含銅污泥直接還原熔煉回收銅工藝分析

劉俊江

（韶關(guān)鵬瑞環(huán)保科技有限公司，廣東 韶關(guān) 512000）

研究發(fā)現(xiàn)，我國電鍍企業(yè)年生產(chǎn)電鍍污泥達(dá)1000萬t，大量有價(jià)金屬均在可回收范圍，對(duì)重金屬污泥資源回收技術(shù)較多，包括焙燒、浸出、置換電解及微生物處理等技術(shù)[1]。國內(nèi)處理污泥主要使用高溫還原法，使用鼓風(fēng)爐熔煤煉工藝，原料干燥后，制磚機(jī)制磚，晾干后輸送到鼓風(fēng)爐熔煉，產(chǎn)出合金或品位低初級(jí)金屬。工藝流程短，而且銅回收率高，此項(xiàng)工藝技術(shù)也十分成熟。由于傳統(tǒng)鼓風(fēng)爐加料口容易漏入空氣，出口煙氣大，燃料消耗多，環(huán)境差[2]。隨著我國硫化銅礦山開采、銅冶煉工業(yè)和銅深加工工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)時(shí)有大量含銅酸性廢水，對(duì)此廢水處理對(duì)含銅污泥如果不及時(shí)處理，也會(huì)對(duì)地下水造成污染，甚至污染環(huán)境，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞，最終危害到人體的健康[3]。很多金屬資源都屬于不可再生資源，受此因素影響，能源短缺的問題也會(huì)使經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展受到影響。金屬資源在自然界不能再生，其中含銅污泥作為可再生資源，需要對(duì)此資源進(jìn)行再利用和開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)可循環(huán)經(jīng)濟(jì)，同時(shí)，對(duì)能源起到有效的節(jié)約作用，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約型社會(huì)，使銅資源的利用得到保障[4]。下面對(duì)含銅污泥還原熔煉回收銅工藝進(jìn)行簡(jiǎn)單的論述，僅供參考。

1 含銅污泥原料性質(zhì)分析

含銅污泥原料由某礦山選取，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)試驗(yàn)觀察，可以生成細(xì)礦物，是鐵氫氧化物、鋁氫氧化物和碳酸鹽等混合物，也有少量黃鐵礦和石英、明礬石及銅硫化物等，對(duì)其化學(xué)成分分析發(fā)現(xiàn)，其中銅含量占3.93，TFe占12.73，SiO2占10.75，TS占3.30，CaO占10.87，Al2O3占17.75，Na2O占1.26，As占0.017，Zn占0.46，MgO占0.27，TC占1.74；對(duì)熔劑石英石、石灰石的化學(xué)成分進(jìn)行分析，其中石英石中SiO2占91.86，CaO占0.14，Al2O3占1.51，MgO占0.023，F(xiàn)e占0.079；而石灰石中SiO2占8.47，CaO占68.18，Al2O3占1.13，MgO占0.08，F(xiàn)e占0.58；對(duì)還原劑無煙煤的化學(xué)成分進(jìn)行分析，其中固定碳占66.10，Al2O3占13.69，CaO占0.42，MgO占0.16，TS占2.37。

2 含銅污泥還原回收銅工藝原理分析

通過以上對(duì)含銅污泥原料、熔劑中化學(xué)成分的分析，電鍍污泥內(nèi)銅含量低，以濕法浸出工藝，流程過長(zhǎng)，而且會(huì)消耗較大的浸出藥劑，工藝復(fù)雜，也會(huì)增加生產(chǎn)成本，甚至出現(xiàn)大量含有重金屬成分廢水，對(duì)這些廢水處理成本較高，還會(huì)導(dǎo)致二次污染。分析這些性質(zhì)特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，電鍍污泥選擇火法處理，可以將廢物轉(zhuǎn)化為玻璃態(tài)固化渣，無害化處理，還能對(duì)有價(jià)值金屬銅進(jìn)行回收。經(jīng)過冶煉廠初步加工，可以防止深度處理造成二次污染。污泥無害化回收銅成分，可以解決環(huán)保差的問題。對(duì)含銅污泥還原工藝原理進(jìn)行分析，觀察其反應(yīng)方程式為Cu(OH)2→CuO+H2O，高溫900℃完成氧化銅還原反應(yīng)。溫度高于570℃，氧化鐵還原氧熱按分解壓從大到小分級(jí)，分別是Fe2O3→FeO→Fe，這一過程也是還原反應(yīng)的過程。當(dāng)高溫熔煉時(shí)選擇造渣反應(yīng)[5]。

