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1、低碳经济与氧气底吹Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望 20092009年全球精铜消费为年全球精铜消费为1798.91798.9万吨，其中我国万吨，其中我国的消费量为的消费量为560560万吨，而美国的消费还不到中国的万吨，而美国的消费还不到中国的一半。去年由于受到金融危机的影响，全球其它地一半。去年由于受到金融危机的影响，全球其它地区精铜消费量有区精铜消费量有18%18%的降幅，而中国表观消费增加的降幅，而中国表观消费增加了近了近200200万吨，这样一来，就抵消了其它
2、地区铜消万吨，这样一来，就抵消了其它地区铜消费量的降幅。随着费量的降幅。随着20102010全国经济呈现复苏的态势以全国经济呈现复苏的态势以及各国推出的经济刺激举措，全球的制造业重新步及各国推出的经济刺激举措，全球的制造业重新步入扩张态势，为今年精铜消费进一步增长奠定了良入扩张态势，为今年精铜消费进一步增长奠定了良好的条件。好的条件。 图图1 1为为20092009年全球、中国和美国铜消费量的比年全球、中国和美国铜消费量的比例示意图：例示意图：一、中国是铜消费大国一、中国是铜消费大国 2009年全球与中美铜消费量比例示意图年全球与中美铜消费量比例示意图o 2000万吨万吨1500万吨万吨100
3、0万吨万吨500万吨万吨215万吨万吨560万吨万吨1799万吨万吨图图1o随着新兴经济体如金砖四国（中国、随着新兴经济体如金砖四国（中国、印度、巴西和俄罗斯等）在全球经济印度、巴西和俄罗斯等）在全球经济比重的不断提升以及制造业向新兴经比重的不断提升以及制造业向新兴经济体的转移，精铜消费的比例迅速向济体的转移，精铜消费的比例迅速向我国倾斜。我国倾斜。2010我国将有大量的基我国将有大量的基础建设工程动工，无疑对国内精铜消础建设工程动工，无疑对国内精铜消费的进一步增长将起到重要的支撑作费的进一步增长将起到重要的支撑作用。用。二、中国是铜生产大国二、中国是铜生产大国o2009年由于受到金融危机的影
4、响，全球铜年由于受到金融危机的影响，全球铜生产量的增幅略有降低，但仍然达到生产量的增幅略有降低，但仍然达到1835.5万吨。而作为世界第一产铜大国万吨。而作为世界第一产铜大国智利，产量达到了智利，产量达到了549.8万吨，约占世界万吨，约占世界的的35%。我国的铜产量为。我国的铜产量为425万吨，也占万吨，也占到了世界的到了世界的23.1%，仅次于智利，是全球，仅次于智利，是全球第二产铜大国。第二产铜大国。o图图2 是是2009年全球、智利与中国铜产量的年全球、智利与中国铜产量的比例示意图：比例示意图： 2009年全球与中国、智利铜产量比例示意图年全球与中国、智利铜产量比例示意图o 2000万
5、吨万吨1500万吨万吨1000万吨万吨500万吨万吨425万吨万吨550万吨万吨1835万吨万吨图图2三、我国的主要炼铜工艺三、我国的主要炼铜工艺o目前我国主要采用的炼铜工艺有芬兰奥托昆普公司发明目前我国主要采用的炼铜工艺有芬兰奥托昆普公司发明的闪速熔炼法，如江铜的贵溪冶炼厂、铜陵的金隆冶炼的闪速熔炼法，如江铜的贵溪冶炼厂、铜陵的金隆冶炼厂、山东的祥光冶炼厂（双闪）厂、山东的祥光冶炼厂（双闪） 、甘肃的金川冶炼厂。、甘肃的金川冶炼厂。如图如图3所示：所示：图图3o再就是再就是 从澳大利亚艾萨公司引进的顶吹艾萨法，如云南铜从澳大利亚艾萨公司引进的顶吹艾萨法，如云南铜业；还有从澳大利亚奥斯麦特公司
