分享 中国铜冶炼技术百花齐放

  本文系统介绍了近几年中国铜冶炼厂铜产量、技术水平和建设投资情况,同时分析了中国未来废杂铜、废铜料和电子垃圾处理的方向。

  近几年,我国新建了多座铜冶炼厂,规模从10万吨/年至40万吨/年,装备水平越来越先进,环保条件非常好,体现了当今世界铜冶炼的技术发展状况,但是自产铜精矿产精铜159.6万吨,炼铜所需铜精矿主要依赖进口。

  智利是世界上最大的铜资源国,2011年产铜精矿含铜524万吨,年产精铜309万吨;2013年产铜精矿含铜 578.6万吨,位居世界第一位,年产精铜275万吨,仅次于中国,位居世界第二位,多余的精矿主要出口中国;日本近10年来精铜产量变化不大,2011年产精铜133万吨,2013年147万吨,保持世界第三位,原料主要依靠进口;美国曾经是世界上最大的产铜国,现在已退居世界第4位,2013年产精铜已降至127.3万吨,减产的原因是本国资源枯竭,而进口精矿冶炼又无利可图,一些工厂关闭,最典型的例子是美国菲律普道奇公司的海达尔戈铜冶炼厂,该厂曾是美国最大闪速炉炼铜厂,因资源枯竭而关闭;加拿大与美国情况相似,近10年来精铜减产约50%,该国有名的基德·克里克冶炼厂曾是世界上第二座三菱连续炼铜冶炼厂,也是不锈钢永久阴极电解开发地之一,因资源枯竭而于2013年关闭。其余传统产铜国如俄罗斯、德国、波兰、澳大利亚、韩国等,10年来产量变化不大。一些新兴国家,如赞比亚、秘鲁、刚果、伊朗、哈萨克斯坦、印尼等,利用本国丰富的铜资源新建了一些铜冶炼厂,精铜产量大幅度增加。

  2014年,铜精矿供给充裕,在TC/RC(91USD/9.1USD)不断走高的情况下,中国铜冶炼厂对铜精矿进口量不断攀升。海关数据显示,2014年9月我国铜精矿进口量达129万吨,同比增长26.64%,创历史新高,铜冶炼厂亦维持高开工率。统计局数据显示,我国9月精炼铜产量达71.4万吨,较8月增加3.3万吨,环比增长4.77%,同比增长12.05%,再次刷新单月产量纪录,1~9月累计产量568.8万吨,同比增长11.01%,按目前冶炼厂生产能力,预计2017年我国全年冶炼生产能力可达到900万吨,创历史新高。

  从2006年起,我国政府要求新建铜冶炼厂冶炼单系列生产规模不低于10万吨/年阴极铜。20年前,世界上铜冶炼厂单系列最大规模为年产精铜20万吨,现在单系列最大规模为年产精铜40万吨。我国新建的3座单系列年产40万吨铜冶炼厂也于近几年相继投产。

  我国政府要求新建铜冶炼厂必须采用当今世界先进的、技术成熟的冶炼工艺,推荐的冶炼工艺包括富氧闪速熔炼、顶吹熔炼、侧吹熔炼和中国恩菲自主开发的氧气底吹熔炼。

  近几年,我国新建3座单系列年产40万吨铜冶炼厂,采用闪速熔炼和闪速吹炼工艺,建设投资大约在60~70亿元。10年前,我国采用富氧顶吹熔炼工艺对老铜冶炼厂进行技术改造,或应用于新建的10万吨/年~30万吨/年铜冶炼厂。新建10万吨/年从铜精矿至阴极铜的铜冶炼厂建设投资约在19~21亿元。近几年,新建规模在10~30万吨/年阴极铜的铜冶炼厂,更多采用了氧气底吹熔炼工艺,新建10万吨/年从铜精矿至阴极铜的冶炼厂建设投资大约在18~19亿元。

  与世界各国情况类似,我国近年来对铜冶炼厂的环保和能耗要求越来越高。在最近修订的新建铜冶炼厂环保和节能要求中,相关指标也更加严格:原材料中硫的回收率>97.5%,硫捕集率>99%,工厂气体排放的SO2浓度<400毫克/标准立方米,颗粒物<80毫克/标准立方米,粗铜综合能耗<180千克标煤/吨,这些指标都是世界领先水平。为了控制大气环境质量,政府更是对于包括京津冀、长三角、珠三角在内的“三区十群”中的47个城市新建铜冶炼厂提出了特别排放限值:SO2浓度<100毫克/标准立方米,颗粒物<10毫克/标准立方米,实际上相当于消除了这些城市新建铜冶炼厂的可能性。

