降低沸騰焙燒殘硫率的生產實踐

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)生產工藝

阜康冶煉廠銅車間生產所用原料來自本廠鎳生產車間的尾渣（銅渣），經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。沸騰爐產出的焙砂經冷卻后送往浸出工段；沸騰爐產出的煙氣經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。浸出工段產出的大部分浸出液送往電積工段調配電解液；少部分浸出液經蒸發(fā)結晶后，母液送往酸化浸出工段或鎳系統(tǒng)；結晶硫酸銅重溶解后返回電積工段調配電解液。浸出渣經閃蒸干燥、酸化焙燒后進行浸出，酸化浸出產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。沉銀產生的銀渣送貴金屬車間，沉銀后液送除鐵工序；除鐵產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 沸騰焙燒爐的應用和優(yōu)缺點

沸騰焙燒爐通過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一定流速的空氣作用下，進行的一種激烈焙燒反應，介于靜置的固定床和氣流輸送床之間。礦粒在焙燒過程中，一直處于不停的運動狀態(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”。運動的料層，泛稱沸騰層，它靜置時的料層稱固定層。

沸騰爐的特點是它能保持較厚的焙燒料層，空氣從爐底通入，經過分布器進入爐內，礦料入爐隨同爐料混合，整個料層在空氣鼓動下，上下翻騰，高度可有1～1.5m,焙燒反應十分強烈，反應溫度高達800～900℃，爐內熱容量大、速度快、強度高，因此它對促進沸騰氧化焙燒在有色行業(yè)的應用意義重大。

⑴沸騰爐與機械爐相比，具有下列優(yōu)點：

①生產強度大。由于爐內空氣與礦粒的密切接觸，氣流與礦粒間相對運動劇烈，它的反應快，單位面積對生產強度遠較一般靜置條件下的生產強度大得多。

②傳熱傳質效率高，反應速度快。礦在爐內劇烈翻沸，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3280～49200m2/m3，隨著表面的不斷更新，因此使它們間的反應速度、傳熱和傳質效率大為提高。

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

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

⑤結構簡單。因此材料省、造價低，制作容易，同時維修工作量少，不需要廠房，可設置在露天。

⑥便于實現(xiàn)自動化、機械化。

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雜性。

②需要配置一臺風壓較高的鼓風機，因此動力消耗大大增加。

3 生產現(xiàn)狀及焙砂殘留設計依據(jù)

3.1 沸騰焙燒爐在鎳冶煉廠的應用現(xiàn)狀

新銅系統(tǒng)上馬以來，沸騰爐運轉情況很不理想，通過在銅渣中添加粉煤后沸騰爐運轉率達到廠部下達的目標，同時也創(chuàng)新了不同成分銅渣長周期氧化焙燒的新工藝。2012年沸騰爐運轉率得到了大幅提升，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%。焙砂殘硫高會降低銅浸出率，造成除銅后渣含銅超標。殘硫過高會增大鎳的浸出率，增大銅系統(tǒng)凈化負擔，增加單位電銅生產成本。殘硫過高會造成除銅后渣渣量增多，增加除銅后渣后續(xù)處理的負擔。

3.2 銅渣焙燒工藝設計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“國家鎳設計院”工藝設計條件，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 焙砂產量及成分

