Technologie produkcji miedzi i jej ...

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Rozdział 3
3 Technologie produkcji miedzi i jej stopw (włączając w to Sn i Be) z surowcw
pierwotnych i wtrnych
3.1 Stosowane technologie i techniki
Miedź hutniczą można wytwarzać z pierwotnych koncentratw i innych materiałw w procesach
pirometalurgicznych i hydrometalurgicznych [tm 22, EC 1991; tm 27, HMIP (Inspektorat ds.
Zanieczyszczeń Środowiska JKM) Cu 1993; tm 26, PARCOM 1996]. Koncentraty zawierają rżne
ilości innych metali oprcz miedzi; w celu wydzielenia i odzyskania takich metali w maksymalnie
możliwym stopniu, stosowane są rżne stopnie przetwarzania [tm 92, Copper Expert Group 1998 -
Grupa Ekspertw ds. Miedzi 1998]. Podstawowe technologie przedstawione są niżej.
3.1.1.1 Proces pirometalurgiczny
W zależności od stosowanych koncentratw, proces ten składa się z wielu etapw. Większość
koncentratw jest typu siarczkowego; etapami technologicznymi są tu: prażenie, wytapianie, proces
konwertorowy, rafinacja i rafinacja elektrolityczna. Przegląd wszystkich piecw wymienionych w
niniejszej części przedstawiony jest w rozdziale 2; więcej szczegłowych informacji przedstawiono
w niniejszym rozdziale w punkcie dotyczącym technik [tm, Copper Expert Group 1998 - Grupa
Ekspertw ds. Miedzi 1998].
3.1.1.1.1 Wytapianie kamienia miedziowego z koncentratu
Częściowe prażenie powoduje przemianę złożonych siarczkw żelaza i miedzi zawartych w
koncentracie na siarczki proste, przez podgrzanie rudy lub koncentratu w warunkach utleniających.
Wytwarzane w tym procesie gazy na bazie siarki kierowane są do lokalnych instalacji kwasowych
w celu ich wykorzystania jako surowca do produkcji kwasu siarkowego lub do produkcji ciekłego
SO
2
. Następnie, siarczki miedzi oddzielane są od innych ciał stałych występujących w rudach, przez
tworzenie krzemianw, a w szczeglności krzemianw żelaza na etapie wytapiania. Reakcja ta
zależy od wysokiego powinowactwa chemicznego miedzi w stosunku do siarki, w porwnaniu z
powinowactwem do innych zanieczyszczeń metalicznych. Zwykle nie jest stosowane częściowe
prażenie.
Prażenie i wytapianie wykonywane jest zwykle jednocześnie w jednym piecu, w wysokich
temperaturach, w celu uzyskania kąpieli, ktrą można rozdzielić na kamień (siarczek miedzi i
pewną ilość siarczku żelaza) i żużel, bogaty w żelazo i w krzemionkę. W celu wsparcia tworzenia
się żużla, do kąpieli dodaje się zwykle topnik zawierający krzemionkę i, w razie potrzeby, wapno
(CaO).
Praktycznie stosowane są dwa podstawowe procesy wytapiania, tj. wytapianie kąpielowe i
wytapianie zawiesinowe. W procesie wytapiania zawiesinowego do uzyskania operacji
egzotermicznej (bez doprowadzania ciepła z zewnątrz) lub prawie egzotermicznej stosuje się
wzbogacanie tlenem. W procesach wytopu kąpielowego stosuje się generalnie niższy stopień
wzbogacania tlenem. Zastosowanie tlenu zwiększa rwnież stężenie dwutlenku siarki, co umożliwia
efektywniejszy wychwyt gazw za pomocą jednego z systemw do odzyskiwania siarki (zwykle dla
produkcji kwasu siarkowego lub produkcji ciekłego dwutlenku siarki).
