低碳经济与氧气底吹无碳自热炼铜新工艺
东营方圆有色金属公司 崔志祥 申殿邦 王智 边瑞民
摘要：概述了氧气底吹工艺的研发与产业化历程，论述了无碳自热熔炼的基本理论、生产实践与工艺过程的实质，从该工艺的能源消耗较低和低碳经济的概念认为，该新工艺应属于低碳经济。通过优化，能源消耗还可以进一步降低。展望未来，通过进一步深入试验研究，实现“数字”底吹炉的目标。
一、概述
目前我国主要的炼铜工艺是芬兰奥托昆普公司发明的闪速熔炼法，如江西铜业公司的贵溪冶炼厂、安徽铜陵公司的金隆冶炼厂、山东阳谷的祥光冶炼厂、甘肃金川公司的铜冶炼厂;其次是从澳大利亚艾萨公司引进的顶吹艾萨法，如云南铜业公司;还有从澳大利亚奥斯麦特公司引进的顶吹奥斯麦特法，如中条山有色公司的侯马冶炼厂、铜陵公司的金昌冶炼厂、内蒙赤峰的金剑冶炼厂等;以及从加拿大诺兰达公司引进的诺兰达炼铜工艺，如大冶有色公司的铜冶炼厂等。总之，大部分是引进国外的冶炼技术及设备。1980年我国研发的白银炼铜法未能得到推广。部分小冶炼厂仍采用耗能较商、污染较重的落后炼铜工艺…密闭鼓风炉法。
二、氧气底吹炼铜工艺的研发与产业化
面对国际上强手如雨后春笋般发展的世界炼铜工艺步步进入中国，国内有色冶金行业只是忙于引进、消化、吸收，却无力研发，无法进行科技创新，搞出中国自己的炼铜工艺。虽然在1989-1993年中国湖南水口山矿务局与北京有色设计研究总院小规模的进行了氧气底吹炼铜实验。但成果鉴定之后，即束之高阁无人问津。如何进一步进行工业规模试验、检验它，完善它，使它产业化，各企业都怕担风险不愿第一个吃螃蟹，也有的认为它技术上行不通。
2005年山东东营市的民营企业家，东营方圆有色金属有限公司的崔志祥董事长毅然决定，要创造中国自己的炼铜工艺。氧气底吹炼铜的原实验规模只有3000tla，且数据也太不完善。而在有色冶金领域，通常的规律是可以放大十倍扩大试验，但一下扩大到年产10万t/a规模的产业化试验工程，增大了30倍之多，风险很大。经过多次的考察论证及研究分析后，崔董事长便精心组织了该工程的创新设计和建设生产。并亲自深入实际，解决了试生产中的一系列问题。投产近两年来的生产实践证明，氧气底吹炼铜工艺具有国内外其它先进技术无比的优越性。有色行业协舍会长康义通过仔细的考察后指出，这项技术对推动铜冶炼技术的进步具有里程碑式的意义。这是中国自己研发的炼铜技术。到目前为止，方圆有色公司的氧气底吹炼铜炉，是世界上唯一的工业规模底吹炉。有色金属工业协会2009年1 1月26日在中色协铜字[2009]252号文中，明确指出：该工艺是中国自己研发的、具有自主知识产权，在铜熔炼领域的重大技术创新成果，是世界先进的铜熔炼技术之一。该项技术已被列为国务院《关于发挥科学技术支撑作用，促进经济平稳较快发展的意见》(国发[2009]9号)重点推广应用技术。
三、氧气底吹炼铜工艺过程的实质
过程的实质是将含氧75%的富氧空气通过多支氧枪分散成许多细小的气流从炉子的底部送入1.5m深的熔体中，如图l所示：
底吹炉内液相与气相有较大的接触面积，较长的接触时间(引进的顶吹的Isa与Ausmelt炉是用一支氧枪插入熔体深度200-300mm)。因此，本工艺具有较高的熔炼强度，熔炼过程中不需加入任何燃料，可实现无碳自热熔炼，做到不排C02，能源消耗也很低，与国外的熔池熔炼工艺如，顶吹的艾萨、奥斯麦特、三菱法，侧吹的诺兰达、瓦纽科夫等炼铜方法相比，氧气底吹炼铜工艺能源消耗是最低的，堪称低碳经济。
四、氧气底吹炼铜工艺的能耗
