銅陵有色銅冶煉工藝“奧爐改造工程”方案優(yōu)化及選擇

陳錦安

(銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司 技術(shù)中心， 安徽 銅陵 244000)

0 引言

銅陵有色銅冶煉工藝技術(shù)升級(jí)改造項(xiàng)目環(huán)評(píng)于2010年1月獲國(guó)家環(huán)保部批準(zhǔn)，項(xiàng)目由“雙閃工程”[1]和“奧爐改造工程”兩部分組成。“雙閃工程”系指采用當(dāng)今世界最先進(jìn)的閃速熔煉和閃速吹煉(簡(jiǎn)稱“雙閃”)工藝在異地新建銅精礦生產(chǎn)陰極銅冶煉廠(40萬(wàn)t/年)；“奧爐改造工程”是指在銅陵有色股份有限公司現(xiàn)有金昌冶煉廠就地進(jìn)行，改造已有的銅精礦奧斯麥特爐熔煉、PS轉(zhuǎn)爐吹煉、陽(yáng)極爐精煉、小極板電解及煙氣制酸生產(chǎn)系統(tǒng)，主要處理低品位復(fù)雜含銅物料、雜銅及各類電子容器等原料，生產(chǎn)陰極銅20萬(wàn)t/年及硫酸10.5萬(wàn)t/年。

2012年底，“雙閃工程”建成投產(chǎn)，“奧爐改造工程”因存在著老廠區(qū)附近居民較多、原料市場(chǎng)變化以及當(dāng)?shù)卣a(chǎn)業(yè)規(guī)劃等問(wèn)題，一直在進(jìn)行方案優(yōu)化論證。經(jīng)調(diào)研、考察和方案比較，最終，在全面符合國(guó)家頒布的環(huán)保新標(biāo)準(zhǔn)的前提下，結(jié)合當(dāng)?shù)卣a(chǎn)業(yè)規(guī)劃及企業(yè)現(xiàn)狀，形成了異地搬遷改造方案[2]，在2015年4月獲得環(huán)評(píng)變更批復(fù)后，經(jīng)過(guò)兩年的建設(shè)，于2018年5月投產(chǎn)成功，現(xiàn)已穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到預(yù)期效果。

1 方案優(yōu)化指導(dǎo)思想

本次改造方案的主要指導(dǎo)思想包含以下幾方面。

1)符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整政策和《銅冶煉行業(yè)規(guī)范條件》要求。

2)高度重視環(huán)境保護(hù)，落實(shí)和細(xì)化項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書(shū)及國(guó)家和省市環(huán)保部門(mén)批復(fù)意見(jiàn)，采取有效的環(huán)保治理措施，減少“三廢”污染，防止生態(tài)破壞和環(huán)境污染。

3)按照當(dāng)?shù)卣耙睙捁I(yè)進(jìn)園區(qū)統(tǒng)一規(guī)則，綜合治理”產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，實(shí)施異地搬遷改造。

4)充分發(fā)揮銅陵有色銅冶煉技術(shù)沉積及技術(shù)升級(jí)優(yōu)勢(shì)，突出資源綜合利用，適應(yīng)復(fù)雜原料，逐步完善和形成銅陵有色銅冶煉差異化發(fā)展格局和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)一體化發(fā)展模式。

5)立足國(guó)內(nèi)，采用高效、合理的工藝、技術(shù)、設(shè)備和材料，整體裝備水平和主要工藝技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。本改造項(xiàng)目的目標(biāo)：建設(shè)“技術(shù)先進(jìn)、投資省、成本低、環(huán)保好”的銅冶煉廠。

2 方案優(yōu)化和選擇

2.1 原料

項(xiàng)目原設(shè)計(jì)原料絕大部分為銅容器、高中低品位廢雜銅，隨著拆解工藝的進(jìn)步，傳統(tǒng)廢雜銅利用途徑正發(fā)生變化，各種廢雜銅絕大部分已清楚分類，可直接用于銅加工企業(yè)生產(chǎn)銅線桿、銅棒等，因此，廢雜銅利用的外部環(huán)境已發(fā)生變化。

