廢雜銅再生綜合利用工藝技術(shù)述評及展望

呂高平, 俞 鷹

(銅陵有色金昌冶煉廠， 安徽 銅陵 244000)

1 我國廢雜銅再生行業(yè)現(xiàn)狀及廢雜銅再生的意義

中國是世界上最大的精煉銅生產(chǎn)國和消費國，近兩年我國銅消費量已接近全世界消費總量的50%。我國銅資源只有全世界的4.35%[1]，銅資源嚴重不足。而廢雜銅再生利用具有能耗低、投資少、工藝相對簡單等特點，可彌補銅資源的不足。自2002年以來，我國再生銅產(chǎn)業(yè)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，保持了年均16.39%的高速增長，但與世界先進水平相比還存在較大的差距。 全球銅產(chǎn)品市場中廢雜銅回收再生可滿足47.5%的市場需求[2]， 2016年我國再生銅產(chǎn)量300萬t，消費占比僅為28.57%。

近十年來，我國在再生銅冶煉方面，引進了國外的傾動爐、卡爾多爐等廢雜銅處理工藝技術(shù)，通過消化吸收和再創(chuàng)新，開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的NGL爐、精煉搖爐、氧氣頂吹爐、頂吹熔池熔煉爐以及新型全氧燃燒固定反射爐等廢雜銅處理新技術(shù)新工藝，并且在一些大中型廢雜銅冶煉企業(yè)成功應(yīng)用。但是，廢雜銅再生行業(yè)仍存在以下不足：一是再生銅利用率遠低于發(fā)達國家；二是行業(yè)缺乏專業(yè)、規(guī)范的回收體系；三是行業(yè)綜合回收技術(shù)水平較發(fā)達國家存在較大差距；四是廢雜銅再生利用過程中產(chǎn)生的工業(yè)“三廢”缺乏高效可靠的處理措施，存在環(huán)境污染風(fēng)險。

綜合利用廢雜銅生產(chǎn)再生銅，是我國銅工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。廢雜銅的再生利用不僅能緩解我國銅資源的短缺，對國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義，而且節(jié)能減排效果十分顯著。與原生銅相比，每生產(chǎn)1 t再生銅相當(dāng)于節(jié)約1 054 kgce，節(jié)水395 m3，減少固廢排放380 t，減少二氧化碳排放0.137 t[3]。再生銅行業(yè)具有節(jié)能、環(huán)保、資源高效利用等優(yōu)勢，是國家重點扶持的循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)。

2 廢雜銅的來源和分類

廢雜銅的來源主要有四個方面：①銅冶煉過程中產(chǎn)生的廢品和廢料；②各種機械加工過程中產(chǎn)生的廢品和廢料中的銅；③舊的、報廢的電線電纜、儀器、儀表、工具和機器設(shè)備中的銅；④淘汰、報廢的家用電器、消費電子產(chǎn)品、汽車等中的銅。由于廢雜銅的來源不盡相同，其組成成分也千差萬別。根據(jù)2015年5月1日實施的GB51030—2014《再生銅冶煉廠工藝設(shè)計規(guī)范》，廢雜銅按照銅品位的高低可分為以下三類：第一類為高品位雜銅(≥90%)，主要為紫雜銅、廢銅板、廢電線電纜等；第二類為中品位雜銅(40%～90%)，主要為黃銅廢料、白銅廢料、青銅廢料等；第三類為低品位雜銅(≤40%)，主要為各種銅灰、銅泥、含銅渣等。

3 廢雜銅再生工藝技術(shù)

廢雜銅由于來源廣、成分雜、銅品位不同，其再生綜合處理的工藝技術(shù)也不同。部分高品位廢雜銅直接生產(chǎn)銅制品，絕大部分廢雜銅通過火法精煉，采用一段法、二段法或三段法生產(chǎn)合格的陽極銅，然后電解產(chǎn)出高品質(zhì)陰極銅。目前國內(nèi)大多采用一段法或兩段法工藝，三段法在國內(nèi)暫無實際應(yīng)用，奧地利的Brixlegg工廠采用的是鼓風(fēng)爐—轉(zhuǎn)爐—反射爐三段法處理工藝[4]。典型的廢雜銅火法再生處理工藝流程如圖1所示。

