铜陵有色铜冶炼工艺“奥炉改造工程”方案优化及选择

陈锦安

(铜陵有色金属集团控股有限公司 技术中心， 安徽 铜陵 244000)

0 引言

铜陵有色铜冶炼工艺技术升级改造项目环评于2010年1月获国家环保部批准，项目由“双闪工程”[1]和“奥炉改造工程”两部分组成。“双闪工程”系指采用当今世界最先进的闪速熔炼和闪速吹炼(简称“双闪”)工艺在异地新建铜精矿生产阴极铜冶炼厂(40万t/年)；“奥炉改造工程”是指在铜陵有色股份有限公司现有金昌冶炼厂就地进行，改造已有的铜精矿奥斯麦特炉熔炼、PS转炉吹炼、阳极炉精炼、小极板电解及烟气制酸生产系统，主要处理低品位复杂含铜物料、杂铜及各类电子容器等原料，生产阴极铜20万t/年及硫酸10.5万t/年。

2012年底，“双闪工程”建成投产，“奥炉改造工程”因存在着老厂区附近居民较多、原料市场变化以及当地政府产业规划等问题，一直在进行方案优化论证。经调研、考察和方案比较，最终，在全面符合国家颁布的环保新标准的前提下，结合当地政府产业规划及企业现状，形成了异地搬迁改造方案[2]，在2015年4月获得环评变更批复后，经过两年的建设，于2018年5月投产成功，现已稳定运行，达到预期效果。

1 方案优化指导思想

本次改造方案的主要指导思想包含以下几方面。

1)符合国家产业结构调整政策和《铜冶炼行业规范条件》要求。

2)高度重视环境保护，落实和细化项目环境影响报告书及国家和省市环保部门批复意见，采取有效的环保治理措施，减少“三废”污染，防止生态破坏和环境污染。

3)按照当地政府“冶炼工业进园区统一规则，综合治理”产业规划，实施异地搬迁改造。

4)充分发挥铜陵有色铜冶炼技术沉积及技术升级优势，突出资源综合利用，适应复杂原料，逐步完善和形成铜陵有色铜冶炼差异化发展格局和优势互补一体化发展模式。

5)立足国内，采用高效、合理的工艺、技术、设备和材料，整体装备水平和主要工艺技术指标达到国内先进水平。本改造项目的目标：建设“技术先进、投资省、成本低、环保好”的铜冶炼厂。

2 方案优化和选择

2.1 原料

项目原设计原料绝大部分为铜容器、高中低品位废杂铜，随着拆解工艺的进步，传统废杂铜利用途径正发生变化，各种废杂铜绝大部分已清楚分类，可直接用于铜加工企业生产铜线杆、铜棒等，因此，废杂铜利用的外部环境已发生变化。

为满足铜冶炼工艺热平衡和贵金属高效捕集的需要，并达到主产品阴极铜年20万t的经济规模，结合近几年原料市场供应及金昌奥炉实际处理原料组成与结构，确定以进口和国产及自产铜精矿为原料，确认“奥炉改造工程”年处理 91.5万t混合铜精矿(干基)，年作业天数为340天。混合原料成分见表1。

表1 混合原料主要成分 %

注：*成分单位为g/t。

2.2 工艺

根据原料来源、项目批复及环评要求和技术经济分析，结合铜陵有色铜冶炼现状及整体规划，主要工艺方案的选择和优化研究如下所述。

2.2.1 熔炼工艺

对目前应用的铜熔炼工艺进行筛选后，重点对奥斯麦特炉、底吹炉、侧吹炉工艺进行了考察和比较。奥斯麦特炉、底吹炉和侧吹炉均是熔池熔炼工艺，具有原料适应性强的共同优点，符合“适应铜原料复杂化”要求，三种熔池熔炼炉的能耗和加工成本，在一定规模下均符合国家颁布的新能耗要求。

