硫化銅鈷精礦沸騰焙燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試

摘要：為進(jìn)一步提高產(chǎn)能，以剛果（金）某冶煉企業(yè)為例，介紹硫化銅鈷精礦沸騰焙燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行調(diào)試過程。該企業(yè)的硫化銅鈷精礦來自礦山選礦系統(tǒng)，精礦的礦物組成以黃銅礦、斑銅礦為主，含有較少的藍(lán)輝銅礦和很少的銅藍(lán)，而硫銅鈷礦為唯一的鈷礦物。采用沸騰焙燒—濕法浸出聯(lián)合工藝處理，最后得到陰極銅與氫氧化鈷產(chǎn)品。經(jīng)調(diào)試運(yùn)行，該沸騰焙燒系統(tǒng)達(dá)到并超過了設(shè)計(jì)產(chǎn)能。

關(guān)鍵詞：硫化銅鈷精礦；沸騰焙燒；設(shè)計(jì)；調(diào)試

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）02-00-05

Design and Commissioning of Boiling Roasting System for Copper Cobalt Sulfide Concentrate

—Taking a Smelting Enterprise in the Democratic Republic of Congo as an Example

HUANG Haihui1， ZHANG Jiao2， GAO Chong1， ZHOU Ping2

（1. Bgrimm Technology Group， Beijing 100160， China; 2. Kemika Mining Co.， Ltd.， Likasi 1004131， Congo （Kinshasa））

Abstract： To further improve production capacity， taking a smelting enterprise in the Democratic Republic of Congo as an example， this article introduces the design and operation commissioning process of the boiling roasting system for copper cobalt sulfide concentrate. The company’s copper cobalt sulfide concentrate comes from the mining beneficiation system， and the mineral composition of the concentrate is mainly chalcopyrite and bornite， with less blue chalcopyrite and little copper blue. Sulfur copper cobalt ore is the only cobalt mineral. The combined process of boiling roasting and wet leaching is used to obtain cathode copper and cobalt hydroxide products. After debugging and operation， the boiling roasting system has reached and exceeded the design capacity.

Keywords： copper cobalt sulfide concentrate; fluidized roasting; design; commissioning

2023年，剛果（金）的銅產(chǎn)量達(dá)到284萬t，位居全球第二；鈷的產(chǎn)量達(dá)到17萬t，位居全球第一[1]。剛果（金）加丹加地區(qū)為全球最大的高品位銅鉆資源礦區(qū)，具有原礦儲(chǔ)量大、品位高等特點(diǎn)[2]。當(dāng)?shù)劂~鉆資源可分為氧化礦、硫化礦、混合礦，其中氧化礦埋層較淺，氧化率極高，埋藏深度一般在0～120 m[3]。混合礦、硫化礦多位于深部礦體。隨著各企業(yè)礦山的不斷開采，氧化礦逐步枯竭，將逐步向深部開采混合礦、硫化礦。

針對(duì)硫化銅鈷礦的處理，目前主要采用加壓浸出、沸騰焙燒、火法熔煉等工藝[4-7]。其中，加壓浸出、火法熔煉的技術(shù)門檻高，需要穩(wěn)定的電力供應(yīng)，而剛果（金）的基礎(chǔ)設(shè)施不完善，電力供應(yīng)不足，時(shí)常發(fā)生停電。因此，加壓浸出、火法熔煉工藝在剛果（金）的應(yīng)用較少。沸騰焙燒工藝具有投資少、運(yùn)行成本低、原料適應(yīng)性廣、操作簡單及穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，逐步成為剛果（金）及非洲地區(qū)處理硫化銅鈷礦的主流工藝。目前，已經(jīng)有9家企業(yè)使用沸騰焙燒工藝處理硫化礦，其中在運(yùn)行的有中鐵資源剛果（金）綠紗銅鉆礦項(xiàng)目、華剛礦業(yè)股份有限公司、華友鈷業(yè)CDM冶煉廠、Mikas冶煉廠、科米卡礦業(yè)簡易股份有限公司、嘉能可KCC冶煉廠、薩布韋龍溪銅礦及五礦資源金塞維爾改擴(kuò)建焙燒制酸項(xiàng)目。還有3家在建設(shè)中，包括瓦西礦業(yè)公司穆松尼銅鈷精礦深加工項(xiàng)目、Etoile項(xiàng)目、凱鵬礦業(yè)有限責(zé)任公司剛果（金）銅精礦焙燒制酸項(xiàng)目。

