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褐煤型清潔固體還原劑開發(fā)與應(yīng)用研究

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時(shí)間:2024-08-20 14:05:52
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褐煤型清潔固體還原劑開發(fā)與應(yīng)用研究【摘要】:本文針對(duì)銅火法精煉朝著低成本、環(huán)境友好發(fā)展的要求,采用褐煤為基本原料加工成褐煤型固體還原劑替代原木、木炭粉、重油、柴油、液化石油氣、天然

【摘要】:本文針對(duì)銅火法精煉朝著低成本、環(huán)境友好發(fā)展的要求,采用褐煤為基本原料加工成褐煤型固體還原劑替代原木、木炭粉、重油、柴油、液化石油氣、天然氣、氨、丙烷等這些在銅火法精煉過程中常用的物質(zhì),經(jīng)過數(shù)年的努力,解決了褐煤炭化的關(guān)鍵技術(shù),在新型固體還原劑手動(dòng)噴吹設(shè)備的基礎(chǔ)上,開發(fā)了智能化的新型固體還原劑LV自動(dòng)補(bǔ)償噴吹系統(tǒng),并在推廣應(yīng)用過程中解決了工藝和工程的嵌入適應(yīng)問題,使得研究成果先后在金川集團(tuán)公司和云銅股份公司獲得成功應(yīng)用。 在褐煤的綜合利用研究方面,本論文研究綜合利用褐煤揚(yáng)長(zhǎng)避短生產(chǎn)還原劑,副產(chǎn)煤焦油,煤氣作為能源返回燃燒外,多余部分有作為化工原料(如作為生產(chǎn)甲醇、二甲醚的初級(jí)原料)的可能。由于本研究褐煤深加工產(chǎn)品定位于冶金用新型還原劑,附加值較高,能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益,能為褐煤的開發(fā)利用提供一種新思路。褐煤半焦還原劑除用于高溫電冶金、有色冶煉行業(yè)外,在高爐噴吹、黃磷生產(chǎn)、電石加工等方面也有應(yīng)用前景。 研究結(jié)果表明:彌勒褐煤(水分18.96%、灰分9.33%、揮發(fā)分47.19%、固定碳43.48%)進(jìn)行間接加熱炭化,在炭化溫度為800℃、炭化時(shí)間1小時(shí)的條件下,所得半焦質(zhì)量指標(biāo)為:固定碳大于72%,揮發(fā)份約12%、灰份小于16%、比電阻大于4000Ω·mm2/m。此半焦質(zhì)量指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到粗銅火法精煉用還原劑的基礎(chǔ)料和鐵合金生產(chǎn)用還原劑的要求。 褐煤炭化中試設(shè)備的研發(fā)充分考慮了褐煤煉焦的特點(diǎn):(1)褐煤沒有結(jié)焦性,半焦成散狀,故不能用推焦的辦法從爐子的側(cè)面出焦;(2)因半焦在爐內(nèi)有流動(dòng)性,所以可以連續(xù)上進(jìn)料下出料,爐子可以設(shè)計(jì)成連續(xù)生產(chǎn)的豎爐;(3)褐煤及半焦化學(xué)活性高,易與空氣中的氧發(fā)生燃燒反應(yīng),導(dǎo)致燒損使出爐半焦固定碳降低;(4)爐氣中含有大量的CO和碳?xì)浠衔?。為?本項(xiàng)目研究自行設(shè)計(jì)了外熱式快速炭化爐,具有快速炭化、炭化過程中避免半焦燒損、過程自熱的優(yōu)點(diǎn)。具體表現(xiàn)在:(1)采用導(dǎo)熱性能優(yōu)異的碳化硅磚砌筑炭化室;采用硅磚砌筑燃燒室;干燥段及冷卻段由于溫度變化劇烈、受熱溫度較低,采用粘土磚砌筑,合理用磚降低造價(jià)確保爐壽。(2)爐氣從燃燒室的上部引入向下燃燒,煙氣從底部煙道排出使炭化室爐壁受熱均勻。(3)彌勒新哨褐煤的焦油含量為12%(干基),在熱解過程中有大量的煤氣生成。綜合回收利用的措施是將熱分解的揮發(fā)物氣體導(dǎo)入凈化系統(tǒng),首先高溫?zé)煔膺M(jìn)入第一換熱器冷卻,使焦油蒸汽由氣體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w狀態(tài),粗煤氣中的水蒸氣在第二換熱室也轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水分離,提高煤氣的發(fā)熱值;最后煤氣回到炭化爐的燃燒室作為燃料。第一換熱室煙氣的溫度調(diào)節(jié)由冷空氣的流量控制。 