MetCal軟件在沸騰爐處理硫化銅礦設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TF811 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1004-4345（2025）03-0021-05

Abstract Thefludizedbedroastingofcoppersulfideconcentrateincludes threeforms：oxidationroasting，vulcanizationroasting， and semi-vulcanization roasting.Taking a copper sulfide concentrate with a copper grade of 60% and a sulfur grade of 17% in the DemocraticRepublicofCongoasthebject，afluidizedbedroastingsystem model wasconstructedusingMetCal softwarebasedon the parameters such as wind- ?to- ore ratio of 1.5m³/kg and oxygen excess coefficient of 1.2，to simulate the mass balance，heat balance， and gas composition under diffrent roasting conditions.The results indicate that the oxidation roasting （ S 750 A ） requires sulfur adding to maintain heat balance，the vulcanization roasting （650＼～670 C ）requires7.36 t/h cooling water to control overheating，The semi （20 vulcanization roasting （（700 C ） is the critical point of heat balance at 40% acidification rate（SO volume fraction of 0.719% ）. The calculation of furnacehearth area（ ?22m ），optimization of sulfur addition mode and design of the cooling system can provide data support for the engineering solution of the fluidized bed roaster.

Keywordscopper sulfideores;fluidized-bedroasting;MetCal;processsimulation;oxidationroastig;vulcanizationroasting; semi-vulcanization roasting

隨著濕法煉銅技術(shù)的發(fā)展，其在銅冶煉行業(yè)中的應(yīng)用比例日益提高。硫化銅精礦處理常采用焙燒 + 銅提取全濕法系統(tǒng)、火法熔煉及加壓浸出3種工藝。目前，剛果（金）的有色冶金工廠多采用“焙燒 + 水淬浸出 + 萃取電積\"的火濕聯(lián)合工藝處理硫化銅精礦1]硫化銅精礦焙燒的目的是使礦物銅轉(zhuǎn)化為可溶于酸的 CuO 或 CuSO₄ ，同時(shí)將Fe轉(zhuǎn)化為 Fe₂O₃ 或 FeSO₄ ，便于后續(xù)除雜及提銅。本文以剛果（金）某銅品位60% 、硫品位 17% 的硫化銅精礦（主要成分為輝銅礦Cu₂S 及黃銅礦 CuFeS₂ 為例，利用MetCal軟件模擬焙燒過程，分析不同焙燒方式下的質(zhì)量平衡、熱量平衡及煙氣成分，為工廠設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

1硫化銅精礦沸騰焙燒工藝介紹

上游選廠將礦漿濃度為 70% 的硫化銅精礦濃密機(jī)底流直接泵送至焙燒車間，通過調(diào)漿槽分配管泵送至沸騰爐內(nèi)。富氧空氣與爐底羅茨風(fēng)機(jī)提供的流化空氣混合后鼓入爐內(nèi)，使精礦顆粒保持懸浮狀態(tài)。焙燒過程發(fā)生的主要反應(yīng)有：

2Cu₂S+5O₂=2CuSO₄+2CuO

CuFeS₂+40₂=CuSO₄+FeSO₄

4CuFeS₂+15O₂=4CuSO₄+2Fe₂O₃+4SO₂

2Fe₂（SO₄）₃=2Fe₂O₃+6SO₂+3O₂

2CuSO₄=2CuO+2SO₂+O₂

2SO₃=2SO₂+O₂

2CaCO₃+2SO₂+O₂=2CaSO₄+2CO₂

2MgCO₃+2SO₂+O₂=2MgSO₄+2CO₂

CaCO₃=CaO+CO₂

MgCO₃=MgO₊CO₂

熱力學(xué)分析表明，硫化銅精礦焙燒存在特定的轉(zhuǎn)變溫度：在較低溫度（約 650～670^°C 時(shí)，焙燒狀態(tài)為硫酸化焙燒，主要產(chǎn)物為 CuSO₄，F(xiàn)eSO₄ 和 Fe₂（SO₄）₃ ，同時(shí)大部分 CaCO₃，MgCO₃ 易與煙氣中 SO₂ 反應(yīng)生成 CaSO₄，MgSO₄ ;當(dāng)溫度升高至 670～750^°C 時(shí)，焙燒狀態(tài)轉(zhuǎn)化為半硫酸化焙燒，此時(shí)輝銅礦 （Cu₂S） 及黃銅礦 （CuFeS₂） 部分生成 CuO、Fe₂O₃ ，部分生成 CuSO₄ 、FeSO₄，F(xiàn)e₂（SO₄）₃ ；而在更高溫度（ gt;750^°C ）下，焙燒狀態(tài)屬氧化焙燒，主要產(chǎn)物為 CuO、Fe₂O₃ 和 Fe₂（SO₄）₃ ，大部分 CaCO₃，MgCO₃ 分解為 CaO、MgO^[6] 。因此，可根據(jù)精礦成分及全廠酸平衡需求，調(diào)控焙燒工藝為氧化焙燒、硫酸化焙燒或半硫酸化焙燒。