1 沸騰焙燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 主要工藝流程

硫化銅鈷精礦焙燒的主要目的是在一定溫度下，將礦石中的硫化物轉(zhuǎn)化為硫酸鹽及氧化物，以便下一步浸出硫酸，將有價(jià)元素銅、鈷從礦石中轉(zhuǎn)移到溶液中，進(jìn)而提取陰極銅、氫氧化鈷及碳酸鈷[8-11]。焙燒的主要原理為

4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2（1）

2Cu5FeS4+17O2=5CuSO4+Fe2O3+5CuO+3SO2（2）

4CuFeS2+15O2=4CuSO4+2Fe2O3+4SO2（3）

2Cu2S+5O2 =2CuSO4+2CuO（4）

Cu2S+2O2=2CuO+SO2（5）

2SO2+O2=2SO3（6）

S+O2=SO2（7）

沸騰焙燒一般分為漿式進(jìn)料與干式進(jìn)料，由于漿式進(jìn)料更均勻，對(duì)環(huán)境友好，因此得到更廣泛的應(yīng)用。本項(xiàng)目的焙燒系統(tǒng)采用漿式進(jìn)料的方式，主要流程如下。硫化銅鈷精礦從選礦壓濾車間通過皮帶輸送至原料車間地下礦坑。通過橋式抓斗起重機(jī)將硫化精礦加入調(diào)漿槽內(nèi)，調(diào)成礦漿濃度為70%左右的漿料；調(diào)好的礦漿自流入振動(dòng)篩進(jìn)行分級(jí)，篩下物為合格礦漿，自流進(jìn)入過渡槽，經(jīng)軟管泵打到焙燒車間的儲(chǔ)漿槽備用，篩上物返回硫化礦磨礦系統(tǒng)。焙燒區(qū)域儲(chǔ)漿槽的礦漿通過軟管泵輸送到礦漿分配器，之后礦漿自流進(jìn)入焙燒爐。在爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)硫酸化焙燒，焙砂水淬后進(jìn)入濕法浸出系統(tǒng)[12-15]。焙燒爐含二氧化硫的煙氣依次經(jīng)過表冷器、旋風(fēng)收塵、兩級(jí)動(dòng)力波洗滌及一級(jí)填料塔，兩級(jí)電除霧后送到制酸系統(tǒng)。

1.2 主要設(shè)備選擇

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理規(guī)模為300 t/d硫化銅精礦，原料含硫30%，含銅21%，含鈷10%，含鐵16.65%。主要設(shè)備選型如下。

1.2.1 調(diào)漿槽

調(diào)漿槽溶液量為206 m3/d，制備每槽所需時(shí)間為8 h，一天制備3次，槽體有效利用系數(shù)為0.85，計(jì)算需要槽體容積為80.5 m3?？紤]一定富裕系數(shù)，設(shè)計(jì)中采用4臺(tái)Φ3 500 mm×4 000 mm槽子交替運(yùn)行。

1.2.2 儲(chǔ)漿槽

儲(chǔ)漿槽溶液量為206 m3/d，儲(chǔ)存時(shí)間為36 h，槽體有效利用系數(shù)為0.85，計(jì)算反應(yīng)槽容積為362.2 m3，設(shè)計(jì)中采用2臺(tái)Φ6 000 mm×7 000 mm槽子。

1.2.3 沸騰焙燒爐

沸騰焙燒爐的選型參數(shù)如表1所示

1.2.4 爐底風(fēng)機(jī)

根據(jù)硫化銅鈷精礦成分計(jì)算出焙燒爐需要的空氣量為25 826 Nm3/h[16-17]。按照夏季溫度為37 ℃，當(dāng)?shù)貧鈮簽?3.3 kPa，考慮管道系統(tǒng)漏風(fēng)，留有富余30%，經(jīng)計(jì)算選擇風(fēng)機(jī)參數(shù)如下：流量為776 m3/min，壓力為34.2 kPa。焙燒系統(tǒng)主要設(shè)備及規(guī)格如表2所示。

