綠色制造在祥光：陽谷祥光旋浮銅冶煉工藝應(yīng)用

孟可心

陽谷祥光銅業(yè)有限公司是世界單系統(tǒng)產(chǎn)能最大的銅冶煉廠，位于中國首家銅產(chǎn)業(yè)國家級(jí)生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)—陽谷祥光生態(tài)工業(yè)園，成立于2005年1月，注冊(cè)資本47.3億元?，F(xiàn)已形成年產(chǎn)礦產(chǎn)陰極銅50萬噸、黃金20噸、白銀600噸、硫酸170萬噸和稀貴稀散金屬1000噸的生產(chǎn)能力。祥光銅業(yè)產(chǎn)品“祥光陰極銅”、“XIANGGUANG”牌銀錠分別在倫敦金屬交易所（LEM）和上海期貨交易所（SHFE）成功注冊(cè)。

陽谷祥光銅業(yè)作為高新技術(shù)企業(yè)，建設(shè)有國家級(jí)企業(yè)技術(shù)中心、山東省銅冶煉及稀散金屬提取工程技術(shù)研究中心、山東省銅冶煉清潔生產(chǎn)與綜合利用工程實(shí)驗(yàn)室等創(chuàng)新平臺(tái)。通過自主創(chuàng)新形成了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的銅冶煉及綜合回收核心技術(shù)的工藝體系，采用工藝：超強(qiáng)化旋浮熔煉和旋浮吹煉工藝、冰銅吹煉渣無水粒化技術(shù)、粗銅自氧化還原精煉技術(shù)、高濃度煙氣（SO2濃度18%）轉(zhuǎn)化制酸技術(shù)、電解平行流技術(shù)。在世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了超強(qiáng)化旋浮銅冶煉的智能冶煉和自熱冶煉，標(biāo)志著中國銅冶煉技術(shù)及裝備進(jìn)入了世界先進(jìn)水平，已由技術(shù)引進(jìn)轉(zhuǎn)向技術(shù)輸出。

近年來，祥光銅業(yè)先后承擔(dān)了國家國際科技合作項(xiàng)目、國家發(fā)改委重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)專項(xiàng)等20余項(xiàng)國家、省、市級(jí)大型科研課題，授權(quán)專利100余項(xiàng)，其中國際發(fā)明40項(xiàng)，參與制定國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)50余項(xiàng)。多項(xiàng)科技成果通過山東省科技廳或中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)組織的專家評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)論：整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。先后獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、中國專利金獎(jiǎng)1項(xiàng)、山東省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、山東省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、山東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)10項(xiàng)、國家發(fā)明專利優(yōu)秀獎(jiǎng)1項(xiàng)、山東省發(fā)明專利一等獎(jiǎng)2項(xiàng)?！靶°~冶煉”納入工信部《銅冶煉行業(yè)規(guī)范條件》，“粗銅自氧化還原精煉技術(shù)”和“平行流電解技術(shù)”被國家發(fā)改委列入《國家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》，屬于國家產(chǎn)業(yè)和環(huán)保政策重點(diǎn)鼓勵(lì)推廣的高效、節(jié)能、環(huán)保的清潔生產(chǎn)技術(shù)，作為新建和改擴(kuò)建企業(yè)優(yōu)先選擇工藝。

陽谷祥光銅業(yè)以其良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，被工信部、財(cái)政部、科技部列為國家資源節(jié)約型、環(huán)境友好型第一批試點(diǎn)企業(yè)，被環(huán)保部授予國家環(huán)境友好工程，被工信部評(píng)為首批“綠色工廠”。

一、旋浮銅冶煉技術(shù)簡介

銅是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防工業(yè)的重要戰(zhàn)略材料，中國是銅冶煉大國，連續(xù)十六年保持銅產(chǎn)量世界第一，占世界銅產(chǎn)量35%?，F(xiàn)有銅冶煉工藝存在的共性問題是能耗高、污染大、效率低，如何利用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)高耗能、高污染行業(yè)，滿足國家對(duì)節(jié)能、環(huán)保、資源利用的高標(biāo)準(zhǔn)要求，是有色行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)可持續(xù)發(fā)展的重大需求。

陽谷祥光銅業(yè)全面分析研究了國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)和設(shè)備，確定了自主研發(fā)新技術(shù)的思路和總體方案，通過開展工藝?yán)碚撗芯俊⒂?jì)算機(jī)仿真、關(guān)鍵設(shè)備研制、工業(yè)試驗(yàn)、工程設(shè)計(jì)等，自主開發(fā)出節(jié)能高效清潔環(huán)保旋浮銅冶煉工藝體系及核心裝備，實(shí)現(xiàn)了銅冶煉理論、工藝、裝備的重大創(chuàng)新，打破了國外對(duì)先進(jìn)銅冶煉技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備的長期壟斷，提升了我國銅冶煉的核心競爭力。

