含铜污泥直接还原熔炼回收铜工艺分析

刘俊江

（韶关鹏瑞环保科技有限公司，广东 韶关 512000）

研究发现，我国电镀企业年生产电镀污泥达1000万t，大量有价金属均在可回收范围，对重金属污泥资源回收技术较多，包括焙烧、浸出、置换电解及微生物处理等技术[1]。国内处理污泥主要使用高温还原法，使用鼓风炉熔煤炼工艺，原料干燥后，制砖机制砖，晾干后输送到鼓风炉熔炼，产出合金或品位低初级金属。工艺流程短，而且铜回收率高，此项工艺技术也十分成熟。由于传统鼓风炉加料口容易漏入空气，出口烟气大，燃料消耗多，环境差[2]。随着我国硫化铜矿山开采、铜冶炼工业和铜深加工工业的发展，生产时有大量含铜酸性废水，对此废水处理对含铜污泥如果不及时处理，也会对地下水造成污染，甚至污染环境，对生态环境造成严重的破坏，最终危害到人体的健康[3]。很多金属资源都属于不可再生资源，受此因素影响，能源短缺的问题也会使经济持续发展受到影响。金属资源在自然界不能再生，其中含铜污泥作为可再生资源，需要对此资源进行再利用和开发，可以实现可循环经济，同时，对能源起到有效的节约作用，从而实现节约型社会，使铜资源的利用得到保障[4]。下面对含铜污泥还原熔炼回收铜工艺进行简单的论述，仅供参考。

1 含铜污泥原料性质分析

含铜污泥原料由某矿山选取，经过化学反应试验观察，可以生成细矿物，是铁氢氧化物、铝氢氧化物和碳酸盐等混合物，也有少量黄铁矿和石英、明矾石及铜硫化物等，对其化学成分分析发现，其中铜含量占3.93，TFe占12.73，SiO2占10.75，TS占3.30，CaO占10.87，Al2O3占17.75，Na2O占1.26，As占0.017，Zn占0.46，MgO占0.27，TC占1.74；对熔剂石英石、石灰石的化学成分进行分析，其中石英石中SiO2占91.86，CaO占0.14，Al2O3占1.51，MgO占0.023，Fe占0.079；而石灰石中SiO2占8.47，CaO占68.18，Al2O3占1.13，MgO占0.08，Fe占0.58；对还原剂无烟煤的化学成分进行分析，其中固定碳占66.10，Al2O3占13.69，CaO占0.42，MgO占0.16，TS占2.37。

2 含铜污泥还原回收铜工艺原理分析

通过以上对含铜污泥原料、熔剂中化学成分的分析，电镀污泥内铜含量低，以湿法浸出工艺，流程过长，而且会消耗较大的浸出药剂，工艺复杂，也会增加生产成本，甚至出现大量含有重金属成分废水，对这些废水处理成本较高，还会导致二次污染。分析这些性质特点发现，电镀污泥选择火法处理，可以将废物转化为玻璃态固化渣，无害化处理，还能对有价值金属铜进行回收。经过冶炼厂初步加工，可以防止深度处理造成二次污染。污泥无害化回收铜成分，可以解决环保差的问题。对含铜污泥还原工艺原理进行分析，观察其反应方程式为Cu(OH)2→CuO+H2O，高温900℃完成氧化铜还原反应。温度高于570℃，氧化铁还原氧热按分解压从大到小分级，分别是Fe2O3→FeO→Fe，这一过程也是还原反应的过程。当高温熔炼时选择造渣反应[5]。

3 含铜污泥还原回收铜工艺试验分析

3.1 直接还原熔炼条件

（1）石英石用量条件固定，含铜污泥中还原剂煤为7%，石灰石用量为12%，控制熔炼温度在1280℃，控制时间在2h。而石英石的用量在含铜污泥中占3%、5.5%、8%、10.5%、13%、15.5%，对不同变量进行试验，如图1所示。结果证明，石英石添加不足13%，铜加收率较低，随着石英石增加，也会提高铜回收率。石英石加入量高于13%，石英石加入量越大，铜回收率越低。这是由于石英石加入量低，含量污泥内FeO、SiO2其接触十分紧密，在还原过程中容易形成铁橄榄石，熔点在1205℃，再此状态下加石英石，会降低熔点，到达1170℃，出现共晶混合物，从而影响铜回收率[6]。可见，石英石加入过量，和中和渣内石灰石反应，也会导致熔点高达1500℃，形成硅灰石或硅钙石，导致炉渣粘度过大，影响铜的回收率。所以，要控制加入石英石剂量在13%，控制铜回收率达到67.9%。