圖1 典型的廢雜銅火法再生處理工藝流程圖

3.1 直接利用工藝[5]

直接利用是將廢雜銅嚴格分類后，加入一定量的所需成分，降低雜質(zhì)元素含量以獲取質(zhì)量合格的銅合金制品。目前工業(yè)發(fā)達國家，如美國、德國等采用直接利用方法從廢雜銅中回收的銅量已達到銅總消耗量的40%～60%，2016年我國廢雜銅直接利用占比僅為24.56%[6]。直接利用方法具有工藝簡化、回收率高、能耗少、成本低、污染少等優(yōu)點，是廢雜銅再生最經(jīng)濟的方法。

FRHC廢雜銅精煉工藝，即“火法精煉高導(dǎo)電銅”工藝，是廢雜銅直接加工成銅材的典型工藝，是西班牙拉法格公司20世紀(jì)80年代中期開發(fā)的一項廢雜銅熔煉、連鑄、連軋生產(chǎn)的專利技術(shù)，目前全球有幾十家企業(yè)采用。此工藝以含銅大于92%的廢雜銅為原料，經(jīng)過熔煉、連鑄、連軋，生產(chǎn)低氧銅桿，質(zhì)量達到EN1977(1998)CW005A標(biāo)準(zhǔn)[7]。

3.2 一段法廢雜銅處理工藝

一段法主要適合處理含銅大于90%的高品位廢雜銅，這類廢雜銅雜質(zhì)含量相對較低，采用氧化還原反應(yīng)除去雜質(zhì)后生產(chǎn)品質(zhì)合格的陽極銅，再通過電解生產(chǎn)陰極銅。這類工藝主要有新型固定反射爐工藝、傾動爐工藝(精煉搖爐、NGL爐)、新型熱風(fēng)富氧密閉環(huán)保鼓風(fēng)爐工藝(適合處理含銅爐渣及部分品位較低的含銅物料)。

3.2.1 新型固定反射爐工藝

固定式反射爐是目前我國高品位廢雜銅最傳統(tǒng)和典型的火法精煉工藝，適合于中小型廢雜銅冶煉企業(yè)，處理的廢雜銅品位一般在92%以上，采用天然氣或重油作為燃料，大多用特制粉煤作為還原劑，冶煉爐時在20～26 h/爐，工藝生產(chǎn)過程包括進料、熔化、氧化、還原、澆鑄，產(chǎn)出含銅大于99%的陽極板以及含銅約15%～25%的爐渣。爐渣含銅較高，一般直接外售，或入鼓風(fēng)爐熔煉產(chǎn)出黑銅再返回固定反射爐處理。

傳統(tǒng)的固定反射爐處理廢雜銅能耗較高，成本居高不下，近年來，部分生產(chǎn)廠家對爐子進行了改進，優(yōu)化爐頂結(jié)構(gòu)，擴大爐子容積，單爐產(chǎn)量由原來的80～150 t提升到220 t；采用全氧燃燒或稀氧燃燒技術(shù)，燃料單耗大幅度降低，冶煉單位成本也大幅度下降。張家港聯(lián)合銅業(yè)公司原固定式反射爐經(jīng)優(yōu)化創(chuàng)新全面改造后，重油單耗由80 kg/tCu下降到 40 kg/tCu，噸銅燃料消耗下降了50%。

3.2.2 傾動爐/精煉搖爐/NGL爐工藝

江西銅業(yè)2002年從德國Maerz公司引進了傾動爐工藝用于處理銅品位大于90%的廢雜銅。該爐處理能力為350 t/爐，以重油為燃料。傾動爐處理廢雜銅工藝克服了固定式反射爐自動化程度不高、工人勞動強度大、操作環(huán)境惡劣、環(huán)境污染嚴重等諸多問題，具有環(huán)保、安全、自動化程度高等優(yōu)點，但是傾動爐沒有熔體微攪動裝置，傳熱傳質(zhì)能力較差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