Produkcja metali nieżelaznych
267
3.1.1 Miedź pierwotna
Rozdział 3
Wytapianie kąpielowe wykonywane jest w wielu piecach firmowych, takich jak piec płomienny,
elektryczny, ISA Smelt, Noranda, Mitshubishi, Teniente, Vanyucov [tm 22, EC 1991; tm 26,
PARCOM 1996; tm 137, Copper Expert Group 1998 - Grupa Ekspertw ds. Miedzi 1998].
Wszystkie te technologie opierają się na procesach prażenia i wytapiania zachodzących w kąpieli z
oddzielaniem żużlu i kamienia; spust odbywa się na rżne sposoby. Niektre piece mogą pracować
bez wstępnego osuszania koncentratu, natomiast przegrzana para wodna zwiększa objętość gazw.
Technologia
wytapiania
Stan rozwoju
Aspekty ekonomiczne
Stan
zastosowania w
skali
przemysłowej
Skutki dla
środowiska:
potencjalne
lub
ograniczenia
Wykonalność
ekonomiczna
Poziom produkcji:
potencjalny
i/lub
ograniczenia
Uwagi
Wytapianie w
piecu płomiennym
Technologia
wprowadzona w
skali
przemysłowej.
Ograniczone
w pewnym
zakresie
Akcepto-wana
Ograniczenia w zakresie
szybkości wytapiania
jednego urządzenia.
Częściowe
prażenie i
wytapianie w piecu
elektrycznym
Technologia
wprowadzona w
skali
przemysłowej.
Dobre
Dobra
Ograniczania w zakresie
szybkości wytapiania.
Możliwy czynnik
ograniczający w postaci
wielkości pieca
prażalniczego.
Wytapianie
zawiesinowe
Outokumpu i
proces
konwertorowy
Peirce-Smitha
Technologia
wprowadzona w
skali
przemysłowej.
Dobre
Dobra
W zależności od
konstrukcji pieca i
rodzaju koncentratw,
w 1 urządzeniu możliwa
jest bardzo wysoka
szybkość wytapiania.
Oglnoświatowa
ástandardowaÑ koncepcja
wytapiania miedzi
pierwotnej z potencjałem
dla udoskonalenia.
Wytapianie
zawiesinowe Inco
Technologia
wprowadzona w
skali
przemysłowej.
Dobre
Dobra
Ograniczenia w zakresie
wykazanej szybkości
wytapiania na
jednostkę.
Wielkość zainstalowanych
piecw. Nadal rezerwa
potencjału.
Proces Contop
Zastosowana w 1
zakładzie
Prawdopodob
nie dobre
Prawdopodobnie
akceptowana
Ograniczenia
wprowadzone przez
wielkość osadzania.
Można zainstalować
piec i wiele palnikw.
Tylko palnik cyklonowy.
Technologia wprowadzona
w skali przemysłowej.
Konwertor
Teniente,
technologia
Noranda
Technologia
wprowadzona w
skali
przemysłowej.
Dobre
Dobra
Ograniczenia w zakresie
szybkości wytapiania
przez wielkość reaktora
oraz wartości graniczne
wzbogacania O
2
.
W stosunku do innych
procesw stosunkowo
większa ilość powietrza
wlotowego wymagająca
większego wysiłku dla
wychwytu gazw
technologicznych.
ISA Smelt
Pracuje w 3
zakładach
Dobre
Dobra
Nie testowana grna
szybkość produkcji na
urządzenie.
Potencjał dla dalszego
udoskonalenia.
Proces Vanyucova
6 piecw w skali
przemysłowej w
Rosji i w
Kazachstanie.
Potencjalnie
dobre.
Prawdopodobnie
dobra
Brak dostępnej
skończonej analizy.
Niedostępne informacje dla
konkretnej oceny;
zasadniczo, technologia ta
może mieć znaczny
potencjał.
Proces Bayina
Nieznana
dokładna ilość.
Pracują
przynajmniej 2
urządzenia
przemysłowe.