2 焙燒系統(tǒng)調(diào)試

2.1 烘爐

烘爐用于使?fàn)t墻中的水分緩慢逸出蒸發(fā)，避免水分蒸發(fā)過快。烘爐前先在爐床風(fēng)帽上面均勻鋪設(shè)一層100 mm厚的河沙，之后在上面放置木柴，先用木材烘爐，根據(jù)爐溫變化情況來確定添加木材量。點(diǎn)火后逐漸升溫，速度控制在10 ℃/h左右，在爐溫為120℃時(shí)，恒溫?zé)?.5 d；然后再升溫，速度控制在10 ℃/h左右，控制爐溫240 ℃左右恒溫烘烤3 d；然后再升溫，速度控制在15 ℃/h左右，控制爐溫420 ℃左右恒溫烘烤2 d；直到爐氣出口水分含量恒定不再下降為止；然后用噴油槍緩慢升溫，速度控制在20 ℃/h左右，直到650～660 ℃左右恒溫?zé)? d；最后將爐子緩慢升溫至840 ℃，速度控制在15 ℃/h左右，恒溫1 d。升溫過程中不允許溫度回降。最后熄火關(guān)閉爐門自然降溫到40～50 ℃，對(duì)爐子進(jìn)行保溫。加溫和烘烤時(shí)間共12 d，熄火后自然降溫3 d，總周期約15 d。烘爐過程中，必須注意觀察爐頂?shù)乃肿兓匾獣r(shí)可以采取提高爐頂溫度、延長烘烤時(shí)間、在爐頂外殼開孔等措施。

2.2 礦漿濃度與比重的測試

漿式進(jìn)料對(duì)礦漿濃度的要求高，沸騰焙燒建成投產(chǎn)時(shí)，必須根據(jù)原料特點(diǎn)與工藝要求，精準(zhǔn)控制礦漿濃度。目前，各企業(yè)普遍采用1 L的比重壺來檢測礦漿濃度。本項(xiàng)目所處理的硫化銅鈷精礦真比重為3.35 t/m3。所采用的比重壺重220 g，經(jīng)計(jì)算標(biāo)定，不同礦漿濃度對(duì)應(yīng)的重量如表3所示。

2.3 給料量的測定

漿式給料的礦漿濃度一般在70%左右，設(shè)計(jì)中普遍采用軟管泵進(jìn)行輸送。根據(jù)各企業(yè)的反饋，這么高濃度的礦漿輸送，若采用流量計(jì)計(jì)量給料量，誤差較大，因此生產(chǎn)上一般先對(duì)軟管泵進(jìn)行給料量的標(biāo)定。測試的方法：在軟管泵出口管路上準(zhǔn)備好空油桶，開啟軟管泵，調(diào)到一定轉(zhuǎn)速（赫茲），當(dāng)管路內(nèi)礦漿均勻流出時(shí)，接料1～2 min（視容器的大小而定），然后稱重算出該轉(zhuǎn)速的給料量。按同樣的方式測定其他轉(zhuǎn)速的給料量，最后通過生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)一步校核，最終制定一份不同轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)給料量表格供生產(chǎn)參考。本項(xiàng)目所測定的軟管泵給料量如表4所示。生產(chǎn)過程需要輸送一定的高度，在一定承壓下，軟管的輸送量有所下降，但此數(shù)值誤差在7.2%以內(nèi)，不影響沸騰爐運(yùn)行所需調(diào)節(jié)的礦量。

2.4 空床壓力（風(fēng)帽阻力）的測定

沸騰焙燒爐空床壓力的測定有助于生產(chǎn)過程中控制爐床料層的厚度，可直觀通過爐底壓力判斷爐料的高度。本項(xiàng)目的空床壓力測試值如表5所示。沸騰爐的溢流口高度為1.4～1.6 m（可調(diào)），運(yùn)行風(fēng)量為25 000～27 000 Nm3/h，根據(jù)計(jì)算，爐底操作壓力控制在16～19 kPa比較合適。

2.5 料槍壓縮空氣壓力的測定

沸騰焙燒爐采用漿式進(jìn)料時(shí)，為了避免進(jìn)入爐內(nèi)的礦漿堆積及燒結(jié)成大顆粒，應(yīng)設(shè)計(jì)合理的料槍結(jié)構(gòu)與壓縮空氣壓力，使噴入爐內(nèi)的礦漿得到及時(shí)霧化。因此，在正式給料前，需要對(duì)料槍進(jìn)行測試，以確定合適的壓縮空氣值。當(dāng)壓縮空氣壓力過小時(shí)，礦漿的霧化效果差，部分礦漿以液滴的形式掉入爐床；當(dāng)壓縮空氣壓力過大時(shí)，壓縮空氣將通過礦漿管道返回料槍分配器，造成礦漿給料不暢。經(jīng)過測試，本項(xiàng)目料槍合適的壓縮空氣壓力為0.10～0.25 MPa?，F(xiàn)場料槍壓力測試如圖1所示。

