王沖,鄭敏,王華,朱道飛,馮曉瓊
(1 昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院,云南 昆明 650093;2 云南銅業(yè)股份有限公司,云南 昆明 650093;3 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210096)
自然界中的含銅礦物主要是原生硫化銅礦物,經(jīng)選礦后產(chǎn)出的銅精礦多數(shù)采用火法冶煉工藝。造锍熔煉-銅锍吹煉是處理硫化銅精礦最廣泛的工藝。現(xiàn)代造锍熔煉是在 1150~1250℃高溫下,使硫化銅精礦和熔劑在熔煉爐內(nèi)進(jìn)行熔煉,通過(guò)一系列的物理化學(xué)變化,主要包括高價(jià)硫化物的分解、硫化物氧化、造锍反應(yīng)(FeS+CuO—→FeO+Cu2S)和造渣反應(yīng)[2FeO+2SiO2—→(2FeO?SiO2)、3Fe3O4+FeS+5SiO2—→5(2FeO?SiO2)+SO2],最終形成煙氣、銅锍和爐渣。銅锍是以 FeS-Cu2S為主。爐渣是以 鐵橄欖石(2FeO?SiO2、FeO?SiO)為主的氧化物 熔體。銅锍與爐渣互不相溶,且密度各異,從而 分離[1]。
然而,銅以機(jī)械夾帶和溶解的形式損失于爐渣中,造成火法煉銅中銅損失。一方面,受銅锍和熔渣密度、黏度及銅锍和熔渣表面張力和界面張力的影響,渣中約25%~75%的銅以銅锍或銅的硫化物微滴形式夾帶于渣中。另一方面,相比傳統(tǒng)的熔煉技術(shù),現(xiàn)代造锍熔煉主要是強(qiáng)化熔煉法,即采用富氧或工業(yè)氧代替空氣為風(fēng)料,熔煉在強(qiáng)氧勢(shì)下進(jìn)行,銅锍品位高,不利于銅與渣的平衡反應(yīng),即不利于造锍反應(yīng)(Cu2O+FeS—→FeO+Cu2S)向著生成銅锍的方向進(jìn)行;同時(shí),爐渣中氧勢(shì)高,渣含F(xiàn)eO低,而含 Fe3O4高。Fe3O4量較多時(shí),會(huì)使?fàn)t渣熔點(diǎn)升高,相對(duì)密度增大,惡化渣與锍的沉清分離。Cu在FeO中的溶解度很小,而在Fe3O4中的溶解度隨著氧壓的升高而大大提高[1]。因此,現(xiàn)代造锍熔煉渣含銅高,高達(dá) 0.8%~25%,是傳統(tǒng)造锍法渣含銅(0.2%~0.5%)的4倍以上,隨爐渣損失的銅量相當(dāng)大。從廢渣中再回收銅,是火法煉銅流程中不可缺少的工序之一,是降低銅生產(chǎn)成本的重要途徑之一[1-3]。
傳統(tǒng)的銅渣貧化工藝是以重力沉降為基礎(chǔ),在電熱貧化爐中進(jìn)行。澳大利亞超達(dá)銅業(yè)冶煉廠將熱力學(xué)模型和黏度模型應(yīng)用于生產(chǎn)中,并采用控制渣層厚度、撇渣和排放周期、最長(zhǎng)沉淀時(shí)間和撇渣速度四個(gè)關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo),將爐渣中的銅損從 2007年的3.1%降到了2009年的0.76%[4]。此外,攪拌條件和熔劑添加劑也影響銅锍的沉降[5]。減低渣黏度非常有利于銅锍液滴沉降,因此降低渣含銅最根本的方法是降低爐渣中Fe3O4含量[5-6]。不單獨(dú)添加還原劑的情況下,F(xiàn)e3O4的還原是依靠FeS還原劑在高溫下實(shí)現(xiàn)的[3Fe3O4+FeS—→10FeO+SO2、3Fe3O4+FeS+5SiO2—→5(FeO?SiO2)+SO2]。通常,在添加碳(煤、焦炭)等還原劑條件下,由于碳密度小,漂浮在熔池表面,碳與熔池渣中Fe3O4(固-液)的接觸效率低[6-8];而采用CO作為還原劑,則會(huì)增加成本。智利的銅冶煉廠采用固體碳高溫直接還原方法來(lái)處理銅渣,獲得了Fe-Cu-C合金(含有貴金屬)及惰性渣(金屬含量低),但是氣體產(chǎn)物中CO含量較高[9]。
