王春海

（新疆新鑫礦業(yè)股份有限公司阜康冶煉廠 阜康 831500）

1 新銅系統(tǒng)生產(chǎn)工藝

阜康冶煉廠銅車間生產(chǎn)所用原料來(lái)自本廠鎳生產(chǎn)車間的尾渣（銅渣），經(jīng)制粒涼干一部分水分后，加入沸騰焙燒爐，沸騰爐采用氧化焙燒，盡可能除去銅渣中的硫。沸騰爐產(chǎn)出的焙砂經(jīng)冷卻后送往浸出工段；沸騰爐產(chǎn)出的煙氣經(jīng)收塵后送往制酸車間，收下的煙塵和焙砂一起送往浸出工段。浸出工段產(chǎn)出的大部分浸出液送往電積工段調(diào)配電解液；少部分浸出液經(jīng)蒸發(fā)結(jié)晶后，母液送往酸化浸出工段或鎳系統(tǒng)；結(jié)晶硫酸銅重溶解后返回電積工段調(diào)配電解液。浸出渣經(jīng)閃蒸干燥、酸化焙燒后進(jìn)行浸出，酸化浸出產(chǎn)生的酸化浸出液送往沉銀工序；浸出渣即為貴金屬渣，送貴金屬車間。沉銀產(chǎn)生的銀渣送貴金屬車間，沉銀后液送除鐵工序；除鐵產(chǎn)生的鐵渣返回本公司喀拉通克銅鎳礦熔煉車間，除鐵后液送磨浸車間回收銅鎳。

2 沸騰焙燒爐的應(yīng)用和優(yōu)缺點(diǎn)

沸騰焙燒爐通過(guò)空氣中的氧將不易浸出的硫化銅礦氧化成易溶解氧化銅礦，富含二氧化硫煙氣用于制酸。沸騰焙燒利用礦粒在爐內(nèi)一定流速的空氣作用下，進(jìn)行的一種激烈焙燒反應(yīng)，介于靜置的固定床和氣流輸送床之間。礦粒在焙燒過(guò)程中，一直處于不停的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),即一種類似粘性液體沸騰的狀態(tài)，因此稱它為沸騰床，也稱流化床或液化床等，通稱“流態(tài)化”。運(yùn)動(dòng)的料層，泛稱沸騰層，它靜置時(shí)的料層稱固定層。

沸騰爐的特點(diǎn)是它能保持較厚的焙燒料層，空氣從爐底通入，經(jīng)過(guò)分布器進(jìn)入爐內(nèi)，礦料入爐隨同爐料混合，整個(gè)料層在空氣鼓動(dòng)下，上下翻騰，高度可有1～1.5m,焙燒反應(yīng)十分強(qiáng)烈，反應(yīng)溫度高達(dá)800～900℃，爐內(nèi)熱容量大、速度快、強(qiáng)度高，因此它對(duì)促進(jìn)沸騰氧化焙燒在有色行業(yè)的應(yīng)用意義重大。

⑴沸騰爐與機(jī)械爐相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)：

①生產(chǎn)強(qiáng)度大。由于爐內(nèi)空氣與礦粒的密切接觸，氣流與礦粒間相對(duì)運(yùn)動(dòng)劇烈，它的反應(yīng)快，單位面積對(duì)生產(chǎn)強(qiáng)度遠(yuǎn)較一般靜置條件下的生產(chǎn)強(qiáng)度大得多。

②傳熱傳質(zhì)效率高，反應(yīng)速度快。礦在爐內(nèi)劇烈翻沸，加上空氣的作用，破壞了它們間的隔閡，其比表面積較大，接觸表面積可達(dá)3280～49200m2/m3，隨著表面的不斷更新，因此使它們間的反應(yīng)速度、傳熱和傳質(zhì)效率大為提高。