2.6 熱態(tài)投料調(diào)試

2.6.1 底料的選擇原則

在進(jìn)行完冷態(tài)調(diào)試準(zhǔn)備工作后，就可進(jìn)入熱態(tài)投料調(diào)試。沸騰焙燒采用漿式進(jìn)料時(shí)，必須事前準(zhǔn)備一定厚度的底料，一般按600～800 mm準(zhǔn)備。底料粒度應(yīng)考慮合適的粒徑，過細(xì)的物料在升溫過程會(huì)吹跑，導(dǎo)致投料時(shí)，料層薄，儲(chǔ)熱不足，投入爐內(nèi)的礦漿不易發(fā)生反應(yīng)。底料粒度也不能太粗，以過篩4 mm的篩網(wǎng)較合適。底料的水分不宜過高，水分≤1%較好。底料選擇河沙或者焙砂較合適，也可以采用尾礦、氧化礦等低硫的礦物。鋪好底料后需要進(jìn)行冷沸騰試驗(yàn)，以此確定微沸騰與全沸騰時(shí)對(duì)應(yīng)的最小風(fēng)量。本項(xiàng)目采用河沙作為底料，鋪設(shè)厚度為700 mm，經(jīng)冷沸騰試驗(yàn)得到微沸騰最小風(fēng)量為8 000 Nm3/h，全沸騰最小風(fēng)量為20 000 Nm3/h。

2.6.2 升溫方式

經(jīng)過前面準(zhǔn)備工作后，就可以進(jìn)入熱態(tài)投料調(diào)試。沸騰焙燒爐經(jīng)過烘爐后，投料升溫時(shí)間就可以控制在20 h內(nèi)。升溫操作一般有兩種形式：一種是靜態(tài)升溫，即開始升溫時(shí)，不啟動(dòng)爐底風(fēng)機(jī)，當(dāng)料層上表面溫度達(dá)到500～600 ℃時(shí)，開啟爐底風(fēng)機(jī)緩緩翻動(dòng)一次料層，直到爐底溫度低于400 ℃時(shí)停止鼓風(fēng)，反復(fù)多次直到料溫升至500 ℃以上，不停火，開小風(fēng)微沸騰，料溫繼續(xù)升溫至650 ℃以上，具備投料條件；另一種是動(dòng)態(tài)升溫，即開始升溫時(shí)，就啟動(dòng)爐底風(fēng)機(jī)，開小風(fēng)使物料處于微沸騰狀態(tài)，隨著料層溫度上升逐步增加風(fēng)量，最終料溫緩慢上升至650 ℃以上，具備投料條件。本項(xiàng)目采用動(dòng)態(tài)升溫方式，升溫過程中最多同時(shí)運(yùn)行4支燃燒器，升溫過程控制爐底風(fēng)量≤15 000 Nm3/h。升溫過程中將爐頂蓋打開，避免將煙氣引入后續(xù)制酸系統(tǒng)。

2.6.3 投料

大部分企業(yè)將投料的礦漿濃度調(diào)到70%～72%，含硫量調(diào)整到20%以上。本項(xiàng)目礦物中硫的含量比原來設(shè)計(jì)低很多，含硫只有17%～18%。為了保證投料的成功率，采用添加硫磺的形式，將礦物中的硫含量調(diào)整到22%～23%。當(dāng)?shù)琢仙郎氐?80 ℃時(shí)啟動(dòng)投料程序，剛開始投料時(shí)保持3支燃燒器正常運(yùn)行。將爐底風(fēng)量調(diào)整到24 000 Nm3/h，啟動(dòng)軟管泵往礦漿分配器送料，礦漿通過礦漿分配器后，給料槍分4路均勻往沸騰爐供礦漿，爐床溫度有所下降，開始投礦量設(shè)定在10 t/h左右，投料5 min后，爐溫下降到650 ℃左右，但下降趨勢明顯變緩，此時(shí)關(guān)閉一支燃燒器。隨后逐步增加風(fēng)量與給料量，在15 min內(nèi)逐步關(guān)閉3支燃燒器，爐內(nèi)物料實(shí)現(xiàn)自然平衡。在投料過程中，爐溫降低到620 ℃左右，之后止穩(wěn)回升到正常溫度。燃燒器關(guān)閉后，焙燒產(chǎn)生的煙氣引入后續(xù)制酸系統(tǒng)，調(diào)試投料取得成功。系統(tǒng)正常運(yùn)行后，投礦量為300 t/d，焙燒溫度為650～680 ℃，爐底風(fēng)量為24 000～27 000 Nm3/h，每根給料槍壓縮空氣壓力控制在0.15～0.2 MPa。