Potencjalnie
dobre.
Nieznana
Brak dostępnej
skończonej analizy; wg
dostępnych informacji,
osiągane są wielkości
produkcji do 75000 t/r
Cu.
Niedostępne konkretne
informacje. Może mieć
znaczny potencjał.
Wytapianie
zawiesinowe
bezpośrednie
miedzi
konwertorowej
Outokumpu
Technologia
wprowadzona w
skali
przemysłowej.
Dobre
Dobra
Stosowane do
koncentratw z niskim
odpadem żelaza/żużlu.
Proces Mitsubishi
ciągłego
Technologia
wprowadzona w
Dobre
Dobra
Dotąd osiągnięty
poziom produkcji
Potencjał dla dalszego
rozwoju.
Produkcja metali nieżelaznych
268
Rozdział 3
wytapiania miedzi skali
przemysłowej.
> 200000 t/r
Konwertor
ciągłego procesu
zawiesinowego
Kennecott/
Outokumpu
Pracuje w
jednym
zakładzie. Druga
instalacja
zamwiona
Dobre
Dobra
Stosowana wyższa skala
produkcji dla
uzasadnienia inwestycji.
Potencjał dla istotnego
dalszego rozwoju.
Ciągły proces
konwertorowy
Noranda
Ostatnio
przekazany do
eksploatacji w
Horne na skalę
przemysłową.
Dobre
Brak dostępnych
danych dla
końcowej
analizy.
Brak dostępnych danych
dla końcowej analizy.
Efektywnie dostępny
potencjał oczekuje na
ocenę, gdy dostępne będą
dane eksploatacyjne.
Tabela: 3.1: Technologie wytapiania miedzi hutniczej.
[tm 137 Copper Expert Group 1998 - Grupa Ekspertw ds. Miedzi 1998]
Rżnice między tymi procesami mogą być ogromne, np. w położeniach punktw dodawania
powietrza/tlenu lub paliwa; niektre procesy pracują na zasadzie okresowej. Kąpielowe piece do
wytapiania pracują zasadniczo z piecem podgrzewającym lub z osobnym odstojnikiem. Oglne
opisy przedstawione są w rozdziale 2 oraz w innych miejscach [tm 137, Cu Expert Group 1998 Î
Grupa Ekspertw ds. Miedzi 1998].
Wytapianie zawiesinowe wykonywane jest w piecach do wytapiania zawiesinowego Outokumpu
lub w piecach do wytapiania zawiesinowego INCO [tm 22, EC 1991; tm 26, PARCOM 1996] lub w
piecu cyklonowym (Contop). W technologii Outokumpu i cyklonowej wykorzystywane jest
wzbogacanie tlenem, a w technologii INCO stosowany jest tlen techniczny. Wytapianie
zawiesinowe polega na prażeniu i przetapianiu suchego koncentratu w postaci cząsteczek stałych
unoszących się w powietrzu. Cząsteczki, ktre weszły w reakcję opadają do odstojnika, w ktrym
następuje oddzielenie kamienia i żużlu; w osadniku używane jest czasami dodatkowe paliwo dla
podtrzymania temperatury.
Następnie spuszczany jest kamień i żużel, ktre są dalej przetwarzane, a gazy wyprowadzane są z
pieca przez pionową komorę do wymiennika ciepła.
Oprcz przedstawionych wyżej technik, na świecie stosowane są inne techniki, niż procesy
wytapiania kąpielowego lub wytapiania zawiesinowego [tm 137, Copper Expert Group 1998 -
Grupa Ekspertw ds. Miedzi 1998].
W przeszłości do wytapiania miedzi hutniczej używane były rwnież konwertory obrotowe z
grnym dmuchem (TBRC). Nie są one już używane głwnie z powodu wysokich kosztw
eksploatacji.
