способ переработки сульфидных концентратов

Формула изобретения

1. Способ переработки сульфидных концентратов, включающий смешивание концентрата и флюсов, загрузку полученной шихты в плавильный агрегат, подачу воздушного дутья, обогащенного кислородом, и окислительную плавку с получением штейновой, шлаковой и газовой фаз, отличающийся тем, что окислительную плавку ведут в присутствии элементарной серы для компенсации дефицита тепла, при этом соотношение массы концентрата и серы поддерживают равным 1,0:(0,01-0,25).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зависимости от расхода элементарной серы дутье подогревают до 50-800^oС, при этом количество кислорода в дутье регулируют таким образом, чтобы на 1 кг элементарной серы в шихте дополнительно расходовалось 0,8-1,1 кг кислорода.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в зависимости от расхода элементарной серы подаваемое дутье обогащают кислородом в пределах 21-40 об. %.

4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что твердую элементарную серу подают в смеси с медным концентратом через горелочное устройство.

5. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что элементарную серу подают в расплавленном состоянии через горелочное устройство.

6. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что элементарную серу подают в расплавленном состоянии в пространство печи.

7. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что элементарную серу подают частично или полностью в слой расплава в потоке окислительного газа.

8. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что в зависимости от расхода элементарной серы дутье одновременно подогревают и обогащают кислородом для компенсации дефицита тепла с тем, чтобы суммарный приход тепла соответствовал приходу тепла при использовании элементарной серы в полном объеме.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к переработке сульфидных концентратов, например медных, и может быть использовано при переработке медно-цинковых, медно-никелевых, никелевых, пиритных и других сульфидных концентратов, а также может быть использовано в химической технологии при получении серной кислоты.

Полная или частичная автогенность процесса в плавке сульфидных концентратов, например медных, достигается путем использования приемов:

1) подогрева дутья;

2) обогащения дутья кислородом;

3) комбинацией приемов 1 и 2;

4) применения технологического кислорода (80-96% О₂ в дутье).

Существующие способы выплавки меди, в которых используются приемы 1-4, отличаются друг от друга как аппаратурным оформлением, так и особенностями осуществления процесса взаимодействия между сульфидами концентрата и кислородом газовой фазы. В этой связи все автогенные способы могут быть разделены на два типа: плавка во взвешенном состоянии и плавка в расплаве [1, 2].

Известен способ переработки сульфидных медных концентратов в кислородном факеле (завод Коппер-Клифф, Канада; Алмалыкский горно-металлургический комбинат, Узбекистан), включающий смешивание концентрата и флюсов, глубокую сушку шихты и подачу ее при помощи горелок в плавильную печь, окислительную плавку с использованием технологического кислорода (94-96% О₂). Плавку ведут с получением штейна с 35-50% Сu. Недостатками способа являются: высокие капитальные затраты, сооружение кислородной станции и высокие расходы при эксплуатации последней, отсутствие или малое количество вторичных энергоресурсов [1].

Известен способ автогенной плавки медных концентратов в шахтной печи на дутье, обогащенном кислородом, включающем смешивание материалов и окускование шихты, подачу окускованной шихты в печь с получением штейна (35-50% Сu), шлака и газов. К недостаткам способа относятся: недостаточное использование теплотворной способности сульфидов концентрата ввиду подачи окислительного дутья через фурмы в нижних горизонтах печи и диссоциации высших сульфидов в верхних горизонтах, необходимость передела окускования шихты и др. ([1], стр.203).

Ближайший аналог. Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ переработки сульфидных медных и медно-никелевых концентратов во взвешенном состоянии, включающий предварительное смешивание концентрата и флюсов, сушку шихты, подачу шихты в плавильную печь, окислительную плавку с использованием воздушного дутья, обогащенного кислородом. Плавку ведут с получением штейна (40-65% Сu), шлака и газов [2].

Таким образом, основными приемами достижения автогенности пронесся являются подогрев дутья и применение технического кислорода. Первое из них громоздко и сложно в эксплуатации на запыленных газах, не обеспечивает автогенности процесса и нуждается в дополнительных мерах в виде обогащения дутья кислородом либо в виде добавок углеродистого или углеводородного топлива; второе - дорого, так как сопровождается крупными капитальными вложениями и значительными эксплуатационными расходами. Так, только расход электроэнергии на получение технологического кислорода составляет 0,5 кВтч на 1 м³ кислорода, что соответствует расходу электроэнергии в количестве 500-1000 кВтч на 1 т выплавляемой меди.