本文作者提出柴油在 N2存在條件下還原銅渣中磁性鐵(Fe3O4)以回收銅锍技術(shù):高溫高壓下柴油在 N2存在條件下發(fā)生裂解,產(chǎn)生的裂解氣快速膨脹,在熔體內(nèi)形成巨大氣-液接觸面積,對(duì)貧化爐反應(yīng)器內(nèi)的爐渣形成強(qiáng)烈攪拌,使熔渣中锍粒互相碰撞聚合的機(jī)會(huì)增多,促進(jìn)锍粒沉降。同時(shí),柴油裂解氣與渣中 Fe3O4發(fā)生氣-液反應(yīng),F(xiàn)e3O4被還原成 FeO,從而改善銅渣中渣-锍分離性能。并且,基于吉布斯自由能原理,建立 N2存在條件下柴油還原Fe3O4反應(yīng)的模型,探討了反應(yīng)溫度、N2加入量、柴油與銅渣比(油渣比)對(duì)Fe3O4還原反應(yīng)的影響,為今后開(kāi)展 N2存在條件下柴油火法貧化銅渣回收銅锍試驗(yàn)提供理論依據(jù)。
在現(xiàn)有火法貧化銅渣技術(shù)路線的基礎(chǔ)上[6],提出N2存在條件下柴油還原銅渣中Fe3O4以回收銅锍路線,如圖1所示。經(jīng)造锍熔煉-銅锍吹煉產(chǎn)生的高溫液態(tài)含銅爐渣進(jìn)入貧化爐后,向爐渣層噴入高壓柴油和 N2的混合氣,與液態(tài)爐渣混合,發(fā)生強(qiáng)烈的熱量和質(zhì)量交換,使得剛進(jìn)入床內(nèi)的柴油及N2瞬間加熱到床內(nèi)溫度,柴油發(fā)生裂解,生成的裂解氣及 N2快速體積膨脹,對(duì)熔池進(jìn)行強(qiáng)烈的攪拌,使液態(tài)銅渣與柴油氣混合充分;在熔體爐渣被攪拌的情況下,柴油裂解氣,如CH4、H2等與銅渣充分發(fā)生氧化還原反應(yīng),F(xiàn)e3O4被還原成 FeO,從而減少了因銅锍溶解于Fe3O4渣而導(dǎo)致的銅損失。通過(guò)復(fù)雜的物理化學(xué)變化,改善銅锍滴在爐渣中的沉降條件和溶解度,從而回收銅锍,降低渣含銅量。
圖1 柴油在N2存在條件下火法貧化銅渣回收銅锍示意圖
Aspen Plus 軟件是一種通用的過(guò)程模擬優(yōu)化和設(shè)計(jì)軟件,能對(duì)火法冶金和濕法冶金過(guò)程進(jìn)行平衡分析,計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠[10-12]。Aspen Plus 中的RGibbs反應(yīng)器,是以化學(xué)平衡為基礎(chǔ)的反應(yīng)器,通過(guò)吉布斯自由能最小化原理來(lái)確定產(chǎn)品組成。可模擬單相氣相或液相化學(xué)平衡、不帶化學(xué)反應(yīng)的相平衡、帶固體溶液相或化學(xué)平衡及同時(shí)具有相平衡和化學(xué)平衡[12]。