為滿足銅冶煉工藝熱平衡和貴金屬高效捕集的需要，并達(dá)到主產(chǎn)品陰極銅年20萬(wàn)t的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，結(jié)合近幾年原料市場(chǎng)供應(yīng)及金昌奧爐實(shí)際處理原料組成與結(jié)構(gòu)，確定以進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)及自產(chǎn)銅精礦為原料，確認(rèn)“奧爐改造工程”年處理 91.5萬(wàn)t混合銅精礦(干基)，年作業(yè)天數(shù)為340天?；旌显铣煞忠?jiàn)表1。

表1 混合原料主要成分 %

注：*成分單位為g/t。

2.2 工藝

根據(jù)原料來(lái)源、項(xiàng)目批復(fù)及環(huán)評(píng)要求和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，結(jié)合銅陵有色銅冶煉現(xiàn)狀及整體規(guī)劃，主要工藝方案的選擇和優(yōu)化研究如下所述。

2.2.1 熔煉工藝

對(duì)目前應(yīng)用的銅熔煉工藝進(jìn)行篩選后，重點(diǎn)對(duì)奧斯麥特爐、底吹爐、側(cè)吹爐工藝進(jìn)行了考察和比較。奧斯麥特爐、底吹爐和側(cè)吹爐均是熔池熔煉工藝，具有原料適應(yīng)性強(qiáng)的共同優(yōu)點(diǎn)，符合“適應(yīng)銅原料復(fù)雜化”要求，三種熔池熔煉爐的能耗和加工成本，在一定規(guī)模下均符合國(guó)家頒布的新能耗要求。

1)底吹爐工藝。底吹爐工藝為國(guó)內(nèi)新開(kāi)發(fā)的煉銅技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是爐體水套少，爐體冷卻造成的熱損失在三種熔煉爐中最低，已投入運(yùn)行的爐子最大年處理精礦量為50萬(wàn)t，難以達(dá)到陰極銅20萬(wàn)t規(guī)模要求，同時(shí)，存在工藝渣含銅高且不穩(wěn)定、返料率高、作業(yè)率低、爐型放大困難等問(wèn)題，銅陵公司無(wú)操作管理經(jīng)驗(yàn)。

2)側(cè)吹爐工藝。側(cè)吹爐工藝同樣是國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的熔煉新技術(shù)，已投入運(yùn)行的爐子最大年處理精礦量55萬(wàn)t。優(yōu)點(diǎn)是爐體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工難度小，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，作業(yè)率高、返料率低、渣含銅低；缺點(diǎn)是爐體由大量銅水套拼裝而成，冷卻造成的熱量損失相比最高，需要補(bǔ)充大量二次風(fēng)，煙氣量大。產(chǎn)能擴(kuò)大的前景也相比較好，但技術(shù)和操作存在一定不確定性，銅陵公司無(wú)操作管理經(jīng)驗(yàn)。

3)奧斯麥特爐工藝。奧斯麥特爐在銅陵金昌冶煉廠最早成功應(yīng)用并得到推廣，是這三種熔池熔煉爐中最成熟的工藝。銅陵有色已經(jīng)熟練掌握其技術(shù)和操作，擁有一批熟練的操作和管理人員。世界上已建成的奧爐單臺(tái)實(shí)際年處理精礦達(dá)到130萬(wàn)t(湖北大冶有色)，能夠滿足年產(chǎn)陰極銅20萬(wàn)噸規(guī)模要求。奧爐工藝缺點(diǎn)是需要定期換槍，作業(yè)率比側(cè)吹爐低，廠房比側(cè)吹、底吹爐高，投資相比較大。

通過(guò)考察和比較，奧斯麥特爐熔煉是最符合本項(xiàng)目的工藝[3]，與環(huán)評(píng)批復(fù)的工藝符合性最大，環(huán)評(píng)變更難度最小，可充分發(fā)揮銅陵有色技術(shù)和操作的優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 吹煉工藝

結(jié)合所選的奧爐熔煉工藝和處理冶煉中間二次銅物料的需要，吹煉工序擬采用銅陵公司擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能數(shù)控吹煉技術(shù)[4]，充分發(fā)揮該工藝能夠處理部分冷料銅的優(yōu)勢(shì)。