2沸騰爐模型搭建

沸騰爐模型搭建步驟如下：1）新建計(jì)算文件，輸入項(xiàng)目信息、作業(yè)制度、計(jì)算單位、硫化銅精礦成分、含水率等基本信息；2）分別創(chuàng)建氧化焙燒、硫酸化焙燒及半硫酸化焙燒的模型；3）設(shè)置不同焙燒方式下各單元的約束條件，通過富氧濃度、氧氣過剩系數(shù)、風(fēng)礦比等對(duì)模型進(jìn)行聯(lián)鎖控制；4）輸入熱損失值、漏風(fēng)量等數(shù)值；5）模擬既定參數(shù)下不同焙燒方式的爐況，輸出設(shè)計(jì)限值。3種模式下焙燒模型見圖1。

3沸騰焙燒模擬計(jì)算

影響沸騰焙燒系統(tǒng)的主要因素有沸騰焙燒溫度、風(fēng)礦比、富氧濃度、氧氣過剩系數(shù)等，其中焙燒溫度決定焙燒狀態(tài)及焙砂成分[5]。下文通過MetCal軟件模擬在既定風(fēng)礦比、富氧濃度和氧氣過剩系數(shù)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整焙燒溫度，設(shè)定不同的硫酸化焙燒率，得到不同工況條件下的質(zhì)量平衡、熱量平衡及煙氣條件，以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)及后續(xù)生產(chǎn)。根據(jù)剛果（金）其他項(xiàng)目沸騰焙燒系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定風(fēng)礦比為 1.5m³/kg 氧氣過剩系數(shù)為1.2，氧氣濃度與風(fēng)礦比及氧氣過剩系數(shù)聯(lián)鎖，通過計(jì)算得到富氧的需求量。

3.1氧化焙燒模擬

設(shè)定焙燒溫度為 750°C ，焙燒時(shí)先發(fā)生反應(yīng) （1）～ （4），隨著溫度的升高發(fā)生反應(yīng)（5）、反應(yīng)（6）， CuSO₄ 、FeSO₄，F(xiàn)e₂（SO₄）₃ 分解成 ，銅、鈷的氧化率暫定為 80% ;精礦中的 CaCO₃，MgCO₃ 被分解，分解率暫定為 80% ，剩下的 CaCO₃，MgCO₃ 發(fā)生反應(yīng)（11）反應(yīng)（12）生成 CaSO₄，MgSO₄₀ 氧化焙燒系統(tǒng)的質(zhì)量平衡表見表1，熱量平衡表見表2，煙氣成分見表3。

氧化焙燒的目的，是使硫化銅精礦中的銅、鐵、鈣、鎂盡可能轉(zhuǎn)化為氧化物進(jìn)入后續(xù)冶煉流程，同時(shí)使精礦中的硫生成 SO₂ 進(jìn)人煙氣，用于制酸。根據(jù)硫化銅精礦硫酸化焙燒的熱力學(xué)分析，反應(yīng)（1）＼～（4）為放熱反應(yīng)，反應(yīng)（5）（6）為總吸熱反應(yīng)。模型計(jì)算表明，反應(yīng)（5）（6所需吸收的熱量大于反應(yīng)（1）＼～（4）釋放的熱量總和。因此，需要額外補(bǔ)充硫磺作為燃料燃燒放熱，以維持整個(gè)系統(tǒng)焙燒所需溫度并保持熱平衡。