銅渣主要成分為鐵橄欖石(2FeO?SiO2和FeO?SiO2)、Fe3O4以及銅锍(FeS-Cu2S)。進(jìn)入貧化爐的熔渣為高溫真實(shí)溶液,溶液中組分的濃度要用有效濃度(活度)來(lái)表示。然而,不同于一般的溶液,火法冶金還有其他特性:多種固相和氣相同時(shí)出現(xiàn)、同時(shí)發(fā)生相平衡和化學(xué)平衡、出現(xiàn)多種晶體的混合物或出現(xiàn)多種固熔體。因此,采用包含固體的液-液-氣相平衡方程來(lái)計(jì)算相平衡。對(duì)于柴油在N2存在條件下還原銅渣中Fe3O4反應(yīng),假設(shè)貧化爐穩(wěn)定運(yùn)行且其中發(fā)生的反應(yīng)都能達(dá)到化學(xué)平衡,反應(yīng)器內(nèi)均不考慮壓力損失。
(1)柴油裂解
柴油高溫裂解,生成小分子的碳?xì)浠衔铮ò–1~C17烷烴和烯烴)、氫氣H2和殘?zhí)緾。
(2)柴油裂解氣還原Fe3O4的反應(yīng)
柴油裂解氣,如CH4、C2H4、H2、C等與爐渣中的Fe3O4發(fā)生以下7個(gè)反應(yīng)。
(3)氮化合物的生成以及氮化合物還原Fe3O4的反應(yīng)
N2存在條件下柴油還原Fe3O4過(guò)程中可能生成中間產(chǎn)物NO、NO2和N2O。其中,NO和N2O中的 N元素處于中間價(jià)態(tài),NO不但可能具有還原性,還可能具有氧化性;而NO2只有氧化性。在這過(guò)程中可能發(fā)生的反應(yīng)有如下8個(gè)。
(1)柴油和N2加入量
主要對(duì)柴油在N2存在條件下還原銅渣中Fe3O4反應(yīng)展開(kāi)模擬研究,為進(jìn)一步的試驗(yàn)研究、生產(chǎn)實(shí)踐和工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。柴油是由不同的碳?xì)浠衔锘旌辖M成。它的主要成分是含9到18個(gè)碳原子的鏈烷、環(huán)烷或芳烴。為簡(jiǎn)化計(jì)算,本模擬計(jì)算中假設(shè)柴油的成分如表1所示。模擬中假設(shè)柴油用量為1800L/d,柴油密度0.80kg/L。N2的加入量主要在720m3/d,并在480~960m3/d范圍變化。
(2)爐渣成分
不同冶煉工藝產(chǎn)生的銅渣的礦物組成不盡相同,但一般都包括鐵橄欖石(2FeO?SiO2)、磁鐵礦(Fe3O4)和銅锍(Cu2S-FeS)等幾個(gè)主要組分。模擬爐渣為云南銅業(yè)股份有限公司艾薩爐爐渣和轉(zhuǎn)爐爐渣的混合物,質(zhì)量比為 15∶1。銅渣中主要組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1,模擬用柴油成分表2和表3。
成分 摩爾分?jǐn)?shù)/% C13H24 20 C12H24 30 C12H22 30 C11H22 20
(3)主要入口參數(shù)及運(yùn)行條件
模擬過(guò)程物流主要入口參數(shù)及運(yùn)行條件設(shè)定為:環(huán)境溫度 25℃;采用云南省昆明市的大氣壓力為環(huán)境壓力,相對(duì)海平面,海拔每增加12m,壓力下降133Pa,依據(jù)昆明市平均海拔,環(huán)境壓力約為80267Pa;柴油在環(huán)境溫度下通過(guò)泵(0.2MPa)送入,體積流量 1800L/d柴油,質(zhì)量流量為1512kg/d;N2在環(huán)境溫度下送入,加入量分別為480m3/d、 600m3/d、 720m3/d、 840m3/d 和960m3/d;進(jìn)入貧化爐的爐渣溫度 1200℃,柴油加入量(L)與爐渣質(zhì)量(t)之比在0.5~2.9L/t變化。貧化爐反應(yīng)器壓力為 80167Pa,反應(yīng)器操作溫度分別為1220℃、1240℃、1260℃和1280℃。