精煉搖爐是在引進、消化傾動爐的基礎(chǔ)上，由國內(nèi)改進和完善的一種廢雜銅冶煉工藝，處理能力為350 t/爐，適合較大規(guī)模的工廠，處理的物料含銅在92%以上。與傾動爐相比，精煉搖爐操作爐位和氧化還原原理相同，最大的改進在于引入爐體透氣磚氮氣攪拌技術(shù)提高生產(chǎn)效率，并改進爐尾的排煙方式，便于煙塵清理，燃燒系統(tǒng)采用中央式富氧燃燒后熱效率提高，具有較好的節(jié)能減排效果[8]。

NGL爐工藝是結(jié)合傾動爐和回轉(zhuǎn)式陽極爐的優(yōu)點而開發(fā)的一種廢雜銅冶煉工藝，國內(nèi)大型雜銅冶煉企業(yè)如廣西有色、金升銅業(yè)，均采用NGL爐工藝。NGL爐側(cè)面有大的加料門兼做渣門，另一側(cè)有氧化還原口，底部有透氣磚，爐體可在一定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動，天然氣、重油或粉煤作為燃料，既可采用普通空氣助燃，也可采用富氧或純氧助燃。NGL爐自動化程度較高，不用人工插管，爐體密閉，環(huán)保效果較好。目前NGL爐處理能力為100～250 t，用于處理平均含銅90%以上的雜銅，爐渣含銅可控制在15%左右，燃燒系統(tǒng)采用稀氧燃燒后，熱效率可提高40%，成本大幅度降低[8]。

3.2.3 新型熱風(fēng)/富氧密閉鼓風(fēng)爐工藝

傳統(tǒng)的密閉鼓風(fēng)爐處理廢雜銅能力低、能耗高、環(huán)保差, 近年來少數(shù)廠家在傳統(tǒng)密閉鼓風(fēng)爐基礎(chǔ)上進行了改良, 將冷空氣經(jīng)煙氣沉灰筒及煙道換熱增溫，或與氧氣預(yù)混鼓入鼓風(fēng)爐, 煙氣增設(shè)布袋收塵和尾氣脫硫及在線檢測系統(tǒng)。該工藝主要處理含銅爐渣及部分品位較低的含銅物料，產(chǎn)出85%～90%次粗銅直接澆鑄成陽極板，然后進行低電流密度電解產(chǎn)出低品質(zhì)電解銅直接外售，同時綜合回收其中Au、Ag、Pt、Pd 、Ni等有價金屬。改進后的新型密閉鼓風(fēng)爐在能耗、處理能力、環(huán)保效果等方面均有改善。

3.3 兩段法廢雜銅處理工藝

對于品位小于90%的廢雜銅，目前一般采用兩段法工藝，即先火法熔煉或吹煉生產(chǎn)品位大于98%的粗銅，粗銅再火法精煉產(chǎn)出品位大于99%的陽極銅。目前國內(nèi)典型的處理工藝有礦銅冶煉廠的PS轉(zhuǎn)爐—陽極爐精煉工藝，卡爾多爐(頂吹轉(zhuǎn)爐)—陽極爐精煉工藝，頂吹熔煉爐(澳斯麥特爐/艾薩爐)—陽極爐精煉工藝。

3.3.1 PS轉(zhuǎn)爐吹煉—陽極爐精煉工藝

采用PS轉(zhuǎn)爐吹煉的大中型礦銅冶煉企業(yè)均附帶處理一定量的廢雜銅，廢雜銅品位可高可低，一般在50%以上。冰銅在PS轉(zhuǎn)爐吹煉時會放出大量的熱，目前絕大多數(shù)廠家都采用富氧吹煉，富氧濃度21%～26%，吹煉熱量過剩問題突出，而吹煉溫度過高，對轉(zhuǎn)爐的爐襯損傷較大，會降低轉(zhuǎn)爐爐襯的使用壽命。因此，可搭配處理雜銅。對于品位較低的廢雜銅，在冰銅吹煉的一周期加入，通過造渣反應(yīng)除去大部分雜質(zhì)，而對于品位大于92%的廢雜銅，則在二周期加入，通過造銅反應(yīng)直接產(chǎn)出合格粗銅進陽極爐精煉。

