温度升高至900℃时，物料芯部的还原煤一逐渐开始热解，热解出的挥发分在经过表层的高温环境时发生充分热解，最终的产物为活性碳和H2，H2会与达到还原温度的金属氧化物发生还原反应，生成金属和水，水又与碳进行碳气化反应生成H2和CO，H2再作为还原剂还原金属氧化物，再生成水，水又会气化新的碳生成新的H2和CO，如此循环往复产生剧烈的耦合效应，将部分金属氧化物还原成为金属；
在转底炉的深度还原区是以氢还原为主的还原反应，包括：
物料经过浅度还原区后进入深度还原区，深度还原区上设置多个布料口，将粒度5～25mm的高挥发分煤二布料在高温物料上方，高挥发分煤二开始热解，热解最终的产物为活性碳和H2，H2会与达到还原温度的金属氧化物发生还原反应，生成金属和水，水又与碳进行碳气化反应生成H2和CO，H2再作为还原剂还原金属氧化物，再生成水，水又会气化新的碳生成新的H2和CO，如此循环往复产生剧烈的耦合效应，最终将大部分金属氧化物还原成为金属。
4.根据权利要求1所述的转底炉处理铜渣的方法，其特征在于，所述转底炉炉膛内部通过烧嘴燃烧进行供热，炉内还原温度最高～1230℃,产生的烟气在炉料上方与物料旋转方向逆向流动过程中，依靠炉壁和火焰的辐射传热，将燃料燃烧产生的热量传递给物料。
5.根据权利要求1所述的转底炉处理铜渣的方法，其特征在于，所述空气换热器将空气预热至200～400℃，并将加热的空气传至底炉作为助燃空气。
6.根据权利要求1所述的转底炉处理铜渣的方法，其特征在于，(9)中回收所述氧化锌粉尘中氧化锌品位50％～65％。
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