表1 模擬用柴油成分
表2 艾薩爐爐渣主要組成
表3 轉(zhuǎn)爐爐渣主要成分
對(duì)于 N2存在條件下柴油還原 Fe3O4的反應(yīng)過(guò)程,柴油裂解產(chǎn)物的種類、數(shù)量、產(chǎn)氣體積等將影響后續(xù)的Fe3O4還原反應(yīng)過(guò)程。因此,首先考察柴油在 N2存在條件下的裂解反應(yīng)?;诩妓棺杂赡茉碚归_(kāi)模擬計(jì)算,柴油在 N2氣氛下裂解產(chǎn)物按如下考慮:表1所列的碳?xì)浠衔?、C1~C17烷烴、C2~C17烯烴、C、H2和殘余N2。
3.1.1 反應(yīng)溫度對(duì)N2存在條件下柴油裂解的影響
圖2和圖3給出不同反應(yīng)溫度下柴油在N2存在條件下的裂解產(chǎn)物分布、氣體產(chǎn)物體積和熱量平衡關(guān)系。固定柴油加入量1800L/d,N2加入量720m3/d條件下,溫度在1200~1280℃,柴油裂解充分。裂解產(chǎn)物主要是 C、H2、少量 CH4以及極少量 C2H4、C2H6、C3H8、C3H6。H2具有較強(qiáng)的還原性,有利于將Fe3O4還原成FeO。反應(yīng)溫度增加,CH4進(jìn)一步發(fā)生熱分解,生成C和H2,但幅度很小。最終,裂解產(chǎn)物摩爾分?jǐn)?shù)隨反應(yīng)溫度變化很小。
考慮柴油的氣體裂解產(chǎn)物和溫度對(duì)氣體體積的影響,反應(yīng)中氣體體積比入口氣體體積增大了28.3~29.9倍,這將有利于在熔體內(nèi)產(chǎn)生巨大熔渣與柴油裂解氣(氣-液)接觸面,從而有利于熔渣中锍粒互相碰撞聚合和锍粒沉降。另外,為維持反應(yīng)器溫度,柴油裂解過(guò)程需要從外界吸收熱量。如圖3所示,隨反應(yīng)溫度的增加,所需的外界供熱量也呈線性單調(diào)增加,增幅為9598.8kJ/(℃·d)。
3.1.2 N2加入量對(duì)柴油裂解的影響
固定柴油加入量1800L/d,反應(yīng)溫度1240℃,改變N2加入量。圖4和圖5為不同N2加入量柴油裂解產(chǎn)物分布、氣體產(chǎn)物體積和熱量平衡關(guān)系。裂解產(chǎn)物主要是C、H2、少量CH4以及極少量C2H4、C2H6、C3H8、C3H6。與反應(yīng)溫度的影響相同,N2加入量增加,CH4熱分解程度略有提高,但幅度很小。最終,裂解產(chǎn)物摩爾分?jǐn)?shù)隨 N2加入量的增加基本保持不變。
提高 N2加入量,反應(yīng)中氣體體積呈線性增加,從19266.9m3/d提高到22633.0m3/d。反應(yīng)中氣體體積比入口氣體體積增大了26.8~31.4倍,氣體對(duì)熔體的攪動(dòng)作用提高。此外,為維持反應(yīng)器溫度所需的外界供熱量隨 N2加入量線性增加,增幅為1304.5kJ/(m3·d)。