3 結(jié)論

剛果（金）某冶煉企業(yè)設(shè)計(jì)采用沸騰焙燒—濕法冶煉工藝處理銅鈷硫化精礦，該工藝成熟可靠，設(shè)備選型經(jīng)濟(jì)合理，為生產(chǎn)成功調(diào)試提供了良好的基礎(chǔ)。先進(jìn)行冷態(tài)調(diào)試及理論計(jì)算，為熱態(tài)調(diào)試提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。實(shí)踐表明，生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)基本與前面的冷態(tài)調(diào)試、理論計(jì)算數(shù)值一致。調(diào)試成功后系統(tǒng)穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，目前該系統(tǒng)每天可處理含硫18%左右的硫化銅鈷精礦400 t/d以上，超出了設(shè)計(jì)產(chǎn)能。本項(xiàng)目的成功運(yùn)行，為剛果（金）銅鈷硫化礦處理新增一套沸騰焙燒系統(tǒng)，沸騰焙燒工藝已成為剛果（金）處理硫化銅鈷精礦工業(yè)開發(fā)應(yīng)用的主流工藝。

參考文獻(xiàn)

1 于 佳.感受非洲真實(shí)的律動(dòng)和心跳[J].中國工人，2024（6）：71.

2 李向前，閆艷玲，徐憲立.剛果（金）加丹加省堪蘇祁銅鈷礦床銅鈷礦物賦存狀態(tài)研究[J].礦產(chǎn)與地質(zhì)，2009（3）：253-257.

3 劉媛媛，楊洪英，陳國寶，等.贊比亞某復(fù)雜氧化銅鈷礦石的工藝礦物學(xué)研究[J].有色冶金節(jié)能，2016（3）：13-18.

4 孟祥龍，張海寶，陳燕杰，等.剛果（金）銅鈷礦處理方法綜述[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2022（1）：1-4.

5 陳 雄，李亞新，江 源，等.剛果（金）某低品位氧化銅鈷礦強(qiáng)化還原浸出試驗(yàn)研究[J].有色金屬工程，2023（6）：66-72.

6 謝洪珍，王梅君，陳慶根，等.剛果（金）某銅鈷礦酸浸實(shí)驗(yàn)研究[J].礦冶工程，2018（6）：116-118.

7 孫留根，王 云，劉大學(xué)，等.銅鈷精礦焙燒浸出試驗(yàn)研究[J].有色金屬（冶煉部分），2012（8）：14-16.

8 李 鑫，周 韞，王含淵.剛果（金）某硫化銅鈷精礦沸騰焙燒試驗(yàn)研究[J].礦冶工程，2015（2）：129-131.

9 蘭瑋鋒.銅鈷硫化物精礦氧壓浸出工藝研究[J].礦冶工程，2018（4）：115-117.

10 李 賀，劉三平，王海北，等.剛果（金）某硫化銅鈷精礦加壓浸出研究[J].有色金屬（冶煉部分），2019（5）：17-19.

11 李相良，薛濟(jì)來，秦樹辰，等.低品位氧化銅鈷礦堆浸試驗(yàn)研究[J].礦冶工程，2024（5）：105-108.

12 范海寶，高丹校，王 順，等.剛果（金）SICOMINES銅鈷礦浮選-磁選工藝優(yōu)化研究[J].礦冶，2023（6）：52-58.

13 朱 丹，孫小俊，程國柱，等.利用AMICS測試技術(shù)分析冶煉礦渣中Cu-Co元素的賦存狀態(tài)[J].有色金屬（選礦部分），2023（4）：10-16.

14 楊遠(yuǎn)坤，廖銀英，曾惠明.剛果（金）高炭質(zhì)頁巖銅鈷礦脫碳精礦回收銅鈷試驗(yàn)研究[J].有色金屬（選礦部分），2023（4）：59-65.

15 劉佳鵬，徐敬元，馮興亮，等.剛果（金）某高鈣鎂銅鈷礦的選冶聯(lián)合試驗(yàn)研究[J].有色金屬（選礦部分），2023（3）：101-109.

16 郜 偉，肖儀武，方明山.非洲某硫化銅鈷礦銅鈷賦存特征與可選性[J].礦冶，2022（6）：114-119.

17 石玉臣，張恩普，張 驕，等.剛果（金）某難處理氧化銅鈷礦硫酸浸出試驗(yàn)研究[J].有色金屬工程，2021（5）：45-51.

收稿日期：2024-12-13

作者簡介：黃海輝（1982—），男，廣東連州人，碩士，正高級(jí)工程師。研究方向：冶金工藝研究與設(shè)計(jì)。