6、引进的顶吹奥斯麦特法，业；还有从澳大利亚奥斯麦特公司引进的顶吹奥斯麦特法，如华联铜业的中条山冶炼厂、铜陵公司的金昌冶炼厂、内如华联铜业的中条山冶炼厂、铜陵公司的金昌冶炼厂、内蒙赤峰的金剑冶炼厂等。如图蒙赤峰的金剑冶炼厂等。如图4示：示：1上升烟道上升烟道2喷枪喷枪3炉体炉体4熔池熔池5备用烧嘴备用烧嘴6加料口加料口7喷嘴枪喷嘴枪8熔体放出口熔体放出口9挡板挡板图图4o还有从加拿大诺兰达公司引进的诺兰达炼铜工艺，还有从加拿大诺兰达公司引进的诺兰达炼铜工艺，如大冶的铜冶炼厂等。如图如大冶的铜冶炼厂等。如图5示：示：图图5o总之，我国大部分企业都是引进的国外技术。总之，我国大部分企业都是引进的国外技
7、术。1980年我国研年我国研发的白银炼铜法至今也未能得到推广。部分冶炼厂仍采用能耗发的白银炼铜法至今也未能得到推广。部分冶炼厂仍采用能耗高、有污染的落后炼铜工艺高、有污染的落后炼铜工艺密闭鼓风炉法（约密闭鼓风炉法（约30万吨）。万吨）。此外我国还有少数企业使用前苏联的瓦纽科夫法（如内蒙赤峰此外我国还有少数企业使用前苏联的瓦纽科夫法（如内蒙赤峰冶炼厂）。如图冶炼厂）。如图6示：示：1炉顶；炉顶；2加料装置；加料装置；3隔墙；隔墙；4上升烟道；上升烟道；5水套；水套；6风口；风口；7带溢流口的渣虹带溢流口的渣虹吸吸8渣虹吸临界放出口；渣虹吸临界放出口；9熔熔体快速放出口；体快速放出口；10水冷区底
8、水冷区底部端墙；部端墙；11炉缸；炉缸；12带溢带溢流口的铜锍虹吸流口的铜锍虹吸13铜虹吸临界放出口；铜虹吸临界放出口；14余热锅炉；余热锅炉；15二次燃烧室；二次燃烧室；16二次燃烧风口二次燃烧风口图图6四、四、 氧气底吹炼铜工艺的研发与实质氧气底吹炼铜工艺的研发与实质o4.1研发背景研发背景 面对这些国外炼铜工艺在我国的广泛快速发展，我国有色面对这些国外炼铜工艺在我国的广泛快速发展，我国有色冶金界只是忙于引进、消化、吸收，却不能积极的进行研冶金界只是忙于引进、消化、吸收，却不能积极的进行研发，科技创新工作迟缓落后，缺乏我国自己成熟的炼铜工发，科技创新工作迟缓落后，缺乏我国自己成熟的炼铜工艺
9、。早在艺。早在19891993年，湖南水口山矿务局与北京有色年，湖南水口山矿务局与北京有色设计研究总院，小规模的（年设计研究总院，小规模的（年3000吨粗铜）进行了氧气吨粗铜）进行了氧气底吹炼铜试验，可是成果鉴定之后，即束之高阁，无人问底吹炼铜试验，可是成果鉴定之后，即束之高阁，无人问津。如何进一步进行工业规模试验、去检验它、完善它、津。如何进一步进行工业规模试验、去检验它、完善它、并使其产业化，各企业都不愿第一个吃螃蟹。然而，并使其产业化，各企业都不愿第一个吃螃蟹。然而，2005年山东东营市的一位民营企业家年山东东营市的一位民营企业家东营方圆有色金东营方圆有色金属有色公司的崔志祥董事长毅然担
10、起了这一重任，欲要创属有色公司的崔志祥董事长毅然担起了这一重任，欲要创造我们国家自己的炼铜技术。造我们国家自己的炼铜技术。o4.2工艺实质工艺实质o4.2.1气泡小而多、比表面积大气泡小而多、比表面积大 氧气底吹炼铜工艺过程的实质是将含氧氧气底吹炼铜工艺过程的实质是将含氧75%左右的富左右的富氧空气，由多支氧枪分散成许多细小的气流，从炉子的氧空气，由多支氧枪分散成许多细小的气流，从炉子的底部送入深度为底部送入深度为1.5m左右的熔体中，如图左右的熔体中，如图7示示:图图7o这样一来它的液相与气相就有较大的接触面积和较长的这样一来它的液相与气相就有较大的接触面积和较长的接触时间（顶吹的接触时间（