3 含銅污泥還原回收銅工藝試驗(yàn)分析

3.1 直接還原熔煉條件

（1）石英石用量條件固定，含銅污泥中還原劑煤為7%，石灰石用量為12%，控制熔煉溫度在1280℃，控制時(shí)間在2h。而石英石的用量在含銅污泥中占3%、5.5%、8%、10.5%、13%、15.5%，對(duì)不同變量進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1所示。結(jié)果證明，石英石添加不足13%，銅加收率較低，隨著石英石增加，也會(huì)提高銅回收率。石英石加入量高于13%，石英石加入量越大，銅回收率越低。這是由于石英石加入量低，含量污泥內(nèi)FeO、SiO2其接觸十分緊密，在還原過程中容易形成鐵橄欖石，熔點(diǎn)在1205℃，再此狀態(tài)下加石英石，會(huì)降低熔點(diǎn)，到達(dá)1170℃，出現(xiàn)共晶混合物，從而影響銅回收率[6]?？梢姡⑹尤脒^量，和中和渣內(nèi)石灰石反應(yīng)，也會(huì)導(dǎo)致熔點(diǎn)高達(dá)1500℃，形成硅灰石或硅鈣石，導(dǎo)致爐渣粘度過大，影響銅的回收率。所以，要控制加入石英石劑量在13%，控制銅回收率達(dá)到67.9%。

圖1 石英石加入量對(duì)銅回收率的影響

（2）石灰石用量條件固定，其中還原劑煤為含銅污泥7%，石英石用量13%，控制熔煉溫度在1280℃，控制2h熔煉。其中石灰石用量為變量，是含銅污泥3%、6%、9%、12%、15%，當(dāng)加入量低于9%，石灰石加入劑量增加，提高銅的回收率；石灰石用量超出9%，隨著石灰石用量的增加，會(huì)降低銅的回收率。這是由于爐渣粘度、渣中CaO與SiO2/ Al2O3的比值密切相關(guān)，隨著Al2O3的增加堿度，生成溫度會(huì)降低，提升銅回收率。當(dāng)CaO超出一定值，增加CaO，會(huì)導(dǎo)致粘度過高，影響流動(dòng)性，堿度提高后會(huì)使?fàn)t渣礦物結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致正硅酸鈣含量過高，使熔點(diǎn)礦物出現(xiàn)非均勻相，熔化溫度升高，影響流動(dòng)性，從而影響銅的回收率。所以，石灰石用量控制在9%，能保證銅回收率達(dá)到92.25%。

（3）熔煉溫度。將還原劑煤控制在7%，石英石控制在13%，石灰石控制在9%，熔煉2h。這些指標(biāo)固定后，對(duì)熔煉溫度變量分析，分別設(shè)作1250℃、1280℃、1310℃、1350℃，不同溫度下對(duì)銅回收率進(jìn)行分析。當(dāng)熔煉溫度升高時(shí)，會(huì)增加銅回收率，增加液態(tài)爐渣質(zhì)點(diǎn)熱運(yùn)動(dòng)，減弱離子間靜電引力，影響粘度。溫度上升能促進(jìn)還原反應(yīng)進(jìn)行，促進(jìn)銅金屬還原。溫度上升可以降低爐渣粘度，促進(jìn)金屬相聚集、沉降，利于渣金屬分離，促進(jìn)渣排放。可是，如果溫度過高也會(huì)加大能耗，對(duì)爐襯侵襲過大，所以，經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，控制熔煉溫度在1310℃，保證銅回收率94.56%，可以取得最理想的試驗(yàn)結(jié)果。