在当今的各种炼铜工艺中，无论是闪速熔炼，或是各种熔池熔炼，在造锍熔炼的过程中，都需要配入适量的固体燃料或液体、气体燃料以满足熔炼过程中热平衡的需要，使生产顺利进行。例如，我国富氧侧吹熔池熔炼的配煤率为5-7%，澳大利亚芒特艾萨公司的艾萨熔炼炉燃料率为5.5%，山西侯马冶炼厂奥斯麦特炉的配煤率为8.8%。而方圆有色公司的造锍熔炼底吹炉做到了完全不用配煤，实现无碳自热熔炼。它的根本原因是，底吹炉允许应用较高的富氧浓度，产生的烟气量很少，木配入燃料可以维持炉内的热平衡，达到冶金反应所需要的温度。过去没有C02减排意识，认为C02不会像S02那样危害很大，国家环保部门有明确的排放浓度和排放总量的要求。现在，为了实现国家C02减排的总目标，我们不排放C02。
氧气底吹熔炼达到了煤配率为零，不排放C02，能源消耗就符合低碳经济要求吗?能源消耗就会最低吗?理论上讲，氧气从底部送入，在上升过程中与炉料中的FeS、Cu2S反应，放出热量，热量是从内部加热熔体的，加之氧枪喷出的高速射流均匀的搅拌，良好的对流传热过程，热效率极高;可以应用较高的富氧浓度，离炉烟气量少，且炉壁不用铜水套冷却，炉体散热少;能源得到充分的利用，消耗最低，从精矿粉到电解铜的实际吨铜能源消耗折合标准煤为255Kg。
2008年6月1日开始实施的国家标准规定，从铜精矿到阴极铜的综合能耗为550g标煤/t电解铜。可见，高富氧底吹熔池熔炼工艺的实际能源消耗为255 g标煤/t，仅为能耗国家标准的46%;也只达到2009年全国电铜实际能源消耗平均值366/g标煤的70%。可见该工艺是很先进的，应该属于低碳经济的!富氧底吹熔炼每生产1吨电解铜消耗7.473GJ的能量，国外通常为10GJ，可见，在国际上该工艺也是领先的。国际上不同炼铜工艺的能耗列于表1。
表1 各种铜的造锍熔炼方法能耗比较
注：表中是不同工艺多年前的数据，可以作为比较的参考
五、氧气底吹熔池炼铜工艺特点
1.这是中国自己研发的具有完全自主知识产权的炼铜工艺在国内外这是唯一的一台商业规模的氧气底吹熔池熔炼炉，由于它的优越性明显，目前国内已有几家企业到方圆公司考察后，决定选定该工艺。其中有，正在兴建的有山东烟台恒邦股份公司，内蒙包头华鼎铜业公司。另外，还有拟准备采用的多家公司。
2.原料适应性强
利用该项工艺技术，不仅能处理铜、金、银等精矿，而且还可以处理低品位铜矿和复杂的多金属矿以及含金、银高的贵金属伴生矿，甚至垃圾矿都能用该工艺设备高效处理，实现资源的综合利用。原料的来源广，大大拓宽了企业的原料供应渠道，显著提高矿产资源利用率。该公司已经处理过的矿种有：高硫铜精矿、低硫铜精矿、氧化矿、金精矿、银精矿、高砷矿、块矿等，产地遍布世界各地。实践证明，其他的炼铜工艺不好处理的复杂矿料，底吹炉都能处理，而且做到“吃干榨尽”，不仅铜的回收率达到97.98%，金、银等贵金属的回收率也都超过97%。
3.高富氧浓度，熔炼强度高
国内外各种熔池熔炼方法都有一个相适应的最佳富氧浓度，不可以随意提高，大多在70%以下，个别达到95%以上，如氧气顶吹熔炼。俄罗斯诺里尔斯克冶炼厂的瓦纽科夫炉的氧浓为55-80%，方圆公司的底吹炉则保持在75%以上，是比较高的。最关键的是底吹熔炼氧的利用率高达100%，单位时间、单位容积处理炉料量最大。熔炼强度以反应区容积计算，已达到14.8t/m3d。备种方法的熔炼强度及富氧浓度见表2。
表2 各种熔炼方法的床能力和富氧浓度
4.操作环境无烟害，无粉尘
由于送入炉内的富氧浓度高达75%，烟气体积小，二氧化硫浓度高，控制炉子的负压较高(-50--lOOPa)，保证了炉内的烟气与尘埃不外溢。
5.氧枪寿命长，作业率高
笔者曾做过一系列关于氧压的实验。当炉前氧压为2.5Kg/m2时，仍不会发生灌枪，但冶金反应过程不理想;当氧压达到4.5Kg/m2左右时，在氧枪出口处会形成Fe304“蘑菇头”，可以很好的起到保护氧枪的作用，见图2。
图2. 氧枪前形成的蘑菇头
