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世界首创全底吹连续炼铜新技术实现环保超低排放



       2019年7月,世界首创全底吹连续炼铜新技术在内蒙古包头华鼎铜业发展有限公司(以下简称“华鼎铜业”)落地,该项目是在传统炼铜工艺PS转炉旧生产线基础上,利用氧气底吹炉熔炼→氧气底吹连续吹炼炉吹炼→底吹精炼炉精炼全底吹炼铜的工艺技术上进行改造的项目。项目的成功实施,在国内甚至世界铜冶炼行业引起了关注。时隔一年之后,记者就行业第一条利用底吹技术对PS转炉改造的生产线运转情况及新技术对环境保护起到的有效成果等方面采访了华鼎铜业总经理袁俊智。
 
  为了深入落实国家环保要求,2019年2月,华鼎铜业在前期打出一系列环保“组合拳”的基础上,大刀阔斧地对PS转炉旧生产线进行了改造,同年7月,全国乃至世界应用PS转炉首创的“三连炉”一步炼铜改造项目成功在企业落地。一年多来,项目不仅圆满实现了达产达标,而且通过比较,该企业在全底吹炼铜工艺技术投产之前,二氧化硫排放标准是150毫克/立方米;投产后,排放标准一直稳定在10毫克/立方米以内,远远低于国际标准的40倍,低于特排标准的10倍。通过了解,国家对二氧化硫排放标准是400毫克/立方米;“2+26”城市规定,特别排放限值为100毫克/立方米。虽然,该项标准不包括内蒙古自治区在内,但是,内蒙古地区自行要求特排限制标准。华鼎铜业更是肩负起绿色发展使命,锐意改革、不断创新,最终形成了世界首条在PS转炉基础上进行全底吹全热态连续炼铜改造的生产线,实现了环保特别排放限值的超低排放标准。
 
  三连炉是一项怎样的工艺技术新上项目及老生产线
  改造建设有何优势和区别
 
  采访中,袁俊智言简意赅地对三连炉工艺进行概述,三连炉顾名思义是炼铜过程中,对熔炼、吹炼、精炼3个炉子有效用流槽进行衔接,传统工艺3个炉子为3段生产,没有实现连续性一步炼铜。分开生产存在一些弊端,一是对环境产生污染,浪费能源,制约发展。因为老工艺在生产中仍然需要行车吊运包子,而包子在吊运过程中,由于烟气逸散,无法收集,造成低空污染。二是因为包子熔体温度过高,高空频繁运行,存在较大安全隐患。三是间断性生产,制酸系统的二氧化硫烟气量及浓度时大时小,导致转化吸收率低,尾气排放指标及生产成本高且不稳定。而新技术最大的优势是通过流槽将3个炉子连接起来,实现了连续性一步炼铜,不仅节能降耗,而且运行稳定,符合国家倡导的更高环保要求。
 
  袁俊智告诉记者,所谓技术改造,多是指对原有生产设备生产能力进行改进升级提高,新上项目一般是指通过国家环评审核批准建设的项目。他解释,新上项目资金投入较大,目前,由于环境及资源等各种因素制约,当下或将来,新上项目难度越来越大,而项目改造升级将会成为发展趋势。另外,目前,全世界铜冶炼行业中,有近80%的企业依旧采用PS转炉进行冶炼生产,转炉生产由于能耗高、低空污染大等制约因素的存在,所以采用新技术破解资源环境制约瓶颈、走绿色发展之路是大势所趋。还有近年来原料紧张,低品位原料充斥市场,加工费更是一路走低,面对众多棘手难题,越来越多的企业为了寻求利润增长点,在炉子吃杂能力上下功夫,求创新,绞尽脑汁想尽办法降低成本。
 