（4）熔煉時(shí)間。將還原劑煤固定7%、石英石固定在13%和石灰石固定在9%，控制熔煉溫度在1310℃，將這些條件固定后，以熔煉時(shí)間為變量進(jìn)行試驗(yàn)，分別對(duì)0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h不同變量時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，熔煉溫度合適狀態(tài)下，在延長(zhǎng)熔煉時(shí)間后，能保證銅金屬還原更充分，使其在熔渣內(nèi)可以充分的沉降，提高銅的回收率。但是，也要控制適宜的時(shí)間，如果熔煉時(shí)間過長(zhǎng)，還會(huì)導(dǎo)致能量消耗過度，影響銅金屬的品位[7]，影響爐子處理能力，對(duì)爐體造成過度侵蝕?？刂七€原熔煉時(shí)間最佳狀態(tài)在1h，可以提高生產(chǎn)效率，控制銅回收率達(dá)到93.86%。

（5）還原劑用量。當(dāng)石英石固定在13%，石灰石固定在9%，控制1h熔煉時(shí)間，1310℃溫度后，這些條件為固定條件，將還原劑煤用量設(shè)計(jì)成變量，分別設(shè)計(jì)成1%、2.5%、4%、5.5%、7%等各個(gè)指標(biāo)，對(duì)其試驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，還原劑低于銅污染5.5%，隨著還原劑使用量增加，會(huì)提高銅的回收率。當(dāng)還原劑使用量大于5.5%，隨著還原劑煤用量增加，會(huì)降低銅的回收率。當(dāng)還原劑使用量過大，還會(huì)影響銅品位，增加冶煉成本。試驗(yàn)結(jié)果顯示，最佳還原劑煤用量控制到5.5%，還原銅回收率能達(dá)到93.92%。

3.2 正交試驗(yàn)

含銅污泥直接還原熔煉，通過正交試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)，在對(duì)還原劑用量、時(shí)間、溫度等條件固定后，確定石英石用量13%，石灰石用量9%，結(jié)果顯示直接比較選出水平組合，控制在1340℃、80min熔煉時(shí)間、加入4.5%煤用量可以達(dá)到銅94.85的回收率，回收率最高。其中影響銅回收率最大因素是時(shí)間，其次是還原劑用量、溫度，通過分析確定最優(yōu)水平組合。分析影響試驗(yàn)因素，確定主次關(guān)系，避免溫度過高增加能耗，也要避免還原劑用量過大增加成本。最佳選手以是80min、4.5煤加入量和1280℃。對(duì)不同組合驗(yàn)證計(jì)算，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)組合，含銅污泥直接還原熔煉工藝最佳組合為80min、4.5煤加入量和1280℃，保證銅回收率達(dá)到93.89%。

4 小結(jié)

總之，含銅污泥直接還原熔煉回收銅工藝，通過以上試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，固定各項(xiàng)條件后，對(duì)不同變量的分析，結(jié)果顯示，最佳組合合適的工藝數(shù)據(jù)為，石英石13%，石灰石9%，控制80min熔煉時(shí)間，使用4.5%煤用量，控制1310℃熔煉溫度，能保證銅93.89%的回收率。通過直接還原熔煉工藝的應(yīng)用，可以保證熔爐內(nèi)爐渣的穩(wěn)定性能，避免污染環(huán)境，也能將爐渣用于建筑輔材、水泥生產(chǎn)等原料中使用，不僅能控制環(huán)境不受污染，而且能起到重要的經(jīng)濟(jì)效益，從而實(shí)現(xiàn)重要的社會(huì)效益，用于含銅污泥處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)銅回收的實(shí)現(xiàn)，保證銅回收率，已成為施工中常用的技術(shù)工藝。