Do wytapiania kamienia miedziowego używane są rwnież piece płomienne, lecz nie na terenie
UE. W piecach tych nie jest wykorzystywana zawartość energetyczna siarki i żelaza w
koncentracie; do wytopu koncentratw stosowane jest tu paliwo kopalne, ktrego gorące gazy
spalania omiatają trzon. Z tego względu technologia ta nie jest tak efektywna jak inne
przedstawione technologie. Gazy spalania dodawane są do oglnej objętości gazw, czego
wynikiem jest bardzo niska zawartości dwutlenku siarki, ktry jest bardzo trudno skutecznie
usunąć. Stosowanie piecw płomiennych spadło znacznie od lat 70-tych XX w. Zawartość SO
2
w
gazach odlotowych jest zwykle bardzo niska, co oznacza, że nie można ich przetwarzać w instalacji
do wytwarzania kwasu.
Produkcja metali nieżelaznych
269
Rozdział 3
Technologia
Ilość zakładw
wykorzystujących
tę technologię
Ilość
piecw
Produkcja
miedzi
konwertorowej
1998
Ò000 t/r
Wytapianie zawiesinowe Outokumpu
26
26
3801
Wytapianie zawiesinowe Outokumpu,
bezpośrednia miedź konwertorowa
2
2
238
Piec płomienny
27
37
1604
Reaktor El Teniente
7
12
1344
Piec elektryczny
6
8
560
Piec szybowy
14
29
548
Technologia Mitsubishi
4
4
497
Wytapianie zawiesinowe Inco
3
3
448
Technologia Vanuykov
3
5
448
ISA Smelt
3
3
269
Reaktor Noranda
2
2
197
Contop
1
1
116
Technologia Bayina
1
1
57
Kivcet
1
1
15
Tabela 3.2: Stosowane na świecie technologie wytapiania
3.1.1.1.2 Proces konwertorowy
Stosowane są dwa typy procesu konwertorowego: - konwencjonalny proces okresowy, stosowany
najpowszechniej oraz ciągły proces konwertorowy [tm 137 Copper Expert Group 1998 - Grupa
Ekspertw ds. Miedzi 1998].
a)
Okresowy proces konwertorowy
Okresowy proces konwertorowy składa się z dwch etapw. Proces ten polega na przedmuchaniu
kamienia miedziowego, uzyskanego w operacji wytapiania, mieszaniną powietrza/tlenu.
Najpowszechniej używany jest cylindryczny piec kąpielowy [tm 22, EC 1991; tm 26, PARCOM
1996], dodawane są topniki. Na pierwszym etapie utleniane jest żelazo oraz część siarki i
wytwarzany jest żużel oraz dwutlenek siarki; żużel jest okresowo odgarniany i jest następnie
przetwarzany w celu odzyskania miedzi. Normalnie dmuchanie na pierwszym etapie jest
wykonywane w kilku stopniach, z przyrostowymi dodatkami kamienia. Na drugim etapie
przedmuchiwania miedzi, siarczek miedzi jest utleniony na miedź konwertorową (98,5% Cu) i
wytwarza się więcej dwutlenku siarki. Miedź konwertorowa jest spuszczona na końcu świeżenia
miedzi. Proces ten jest prowadzony w sposb regulujący zawartość końcową siarki i tlenu w miedzi
konwertorowej. Wytworzony dwutlenek siarki jest dalej przetwarzany w celu odzyskania siarki,
zwykle w instalacji kwasu siarkowego.
Reakcja jest silnie egzotermiczna i ulatniają się podczas niej zanieczyszczenia metaliczne w postaci
ołowiu i cynku, ktre są następnie wychwytywane w instalacji ograniczającej emisję i odzyskiwane.
Ciepło technologiczne można rwnież wykorzystywać do wytapiania złomu anodowego i innego
złomu miedziowego, bez dodawania ciepła pierwotnego. Na rżnych etapach procesu
Produkcja metali nieżelaznych
270
Rozdział 3
konwertorowego, w zależności od użytego typu pieca, mogą występować zrżnicowania w stężeniu
dwutlenku siarki.