1)底吹炉工艺。底吹炉工艺为国内新开发的炼铜技术，优点是炉体水套少，炉体冷却造成的热损失在三种熔炼炉中最低，已投入运行的炉子最大年处理精矿量为50万t，难以达到阴极铜20万t规模要求，同时，存在工艺渣含铜高且不稳定、返料率高、作业率低、炉型放大困难等问题，铜陵公司无操作管理经验。

2)侧吹炉工艺。侧吹炉工艺同样是国内自主开发的熔炼新技术，已投入运行的炉子最大年处理精矿量55万t。优点是炉体结构简单，施工难度小，操作相对简单，作业率高、返料率低、渣含铜低；缺点是炉体由大量铜水套拼装而成，冷却造成的热量损失相比最高，需要补充大量二次风，烟气量大。产能扩大的前景也相比较好，但技术和操作存在一定不确定性，铜陵公司无操作管理经验。

3)奥斯麦特炉工艺。奥斯麦特炉在铜陵金昌冶炼厂最早成功应用并得到推广，是这三种熔池熔炼炉中最成熟的工艺。铜陵有色已经熟练掌握其技术和操作，拥有一批熟练的操作和管理人员。世界上已建成的奥炉单台实际年处理精矿达到130万t(湖北大冶有色)，能够满足年产阴极铜20万吨规模要求。奥炉工艺缺点是需要定期换枪，作业率比侧吹炉低，厂房比侧吹、底吹炉高，投资相比较大。

通过考察和比较，奥斯麦特炉熔炼是最符合本项目的工艺[3]，与环评批复的工艺符合性最大，环评变更难度最小，可充分发挥铜陵有色技术和操作的优势。

2.2.2 吹炼工艺

结合所选的奥炉熔炼工艺和处理冶炼中间二次铜物料的需要，吹炼工序拟采用铜陵公司拥有自主知识产权的智能数控吹炼技术[4]，充分发挥该工艺能够处理部分冷料铜的优势。

智能数控吹炼采用在线连续准确检测和造渣、造铜期智能化终点判断技术，解决了百余年来人工经验终点判断低效、安全风险大的世界性难题，提高了热量利用效率与送风时率，延长了炉寿命，实现了炼铜转炉生产工艺控制技术的重大突破。相比常规的PS转炉吹炼工艺，具有造渣期和造铜期智能化终点判断、熔体温度在线连续准确检测、吹炼全程数模控制等技术优势。

2.2.3 冶炼烟气制酸工艺

进制酸系统的冶炼烟气由熔炼、吹炼烟气和拟建铜冠新技术公司冶炼烟气组成，烟气量110 000～230 000 Nm3/h，SO2浓度12%～15%。

国内类似烟气条件大规模单系列冶炼烟气制酸装置已有成功实践，如金川有色集团和大冶有色公司，各项技术指标均较好。

本项目冶炼烟气制酸装置，在总结国内大型硫酸装置设计和生产实践基础上，按单系列建设，采用国内技术先进、成熟可靠的“一级动力波-填料洗涤塔-二级动力波-两级电雾”稀酸洗涤净化、双接触“3+1”式四段转化( ⅢⅠ-ⅣⅡ换热流程)、两次吸收的常压接触法制酸工艺，关键工序采用国际先进技术和设备。

2.2.4 阳极精炼及电解精炼工艺

采用国内技术先进、成熟可靠的回转式阳极炉精炼和PC电解精炼工艺。

2.2.5 环保治理工艺

1)低空污染烟气治理。对奥炉、电炉、吹炼炉以及阳极炉等工艺设备的放铜口、放渣口等烟气逸散处设排烟罩就地捕集，以改善车间环境，减少低空污染。根据工艺特点，共设3套环境集烟系统，其中阳极炉工艺烟气+转炉环境集烟系统烟气经布袋除尘器净化后送入环境集烟脱硫系统，奥斯麦特炉区域及转炉区厂房两个环境集烟系统烟气直接送环境集烟脱硫系统。脱硫工艺通过综合比较钠碱法、石灰石(石灰)-石膏法、循环流化床法、氧化镁法、亚硫酸镁法、氨法、活性焦吸附法、离子液法(有机胺吸附解吸法)等[5]，决定采用一级离子液法、二级钠碱法(符合环评批复)回收SO2气送制酸系统，最终经烟囱达标排放。