富氧底吹炉生产运行一年多以来，尚未发生氧枪烧坏需要更换的情况。即便是半工业试验时，使用了200多天也未烧坏。笔者进行的工业化实验，更加验证了“蘑菇头”对氧枪的保护作用。在生产过程中，还摸索出了通过调整相关技术条件，以控制“蘑菇头”大小的方法，从而更好的、更灵活的服务于生产的需要。氧压大小、氧浓度高低等工艺条件，与“蘑菇头”的大小有一定的函数关系。现在，操作工已经熟练掌握了这门“独特的”冶炼操作技术。
由于氧枪的寿命长，一般不需进行更换，在其他辅助设备不出现影响正常生产的情况下，基本不需要停炉。因此，采用方圆氧气底吹熔炼多金属摘集技术，可保证主要装备…底吹炉系统有较高的作业率，一般情况下可以达到95%以上。
6.生产操作易于掌控
“氧气底吹熔炼”工艺操作简单易行，关键工艺在于控制氧料比、熔体温度、冰铜品位、炉渣铁硅比等参数;整套系统采用了DCS控制，自动化程度较高，生产控制直观、简便。底吹炉的炉料、冰铜、炉渣等物料，都采用X荧光进行快速分析，能很好的指导生产。与采用侧吹法的诺兰达工艺相比，“氧气底吹熔炼”工艺不需要捅风口等操作;与采用顶吹法的艾萨和奥斯麦特工艺相比，“氧气底吹熔炼”工艺没有经常更换氧枪的操作;而且，生产过程中的加料量、送氧量控制，均通过DCS系统完成。“氧气底吹熔炼”工艺装备整套系统的操作具有简单，易于掌控的优点。
7.生产能力调节范围大
“氧气底吹熔炼”的主装备…底吹炉，具有的一大优势是产能可大可小，调节范围大。当底吹炉规格一定时，实际处理料量的能力可在设计值基础上有上下50%的波动范围。在最初设计时，大、中、小型冶炼厂，即从年产2万吨到20万吨的粗铜企业，可依据自身情况设计不同大小的炉子。这是从国外引进的工艺技术所无法比拟的优势。
8. 实现了无碳造锍熔炼，不排放C02
在所有的熔炼工艺中，无论是闪速熔炼还是其他熔池熔炼工艺，都需要配入一定的碳质燃料，配煤率为3-6%，燃料燃烧热在热量收入中占23-40%。“氧气底吹熔炼”工艺在造锍熔炼过程中，却可以做到不配入煤。以处理每吨矿料计，可减排C02 ll0-220Kg，或以生产每吨粗铜计，约减排C02 800Kg。若年产20万吨粗铜，则可每年减排C02约1 6万吨。
9.耗氧量低
在处理的相同的原料和产出成分相同的铜锍的情况下，原料中的Fe氧化为Fe304的比例也大致相同时，则耗氧量是相等的，或者称化学反应耗氧量是相同的。由于配煤率的不同，燃料消耗多送的氧量约为化学反应用氧量的10-20%，因此消耗的氧量低。
六、氧气底吹熔池炼铜工艺的意义
自从19 49年芬兰奥托昆普公司发明闪速熔炼工艺炼铜以来，相继出现了各种的熔池熔炼为特征的新炼铜法。其投产年代、方法、特点列于表3。
表3 铜硫化矿熔炼方法表
由表2可见，在现代炼铜工艺中闪速熔炼工艺应用的生产厂家和粗铜产量均在50%左右。各种熔池熔炼工艺也约占50%。由于实施熔池熔炼的手段不同，派生出了各种方法。在铜的造锍熔炼过程中，各项化学反应的热力学条件很好，所以无论哪种方法都可以实施。但是，不同方法的动力学条件有较大的差别。随着生产运行过程的发展，其主要经济技术指标会有较大差异，较差的熔炼工艺有可能得到进一步改进或相互取长补短，完善和创新出一个或几个更为合理的熔池熔炼工艺。
富氧底吹熔池炼铜工艺最大的特点是，气流是以许多支微细的小气流从熔体底部吹入，气、液相接触面积大，历程长，气体在熔体内停留时间长，有较好的反应动力学条件，因此有较大的熔炼潜能。从目前投产一年多的时间看，就显示出无比的优越性，相信随着技术设备的不断完善，富氯底吹熔池熔炼工艺在炼铜行业中一定会发展到占主导地位。
七、展望
1.该工艺具有投资省、运行成本低、规模可大可小、环保效果好、能耗低等优点，是我国中小冶炼厂改造升级的首选工艺。
2.通过对该工艺进一步的理论研究和实践完善，富氧底吹会更显示出它的强大生命力，其综合能耗还可以进一步降低。
3.实现该工艺过程的计算机控制，建立数学模型，真正的实现“数字”底吹炉。富氧底吹熔池熔炼工艺一定会在世界炼铜工艺中占有重要低位。