入爐褐煤的水份是決定炭化過程穩(wěn)定順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。水份高的褐煤入炭化爐帶來(lái)的主要問題是,炭化過程由于水的蒸發(fā)吸熱使炭化室溫度下降,爐料停留時(shí)間過長(zhǎng),降低了爐子生產(chǎn)能力,另一方面單位時(shí)間內(nèi)處理的爐料少,導(dǎo)致爐氣中煤氣濃度低,煤氣返回燃燒室利用由于氣量小很難達(dá)到自熱平衡。本研究設(shè)計(jì)的褐煤干燥方法如下: 用鋼筋制作數(shù)個(gè)鼠籠間隔適當(dāng)距離水平并列置于干燥室地面,鼠籠的一端與總風(fēng)管連接,將褐煤推在鼠籠上,先從總風(fēng)管通入常溫空氣脫除褐煤的水份至25%以下,再將風(fēng)管中的氣流轉(zhuǎn)換成換熱室出來(lái)的熱空氣繼續(xù)干燥,使褐煤水份降到15%以下就可以作為炭化入爐原料。實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用證明褐煤的干燥關(guān)鍵在于一定要讓料堆里的飽和濕空氣流動(dòng),使其逸出料面,才能達(dá)到整體干燥的效果。即使只通入常溫空氣,干燥速度也不慢。干燥過程中褐煤會(huì)發(fā)生爆裂,產(chǎn)生碎料,但不至于堵塞氣流通道。這種設(shè)計(jì)可以機(jī)械化布料和出料,投資省,運(yùn)行成本低,適合大規(guī)模生產(chǎn)。 褐煤型煉硅還原劑開發(fā)試驗(yàn)研究表明,以褐煤半焦作原料,采用油團(tuán)聚選擇性絮凝法進(jìn)行深度脫灰處理,可以得到灰分含量達(dá)到4%以下的精焦。影響脫灰的主要因素是:(1)半焦的粒徑大小對(duì)油團(tuán)聚脫灰有較大影響。半焦要磨至250目才能達(dá)到其中的無(wú)機(jī)礦物質(zhì)與有機(jī)質(zhì)的單體解離。(2)低濃度的料漿有利于絮凝脫灰。(3)絮凝過程中,絮凝劑的用量對(duì)脫灰的效果起非常關(guān)鍵的作用。當(dāng)油的用量在30%-40%之間脫灰效果最好,此時(shí)形成的團(tuán)聚物最結(jié)實(shí),焦的回收率也最高。(4)在高速攪拌絮凝過程中,當(dāng)攪拌強(qiáng)度為每分鐘12000轉(zhuǎn)時(shí),絮凝時(shí)間控制在10min左右脫灰效果較好。(5)團(tuán)聚劑油的加入方式對(duì)脫灰也有影響,將柴油與適量水乳化后加入料漿中脫灰效果更好。加入適當(dāng)?shù)姆稚?duì)料漿進(jìn)行預(yù)處理對(duì)提高脫灰率也有益處。(6)褐煤半焦孔隙發(fā)達(dá),類似活性炭,半焦孔隙中的微?;曳植灰滓莆唤怆x出來(lái),導(dǎo)致難于深度脫灰。 用鹽酸浸出半焦選擇性脫出灰份中的鐵、鈣、鎂和鋁是可行的。當(dāng)采用浸液下進(jìn)上出、槽浸的方式,控制浸出條件為半焦粒度0.5mm以下,液固比2:1,鹽酸濃度2ml/L,常溫浸出16小時(shí)。取得指標(biāo)加下:脫灰半焦灰份9.37%、灰份中的主要成份為:Si02:81.09%、Al203:13.36%、CaO:0.74%、Fe203:1.87%:MgO:0.20%。其中鐵在酸浸半焦中的含量為0.18%。 褐煤半焦采用油團(tuán)聚方法和采用化學(xué)浸出方法均可以脫除有害雜質(zhì),精半焦質(zhì)量達(dá)到煉硅所用還原劑的要求,但這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),油團(tuán)聚方法的難點(diǎn)是作為團(tuán)聚劑的油要用間接加熱的方式回收,設(shè)備較復(fù)雜。采用化學(xué)浸出法有工藝及設(shè)備簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),但殘存在產(chǎn)品中的氯離子會(huì)對(duì)冶金過程產(chǎn)生潛在危害。 LV自動(dòng)補(bǔ)償噴吹系統(tǒng)的成功開發(fā),使該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)固體還原劑還原作業(yè)自動(dòng)化,同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送和噴吹,具有自動(dòng)、高效、安全、環(huán)保、集約的特點(diǎn)。