旋浮銅冶煉工藝節(jié)能原理是通過采用物料顆粒碰撞反應(yīng)機(jī)理，反應(yīng)機(jī)理分為兩部分，一是反應(yīng)塔上部的氧氣和物料顆粒間的反應(yīng)，以熔煉為例，主要反應(yīng)：2CuFeS2 + O2 → 2FeS + Cu2S + SO2 ；2FeS + 3O2 →2FeO + 2SO2；6FeO +O2→2Fe3O4（過氧化）；2Cu2S + 3O2 →2Cu2O（過氧化）+2SO2；二是反應(yīng)塔下部過氧化顆粒和欠氧化顆粒間的碰撞反應(yīng)，主要反應(yīng)：3Fe3O4 +FeS→10FeO+SO2；Cu2O+FeS→FeO+ Cu2S；2FeO+SiO2→Fe2SiO4。傳統(tǒng)冶煉只有第一部分反應(yīng)機(jī)理，沒有第二部分反應(yīng)機(jī)理，因而反應(yīng)不完全。旋浮冶煉的碰撞反應(yīng)機(jī)理確保整個(gè)熔煉和吹煉過程在各種工藝條件下都能反應(yīng)充分完全。

技術(shù)特征：

（一）采用龍卷風(fēng)旋流分散物料，強(qiáng)化氣?；旌?/p>

旋浮冶煉對(duì)物料的分散模擬自然界龍卷風(fēng)高速旋轉(zhuǎn)具有極強(qiáng)擴(kuò)散和卷吸能力的原理，顆粒呈倒龍卷風(fēng)的旋流狀態(tài)分布在反應(yīng)塔中央，增強(qiáng)了旋流的擴(kuò)散和卷吸能力，氣?；旌虾茫蟠笤黾游锪项w粒碰撞，提高氧利用率，降低生料及煙塵發(fā)生率，減少二次處理用能。

（二）采用“風(fēng)內(nèi)料外”的環(huán)狀布料形式，強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱，提高余熱回收

旋浮冶煉的顆粒原料在工藝風(fēng)外環(huán)，增加了顆粒群和工藝風(fēng)的接觸面積，傳質(zhì)傳熱和反應(yīng)效率增加；顆粒與高溫回流氣直接接觸，去除了工藝風(fēng)對(duì)顆粒群的風(fēng)幕作用，顆粒著火點(diǎn)溫度能夠迅速達(dá)到，加速了顆粒與氣體間、顆粒與顆粒間的反應(yīng)。

二、開發(fā)出旋浮冶煉工藝的核心裝備、旋浮冶金數(shù)模

根據(jù)旋浮冶煉“碰撞、旋風(fēng)、脈動(dòng)、風(fēng)內(nèi)料外”技術(shù)特征，通過建立旋浮冶煉數(shù)值仿真模型，獲得氣相溫度分布、流線、不同粒徑顆粒軌跡、溫度變化等信息，以仿真結(jié)果為基礎(chǔ)，經(jīng)研制多個(gè)噴嘴樣機(jī)和進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，開發(fā)出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的脈動(dòng)旋流型噴嘴，克服中央擴(kuò)散型噴嘴氣粒混合差、粒子碰撞少、反應(yīng)偏析、熱損失大等問題，能較好實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)化、低能耗的冶煉目標(biāo)。

針對(duì)冶煉爐構(gòu)建了多元多次金屬平衡方程和熱平衡方程，并結(jié)合前饋反饋控制策略，融合統(tǒng)計(jì)仿真模型，自主研發(fā)出旋浮冶金控制數(shù)學(xué)模型，以此冶金數(shù)模為基礎(chǔ)，開發(fā)出旋浮冶煉生產(chǎn)過程計(jì)算機(jī)在線控制系統(tǒng)。首次在旋浮銅冶煉生產(chǎn)系統(tǒng)上投入運(yùn)行，使得在不同工藝條件下計(jì)算出最佳工藝控制參數(shù)，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，在線率99.5%以上，控制精度98%以上，確保了大規(guī)模冶煉工業(yè)生產(chǎn)的高效和穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了旋浮智能化冶煉和自熱冶煉。

三、旋浮鋼冶煉技術(shù)的應(yīng)用

2009年5月，陽谷祥光銅業(yè)有限公司應(yīng)用“陽谷祥光旋浮銅冶煉工藝”技術(shù)，生產(chǎn)實(shí)踐表明，祥光銅業(yè)的熔煉爐和吹煉爐運(yùn)行穩(wěn)定，在處理高雜質(zhì)銅精礦時(shí)工廠依然穩(wěn)定地生產(chǎn)出合格粗銅，年節(jié)能量好于預(yù)期值，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。平均節(jié)能能力為0.19tce/tCu，碳減排能力為0.31tCO2/tCu。為公司帶來重大的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。

河南中原黃金冶煉廠有限責(zé)任公司整體搬遷升級(jí)改造項(xiàng)目應(yīng)用“陽谷祥光旋浮銅冶煉工藝”技術(shù)成果。平均節(jié)能能力達(dá)到0.186tce/tCu，碳減排能力達(dá)到0.3tCO2/tCu。以年產(chǎn)10萬噸陰極銅計(jì)，年節(jié)約費(fèi)用3636萬元。

目前，陽谷祥光旋浮銅冶煉工藝已在陽谷祥光銅業(yè)有限公司、中國黃金集團(tuán)—河南中原黃金冶煉廠和中鋁東南銅業(yè)有限公司推廣應(yīng)用；在肯尼科特公司招標(biāo)中評(píng)選為首選技術(shù)。隨著該技術(shù)的深入推廣和應(yīng)用，將為有色行業(yè)供給側(cè)改革轉(zhuǎn)型升級(jí)可持續(xù)發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。