焙砂產量及成分（不計損失）見表2。

表2 焙砂產量及成分 %

4 影響沸騰焙燒速度的因素

沸騰爐生產能力的大小取決于硫化銅礦焙燒反應的速度。反應速度越快，在一定殘硫指標下，單位時間內焙燒的硫化礦就越多，如果處理量一定，單位時間硫化銅礦焙燒的就越完全，焙砂殘硫就越低。在實際生產中，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)生的變化見表3（設800℃時的速度常數(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。但實際上是不能無限的提高焙燒溫度，以加快反應的進行。這主要是因為溫度過高會造成焙燒物料的熔結，從而影響氧氣及二氧化硫的擴散，反而使燃燒速度下降。所以在工業(yè)生產中的操作溫度，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，隨著高冰鎳進礦的多元化，造成銅渣成分波動很大，尤其是采用哈密原料后，銅渣有幾個特性:①銅渣粒度細;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，風床易低溫燒結，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)生產過程中，為了提高銅的直收率，同時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。我們結合多年的生產實踐，制定沸騰焙燒的溫度在840～880℃，在銅渣物性較好時，通過大風大料的辦法維持高溫焙燒，銅渣物性較差時，采用添加粉煤的辦法補充熱量，以達到工藝要求的溫度。高溫焙燒實施一年多，沸騰爐爐況明顯好轉，爐內結塊得到了有效抑制，通過穩(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

硫化銅礦和空氣進行反應時，是一非均相過程。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。當粒度小時，空氣中的氧能充分和硫化銅的表面接觸，并易于達到被焙燒顆粒的內部，生成的二氧化硫也能很快的離開，擴散到氣體中去。如果粒度過大，除接觸面自然減少外，則在硫化銅礦表面上反應以后，生成一層氧化膜，阻礙氧氣繼續(xù)向礦石中心擴散，生成的二氧化硫也不能很快的離開。在規(guī)定的時間內，硫化銅礦中所含的硫來不及燃燒完全，使排出的焙砂殘硫增高。

阜康冶煉廠銅渣是高冰鎳經過球磨浸出后的產物，因此銅渣顆粒極其細小，但因為銅渣是經過離心機脫水，含有一定的水分。銅渣在入爐前需經過制粒機制粒，粒度要求＜4mm，水分控制在8%～10%。如果銅渣粒度過細，水分過低，會造成爐膛上部及煙道集塵嚴重，煙塵量成倍增長，而且焙砂殘硫沒有明顯改觀。而銅渣水分過大（超過12%），會嚴重影響制粒效果，經過制粒機的高水分銅渣，會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，嚴重時會大量堆積到爐膛進料端風床上，造成死爐。在實際生產過程中，遇到水分嚴重超標的銅渣時，將不合格銅渣單獨堆放晾曬，當水分滿足制粒要求時，再投入生產。在處理板框壓濾的板框渣時（因長期堆放，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

氣體中氧含量對硫化銅礦的焙燒速度也有很大影響。因為硫化銅的焙燒速度，取決于氧通過遮在礦粒表面的氧化銅薄膜向內擴散的速度，如果進入焙燒爐氣體中的氧含量少，則單位時間內氧分子向礦粒內部擴散分子就要少，硫化銅礦的焙燒速度就要慢些。所以在硫化銅礦焙燒時必須攪動礦粒，使反應表面更新，改善礦粒間接觸情況，促使氧氣達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，為了驗證焙砂殘硫高與氧含量的關系，通過馬弗爐靜態(tài)焙燒實驗得到數(shù)據(jù)見表5。

表5

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

在實際生產中，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。焙燒時間總計延長了約22min，焙砂殘硫基本上穩(wěn)定在1.5%左右。

通過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%

通過表6焙砂殘硫結合銅渣成分，得出一個規(guī)律，當焙砂含銅＞60%時（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(8月中下旬，哈密和銅鎳礦高冰鎳摻混配料，銅渣含銅較低，水分超標嚴重)，殘硫都高于2%。焙砂殘硫的高低和銅渣成分有很大關系。

5 結束語

沸騰焙燒爐雖然廣泛應用與化工及有色行業(yè)，但在鎳系統(tǒng)尾渣時，出現(xiàn)了諸多問題。經過技術改造，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；控制鼓風量及入爐物料量；穩(wěn)定沸騰爐高溫運行等手段，目前沸騰爐應用已逐步成熟，在同行業(yè)類似物料情況具有一定的推廣價值。

［1］朱祖澤，賀家齊.現(xiàn)代銅冶金學.科學出版社，2003.

［2］王志翔.硫酸生產加工與設備.第一冊，吉林音像出版社，2005.