3.2硫酸化焙燒模擬

設(shè)定焙燒溫度為 670°C ，焙燒時(shí)主要發(fā)生反應(yīng)（1）＼～（4），部分發(fā)生反應(yīng)（5）反應(yīng)（6，暫定 80% 的銅、鈷生成 CuSO₄，F(xiàn)eSO₄，F(xiàn)e₂（SO₄）₃ ，其余生成 CuO、Fe₂O₃ 精礦中 80% 的 CaCO₃，MgCO₃ 發(fā)生反應(yīng)（9）、反應(yīng)（10）生成 CaSO₄，MgSO₄ ，其余發(fā)生分解反應(yīng)生成CaO、MgO 。硫酸化焙燒系統(tǒng)的質(zhì)量平衡表見表4，熱量平衡表見表5，煙氣成分見表6。

硫酸化焙燒旨在最大限度地將精礦中的銅、鐵、鈣、鎂轉(zhuǎn)化為硫酸鹽。模型計(jì)算表明，反應(yīng)（1）＼～（4）釋放的總量遠(yuǎn) CuSO₄，F(xiàn)eSO₄，F(xiàn)e₂ （SO₄）₃ 分解生成 CuO 、Fe₂O₃ 所需熱量，導(dǎo)致系統(tǒng)處于過熱狀態(tài)。為此，在沸騰層設(shè)置冷卻盤管，通入 7.36t/h 冷卻水以產(chǎn)生低壓蒸汽帶走過剩熱量，維持適應(yīng)溫度。由此也見，與氧化焙燒需補(bǔ)充硫磺供熱不同，硫酸化焙燒加入硫磺的主要目的是提供硫源生成硫酸鹽，且該過程是放熱的。

3.3半硫酸化焙燒模擬

半硫酸化焙燒的溫度區(qū)間為 670～750^°C ，在此溫度下，部分銅、鐵生成 CuSO₄，F(xiàn)eSO₄，F(xiàn)e₂（SO₄）₃ ，部分生成 CuO、Fe₂O₃ ;同時(shí)， CaCO₃ 與 MgCO₃ 部分生成了 CaSO₄，MgSO₄ ，部分分解為 CaO，MgO 。與氧化焙燒需補(bǔ)入硫磺以維持焙燒需要的溫度、硫酸化焙燒，需通入冷卻水以降低焙燒溫度不同，半硫酸化焙燒在實(shí)際焙燒過程中，酸化率控制困難，且不同酸化率下的系統(tǒng)工況難以預(yù)測(cè)。因此，利用MetCal軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，通過設(shè)定不同酸化率確定系統(tǒng)過熱/欠熱的臨界值。模擬設(shè)定溫度為 700°C ，其中 40% 的銅、鐵、鈣、鎂轉(zhuǎn)化為硫酸鹽， 60% 轉(zhuǎn)化為氧化物。半硫酸化焙燒系統(tǒng)的質(zhì)量平衡、熱量平衡及煙氣成分分別見表7、表8和表9。

表7半硫酸化焙燒質(zhì)量平衡

上述數(shù)據(jù)表明，在 40% 酸化率的條件下，焙燒系統(tǒng)僅需補(bǔ)充 0.08t/h 硫磺即可維持熱平衡，煙氣中的 SO₂ 體積分?jǐn)?shù)僅為 0.719% ，此狀態(tài)即為系統(tǒng)過熱/欠熱的臨界值。

3.4不同焙燒狀態(tài)對(duì)沸騰爐設(shè)計(jì)的影響

通過對(duì)氧化焙燒、硫酸化焙燒及半硫酸化焙燒的模擬，獲得了不同工況下的煙氣情況與硫磺消耗量?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)中的波動(dòng)性，工程設(shè)計(jì)需設(shè)置針對(duì)性方案以應(yīng)對(duì)不同的焙燒狀態(tài)。

1）確定爐膛面積。爐膛面積計(jì)算公式如式（12）所示：

式中： V_i4 為焙燒爐鼓入口工況氣量， 為焙燒爐鼓出口工況氣量， m³/h;v 為爐膛線速度， m/s 。

設(shè)定爐膛線速度為 0.6m/s ，則計(jì)算結(jié)果如下1）氧化焙燒。進(jìn)口標(biāo)況氣量為 10 012.535m³/h ，出口標(biāo)況氣量為 12 099.725m³/h ，換算成工況總氣量為 48 741.310m³/h ，可得到爐膛面積為 22m² 。2）硫酸化焙燒。進(jìn)口標(biāo)況氣量為 10935.046m³/h ，出口標(biāo)況氣量為 11797.064m³/h ，換算成工況總氣量為46532m³/h ，可得到爐膛面積 21.5m²°3. 半硫酸化焙燒。進(jìn)口標(biāo)況氣量為 5510.770m³/h ，出口標(biāo)況氣量為8421.070m³/h ，換算成工況總氣量為 31305.060m³/h ，可得到爐膛面積為 14.5m² 。因此，為適應(yīng)后期焙燒狀態(tài)的調(diào)整需求，爐膛面積設(shè)計(jì)需大于 22m² 。