如果礦銅冶煉廠能另建豎爐對電解殘極單獨處理，則PS轉(zhuǎn)爐的廢雜銅處理量可以達到礦銅產(chǎn)量的40%～50%，處理量大，能耗小，成本低，是廢雜銅再生利用的一個有效途徑。經(jīng)測算，與專門的雜銅冶煉相比，PS轉(zhuǎn)爐處理廢雜銅噸銅能耗降低50%以上，成本降低40%，具有明顯的成本優(yōu)勢。

3.3.2 卡爾多爐(頂吹轉(zhuǎn)爐)吹煉—陽極爐精煉工藝

卡爾多爐工藝是一種富氧頂吹工藝，最早應(yīng)用于瑞典波利頓公司，用于處理二次銅原料和部分含鉛物料，后成功應(yīng)用于銅陽極泥的火法處理。江西銅業(yè)在2009年5月引進了一臺13 m3的卡爾多爐，用于處理中品位廢雜銅和含銅物料，設(shè)計入爐物料含銅70%，每爐裝入量80 t，單爐產(chǎn)粗銅50 t，年產(chǎn)量為5萬t。2012年廣西有色建成2臺13 m3卡爾多爐，用于處理中品位雜銅。

卡爾多爐爐型適宜處理含雜質(zhì)高的復(fù)雜原料，過程簡單。其處理廢雜銅有很多優(yōu)點：①熔煉、還原和吹煉可在一個熔煉爐內(nèi)完成；②既可處理高品位雜銅，也可處理成分復(fù)雜的中低品位雜銅；③可以一次產(chǎn)出棄渣，渣含銅可小于0.5%；④爐子結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備簡單，可完全密閉，環(huán)保效果好，可滿足嚴格的環(huán)境要求[9]。其缺點和不足是：間歇作業(yè)，操作頻繁，煙氣量和煙氣成分呈周期變化，爐襯壽命短，單臺爐產(chǎn)量小，年產(chǎn)量僅5萬t，不適合大規(guī)模的廢雜銅處理。

3.3.3 頂吹熔煉爐(澳斯麥特爐/艾薩爐)—陽極爐精煉工藝

頂吹浸沒式噴槍熔煉(澳斯麥特爐/艾薩爐)工藝在我國礦銅冶煉行業(yè)應(yīng)用的工廠很多，目前國內(nèi)至少有10座澳斯麥特爐(艾薩爐)在運行。在雜銅冶煉方面，我國對該工藝的應(yīng)用研究起步較晚，中國瑞林公司2016年建成了一座處理中低品位的廢雜銅頂吹熔煉爐實驗工廠，用于技術(shù)開發(fā)和小規(guī)模處理電子廢料。由中節(jié)能(汕頭)再生資源技術(shù)有限公司開發(fā)、具有自主知識產(chǎn)權(quán)并投資建設(shè)的2萬t/a廢舊印刷電路板火法處理項目，采用頂吹浸沒式噴槍熔煉工藝，于2016年2月建成并投入試生產(chǎn)運行[10]。在國外，該技術(shù)早已成功應(yīng)用于廢雜銅冶煉，比較典型的有德國的Aurubis和比利時的Umicore等。

頂吹熔煉爐冶煉低品位廢雜銅包括兩個階段：第一階段熔煉期，將含銅物料、熔劑加入爐內(nèi)，爐頂噴槍插入熔池熔體，通入空氣和氧氣對熔體進行強烈攪拌并發(fā)生劇烈反應(yīng)，熔煉過程完成爐料熔化部分造渣反應(yīng)。熔煉產(chǎn)物為98%粗銅、含銅10%的爐渣、煙塵和煙氣，粗銅從爐內(nèi)分批排入陽極精煉爐；第二階段渣還原回收銅，從爐頂加料口加入焦炭或塊煤，同時通過噴槍向熔體鼓入空氣攪拌，熔煉期產(chǎn)出的含銅10%爐渣被還原，產(chǎn)出黑銅和富含Zn、Pb、Sn的煙塵。黑銅留在爐內(nèi)，在下一個周期銅重新反應(yīng)，生成粗銅，還原作業(yè)結(jié)束后產(chǎn)出的棄渣含銅0.65%[11]，排出后經(jīng)水淬外售。