11、顶吹的Isa与与Ausmelt是用一支氧枪插入是用一支氧枪插入熔体深度熔体深度200300mm）。因此底吹工艺具有较高）。因此底吹工艺具有较高的熔炼强度，熔炼过程中不需配任何燃料，即可实现的熔炼强度，熔炼过程中不需配任何燃料，即可实现无碳自热熔炼，除碳酸盐分解外，做到不排无碳自热熔炼，除碳酸盐分解外，做到不排CO2，能，能源消耗也很低，与国外引进的双闪、顶吹的艾萨、奥源消耗也很低，与国外引进的双闪、顶吹的艾萨、奥斯麦特、侧吹的诺兰达、瓦纽科夫等炼铜方法相比，斯麦特、侧吹的诺兰达、瓦纽科夫等炼铜方法相比，氧气底吹工艺能源消耗也是最低的（方圆公司今年氧气底吹工艺能源消耗也是最低的（方圆公司今年4月
12、月份平均能耗份平均能耗160kgce/t粗铜，仅为国标先进值粗铜，仅为国标先进值340 kgce/t粗铜的粗铜的47% ）。因此，可称为低碳经济）。因此，可称为低碳经济。 o4.2.2气相高度分散到液相中气相高度分散到液相中 闪速熔炼是将固体原料高度分散到高温的富氧闪速熔炼是将固体原料高度分散到高温的富氧空气中，在气空气中，在气固相之间的巨大界面上迅速发固相之间的巨大界面上迅速发生并完成化学反应。生并完成化学反应。 底吹熔池熔炼则是将富氧空气通过多支氧枪高底吹熔池熔炼则是将富氧空气通过多支氧枪高度分散到熔融的锍相中，在气度分散到熔融的锍相中，在气液相之间有很液相之间有很大的界面面积，化学反应进
13、行得很迅速，与闪大的界面面积，化学反应进行得很迅速，与闪速具有异曲同工的作用速具有异曲同工的作用。o4.2.3吹流动性好的冰铜吹流动性好的冰铜 顶吹、侧吹都是吹渣层或者是混有冰铜顶吹、侧吹都是吹渣层或者是混有冰铜的渣层，而底吹则是完全吹冰铜层。由于的渣层，而底吹则是完全吹冰铜层。由于冰铜的流动性比渣子要好很多，所以，底冰铜的流动性比渣子要好很多，所以，底吹炉内熔体的流体力学状态优越得多。表吹炉内熔体的流体力学状态优越得多。表述其特征的雷诺准数、修正的弗劳德准数述其特征的雷诺准数、修正的弗劳德准数也差别很大（底吹炉熔体断面流线见图也差别很大（底吹炉熔体断面流线见图8和图和图9，流体特征准数见表，
14、流体特征准数见表1）。）。底吹炉纵断面的流线图底吹炉纵断面的流线图图图8底吹炉底吹炉7和和22氧枪处的横断面流线图氧枪处的横断面流线图图图9雷诺准数雷诺准数修正的弗劳德准数修正的弗劳德准数加拿大诺兰达侧吹加拿大诺兰达侧吹56016.2方圆底吹熔炼方圆底吹熔炼11750215顶吹奥斯麦特顶吹奥斯麦特9.5510.53PS转炉转炉17.4表表1 从以上图表可明显看出，底吹熔炼吹冰铜的优越从以上图表可明显看出，底吹熔炼吹冰铜的优越性是非常明显的，它还带来了良好的传热和传质条件。性是非常明显的，它还带来了良好的传热和传质条件。 在强制对流循环条件下，表示热传递特征的努歇在强制对流循环条件下，表示热传递
15、特征的努歇尔（尔（Nusselt）准数：据资料显示侧吹的诺兰达炉为）准数：据资料显示侧吹的诺兰达炉为38.7，而底吹炉为，而底吹炉为168，是侧吹的，是侧吹的4倍，可见传热条倍，可见传热条件非常好。件非常好。 底吹的传质条件好，侧吹的诺兰达炉传质速度为底吹的传质条件好，侧吹的诺兰达炉传质速度为1.59Nm3O2/m3.S，而底吹炉为，而底吹炉为3.77 Nm3O2/m3.S，是侧吹的，是侧吹的2.4倍。倍。五、低碳经济与氧气底吹无碳自热熔炼五、低碳经济与氧气底吹无碳自热熔炼o随着全球气候变暖的影响，国家要求调整产业结构，改变经随着全球气候变暖的影响，国家要求调整产业结构，改变经济增长方式，发展
