一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于资源与环境领域，具体涉及一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气 化回收余热的系统及方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，全球铜冶炼行业发展迅速，1980年世界铜总年产量为750万吨，而目前全 世界铜年产量已突破1600万吨。世界铜产量快速增长的同时，我国炼铜行业也得到了前所 未有的发展，2007年我国跃居成为世界第一大铜生产国，到2012年我国铜产量已占全球铜 产量的30%。
[0003] 铜的冶炼主要包括火法和湿法冶炼，由于湿法冶炼受制于矿石的品位及类型，火 法冶炼适用范围广，因此全球约有80%的铜采用的是火法治炼，而在我国火法冶炼更是占 到了 97%以上。众所周知冶金行业属于能源密集型产业，对资源和能源的损耗较大，且二 次能源利用率低，往往造成严重的浪费，铜的火法冶炼过程该问题尤为突出。并且火法冶 炼过程产生的大量铜渣其主要成分是铁橄榄石和磁铁矿，其中的铁含量高达30%~45%， 具有较高的回收利用价值，部分铜渣中的铁含量甚至超过铁矿石的开采品位，不同熔炼方 法产生的铜渣各组分质量百分比如表1所示。据有关资料统计，全球每生产1吨铜会产生 2. 2~3吨的铜渣，每年仅我国产生的铜渣就可达1500万吨。此外，铜渣的出炉温度可达 1200~1300°C，而对铜渣的传统处理方式是采用堆存缓冷及水淬法，两种方式处理后的铜 渣大量堆存，不仅没有将铜渣的余热加以回收利用，而且铜渣中的铁、铜、钴、镍等有价金属 也白白浪费。此外水淬法处理过程需要消耗大量的水，产生的H2S和SOx等有害气体也随 蒸汽排入大气，造成严重的环境污染。反观中国铁矿石资源现状：铁矿石资源严重短缺，远 不能满足我国钢铁产业的需求，人均拥有量仅为世界人均铁矿资源量的34. 8 %，而可供开 发利用的铁矿石资源仅为总资源量的53%，且铁矿石资源品质较差，贫矿多，富铁矿较少， 贫矿储量占总储量的80%。因此，改造传统铜渣处理工艺，有效回收铜渣中的铁组分，对于 缓解我国铁矿石资源长期短缺的状况具有重要意义。
[0004] 随着人们对能源和环境的重视，对于铜渣中有价金属回收利用的研宄也逐步深 入。现有报道的对铜渣中铁组分的回收方法主要包括氧化法，还原法，湿法及磁选法。
[0005] 氧化法，是指对熔融态铜渣进行氧化处理，实现铜渣中铁组分向磁铁矿相选择性 富集，经过冷却破碎后在低温下通过磁选方式回收铁。专利CN101100708首先报道了该 回收方法。在后续研宄过程中发现，在熔融氧化反应后期，由于铜渣中FeO组分不断减少， Si-0络合离子团不断聚合，以及Fe304不断聚集长大，导致熔渣粘度及熔点逐渐升高，阻碍 了反应的继续进行和磁铁矿相的长大，导致铁回收率低。
[0006] 还原法，主要是铜渣中含铁组分在外加还原剂的作用下而还原析出的方法。对不 同种类的还原剂，其添加方式不同，具体的熔融还原工艺有所差别。专利CN101736112B公 开了一种惰性气体喷吹搅拌从熔融铜渣中还原炼铁的方法，回收铁的同时可对烟气进行二 次燃烧并回收烟气余热。CN102952952A公开了一种在高温下以天然气还原铜渣得到铜合金 熔体和金属铁的方法。还原法的关键是通过控制还原性气氛改变铁在铜渣中的富集形式， 将铁橄榄石转变为金属铁后再进行回收利用，但还原法要求熔池温度高。
[0007]湿法，是采用硫酸或氯酸等化学药剂综合回收有价金属，该法具有良好的选择性， 且可回收锌、铅、镍、钴等有价金属。但湿法技术需要使用大量的化学药剂，不仅对设备产生 腐蚀，也会造成环境污染。
[0008]磁选法，主要针对冷态铜渣中铁的回收。铁主要分布在铜渣中橄榄石相和磁性氧 化铁矿物中，可以用磁选的方法得到铁精矿。但铜渣物相复杂，结晶度不好的铜渣各物相之 间存在连生与包裹现象，导致有价金属与脉石成分分离困难，因而磁选效果不佳。
[0009] 以上技术方法均能在一定程度上回收铜渣中的金属组分，但在回收金属的同时， 铜渣高品位余热未能有效利用。特别是湿法及磁选法回收金属的方式针对的是冷态铜渣， 铜渣余热回收技术与金属回收技术难以有效链接。CN103537480A报道了一种熔融铜渣还原 后低碳化综合利用的方法，该方法对还原提铁后的铜渣熔渣进行喷水冷却凝固并机械碾磨 破碎，然后以破碎后的铜渣为热源，通过生物质气化的方式回收利用铜渣余热。该方法能够 回收铜渣900°C以下的余热，但在喷水冷却凝固过程中，熔渣1500°C~900°C温度段的余热 未能有效利用，系统余热回收效率难以进一步提高。因此，开发铜渣资源化利用效率高及余 热回收效率高的新方法意义重大。
[0010] 表1不同熔炼方法产生的铜渣各组分质量百分比
[0011]
【主权项】
1. 一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系统，其特征在于该系统 包括还原提铁炉，煤气化炉，粒化及余热回收装置，烟气换热器，气体分离除尘装置，余热锅 炉，旋风除尘器，煤气柜，输运装置； 煤气柜连接还原提铁炉，还原提铁炉上端通过烟气换热器连接气体分离除尘装置，分 离除尘装置上部设有管道连接煤气柜，还原提铁炉的出渣口连接煤气化炉，煤气化炉通过 余热锅炉连接旋风除尘器的一端，旋风除尘器另一端连接煤气柜，煤气化炉的出渣口连接 粒化及余热回收装置，粒化及余热回收装置连接输运装置。