中節(jié)能汕頭貴嶼廢舊電路板頂吹熔煉爐項目設(shè)計處理廢舊印刷電路板2萬t/a，產(chǎn)富含貴金屬的粗銅4 000 t/a、溴化鈉700 t/a。其工藝主要包括3個部分：原料制備、熔煉、煙氣處理，工藝流程見圖2[10]。

圖2 中節(jié)能汕頭貴嶼廢舊電路板處理工藝流程圖

頂吹熔煉爐工藝處理廢雜銅，優(yōu)點為處理規(guī)模大，生產(chǎn)效率高，環(huán)境污染小，能耗低，有價金屬綜合回收效果好，可一次產(chǎn)出含銅較低的棄渣，有較高的銅回收率，是含銅電子廢料處理合適的工藝。

3.4 廢雜銅直接電解法[12]

由于廢雜銅經(jīng)分揀、分類、破碎等預(yù)處理后一般為碎塊、碎屑或粉狀物料，必須利用一種陽極框裝置和填裝于其中的待精煉廢雜銅物料一起構(gòu)成特殊的框式陽極，置于電解槽中進行電解?？蚴疥枠O電解法以硫酸銅溶液為電解液進行廢雜銅的直接電解精煉，與傳統(tǒng)電解無本質(zhì)區(qū)別。陽極框按制作材料，大體上可分為兩種：①導(dǎo)電型陽極框，它不僅用以容納和支撐陽極的廢銅碎料，還充當(dāng)陽極框中碎銅料與外電源之間的電連接。制作導(dǎo)電型陽極框的材料應(yīng)具備良好的導(dǎo)電體、足夠的機械強度和良好的耐電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕性。常用的導(dǎo)電型陽極框材料有鈦金屬、不銹鋼等；②非導(dǎo)電型陽極框，由絕緣材料構(gòu)成，僅起盛放廢雜銅碎料的作用，在框體上設(shè)置導(dǎo)電極板連接電源正極與廢銅料。

與火法再生工藝相比，廢雜銅直接電解工藝具有流程短、投資省、能耗低、銅回收率高等優(yōu)點，有價金屬不分散，綜合回收效果好，目前國內(nèi)部分廠家有小規(guī)模的應(yīng)用。由于廢雜銅物理規(guī)格形態(tài)千差萬別，開發(fā)適用于各種物理規(guī)格形態(tài)廢雜銅又滿足電解生產(chǎn)過程高效率的陽極框，是直接電解法需要研究解決的課題。另外，由于廢雜銅成分復(fù)雜，各種雜質(zhì)元素進入電解液，如何穩(wěn)定獲得高質(zhì)量的電解銅也是需要解決的問題。

4 幾種典型廢雜銅再生工藝的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)

由于廢雜銅原料品位和雜質(zhì)成分不同，不同的廢雜銅其處理工藝不同，因此廢雜銅再生工藝之間的生產(chǎn)指標(biāo)也存在較大差異。廢雜銅加熱熔化、冶煉過程需要消耗大量的熱能，燃料消耗在雜銅冶煉成本中占有很高的比例。因此降低冶煉過程的燃料消耗、提高熱利用率是廢雜銅再生工藝改進提升的方向。表1～表5列舉了幾種典型廢雜銅再生工藝的主要指標(biāo)。

表1 銅陵有色 PS轉(zhuǎn)爐—陽極爐工藝處理廢雜銅主要指標(biāo)

表2 貴溪冶煉廠卡爾多爐處理廢雜銅主要指標(biāo)[13]

表3 銅陵有色精煉搖爐處理廢雜銅主要指標(biāo)

表4 銅陵有色新型固定反射爐處理廢雜銅主要指標(biāo)

表5 中節(jié)能汕頭貴嶼頂吹爐處理電子廢料主要指標(biāo)[10]