К недостаткам прототипа можно отнести:

- трудности, связанные с полной компенсацией дефицита тепла при плавке на горячем дутье, что обусловливает необходимость применения топлива;

- относительно низкая концентрация SO₂ (горячее дутье);

- необходимость применения технического кислорода (24-60% O₂ в дутье);

- малая экономичность эксплуатации печи с получением широкого аспекта шлаков (например, ферритно-кальциевых и близких к ним комбинированных высокоосновных шлаков);

- трудности, связанные с получением богатых штейнов и черновой меди в одну операцию, и многие другие.

Задачей настоящего изобретения является создание способа переработки сульфидных концентратов, позволяющего уменьшить расход топливно-энергетических ресурсов.

Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является следующее:

- повышается объем производства серной кислоты на 1 т меди в 1,5-2,5 раза;

- увеличивается концентрация SO₂ в газах в 1,5 раза (в сравнении с вариантом плавки на горячем дутье);

- повышается качество серной кислоты ввиду отсутствия в элементарной сере мышьяка, фтора, сурьмы, висмута, свинца, цинка и других примесей, характерных для медных концентратов. Благодаря этому становится возможным производство серной кислоты суперкласса и преципитата высокой чистоты;

- создаются возможности в регулировании тепловой работы печи, благодаря чему становится реализуемым присадка в шихту фосфогипса и получение кальцийсодержащих и ферритно-кальциевых шлаков, что, в свою очередь, способствует дополнительному увеличению объема производства серной кислоты и существенному уменьшению отходов;

- увеличивается выход пара;

- создается возможность экономичного получения богатых штейнов (белого матта) и черновой меди;

- экономия капитальных затрат (около 5-10 млн. долларов США) за счет исключения кислородной станции.

Поставленная задача достигается тем, что в способе переработки сульфидных концентратов, включающем смешивание концентрата и флюсов, загрузку полученной шихты в плавильный агрегат, подачу воздушного дутья, обогащенного кислородом, и окислительную плавку с получением штейновой, шлаковой и газовой фаз, согласно изобретению окислительную плавку ведут в присутствии элементарной серы для компенсации дефицита тепла, при этом соотношение массы концентрата и серы поддерживают равным 1,0:(0,01-0,25).

В зависимости от расхода элементарной серы дутье подогревают до 50-800^oС, при этом количество кислорода в дутье регулируют таким образом, чтобы на 1 кг элементарной серы в шихте дополнительно расходовалось 0,8-1,1 кг кислорода, при этом подаваемое дутье обогащают кислородом в пределах 21-40% об.

В зависимости от расхода элементарной серы ее сжигание в процессе реализуется следующими способами:

- твердую элементарную серу подают в смеси с медным концентратом в горелочное устройство;

- в горелочное устройство подают элементарную серу в расплавленном состоянии;

- расплавленную элементарную серу подают в пространство печи;

- элементарную серу полностью или частично подают в слой расплава в потоке окислительного газа.

Кроме того, в зависимости от расхода элементарной серы дутье одновременно подогревают и обогащают кислородом для компенсации дефицита тепла с тем, чтобы суммарный приход тепла соответствовал приходу тепла при использовании элементарной серы в полном объеме.

Нижняя граница в расходе элементарной серы (1,0% от массы шихты) определяется тем, что меньший расход элементарной серы экономически малорентабелен. Высшая граница в потреблении элементарной серы (25% от массы шихты) определена тем, что подобный расход элементарной серы восполняет дефицит тепла для любого варианта плавки.

Все возможные варианты осуществления способа и его сопоставление с прототипом представлены в табл. 1 и 2.

Примеры осуществления способа.