③焙燒較為完全，硫的燒出率高。礦渣殘留如控制得好，可達(dá)到1.5%以下，硫的燒出率可達(dá)98%以上。

④容易得到高濃度的二氧化硫氣體。由于它反應(yīng)速率高，消耗的空氣少，容易得高濃度的氣體，甚至接近理論值。

⑤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。因此材料省、造價(jià)低，制作容易，同時(shí)維修工作量少，不需要廠房，可設(shè)置在露天。

⑥便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、機(jī)械化。

⑦便于礦渣的綜合利用。

⑵沸騰爐也有它的不足之處，缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在下列兩方面:

①爐氣中煙塵量大，氣體中含塵量可達(dá)100～300g/m3,占到礦渣總量的25%以上，這給爐氣的凈化處理增加了復(fù)雜性。

②需要配置一臺(tái)風(fēng)壓較高的鼓風(fēng)機(jī)，因此動(dòng)力消耗大大增加。

3 生產(chǎn)現(xiàn)狀及焙砂殘留設(shè)計(jì)依據(jù)

3.1 沸騰焙燒爐在鎳冶煉廠的應(yīng)用現(xiàn)狀

新銅系統(tǒng)上馬以來(lái)，沸騰爐運(yùn)轉(zhuǎn)情況很不理想，通過(guò)在銅渣中添加粉煤后沸騰爐運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到廠部下達(dá)的目標(biāo)，同時(shí)也創(chuàng)新了不同成分銅渣長(zhǎng)周期氧化焙燒的新工藝。2012年沸騰爐運(yùn)轉(zhuǎn)率得到了大幅提升，但是焙砂殘硫一直居高不下，全年殘硫平均基本上在3.5%～4.5%。焙砂殘硫高會(huì)降低銅浸出率，造成除銅后渣含銅超標(biāo)。殘硫過(guò)高會(huì)增大鎳的浸出率，增大銅系統(tǒng)凈化負(fù)擔(dān)，增加單位電銅生產(chǎn)成本。殘硫過(guò)高會(huì)造成除銅后渣渣量增多，增加除銅后渣后續(xù)處理的負(fù)擔(dān)。

3.2 銅渣焙燒工藝設(shè)計(jì)之初銅渣及焙砂的物相分析

3.2.1 銅渣的物相組成

根據(jù)俄羅斯“國(guó)家鎳設(shè)計(jì)院”工藝設(shè)計(jì)條件，銅渣中銅的54%以Cu2S存在，46%以CuS存在；鎳全部以Ni3S2存在；鐵以Fe3O4存在；鈷以CoS存在，含量0.05%；鈣含量0.51%，鋇含量為0.70%，鈉含量為0.85%；脈石含量為0.72%。

表1 銅渣物相的合理組成 %

3.2.2 焙砂產(chǎn)量及成分

焙砂產(chǎn)量及成分（不計(jì)損失）見(jiàn)表2。

表2 焙砂產(chǎn)量及成分 %

4 影響沸騰焙燒速度的因素

沸騰爐生產(chǎn)能力的大小取決于硫化銅礦焙燒反應(yīng)的速度。反應(yīng)速度越快，在一定殘硫指標(biāo)下，單位時(shí)間內(nèi)焙燒的硫化礦就越多，如果處理量一定，單位時(shí)間硫化銅礦焙燒的就越完全，焙砂殘硫就越低。在實(shí)際生產(chǎn)中，我們不但要求沸騰爐處理量大，還要求燒的透，及排出的焙砂中殘硫要低。影響硫化銅礦焙燒的因素很多，有溫度、粒度、氧含量及氣固之間的接觸等。

4.1 溫度的影響

燃燒速度因溫度升高而發(fā)生的變化見(jiàn)表3（設(shè)800℃時(shí)的速度常數(shù)為1）。

表3

從表3數(shù)據(jù)中可以清楚的看出，硫化礦的焙燒速度是隨著溫度升高而加快的。但實(shí)際上是不能無(wú)限的提高焙燒溫度，以加快反應(yīng)的進(jìn)行。這主要是因?yàn)闇囟冗^(guò)高會(huì)造成焙燒物料的熔結(jié)，從而影響氧氣及二氧化硫的擴(kuò)散，反而使燃燒速度下降。所以在工業(yè)生產(chǎn)中的操作溫度，一般控制在800～900℃。