16、低碳经济，减少二氧化碳排放，是当前的济增长方式，发展低碳经济，减少二氧化碳排放，是当前的重要任务之一。我国政府已向世界承诺到重要任务之一。我国政府已向世界承诺到2020年我国年均年我国年均国民生产总值（国民生产总值（GDP）,CO2排放量要比排放量要比2005年下降年下降4045%，这是一项艰巨的任务。我们有色行业应采取措施，这是一项艰巨的任务。我们有色行业应采取措施，为完成这一任务做出积极的贡献。为完成这一任务做出积极的贡献。o以中国有色工业协会为组织单位，东营方圆有色金属有限公以中国有色工业协会为组织单位，东营方圆有色金属有限公司为项目承担单位，中国恩菲工程技术有限公司为技术依托司为项目承
17、担单位，中国恩菲工程技术有限公司为技术依托单位共同承担的国家科技支撑计划项目富氧底吹炼铜新工艺，单位共同承担的国家科技支撑计划项目富氧底吹炼铜新工艺，自自2008年投入工业试验以来，越来越显示出巨大的优越性，年投入工业试验以来，越来越显示出巨大的优越性，其中无碳自热熔炼就是显著特点之一。其中无碳自热熔炼就是显著特点之一。o众所周知，在当今的各种炼铜工艺中，无论是闪速众所周知，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，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、液体或气体燃料以满足熔都需要配入适量的固体、液体或气体燃料以满足熔炼过程热平衡
18、的需要，使生产顺利进行。目前，虽炼过程热平衡的需要，使生产顺利进行。目前，虽然各种工艺在不同企业的配煤率也在逐渐降低，在然各种工艺在不同企业的配煤率也在逐渐降低，在熔池熔炼中也有把配煤作为减少熔池熔炼中也有把配煤作为减少Fe3O4的措施，作的措施，作为防止产生泡沫渣的主要手段。此外产生的高温烟为防止产生泡沫渣的主要手段。此外产生的高温烟气余热还要回收利用，就没有把降低燃料率做为主气余热还要回收利用，就没有把降低燃料率做为主要问题进行考虑。要问题进行考虑。o方圆公司的氧气底吹熔炼炉，原设计也需要配煤，配煤率为方圆公司的氧气底吹熔炼炉，原设计也需要配煤，配煤率为2.46%，但我们通过试验发现，底吹
19、熔炼允许应用较高的，但我们通过试验发现，底吹熔炼允许应用较高的富氧浓度，不配燃料可以维护炉子的热平衡，达到冶金反应富氧浓度，不配燃料可以维护炉子的热平衡，达到冶金反应所需要的温度。最后完全可以做到不配煤，实现了无碳自热所需要的温度。最后完全可以做到不配煤，实现了无碳自热熔炼。熔炼。o 2008年年6月月1日开始实施的国家标准规定，从铜精矿到电日开始实施的国家标准规定，从铜精矿到电解铜的综合能耗为解铜的综合能耗为550Kg标煤标煤/t电解铜。全国平均能耗电解铜。全国平均能耗366Kg标煤标煤/t电解铜电解铜，而方圆底吹工艺的实际能源消耗仅而方圆底吹工艺的实际能源消耗仅为为255Kg标煤标煤/t电
20、解铜电解铜，为国标能耗限额的为国标能耗限额的46%。从各种。从各种铜的造锍熔炼方法能量的消耗比较，每生产铜的造锍熔炼方法能量的消耗比较，每生产1吨电解铜消耗吨电解铜消耗7.473GJ的能量，国外通常大于的能量，国外通常大于10GJ，可见该工艺在国，可见该工艺在国际上其能耗指标是领先的。际上其能耗指标是领先的。 氧气底吹无碳自热熔炼，高效利用了能源，氧氧气底吹无碳自热熔炼，高效利用了能源，氧气从底部送入，在上升过程中与炉料中的气从底部送入，在上升过程中与炉料中的FeS和和Cu2S发生放热反应，其热量是从内部加热熔体的，发生放热反应，其热量是从内部加热熔体的，加之氧枪喷出的高速射流均匀搅拌，具有良