  近年来,在炼铜技术发展方面,除了闪速炼铜、顶吹炼铜等工艺通过消化吸收再创新取得长足进步之外,全新的氧气底吹炼铜工艺更是异军突起,发展较快。氧气底吹熔炼技术是由包含中国恩菲在内的中国冶金工作者于上世纪80年代于原湖南水口山矿务局(现属五矿集团下属)开始开发,2008年开始用于大规模工业化生产。从2008年国内第一套10万吨/年规模生产线投产以来,该技术在我国已成功应用于5座年产10万吨阴极铜的生产企业,实现了较好指标,目前正有年处理100万吨铜精矿和150万金铜精矿的冶炼厂正在建设中。该工艺适合处理复杂铜精矿,也可将复杂铜精矿和复杂金精矿混合冶炼综合回收伴生有价金属。该熔炼工艺的主体设备是一个卧式回转熔池熔炼炉,用套管式底吹氧枪将含氧75%的富氧空气从炉子底部吹入熔池进行造锍熔炼,熔体在炉子一端沉淀分离后,分别放出高品位铜锍和炉渣,炉渣用浮选法回收铜,弃渣含铜0.3%,炉子不用水冷,热损失小,可直接使用湿精矿冶炼,可以自热,无需加碳质燃料,炉衬寿命达3年以上。

  另外,中国恩菲还与豫光金铅、东营方圆等合作开发了富氧底吹连续吹炼技术,依托国家863计划课题“氧气底吹连续炼铜清洁生产工艺关键技术及装备研究”,成功完成半工业试验、工业试验和产业化示范项目并投入运行。该技术实现低碳冶炼和清洁生产,是非常有发展前景的新技术。

  除了上述闪速炼铜、顶吹炼铜、底吹连铜等主工艺技术的进步以外,我国铜冶炼厂在节能减排和降耗方面先后采用和集成许多新技术。如纯氧燃烧、透气砖、高浓度SO2烟气制酸、烟气脱硫、干法收砷、平行流电解、旋流电积脱铜等新技术都在中国铜冶炼厂得到推广应用,并且这些新技术能够有效提升项目效益。

  近几年,我国政府对环保要求日益严格,传统鼓风炉、反射炉和电炉熔炼工艺的老铜冶炼厂多数已完成技术改造,2017年前将关停剩余尚存的小型落后产能厂,预计关停的铜产能将达90万吨/年~120万吨/年。

  2012年至今,我国新建铜冶炼厂产能增加较快,相继投产2座大型采用双闪工艺的铜冶炼厂和1座单闪工艺铜冶炼厂;1座采用富氧顶吹工艺的铜冶炼厂建成没有投产,目前TC/RC增加到(110USD/11USD),停产和减产的铜冶炼厂近期都满负荷投入生产;2座采用氧气底吹熔炼工艺的铜冶炼厂于2014年初相继建成投产,现已达到设计产能。这些新的铜冶炼厂增加铜产能大约在160万吨/年~180万吨/年。目前我国铜冶炼厂铜产能达到新的顶峰,但是铜精矿供应并没有出现2012年那样的紧缺局面。据调查,我国铜冶炼厂的铜精矿供应充足,未来几年铜精矿都将由原来的卖方市场变为买方市场,这得益于近几年我国自产铜精矿增加较大,铜冶炼厂更加偏爱购买自产铜精矿,其原因主要是:自产铜精矿折价系数降至84%;自产铜精矿含有价金属比较多,铜冶炼厂可通过综合回收增加利润点。

  未来3~5年,我国将有4~5座新建和扩建的铜冶炼厂相继投产,这些新建和扩建的铜冶炼厂首选冶炼工艺是氧气底吹炼铜技术和氧气底吹连续吹炼技术,这主要基于我国政府新的能耗标准(粗铜能耗180千克标煤/吨)和环保标准(单位产品基准排气量21000立方米/吨铜)的需要,PS转炉吹炼在未来可能会退出新建铜冶炼厂的历史舞台。

  目前铜冶炼厂采用的冶炼工艺呈百花齐放之势,新开发的双侧吹熔炼和吹炼技术也会在未来新建铜冶炼厂中推广应用,闪速吹炼和三菱连续吹炼等世界新的连续吹炼技术在未来都会继续推广应用。总之,未来我国新建和扩建的铜冶炼厂铜产能大约增加80~90万吨/年,与政府要求淘汰落后铜产能规模基本匹配,在未来5年内,我国铜冶炼厂铜产能会维持现有格局,新建铜冶炼厂的产能与淘汰落后铜产能维持平衡,铜精矿供应仍会维持买方市场格局。

  世界上专门处理废杂铜的工厂中,比较具有代表性的是德国的凯撒冶炼厂(属北德精炼公司),其原料为多种中低品位的废铜料(含铜20%~80%)并以粗铜为捕集剂回收废电子元件中的铂钯等贵金属。