阜康冶煉廠沸騰焙燒所采用的原料為鎳系統(tǒng)尾渣，隨著高冰鎳進(jìn)礦的多元化，造成銅渣成分波動(dòng)很大，尤其是采用哈密原料后，銅渣有幾個(gè)特性:①銅渣粒度細(xì);②含鎳高;③水分高;④硫化銅含量低。這種成分銅渣焙燒難度大，爐溫提不上去，風(fēng)床易低溫?zé)Y(jié)，焙砂殘硫偏高。

表4 銅渣中主要金屬硫酸鹽分解溫度 ℃

由表4可以看出,硫化銅完全氧化的最低溫度在736℃，硫酸鎳完全分解的溫度在746℃，在銅系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中，為了提高銅的直收率，同時(shí)最大限度的抑制鎳的浸出，要求沸騰焙燒盡可能控制在較高的溫度。我們結(jié)合多年的生產(chǎn)實(shí)踐，制定沸騰焙燒的溫度在840～880℃，在銅渣物性較好時(shí)，通過(guò)大風(fēng)大料的辦法維持高溫焙燒，銅渣物性較差時(shí)，采用添加粉煤的辦法補(bǔ)充熱量，以達(dá)到工藝要求的溫度。高溫焙燒實(shí)施一年多，沸騰爐爐況明顯好轉(zhuǎn)，爐內(nèi)結(jié)塊得到了有效抑制，通過(guò)穩(wěn)定爐況，焙砂殘硫也一直穩(wěn)定在較低的范圍。

4.2 銅渣粒度的影響

硫化銅礦和空氣進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，是一非均相過(guò)程。因此，焙燒速度在很大程度上取決于氣固相間接觸表面的大小，接觸表面的大小主要取決于銅渣顆粒的大小。當(dāng)粒度小時(shí)，空氣中的氧能充分和硫化銅的表面接觸，并易于達(dá)到被焙燒顆粒的內(nèi)部，生成的二氧化硫也能很快的離開(kāi)，擴(kuò)散到氣體中去。如果粒度過(guò)大，除接觸面自然減少外，則在硫化銅礦表面上反應(yīng)以后，生成一層氧化膜，阻礙氧氣繼續(xù)向礦石中心擴(kuò)散，生成的二氧化硫也不能很快的離開(kāi)。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，硫化銅礦中所含的硫來(lái)不及燃燒完全，使排出的焙砂殘硫增高。

阜康冶煉廠銅渣是高冰鎳經(jīng)過(guò)球磨浸出后的產(chǎn)物，因此銅渣顆粒極其細(xì)小，但因?yàn)殂~渣是經(jīng)過(guò)離心機(jī)脫水，含有一定的水分。銅渣在入爐前需經(jīng)過(guò)制粒機(jī)制粒，粒度要求＜4mm，水分控制在8%～10%。如果銅渣粒度過(guò)細(xì)，水分過(guò)低，會(huì)造成爐膛上部及煙道集塵嚴(yán)重，煙塵量成倍增長(zhǎng)，而且焙砂殘硫沒(méi)有明顯改觀。而銅渣水分過(guò)大（超過(guò)12%），會(huì)嚴(yán)重影響制粒效果，經(jīng)過(guò)制粒機(jī)的高水分銅渣，會(huì)在輸送皮帶上再次粘接到一起，形成較大塊狀，影響焙燒效果，嚴(yán)重時(shí)會(huì)大量堆積到爐膛進(jìn)料端風(fēng)床上，造成死爐。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，遇到水分嚴(yán)重超標(biāo)的銅渣時(shí)，將不合格銅渣單獨(dú)堆放晾曬，當(dāng)水分滿足制粒要求時(shí)，再投入生產(chǎn)。在處理板框壓濾的板框渣時(shí)（因長(zhǎng)期堆放，渣含水分很低），將板框渣和新出銅渣按一定比例混合，進(jìn)行制粒入爐焙燒。采取以上措施，沸騰爐爐況一直比較穩(wěn)定，焙砂殘硫得到有效控制。