Konwertory Peirce-Smitha (P.S.) i Hobokena są eksploatowane okresowo (w rozdziale niniejszym
konwertory te określa się jako konwertory Peirce-Smitha lub podobne). Są to cylindryczne piece
kąpielowe z bocznymi dyszami powietrznymi do wdmuchiwania powietrza/tlenu. [tm 22, EC 1991;
tm 26, PARCOM 1996]. Do okresowej przemiany kamienia na miedź konwertorową używany jest
rwnież piec ISA Smelt.
W przeszłości, dla okresowej przemiany miedzi hutniczej na miedź konwertorową stosowane były
konwertory obrotowe z dmuchem grnym (TBRC), ktre nie są już używane.
b)
Ciągły proces konwertorowy
Piecami do ciągłych procesw konwertorowych stosowanymi w przemyśle są: piece do
zawiesinowego procesu konwertorowego Kennecott/Outokumpu [tm 53 & tm 67 Kennecott 1997;
tm 63 Outkumpu 1995], piec Mitsubishi (stanowiący część zintegrowanego procesu Mitsubishi) i Î
od niedawna Î konwertor Noranda [tm 137 Copper Expert Group 1998 - Grupa Ekspertw ds.
Miedzi 1998]
Do konwerterw Mitsubishi i Noranda doprowadzany jest roztopiony materiał do przetworzenia.
Dla kontrastu, proces Konnecott/Outokumpu charakteryzuje się następującymi właściwościami: -
kamień z pieca do wytapiania jest najpierw granulowany w wodzie, a następnie kruszony i
osuszany. Materiał taki mieszany jest następnie ze środkami żużlotwrczymi i doprowadzany jest
do palnika koncentratw określonego pieca do wytapiania zawiesinowego stosującego atmosferę
bogatą w tlen; przemiana zachodzi w unoszących się w powietrzu cząsteczkach stałych. W procesie
tym wytwarzany jest dwutlenek siarki o wysokim i stałym stężeniu, ktry jest odzyskiwany. Żużel i
miedź konwertorowa spuszczane są dla dalszego przetworzenia. Stosowanie kamienia
rozdrobnionego (kruszonego) umożliwia dostosowywanie jakości kamienia do szybkości
doprowadzania oraz stopnia wzbogacenia tlenem dla uzyskania optymalnej efektywności
przemiany, a ponadto umożliwia rozłączenie etapw produkcji i przetwarzania kamienia.
Między konwertorami o pracy okresowej i ciągłej istnieją znaczne rżnice w koncepcji ich
działania oraz zrżnicowania w wytwarzaniu dwutlenku siarki w całym cyklu konwertorowym.
Występują rwnież rżnice w łatwości zbierania oparw podczas ładowania oraz w zdolności do
topienia anod złomowych. W niektrych piecach do transportu kamienia, żużlu i miedzi
konwertorowej stosowane są kadzie; mogą tu wystąpić emisje niezorganizowane. W jednym
przypadku gazy wentylacyjne z konwertora są wychwytywane i oczyszczane, a w innym przypadku
stosowany jest inteligentny system wtrnego wychwytu oparw [tm 201, Velten 1999].
Koncentraty
Topniki
Wewnętrzne
zawracanie do
obiegu: żużle, pyły
piecowe, itp..
Wtrny materiał Cu
⇒
Wytapianie
kamienia
miedziowego z
koncentratu
⇒
Piece do wytapiania
zawiesinowego
⇒
⇒
⇒
Prażenie + Piec
elektryczny
⇒
⇒
Piec do wytapiania
kąpielowego
Kamień
Żużel Oczyszczanie żużlu:
⇒
Wolne chłodzenie &
flotacja
Produkcja metali nieżelaznych
271
[ Pobierz całość w formacie PDF ]