集給料單元、支撐稱重單元、安全防爆單元、流化增壓?jiǎn)卧⒘骰旌险{(diào)節(jié)單元、反饋調(diào)節(jié)噴射單元、噴吹系統(tǒng)氣動(dòng)控制站、PLC過程控制單元為一體,為炭質(zhì)固體還原劑替代重油及液化石油氣等高污染或高成本原料的先進(jìn)工藝過程系統(tǒng)設(shè)施,具有火法冶金熔池冶煉氣—液—固相復(fù)雜反應(yīng)體系中反應(yīng)平衡控制的廣泛適應(yīng)性及推廣性。 新型還原劑及自動(dòng)化噴吹系統(tǒng)運(yùn)用在金川集團(tuán)公司熔煉廠進(jìn)行的還原精煉試驗(yàn)獲得成功。金川公司冶煉廠75t陽(yáng)極爐生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)新型固體還原劑完全代替重油還原,還原過程穩(wěn)定,單爐還原時(shí)間為50-80min,較重油還原節(jié)約30分鐘以上。所得陽(yáng)極板板面平整,還原效果好;還原過程環(huán)境評(píng)價(jià)煙氣黑度為林格曼等級(jí)一級(jí),避免了銅熔煉車間采用重油還原時(shí)逸冒黑煙的問題;新型固體還原劑單耗為13-18Kg/t-Cu,由于處理的是金川二次銅精礦生產(chǎn)的高鎳粗銅,氧化深度較深,銅熔煉車間75t陽(yáng)極爐熔池淺,造成固體還原劑單耗稍高。采用固體還原劑還原相對(duì)重油每產(chǎn)一萬(wàn)噸陽(yáng)極板可節(jié)約還原成本9.06萬(wàn)元,實(shí)際上經(jīng)濟(jì)效益最顯著的是還原時(shí)間縮短帶來(lái)的作業(yè)成本降低,僅能耗的節(jié)約每年就有上千萬(wàn)元。 對(duì)金川公司二次銅精礦冶煉所產(chǎn)粗銅還原精煉過程研究分析,要降低陽(yáng)極板的含氧量,可以采用以下幾種措施:氧化精煉時(shí),依據(jù)爐料含鎳量控制氧化時(shí)間即控制氧化銅樣含氧量,當(dāng)含鎳過高時(shí),為提高一次直收率,可適當(dāng)采用加冷料沖稀的方法,使銅液鎳含量降低,達(dá)到生產(chǎn)指標(biāo);氧化渣盡量扒盡;新型固體還原劑還原精煉是調(diào)節(jié)陽(yáng)極含氧的主要工序,因此還原精煉過程需現(xiàn)場(chǎng)取樣分析,得到合理的還原時(shí)間和還原劑噴吹量; 對(duì)精煉過程鎳的脫除及形態(tài)控制研究得出以下結(jié)論:鎳在氧化精煉和還原精煉過程中都是以銅鎳合金的形式存在于銅液和溶解在銅液的Cu2O中,未發(fā)現(xiàn)NiO及其他形態(tài);鎳在火法精煉工序是較難脫除的,特別是在還原精煉工序,還原過程的溫度、還原氣氛等條件影響下,要脫除銅液中的鎳在熱力學(xué)上是不可能的。因此,鎳的脫除主要是在卡爾多爐純氧吹煉工序完成,要保證入陽(yáng)極爐粗銅含鎳量達(dá)標(biāo);還原工序,未排凈的氧化渣中鎳含量高,但采用新型固體還原劑還原時(shí)因灰分及添加劑對(duì)渣的調(diào)節(jié)作用及固鎳作用,渣中的鎳被還原進(jìn)入銅液的量大大降低,絕大部分鎳留在渣中,提高了陽(yáng)極板的質(zhì)量。 本論文研究的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn):開發(fā)出褐煤型還原劑成功替代重油、天然氣、木炭等還原劑用于銅火法精煉,工藝上有創(chuàng)新;設(shè)計(jì)外熱式連續(xù)快速炭化爐制褐煤半焦,設(shè)備開發(fā)上有創(chuàng)新;酸浸褐煤半焦選擇性脫灰研究在工藝上和裝置上有創(chuàng)新。LV自動(dòng)補(bǔ)償噴吹系統(tǒng)的開發(fā)完全是基于冶金控制過程的認(rèn)識(shí),自主開發(fā)。 在新型還原劑的開發(fā)、新設(shè)備的研制以及推廣應(yīng)用在銅冶煉行業(yè)的過程中,成功解決了工藝及工程方面的關(guān)鍵問題,使得本研究主要成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力。 【學(xué)位授予單位】:昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2008
【分類號(hào)】:TF811


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