2）硫磺加人系統(tǒng)設(shè)計(jì)。不同焙燒狀態(tài)下硫磺的加人目的與用量存在差異。工程設(shè)計(jì)中需考慮多種加入方式。例如，剛果（金）某沸騰焙燒爐采用兩種硫磺加入模式：（1）硫磺與礦漿混合后，經(jīng)礦漿分配管泵入爐內(nèi)；（2）設(shè)置獨(dú)立硫磺倉，通過壓縮空氣將硫磺粉吹入爐內(nèi)。為提高硫磺利用率，焙燒爐上部配置二次風(fēng)口，促進(jìn)升華硫的二次燃燒；同時(shí)為預(yù)防爐溫過高，設(shè)有噴水口，可在緊急狀態(tài)下直接噴水降溫。

3）過熱應(yīng)對(duì)措施。針對(duì)硫酸化焙燒狀態(tài)下系統(tǒng)過熱問題，在焙燒爐沸騰層設(shè)置冷卻盤管。軟化水作為冷卻介質(zhì)流經(jīng)盤管吸熱后進(jìn)入汽包，產(chǎn)生的低壓蒸汽可供剝片機(jī)組及浸出工序使用。

4結(jié)語

通過對(duì)硫化銅精礦氧化焙燒、硫酸化焙燒及半硫酸化焙燒的模擬研究，得出以下結(jié)論：1）焙燒狀態(tài)與熱平衡特性。氧化焙燒因硫酸鹽分解吸熱占主導(dǎo)，需補(bǔ)入硫磺 （0.61t/h） 維持系統(tǒng)熱平衡；硫酸化焙燒因放熱反應(yīng)劇烈導(dǎo)致過熱，需配置冷卻盤管并通入7.36t/h 冷卻水移出熱量；半硫酸化焙燒在 40% 酸化率時(shí)為熱平衡臨界點(diǎn)，僅需補(bǔ)硫 0.08t/h ，煙氣 SO₂ 濃度降至 0.719% 。2）沸騰爐關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。爐膛面積需按工況氣量及線速度計(jì)算，最小值為 22m² ；硫磺加入系統(tǒng)需兼容礦漿混合泵人與壓縮空氣吹入粉體模式，并配置二次風(fēng)口及噴水口；硫酸化焙燒需在沸騰層設(shè)置冷卻盤管，利用軟化水換熱生成低壓蒸汽復(fù)用。3）MetCal軟件通過參數(shù)化模擬解決了半硫酸化焙燒酸化率經(jīng)驗(yàn)調(diào)控難題，為多狀態(tài)適配的沸騰爐設(shè)計(jì)提供定量依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]張海寶，駱貞江，孟祥龍，等.剛果（金）銅鈷礦濕法冶金工程實(shí)例分析[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2023，44（3）：9-14.

[2]郭宏偉，陶超凡，林荔.METCAL在 Co₃O₄ 制備工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].銅業(yè)工程，2020（6）：70-74.

[3]陳雯，邱可強(qiáng).硫化銅精礦硫酸化焙燒的熱力學(xué)分析[J].昆明工學(xué)院學(xué)報(bào)，1989（14）：48.

[4] 吳陽紅，郭光，鄧威.一種硫酸化焙燒硫化鈷銅礦的新工藝：CN108374083A[P].2018-08-07.

[5] 黃健康.復(fù)雜硫化銅精礦硫酸化焙燒熱力學(xué)分析[J].礦冶工程，1981（3）：1-6.

[6] 曾培，陳興海，楊永強(qiáng).某硫化銅精礦焙燒浸出過程銅元素賦存狀態(tài)研究[J].世界有色金屬，2022（2）：21-24.

[7]穆璽文，繆海山，薛紹秀，等.硫鐵礦沸騰焙燒爐多相流動(dòng)反應(yīng)特性的數(shù)值模擬[J].材料與冶金學(xué)報(bào)，2024（3）：218-225.