綜合來看， PS轉(zhuǎn)爐吹煉冰銅附帶處理中高品位廢雜銅最經(jīng)濟，而高品位廢雜銅短流程直接生產(chǎn)銅制品是另一種經(jīng)濟的處理方式。

5 發(fā)展展望

5.1 建立規(guī)范健全的廢雜銅回收網(wǎng)絡(luò)體系

目前我國廢舊資源回收體系尚未建立完善，國家對進口固體廢棄物的嚴格限制和我國廢雜銅的大量產(chǎn)生，為國內(nèi)固體廢物回收利用水平的提升創(chuàng)造了條件。因此，應(yīng)充分利用國家相關(guān)政策的大力支持，加快創(chuàng)建國內(nèi)再生銅資源的新型回收網(wǎng)絡(luò)體系:利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(網(wǎng)站、移動互聯(lián)網(wǎng)、APP、物聯(lián)網(wǎng)等)，將含銅廢料產(chǎn)生源與回收利用企業(yè)對接，通過大數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化回收網(wǎng)絡(luò)布點和響應(yīng)服務(wù)，打造以互聯(lián)網(wǎng)平臺為基礎(chǔ)、線上線下緊密結(jié)合、優(yōu)勢互補的高效專業(yè)的現(xiàn)代化回收網(wǎng)絡(luò)體系，實現(xiàn)含銅廢料的資源集聚。

5.2 淘汰落后工藝，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級

我國的廢雜銅再生行業(yè)正處在一個產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期,隨著國家環(huán)保政策和監(jiān)管的日趨嚴格，廢雜銅再生行業(yè)的產(chǎn)業(yè)集中度將提高，大多數(shù)工藝設(shè)備陳舊落后、環(huán)境污染嚴重的小型廢雜銅冶煉企業(yè)將淘汰，先進的廢雜銅再生工藝技術(shù)如卡爾多爐工藝、頂吹熔煉爐(澳斯麥特爐/艾薩爐)等將得到應(yīng)用推廣，同時隨著國內(nèi)底吹爐、側(cè)吹爐工藝技術(shù)的不斷完善，其在廢雜銅再生行業(yè)的應(yīng)用也將逐步得到研究開發(fā)，以直接電解為代表的全濕法處理工藝也是廢雜銅再生綜合利用的一個發(fā)展方向。

5.3 節(jié)能環(huán)保，提升綜合回收利用水平

廢雜銅再生過程會產(chǎn)生大量的工業(yè)“三廢”，如含有有機物的廢銅原料在火法冶煉過程中會產(chǎn)生二惡英，需要特別的工藝裝備對冶煉煙氣進行特殊處理。要提高處理過程的環(huán)保水平，除了嚴格的監(jiān)管，企業(yè)還必須不斷進行技術(shù)創(chuàng)新升級，不斷完善環(huán)保措施，實現(xiàn)節(jié)能減排綠色發(fā)展。同時, 全面提升廢雜銅再生綜合利用水平是提升企業(yè)贏利能力的有效途徑。應(yīng)加大廢雜銅綜合利用方面的研究投入，強化各種有價元素分離提取技術(shù)的研究，開發(fā)新產(chǎn)品延伸產(chǎn)業(yè)鏈, 實現(xiàn)資源高效利用，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。

5.4 創(chuàng)新高品位廢雜銅直接利用技術(shù)，提升廢雜銅直接利用比例

廢雜銅的直接利用，是廢雜銅再生綜合利用的重要方向，高品位廢雜銅直接火法精煉生產(chǎn)銅桿有很好的經(jīng)濟效益和產(chǎn)品市場，但對銅材加工的質(zhì)量提出了很高的要求。引進國外技術(shù)和設(shè)備費用昂貴，所以開發(fā)自主創(chuàng)新的技術(shù)勢在必行。如果與國內(nèi)開發(fā)的高品位雜銅精煉工藝相結(jié)合，將精煉爐與銅桿加工設(shè)備相集成，大部分的高品位廢雜銅直接火法精煉生產(chǎn)銅桿，大大提升直接利用比例，這將是我國廢雜銅再生行業(yè)的巨大進步。

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