图1 石英石加入量对铜回收率的影响

（2）石灰石用量条件固定，其中还原剂煤为含铜污泥7%，石英石用量13%，控制熔炼温度在1280℃，控制2h熔炼。其中石灰石用量为变量，是含铜污泥3%、6%、9%、12%、15%，当加入量低于9%，石灰石加入剂量增加，提高铜的回收率；石灰石用量超出9%，随着石灰石用量的增加，会降低铜的回收率。这是由于炉渣粘度、渣中CaO与SiO2/ Al2O3的比值密切相关，随着Al2O3的增加碱度，生成温度会降低，提升铜回收率。当CaO超出一定值，增加CaO，会导致粘度过高，影响流动性，碱度提高后会使炉渣矿物结构改变，导致正硅酸钙含量过高，使熔点矿物出现非均匀相，熔化温度升高，影响流动性，从而影响铜的回收率。所以，石灰石用量控制在9%，能保证铜回收率达到92.25%。

（3）熔炼温度。将还原剂煤控制在7%，石英石控制在13%，石灰石控制在9%，熔炼2h。这些指标固定后，对熔炼温度变量分析，分别设作1250℃、1280℃、1310℃、1350℃，不同温度下对铜回收率进行分析。当熔炼温度升高时，会增加铜回收率，增加液态炉渣质点热运动，减弱离子间静电引力，影响粘度。温度上升能促进还原反应进行，促进铜金属还原。温度上升可以降低炉渣粘度，促进金属相聚集、沉降，利于渣金属分离，促进渣排放。可是，如果温度过高也会加大能耗，对炉衬侵袭过大，所以，经过试验发现，控制熔炼温度在1310℃，保证铜回收率94.56%，可以取得最理想的试验结果。

（4）熔炼时间。将还原剂煤固定7%、石英石固定在13%和石灰石固定在9%，控制熔炼温度在1310℃，将这些条件固定后，以熔炼时间为变量进行试验，分别对0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h不同变量时间进行试验。试验结果显示，熔炼温度合适状态下，在延长熔炼时间后，能保证铜金属还原更充分，使其在熔渣内可以充分的沉降，提高铜的回收率。但是，也要控制适宜的时间，如果熔炼时间过长，还会导致能量消耗过度，影响铜金属的品位[7]，影响炉子处理能力，对炉体造成过度侵蚀。控制还原熔炼时间最佳状态在1h，可以提高生产效率，控制铜回收率达到93.86%。

（5）还原剂用量。当石英石固定在13%，石灰石固定在9%，控制1h熔炼时间，1310℃温度后，这些条件为固定条件，将还原剂煤用量设计成变量，分别设计成1%、2.5%、4%、5.5%、7%等各个指标，对其试验研究。结果显示，还原剂低于铜污染5.5%，随着还原剂使用量增加，会提高铜的回收率。当还原剂使用量大于5.5%，随着还原剂煤用量增加，会降低铜的回收率。当还原剂使用量过大，还会影响铜品位，增加冶炼成本。试验结果显示，最佳还原剂煤用量控制到5.5%，还原铜回收率能达到93.92%。

3.2 正交试验

含铜污泥直接还原熔炼，通过正交试验分析，发现，在对还原剂用量、时间、温度等条件固定后，确定石英石用量13%，石灰石用量9%，结果显示直接比较选出水平组合，控制在1340℃、80min熔炼时间、加入4.5%煤用量可以达到铜94.85的回收率，回收率最高。其中影响铜回收率最大因素是时间，其次是还原剂用量、温度，通过分析确定最优水平组合。分析影响试验因素，确定主次关系，避免温度过高增加能耗，也要避免还原剂用量过大增加成本。最佳选手以是80min、4.5煤加入量和1280℃。对不同组合验证计算，发现最优组合，含铜污泥直接还原熔炼工艺最佳组合为80min、4.5煤加入量和1280℃，保证铜回收率达到93.89%。

4 小结

总之，含铜污泥直接还原熔炼回收铜工艺，通过以上试验结果对比，固定各项条件后，对不同变量的分析，结果显示，最佳组合合适的工艺数据为，石英石13%，石灰石9%，控制80min熔炼时间，使用4.5%煤用量，控制1310℃熔炼温度，能保证铜93.89%的回收率。通过直接还原熔炼工艺的应用，可以保证熔炉内炉渣的稳定性能，避免污染环境，也能将炉渣用于建筑辅材、水泥生产等原料中使用，不仅能控制环境不受污染，而且能起到重要的经济效益，从而实现重要的社会效益，用于含铜污泥处理，实现对铜回收的实现，保证铜回收率，已成为施工中常用的技术工艺。