智能數(shù)控吹煉采用在線連續(xù)準(zhǔn)確檢測(cè)和造渣、造銅期智能化終點(diǎn)判斷技術(shù)，解決了百余年來(lái)人工經(jīng)驗(yàn)終點(diǎn)判斷低效、安全風(fēng)險(xiǎn)大的世界性難題，提高了熱量利用效率與送風(fēng)時(shí)率，延長(zhǎng)了爐壽命，實(shí)現(xiàn)了煉銅轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝控制技術(shù)的重大突破。相比常規(guī)的PS轉(zhuǎn)爐吹煉工藝，具有造渣期和造銅期智能化終點(diǎn)判斷、熔體溫度在線連續(xù)準(zhǔn)確檢測(cè)、吹煉全程數(shù)模控制等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.2.3 冶煉煙氣制酸工藝

進(jìn)制酸系統(tǒng)的冶煉煙氣由熔煉、吹煉煙氣和擬建銅冠新技術(shù)公司冶煉煙氣組成，煙氣量110 000～230 000 Nm3/h，SO2濃度12%～15%。

國(guó)內(nèi)類似煙氣條件大規(guī)模單系列冶煉煙氣制酸裝置已有成功實(shí)踐，如金川有色集團(tuán)和大冶有色公司，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均較好。

本項(xiàng)目冶煉煙氣制酸裝置，在總結(jié)國(guó)內(nèi)大型硫酸裝置設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐基礎(chǔ)上，按單系列建設(shè)，采用國(guó)內(nèi)技術(shù)先進(jìn)、成熟可靠的“一級(jí)動(dòng)力波-填料洗滌塔-二級(jí)動(dòng)力波-兩級(jí)電霧”稀酸洗滌凈化、雙接觸“3+1”式四段轉(zhuǎn)化( ⅢⅠ-ⅣⅡ換熱流程)、兩次吸收的常壓接觸法制酸工藝，關(guān)鍵工序采用國(guó)際先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備。

2.2.4 陽(yáng)極精煉及電解精煉工藝

采用國(guó)內(nèi)技術(shù)先進(jìn)、成熟可靠的回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐精煉和PC電解精煉工藝。

2.2.5 環(huán)保治理工藝

1)低空污染煙氣治理。對(duì)奧爐、電爐、吹煉爐以及陽(yáng)極爐等工藝設(shè)備的放銅口、放渣口等煙氣逸散處設(shè)排煙罩就地捕集，以改善車(chē)間環(huán)境，減少低空污染。根據(jù)工藝特點(diǎn)，共設(shè)3套環(huán)境集煙系統(tǒng)，其中陽(yáng)極爐工藝煙氣+轉(zhuǎn)爐環(huán)境集煙系統(tǒng)煙氣經(jīng)布袋除塵器凈化后送入環(huán)境集煙脫硫系統(tǒng)，奧斯麥特爐區(qū)域及轉(zhuǎn)爐區(qū)廠房?jī)蓚€(gè)環(huán)境集煙系統(tǒng)煙氣直接送環(huán)境集煙脫硫系統(tǒng)。脫硫工藝通過(guò)綜合比較鈉堿法、石灰石(石灰)-石膏法、循環(huán)流化床法、氧化鎂法、亞硫酸鎂法、氨法、活性焦吸附法、離子液法(有機(jī)胺吸附解吸法)等[5]，決定采用一級(jí)離子液法、二級(jí)鈉堿法(符合環(huán)評(píng)批復(fù))回收SO2氣送制酸系統(tǒng)，最終經(jīng)煙囪達(dá)標(biāo)排放。

2)制酸尾氣脫硫。制酸尾氣采用離子液法脫硫，與冶煉環(huán)境集煙脫硫共用離子液再生系統(tǒng)，回收SO2氣送制酸系統(tǒng)，脫硫后煙氣經(jīng)120 m高環(huán)保煙囪達(dá)標(biāo)排放。

3)廢水治理。煙氣制酸產(chǎn)出的廢酸采用硫化沉淀-石灰中和工藝除去大部分硫酸、重金屬離子和砷等雜質(zhì)，再進(jìn)入廢水處理系統(tǒng)；廢水處理采用“二級(jí)中和-鐵鹽除砷”工藝處理達(dá)標(biāo)后，經(jīng)“二氧化碳+碳酸鈉”脫鈣工藝處理后回用于冶煉渣緩冷、渣水淬、精礦制粒、冶煉環(huán)集脫硫預(yù)洗滌等。廠區(qū)初期雨水經(jīng)收集后，送初期雨水處理站，采用絮凝反應(yīng)沉淀工藝，投加重金屬捕捉劑、生物制劑和絮凝劑進(jìn)行處理，經(jīng)處理后的廢水全部回用，不外排。廠區(qū)生產(chǎn)清潔廢水處理工藝流程采用過(guò)濾及反滲透處理工藝，經(jīng)處理并脫鈣后，回用于生產(chǎn)補(bǔ)充水。