N2存在條件下柴油火法貧化爐渣的化學(xué)反應(yīng)原理是通過(guò)柴油在 N2存在條件下的裂解產(chǎn)物將銅渣中Fe3O4還原成FeO,從而改善渣與锍的沉清分離。為了便于與 N2存在條件下柴油裂解反應(yīng)過(guò)程對(duì)比,本節(jié)模擬計(jì)算中,固定柴油加入量1800L/d,反應(yīng)溫度 1240℃。并定義反應(yīng)器入口處柴油體積與銅渣質(zhì)量之比為油渣比,單位為 L/t?;诩妓棺杂赡茉?,圍繞Fe3O4還原反應(yīng),對(duì)柴油在N2存在條件下還原渣中Fe3O4反應(yīng)展開(kāi)模擬計(jì)算中,氣體產(chǎn)物考慮:CH4、C2H6、C3H8、C2H4、C3H6、C4H8、H2、N2、S、CO、CO2、H2O、SO2、H2S、O2、NO、N2O和 NO2。固體產(chǎn)物考慮:Fe3O4、FeO、Fe、FeS2、FeS、Cu2O、CuO、Cu2S、CuS、Cu、C、FeSiO3、Fe2SiO4、Al2O3、CaO、MgO、SiO2、As、CaFe(SiO3)2、CaFeSiO4、CaFe2O4、FeAl2O4、MgFe2O4、PbO和ZnO。此外,假設(shè)銅渣中銅锍Cu2S-FeS未參與反應(yīng)。
圖2 反應(yīng)溫度對(duì)N2存在條件下柴油裂解產(chǎn)物組成的影響
圖3 為維持反應(yīng)溫度,不同反應(yīng)溫度下柴油裂解過(guò)程中從外界吸收的熱量Q
圖4 N2加入量對(duì)柴油裂解產(chǎn)物組成的影響
圖5 為維持反應(yīng)溫度,不同N2加入量下柴油裂解過(guò)程中從外界吸收的熱量Q
圖6 油渣比對(duì)N2存在條件下柴油還原銅渣的氣體產(chǎn)物分布及Fe3O4還原率的影響
圖7 油渣比對(duì)N2存在條件下柴油還原銅渣的固體產(chǎn)物分布的影響
圖6和圖7給出了油渣比在0.5~2.9L/t變化時(shí),反應(yīng)產(chǎn)物分布、氣體體積、Fe3O4還原率和熱量平衡關(guān)系。模擬結(jié)果表明,銅渣中 Fe3O4被還原成FeO,不會(huì)被過(guò)度還原成Fe;而柴油裂解生成的C也全部被氧化成CO2及CO。當(dāng)油渣比低于2.7L/t,具備還原能力的柴油裂解氣相對(duì)Fe3O4不足,銅渣中的Fe3O4部分被還原成FeO;而柴油裂解產(chǎn)物主要都轉(zhuǎn)化成了CO2和H2O以及少量CO,無(wú)C和H2殘留。增加油渣比(≤2.7L/t),氣體產(chǎn)物組分基本保持不變。這是因?yàn)椋?1220~1280℃時(shí),F(xiàn)e3O4與 H2、C、C2H4、CH4的反應(yīng)平衡常數(shù)都比較大,反應(yīng)程度高,如圖8所示。因此,當(dāng)油渣比在0.3~2.7L/t變化時(shí),F(xiàn)e3O4相對(duì)柴油裂解產(chǎn)物過(guò)量,F(xiàn)e3O4還原成FeO的反應(yīng)程度單調(diào)提高,F(xiàn)e3O4和FeO摩爾分?jǐn)?shù)隨油渣比成相反趨勢(shì)變化;而柴油裂解產(chǎn)物基本上都完全被氧化成CO2和H2O。進(jìn)一步增加油渣比(≥2.7L/t),銅渣中Fe3O4全部被還原成FeO;而柴油裂解產(chǎn)物發(fā)生部分氧化,不僅生成CO2和H2O,而且還釋放出H2和CO,且CO2和H2O與H2和CO的摩爾分?jǐn)?shù)隨油渣比增加呈相反趨勢(shì)變化,如圖6所示。
圖8 Fe3O4還原反應(yīng)平衡常數(shù)