21、好的对加之氧枪喷出的高速射流均匀搅拌，具有良好的对流传热过程，热效率高，反应剧烈；高富氧浓度与流传热过程，热效率高，反应剧烈；高富氧浓度与低漏风率，使离炉烟气量少；炉壁不用铜水套冷却低漏风率，使离炉烟气量少；炉壁不用铜水套冷却保护，散热损失少，能源得到充分的利用；再就是保护，散热损失少，能源得到充分的利用；再就是能做到低温熔炼；因此综合能源世界最低。不同炼能做到低温熔炼；因此综合能源世界最低。不同炼铜工艺的能耗见图铜工艺的能耗见图10、图、图11和图和图12：全国每吨电解铜平均能耗，国标能耗和方圆有色公司能耗对比图全国每吨电解铜平均能耗，国标能耗和方圆有色公司能耗对比图o 600标标煤煤/t电
22、电解铜解铜400标标煤煤/t电电解铜解铜200标标煤煤/t电电解铜解铜255标煤标煤/t电解铜电解铜366标煤标煤/t电解铜电解铜500标煤标煤/t电解铜电解铜图图10 各种铜的造锍熔炼方法能量消耗比较各种铜的造锍熔炼方法能量消耗比较14.2GJ/吨吨铜铜11.6GJ/吨吨铜铜14.3GJ/吨吨铜铜16.2GJ/吨吨铜铜7.473GJ/吨铜吨铜图图11单位：单位：kgce/t 阴极铜阴极铜不同炼铜工艺从精矿到阴极铜的能耗比较不同炼铜工艺从精矿到阴极铜的能耗比较图图12六、六、 氧气底吹炼铜工艺的主要特点氧气底吹炼铜工艺的主要特点o6.1、首先该工艺是我国自首先该工艺是我国自己研发的具有完全自主
23、知识己研发的具有完全自主知识产权的炼铜技术。产权的炼铜技术。单位单位Isa 瓦纽科夫瓦纽科夫三菱法三菱法奥斯麦特奥斯麦特底吹炉底吹炉富氧浓富氧浓度度 %42-5255-8042-4840-4575床能力床能力 t/m3d13.48.3-11.712.15.6-6.017.5o6.2富氧浓度高、熔炼强度高富氧浓度高、熔炼强度高各种熔炼方法富氧浓度与床能力见表2表表26.3劳动、环保条件好劳动、环保条件好 烟气不外逸、粉尘少、噪音低。烟气不外逸、粉尘少、噪音低。 无碳自热熔炼，大大减少烟气排放。无碳自热熔炼，大大减少烟气排放。6.4氧枪寿命长氧枪寿命长 氧枪出口处会形成氧枪出口处会形成“蘑菇头蘑菇
24、头” （见图（见图13） ，可以很好的起到保护氧枪的作用，氧枪寿命高可以很好的起到保护氧枪的作用，氧枪寿命高达达650天。天。o6.5不易产生泡沫渣，生产安全可靠不易产生泡沫渣，生产安全可靠o底吹熔炼吹的是冰铜层，而因为总有底吹熔炼吹的是冰铜层，而因为总有FeS的存在，也就的存在，也就不会产生过量的不会产生过量的Fe3O4，因此不易产生泡沫渣。因此不易产生泡沫渣。o6.6投资省投资省 o 闪速炉闪速炉 2.0亿亿/万万to 顶顶 吹吹 1.5亿亿/万万to 底底 吹吹 0.7亿亿/万万to6.7生产规模可大可小生产规模可大可小七、七、 展望展望o1、国务院、国务院【2009】9号文件号文件关于
25、发挥科技支撑作用，促关于发挥科技支撑作用，促进经济平稳较快发展的意见进经济平稳较快发展的意见将该技术列入将该技术列入“十一五十一五”国家国家科技支撑计划；国家科技支撑计划；国家有色金属产业调整和振兴规划有色金属产业调整和振兴规划将该将该技术作为技术作为“促进有色金属产业升级和振兴的重点关键技术促进有色金属产业升级和振兴的重点关键技术”进行重点推广。进行重点推广。o2、通过对该工艺进一步的理论研究和实践完善，它会更显示、通过对该工艺进一步的理论研究和实践完善，它会更显示出它强大的生命力，将成为我国铜冶炼企业新建或改造升级出它强大的生命力，将成为我国铜冶炼企业新建或改造升级的首选工艺。的首选工艺。o3、实现该工艺过程的计算机控制，建立数学模型，实现数字、实现该工艺过程的计算机控制，建立数学模型，实现数字底吹炉，真正成为世界上占有主导地位的炼铜新工艺。底吹炉，真正成为世界上占有主导地位的炼铜新工艺。东营方圆有色金属有限公司东营方圆有色金属有限公司敬请各位领导、专家 多提宝贵意见，谢谢！