  该厂改造工艺是采用艾萨熔炼炉。因为废铜料的熔炼主要依靠外加热,将炉料配入的煤和氧在熔池内燃烧反应,其传热效率很高。该厂原设计一台炉子两段间断操作,第一段为还原熔炼,将炉料、熔剂和煤加入艾萨炉完成炉料熔化,还原造渣,产出含铜80%的生铜和炉渣,料中的锌挥发呈烟尘回收,第一段完成后,放出炉渣,将生铜留在炉内进入第二段氧化吹炼作业,氧化生铜中的铅锡,产出粗铜和氧化铅锡渣。最近,该厂又进行了进一步改进,将艾萨炉改为连续作业,只完成还原熔炼一段作业,增加了一台氧气斜吹回转炉完成第二段氧化吹炼作业。

  目前,中国恩菲集团正参考以上流程,研究用氧气底吹炉代替艾萨炉热效率更高,作业率高等工艺。

  比利时霍博肯铜铅混合冶炼厂最近进行了改造,采用一台艾萨炉处理铜铅混合精矿和废杂铜(精矿三分之一,废杂铜三分之二),分两段操作,第一段氧化熔炼产出铜铅铜锍,放出炉渣后铜铅铜锍留在炉内进入第二段氧化吹炼作业,生产粗铜,含铅的炉渣加入原有鼓风炉还原回收铅。

  日本小名浜冶炼厂是一座上世纪60年代建设的铜冶炼厂,原设计为精矿反射炉熔炼,转炉吹炼,2009年进行改造后,增加一台三菱法S炉(即熔炼炉)处理铜精矿,产出的铜锍和炉渣利用原有反射炉进行沉淀分离,并利用原有反射炉处理破碎的废杂铜和生活垃圾,利用原有转炉吹炼生产粗铜。该厂改造后三菱熔炼炉年处理铜精矿66.4万吨,反射炉处理废杂铜18万吨,年产铜规模扩大到30万吨。三菱熔炼炉投产、反射炉改为处理废杂铜后,反射炉仍然加少量铜精矿(每年3600吨,其目的是保护反射炉墙,并防止生成二恶英)。

  加拿大诺兰达公司霍恩冶炼厂原来有自己的矿山,现矿山资源已经枯竭,但它没有像邻近的基德·克里克工厂一样因此而停产,继续生产的途径是采购部分精矿和部分废铜料(以含铂钯的电子元件为主),破碎筛分后,加入诺兰达炉,或转炉维持盈利生产。处理废铜料的冶炼厂必须考虑防止和消除二恶英的生成。二恶英是含氯的有机化合物,毒性很大,如果废铜料中夹杂有含氯的塑料、橡胶和油漆,就有可能在冶炼过程中生成二恶英,它存在于冶炼排出的废气和烟灰中。

  根据各国冶炼厂处理废铜料的经验,防止和消除二恶英生成的各种途径如下,可以根据不同情况进行选用。

  (1)将含油、塑料、橡胶、包皮的杂铜如电线电缆、漆包线等和不含这类有机物包皮的杂铜如机器、车辆、舰艇的零件分类处理。

  (2)废旧电线电缆须经过剥皮处理,包括剪切破碎筛选,除去包皮后,送至冶炼厂。

  (3)废杂铜熔炼炉的烟气中如果有生成二恶英的可能时,可以将烟气用废热锅炉降温至600℃后再将烟气用骤冷塔将温度骤降至200℃(因为二恶英的生成温度为300℃~325℃)以防止生成二恶英。

  (4)烟气中的灰尘中存在二恶英时,可以采用高效收尘器,提高收尘效率以避免二恶英进入排放的气体中,还可以在烟气收尘以前喷入活性炭,因为活性炭可以吸附二恶英利于收尘。

  (5)在废铜料熔炼炉中加入一定的硫化物,可以抑制二恶英的生成。日本小名浜冶炼厂将原有精矿熔炼反射炉改为处理杂铜后,仍加入少量硫化铜精矿以抑制二恶英的生成。

  (6)含有二恶英的烟灰还可以单独用小的密闭炉子加热处理使烟灰中的二恶英热分解。

  我国废杂铜回收的技术参差不齐,高品位废杂铜回收(铜含量95%以上)主要参入矿铜冶炼厂的回转式阳极炉,采用氧气燃烧和透气砖技术来处理的比较多,也有采用倾动炉或LNG炉单独处理废杂铜。中国政府要求关停的反射式阳极炉处理废杂铜冶炼厂还大量存在,特别是2013年铜价下跌导致这些企业亏损严重,预计未来都会集中到大型矿铜冶炼厂进行处理。

  目前,中国恩菲正在开发一种新型处理废杂铜的炉型,以增加处理高品位废杂铜效率,提高热效率、降低能耗。该炉型可用来处理低品位废铜料(30%~60%)和电子垃圾,利用新增氧枪完成化料、氧化造渣、还原熔炼过程,可大规模处理二次铜资源,更节能和环保,取代中国现有小型化、技术落后、污染严重的低品位废铜料和电子垃圾处理炉型,推动中国铜业进一步发展。总之,各种技术互相竞争的同时,更能促进技术进步,支撑节能减排,推动废杂铜回收与利用行业的可持续发展。

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