經(jīng)上述處理后，滿足項(xiàng)目環(huán)評(píng)批復(fù)“項(xiàng)目生產(chǎn)廢水、循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水和初期雨水經(jīng)處理后全部回用，不得排入外環(huán)境。含重金屬?gòu)U水送至酸性廢水處理站，處理后全部回用”的要求，做到生產(chǎn)廢水零排放。

2.3 投資

2.3.1 提高設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率

除制酸SO2風(fēng)機(jī)、鍋爐循環(huán)泵等少數(shù)關(guān)鍵及重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)口外，其他如陽(yáng)極爐圓盤(pán)澆鑄機(jī)，電解系統(tǒng)專用吊車(chē)、陰極剝片機(jī)組、不銹鋼陰極板、陽(yáng)極整形加工機(jī)組，渣包車(chē)，余熱發(fā)電機(jī)組等重要設(shè)備選用國(guó)產(chǎn)，節(jié)省費(fèi)用2億元人民幣。

2.3.2 工藝及布置優(yōu)化

優(yōu)化的工藝及布置：縮減硫酸規(guī)模5%；縮減奧爐上升煙道，降低廠房高度5 m；取消奧爐、轉(zhuǎn)爐排風(fēng)機(jī)備用設(shè)備，同類風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等設(shè)備集中配置，實(shí)現(xiàn)同類設(shè)備互相備用；高排風(fēng)機(jī)及環(huán)境集煙風(fēng)機(jī)等設(shè)備露天布置。這些優(yōu)化措施節(jié)省費(fèi)用3 000萬(wàn)元，也減少了占地面積。

2.3.3 采用買(mǎi)氧氣方案

不建制氧系統(tǒng)，投資下降1.3億元。

2.3.4 設(shè)施共享

本廠址毗鄰“雙閃”工程，共享“雙閃”已有化學(xué)水站、備件庫(kù)、油庫(kù)、粗硫酸鎳、維修車(chē)間、化驗(yàn)中心等設(shè)施，節(jié)省費(fèi)用2 000萬(wàn)元。

2.4 方案結(jié)果

“奧爐改造工程”方案優(yōu)化后，采用“銅精礦配料-圓盤(pán)制粒-富氧頂吹熔池熔煉-智能數(shù)控吹煉-回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐精煉-PC電解精煉”的銅冶煉工藝，冶煉煙氣采用“一級(jí)動(dòng)力波-填料塔-二級(jí)動(dòng)力波-兩級(jí)電霧”稀酸洗滌凈化、“3+1”兩轉(zhuǎn)兩吸常壓接觸法制硫酸和制酸尾氣“離子液脫硫”工藝，冶煉環(huán)集煙氣經(jīng)布袋除塵后，采用“離子液脫硫+鈉堿法保安脫硫”工藝，以上均符合環(huán)評(píng)批復(fù)內(nèi)容。優(yōu)化方案和《環(huán)評(píng)批文》內(nèi)容見(jiàn)表2。

3 建設(shè)及投產(chǎn)運(yùn)行

2016年3月18日，項(xiàng)目建設(shè)全面開(kāi)工，2018年3月18日竣工點(diǎn)火，2018年5月18日投料試車(chē)，5月底順利產(chǎn)出主產(chǎn)品高純陰極銅和硫酸，標(biāo)志著生產(chǎn)工藝流程全線貫通。目前生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，高純陰極銅品位達(dá)99.99%，高純銅產(chǎn)出率達(dá)到99.0%，硫酸純度為98%，達(dá)到優(yōu)等品。制酸系統(tǒng)總轉(zhuǎn)化率≥99.9%，硫酸尾氣外排二氧化硫含量低于72 mg/Nm3，優(yōu)于國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，廠區(qū)無(wú)生產(chǎn)廢水外排。

表2 “奧爐改造工程”優(yōu)化方案和《環(huán)評(píng)批文》內(nèi)容表