4.3 氧氣含量的影響

氣體中氧含量對(duì)硫化銅礦的焙燒速度也有很大影響。因?yàn)榱蚧~的焙燒速度，取決于氧通過(guò)遮在礦粒表面的氧化銅薄膜向內(nèi)擴(kuò)散的速度，如果進(jìn)入焙燒爐氣體中的氧含量少，則單位時(shí)間內(nèi)氧分子向礦粒內(nèi)部擴(kuò)散分子就要少，硫化銅礦的焙燒速度就要慢些。所以在硫化銅礦焙燒時(shí)必須攪動(dòng)礦粒，使反應(yīng)表面更新，改善礦粒間接觸情況，促使氧氣達(dá)到被焙燒物料的表面上，提高焙燒速度。

阜康冶煉廠沸騰焙燒采用空氣中氧氣脫硫，為了驗(yàn)證焙砂殘硫高與氧含量的關(guān)系，通過(guò)馬弗爐靜態(tài)焙燒實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5

通過(guò)表5可以看出，隨著焙燒時(shí)間的延長(zhǎng)，焙砂殘硫呈逐漸降低趨勢(shì)。這就說(shuō)明目前我廠焙砂殘硫偏高與氧含量的不足是有直接關(guān)系的。在無(wú)法提供富氧的情況下，我們通過(guò)延長(zhǎng)氧化時(shí)間增加硫化銅礦與氧氣的接觸幾率。

在實(shí)際生產(chǎn)中，我們將沸騰爐出料口由760mm增加到820mm，焙砂殘硫取樣基本上維持在2.2%左右，爐底壓力在12～12.5kPa。之后我們又將焙砂出料口高度由820mm增加到890mm,爐底壓力增加到13～13.5kPa。焙燒時(shí)間總計(jì)延長(zhǎng)了約22min，焙砂殘硫基本上穩(wěn)定在1.5%左右。

通過(guò)增加出料口高度和提高焙燒溫度，焙砂殘硫有了較大幅度降低，平均殘硫在1.5%～2.2%之間。

表6%

通過(guò)表6焙砂殘硫結(jié)合銅渣成分，得出一個(gè)規(guī)律，當(dāng)焙砂含銅＞60%時(shí)（7～8月初，磨浸車間處理的基本上是銅鎳礦高冰鎳，銅渣含銅很高，水分也控制的很好），焙砂殘硫基本上在1.5%左右。焙砂含銅在50%左右時(shí)(8月中下旬，哈密和銅鎳礦高冰鎳摻混配料，銅渣含銅較低，水分超標(biāo)嚴(yán)重)，殘硫都高于2%。焙砂殘硫的高低和銅渣成分有很大關(guān)系。

5 結(jié)束語(yǔ)

沸騰焙燒爐雖然廣泛應(yīng)用與化工及有色行業(yè)，但在鎳系統(tǒng)尾渣時(shí)，出現(xiàn)了諸多問(wèn)題。經(jīng)過(guò)技術(shù)改造，以穩(wěn)定沸騰爐爐況，提高硫的燒出率為目的的工藝參數(shù)及操作規(guī)程已基本完成。通過(guò)控制銅渣的水分、粒度；控制入爐物料燃燒物的總量；控制鼓風(fēng)量及入爐物料量；穩(wěn)定沸騰爐高溫運(yùn)行等手段，目前沸騰爐應(yīng)用已逐步成熟，在同行業(yè)類似物料情況具有一定的推廣價(jià)值。

［1］朱祖澤，賀家齊.現(xiàn)代銅冶金學(xué).科學(xué)出版社，2003.

［2］王志翔.硫酸生產(chǎn)加工與設(shè)備.第一冊(cè)，吉林音像出版社，2005.