此外,柴油裂解產(chǎn)物還與銅渣中Cu2S反應(yīng),部分Cu2S被還原成 Cu,同時(shí)釋放出 SO2和少量的H2S。銅渣中的 Fe2SiO3不穩(wěn)定,完全分解成 FeO和 SiO2。并且,熔融銅渣之間還會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜反應(yīng)。部分FeO(Fe3O4還原產(chǎn)物和Fe2SiO3分解產(chǎn)物)與銅渣中 CaO 和 A l2O3反應(yīng),生成CaFe(SiO3)2和 FeAl2O4,但無(wú) CaFeSiO4、CaFe2O4和 MgFe2O4生成。N2未參與反應(yīng),產(chǎn)物氣中無(wú)NO、N2O和NO2生成。銅渣中SiO2、As、MgO、PbO和ZnO未參與反應(yīng)。主要反應(yīng)式如下。
圖7 為維持反應(yīng)溫度,N2存在條件下柴油還原銅渣過(guò)程中從外界吸收的熱量Q
因此,氣體產(chǎn)物主要為CO2、H2O、SO2、CO、殘余N2和少量H2、H2S。而固體產(chǎn)物主要為FeO、SiO2、CaFe(SiO3)2、FeAl2O4和殘余 FeO-Cu2S、Cu2S、Fe3O4、As、MgO、PbO、ZnO。
N2存在條件下柴油還原銅渣反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的吸熱過(guò)程。如圖9所示,油渣比增加,為維持反應(yīng)溫度,所需的外界熱量單調(diào)減少,且當(dāng)油渣比超過(guò)1L/t,降幅趨緩。因此,在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中,為便于調(diào)控反應(yīng)器溫度,油渣比不宜低于1L/t。
在反應(yīng)溫度1220~1280℃,反應(yīng)壓力80167Pa,N2加入量480~960m3/d,柴油加入量1800L/h,油渣比0.5~2.9L/t條件下,有以下結(jié)果。
(1)柴油發(fā)生裂解,主要生成了C和H2;同時(shí),反應(yīng)中氣體體積發(fā)生膨脹,并對(duì)銅渣熔體進(jìn)行攪拌。提高反應(yīng)溫度和 N2加入量,CH4分解程度略有增加,但裂解產(chǎn)物摩爾分?jǐn)?shù)基本保持不變。反應(yīng)中氣體體積隨反應(yīng)溫度和 N2加入量呈線性增加。柴油裂解過(guò)程是吸熱反應(yīng),所需的外界供熱量隨反應(yīng)溫度和N2加入量增加呈線性單調(diào)增加。
(2)Fe3O4與柴油裂解產(chǎn)物的反應(yīng)平衡常數(shù)大,反應(yīng)程度高。銅渣中Fe3O4被還原成FeO,柴油裂解產(chǎn)物主要轉(zhuǎn)化成CO2、H2O和少量CO。柴油裂解產(chǎn)物還與銅渣中Cu2S反應(yīng),部分Cu2S被還原成Cu,同時(shí)釋放出SO2和少量的H2S。此外,銅渣中Fe2SiO3分解成FeO和SiO2。FeO還會(huì)與CaO和Al2O3反應(yīng),生成CaFe(SiO3)2和FeAl2O4。N2未參與反應(yīng),產(chǎn)物氣中無(wú)NO、N2O和NO2生成。油渣比增加,F(xiàn)e3O4還原率呈線性增加,但由于Fe3O4相對(duì)柴油裂解產(chǎn)物過(guò)量,氣體產(chǎn)物組分基本保持不變。N2存在條件下柴油還原銅渣反應(yīng)是吸熱過(guò)程。為維持反應(yīng)溫度,柴油還原Fe3O4反應(yīng)過(guò)程所需的外界供熱量隨油渣比單調(diào)減少,且當(dāng)油渣比超過(guò)1L/t,降幅趨緩。
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