2. 根据权利要求1所述的一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系 统，其特征在于所述还原提铁炉的熔池底部或者炉壁侧部设有还原剂喷嘴；炉壁一侧同时 设有煤气烧嘴及煤气喷嘴，且煤气烧嘴位于熔池上方，煤气喷嘴伸入熔池底部。
3. 根据权利要求1所述的一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系 统，其特征在于所述煤气化炉设有煤粉喷嘴和气化剂喷嘴，伸入煤气化炉的熔池中，喷嘴数 量至少为4个，分别位于煤气化炉熔池上部和下部。
4. 根据权利要求1所述的一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系 统，其特征在于所述粒化及余热回收装置包括粒化器，渣粒收集及余热回收装置两部分，上 部为粒化器，下部为渣粒收集及余热回收装置；粒化器位于粒化及余热回收装置中心，粒化 器通过钢板焊接到渣粒收集及余热回收装置的金属内壁上； 渣粒收集及余热回收装置上部为漏斗形状，下部为圆筒形状，其内外壁面为金属水冷 壁面，在下部圆筒形壁面上均设置向下倾斜的环形金属折流板，5~7级，折流板长度为 0? 4~0? 8m，间距为0? 4~0? 6m，与水平面夹角为10~30。。
5. 根据权利要求4所述的一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系 统，其特征在于所述粒化及余热回收装置还可设有风机和余热锅炉，风机位于粒化及余热 回收装置底部，余热锅炉位于粒化及余热回收装置右上部。
6. -种采用权利要求1所述的系统从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热 的方法，其特征在于包括以下工艺步骤： (1) 分步还原提铁及煤气回收： 将从炼铜炉中排出的1200~1300°C的熔融态铜渣流入还原提铁炉，将煤气柜中的CO 通过煤气烧嘴进行燃烧，待熔池温度升至1450°C~1500°C，从煤气喷嘴喷吹CO对铜渣进 行CO还原反应，CO用量与铜渣中Fe量按照摩尔比为1:3~1:2. 5,喷吹时间为20 min~ 30min，喷吹压力为0. 5~1.0 Mpa ;反应结束后停止喷吹C0,加入熔剂，熔剂用量与铜渣中 3102量按照摩尔比为1. 2:1，同时通过还原剂喷嘴喷吹还原剂对铜渣进行还原剂还原反应， 还原剂用量与铜渣中Fe量按照摩尔比为1:1~1. 2:1，喷吹时间为20~40min ;反应结束 后停止喷吹还原剂，将还原的铜渣保温静置20~40min，沉降后的铜渣分成两层，下层为铁 水从还原提铁炉低部流出，上层为还原炉渣从出渣口流入煤气化炉； CO燃烧以及两步还原反应产生的0)2及CO混合气经烟气换热器回收余热后，通过气体 分离除尘装置除去CO2气体，CO返回煤气柜继续循环使用； (2) 煤气化及煤气回收： 还原炉渣流入煤气化炉的初始温度为1450~1500°C，通过煤粉喷嘴喷吹粒径在Imm以 下的煤粉，煤粉和还原炉渣的质量比为1: 〇. 02,通过气化剂喷嘴喷吹气化剂C02, CO2用量与 煤粉用量按照摩尔比为1:1，监测还原炉渣的温度，待温度降至约1200°C，将还原炉渣从出 渣口排入粒化及余热回收装置； 煤气化过程产生的CO经过余热锅炉回收余热后进入旋风除尘器除尘，除尘后的洁净 CO进入煤气柜继续循环使用； (3)粒化及余热回收： 还原炉渣先进入粒化器进行干法离心破碎，形成直径约Imm的颗粒渣，在离心力作用 下颗粒渣被甩出进入渣粒收集及余热回收装置，并在环形金属折流板上作"之"字形运动， 通入空气或是水冷壁中通入冷却水，通过颗粒渣与通入的空气或是水冷壁进行换热来收集 颗粒渣的余热，回收余热后的颗粒渣落入装置底部，温度降至l〇〇°C左右，排入输运装置。
7. 根据权利要求6所述的一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的方 法，其特征在于所述分步还原提铁及煤气回收过程的熔剂为石灰石或白云石或生石灰。
8. 根据权利要求6所述的一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的方 法，其特征在于所述分步还原提铁及煤气回收过程的还原剂为煤粉或焦炭或石墨。
9. 根据权利要求6所述的一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的方 法，其特征在于所述气体分离除尘装置中装配的溶液为NaOH溶液或Ca (OH)2溶液。
【专利摘要】一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系统及方法，属于资源与环境领域。该系统包括还原提铁炉，煤气化炉，粒化及余热回收装置，烟气换热器，气体分离除尘装置，余热锅炉，旋风除尘器，煤气柜，输运装置；方法分为3步：分步还原提铁及煤气回收；煤气化及煤气回收；粒化及余热回收。本发明系统和方法实现了铜渣干法粒化、余热回收工艺以及铜渣有价金属提取工艺的链接，可有效回收铜渣中的铁，铁回收率达到90%以上，并且回收过程产生的CO气体可进行自循环使用，保护环境节约资源的同时，解决了高温铜渣处理过程的一系列问题。
【IPC分类】F27D17-00, C21B3-06, C22B7-04
【公开号】CN104846209
【申请号】CN201510283249
【发明人】于庆波, 左宗良, 段文军, 秦勤
【申请人】东北大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月29日