Примеры осуществления нашего процесса рассмотрим на примере плавки медных концентратов по способу Оутокумпу с применением подогрева дутья и топлива (мазут), рассмотренного ранее в работе [2]. В табл. 1 в первой колонке приведены данные по реализации способа по прототипу при переработке медного концентрата состава, %: 20,0 Сu, 37,35 Fe, 42,65 S. Отвальные шлаки, как и в прототипе, содержат 36% SiO₂ и 6% СаО. Температуру штейна, как и в прототипе, примем 1150^oС, шлака - 1250^oС, газов на выходе из печи - 1300^oС.

Примеры осуществления способа 1-6 (табл. 1) свидетельствует о возможности полного исключения подогрева воздуха и применения топлива. В качестве положительного эффекта имеем: снижение расхода топливно-энергетических ресурсов, повышение выхода пара (т.е. энергии), увеличение концентрации SO₂ в газах (на 5-10% отн.) и повышение выхода SO₂ для производства серной кислоты в 1,3-2,0 раза.

Укажем, что тепловые расчеты, связанные с расходом элементарной серы при автогенной плавке медных концентратов, вели с учетом следующих данных:

- изменение энтальпии реакции горения серы - S_тв+O₂(г)=SO₂ - принято равным 70900 ккал/кг-моль О₂;

- потери тепла с газами от сжигания серы составили 25900 ккал/кг-моль O₂;

- чистый приход тепла, который может быть направлен на восполнение дефицита тепла, составил 45000 ккал/кг-атом S или 1406,2 ккал/кг серы.

В таблице 2 приведены примеры 7-14 осуществления способа, в которых в отличие от примеров 1-6 изменялось содержание меди в штейне (металле) от 40 до 99,9% (т.е. менялась степень десульфурации шихты). Эти примеры содержат показатели по вариантам с нагревом воздуха, обогащения дутья кислородом и сопоставлены с показателями заявленного способа. Из этих примеров видно, что при помощи элементарной серы удается компенсировать любой дефицит тепла.

В табл. 1 и 2 приведены примеры осуществления нашего способа в сопоставлении с прототипом, показывающие расходы элементарной серы при получении штейнов разного состава и черновой меди, покрывающие дефицит тепла. Итак, расходы элементарной серы представлены в табл.3.

Пример 11 иллюстрирует возможность использования подогрева дутья и введения в шихту элементарной серы для варианта получения штейна с 50% меди, в примере 12 - для тех же условий приводятся данные комбинирования приемов обогащения дутья кислородом и применения элементарной серы.

В заключение анализа приемов выполнения способа отметим случаи, когда нет необходимости в повышении производства серной кислоты. В этой ситуации отпадает возможность использования элементарной серы, поступающей со стороны (нефтехимпереработки, добыча элементарной серы - Оренбуржье, Астрахань и др. ). Тогда элементарная сера может быть получена из газов автогенного процесса путем восстановления SO₂ природным газом по способу, осуществленному на Норильском горно-металлургическом комбинате. Этот прием не изменяет сути нашего изобретения, а только предусматривает источник получения серы внутри самого процесса. В ряде случаев, возможно, это будет иметь место. Иными словами, элементарная сера, необходимая для автогенности процесса, может быть получена в хвостовой части автогенного комплекса и будет служить таким образом некой циркуляционной нагрузкой, не меняя общего выхода серы в виде сернистого ангидрида. Это тем более возможно, что для нашего случая безразлична сортность элементарной серы. Это замечание высказывается потому, что элементарная сера Норильского комбината от установки взвешенной плавки никелевого концентрата является низкосортной и не пользуется спросом.

Технико-экономические расчеты показали, что автогенная плавка медных концентратов по нашему способу обеспечивает получение дешевой черновой меди.

Процесс по нашему изобретению может быть осуществлен в любом из известных аппаратов автогенной плавки, в том числе и в разработанных в СССР и России (кислородно-факельная плавка, плавка в конвертере, плавка в жидкой ванне, факельно-барботажная плавка, циклонная плавка, кивцет и др.).

Источники информации

1. Мечев В. В., Быстров В.П., Тарасов А.В. и др. Автогенные процессы в цветной металлургии. М.: Металлургия, 1991. - 413 с.

2. Купряков Ю.П. Автогенная плавка медных концентратов во взвешенном состоянии. М.: Металлургия, 1979. - 232 с.