2)制酸尾气脱硫。制酸尾气采用离子液法脱硫，与冶炼环境集烟脱硫共用离子液再生系统，回收SO2气送制酸系统，脱硫后烟气经120 m高环保烟囱达标排放。

3)废水治理。烟气制酸产出的废酸采用硫化沉淀-石灰中和工艺除去大部分硫酸、重金属离子和砷等杂质，再进入废水处理系统；废水处理采用“二级中和-铁盐除砷”工艺处理达标后，经“二氧化碳+碳酸钠”脱钙工艺处理后回用于冶炼渣缓冷、渣水淬、精矿制粒、冶炼环集脱硫预洗涤等。厂区初期雨水经收集后，送初期雨水处理站，采用絮凝反应沉淀工艺，投加重金属捕捉剂、生物制剂和絮凝剂进行处理，经处理后的废水全部回用，不外排。厂区生产清洁废水处理工艺流程采用过滤及反渗透处理工艺，经处理并脱钙后，回用于生产补充水。

经上述处理后，满足项目环评批复“项目生产废水、循环冷却系统排污水和初期雨水经处理后全部回用，不得排入外环境。含重金属废水送至酸性废水处理站，处理后全部回用”的要求，做到生产废水零排放。

2.3 投资

2.3.1 提高设备国产化率

除制酸SO2风机、锅炉循环泵等少数关键及重点设备进口外，其他如阳极炉圆盘浇铸机，电解系统专用吊车、阴极剥片机组、不锈钢阴极板、阳极整形加工机组，渣包车，余热发电机组等重要设备选用国产，节省费用2亿元人民币。

2.3.2 工艺及布置优化

优化的工艺及布置：缩减硫酸规模5%；缩减奥炉上升烟道，降低厂房高度5 m；取消奥炉、转炉排风机备用设备，同类风机、压缩机等设备集中配置，实现同类设备互相备用；高排风机及环境集烟风机等设备露天布置。这些优化措施节省费用3 000万元，也减少了占地面积。

2.3.3 采用买氧气方案

不建制氧系统，投资下降1.3亿元。

2.3.4 设施共享

本厂址毗邻“双闪”工程，共享“双闪”已有化学水站、备件库、油库、粗硫酸镍、维修车间、化验中心等设施，节省费用2 000万元。

2.4 方案结果

“奥炉改造工程”方案优化后，采用“铜精矿配料-圆盘制粒-富氧顶吹熔池熔炼-智能数控吹炼-回转式阳极炉精炼-PC电解精炼”的铜冶炼工艺，冶炼烟气采用“一级动力波-填料塔-二级动力波-两级电雾”稀酸洗涤净化、“3+1”两转两吸常压接触法制硫酸和制酸尾气“离子液脱硫”工艺，冶炼环集烟气经布袋除尘后，采用“离子液脱硫+钠碱法保安脱硫”工艺，以上均符合环评批复内容。优化方案和《环评批文》内容见表2。

3 建设及投产运行

2016年3月18日，项目建设全面开工，2018年3月18日竣工点火，2018年5月18日投料试车，5月底顺利产出主产品高纯阴极铜和硫酸，标志着生产工艺流程全线贯通。目前生产稳定运行，高纯阴极铜品位达99.99%，高纯铜产出率达到99.0%，硫酸纯度为98%，达到优等品。制酸系统总转化率≥99.9%，硫酸尾气外排二氧化硫含量低于72 mg/Nm3，优于国家环保标准，厂区无生产废水外排。

表2 “奥炉改造工程”优化方案和《环评批文》内容表