  在转型升级中
  华鼎铜业带头做了什么
 
  在袁俊智看来,虽然当下采用PS转炉仍然可以延续生产,但是难以发挥竞争优势。他强调,工业企业的转型升级,转的不仅仅是生产环境,还有竞争环境。那么,怎样才能带动市场近80%的转炉企业走上向环保创新要效益的发展之路,
  这实际就是一次大考,想要交出满意的答卷,需要行业企业带头和担当,为了尽早让绿色改造项目成为一面旗帜引领行业,拓展企业新的经济增长点,及提升企业品牌效应等,华鼎铜业头顶压力和风险,在没有任何经验可借鉴的情况下挺身而出,成为第一家勇于探索科技创新的先行者。
 
  袁俊智向记者简单介绍了氧气底吹技术的发展历程。2012年,中国恩菲工程技术有限公司承担国家“863”课题,研发氧气底吹技术,该课题通过与行业企业理论实践紧密对接,在大大小小无数次实验的基础上,2014年,底吹连续炼铜新工艺在有色行业研发成功,豫光集团应用该技术建成了第一条炼铜生产线,实现了安全、可靠、绿色、高效的生产模式。针对该项技术的成功应用,2016年,在河南省召开了技术产业化与应用科技成果评价会,评价委员会组长、中国工程院院士邱定蕃对该技术成果给予了高度评价:“连续炼铜技术是我国的重大创举,困扰几代人的铜冶炼低空污染问题被彻底解决,该技术拥有指标、装备、自动化程度高等多项优势,评价为最高等级的国际领先水平,希望底吹炼铜技术在世界发扬光大。”
 
  近年来,通过发展实践,该项拥有中国自主知识产权的工艺技术,已经成为具有世界竞争优势的冶炼工艺之一,并在国内外十几个新建项目和改造项目中成功应用,得益于此,华鼎铜业通过深入市场多方考察论证,并根据企业实际情况,与技术研发单位中国恩菲进行深入沟通,最终选择该项技术进行改造升级并委托恩菲开展设计,而在众多改造项目的建设方面,华鼎铜业可谓一枝独秀,与行业其他改造项目最为不同的是,华鼎铜业是第一家在PS转炉基础上进行改造升级的企业,改造成功则意味着一是该企业将会成为一张亮丽的“创新名片”,引领更多目前采用PS转炉生产的企业大胆实施节能技术的升级改造;二是成功的经验,能为更多企业提供绿色系统的解决方案;三是好技术快速大规模的落地应用,不仅服务企业,造福行业,对绿色生态保护更是功在千秋。
 
  华鼎铜业是一家怎样的企业
 
  延续这样的思路,袁俊智清晰梳理了华鼎铜业多年来实施的一系列大大小小的创新之举,而每一次改革,仿佛与上马底吹技术有着千丝万缕的联系。成立于2003年的华鼎铜业,2004年12月建成了一套年产3万吨粗铜、11.5万吨硫酸密闭鼓风炉生产系统,由于产能落后、耗能高,劳动条件差,加之环保压力大等因素,企业积极主动淘汰落后冶炼工艺,从2009年开始,华鼎铜业及早谋划,走上了向环保要效益的改革之路,3个阶段的升级改造,袁俊智向记者展示了一组组数据:第一阶段,即2009年公司淘汰鼓风炉炼铜落后产能,建设符合国家产业政策的富氧熔池熔炼、转炉吹炼、阳极炉火法精炼配套的10万吨电解阴极铜和3万吨铜杆等项目工程。那个时候,企业为了延伸产业链条,自我加压向产业链深度发展要成果,3万吨铜杆生产线,不仅提高了企业产品的经济附加值和深加工能力,而且实现了生产足不出户,真正做到了将污染点就地消化,实现了向节能要空间,促进了生态、经济和社会的共同发展。用袁俊智的话来说:“团队人马每天深入现场,针对炉子对生态环境方面产生的突出短板,沉下身子较着劲儿从一个一个小问题进行改革,遇到问题不断总结不断排除,在反反复复中寻求突破,没有人知道企业未来的发展模样,大家始终相信走技术创新的道路不会错。”
 
  至第二阶段,2016年华鼎铜业对冶炼主厂房增加了一台Φ4.4×18m氧气底吹熔炼炉,将原有Φ3.8×15m底吹熔炼炉升级改造为底吹连续吹炼炉用于铜锍吹炼,当时为了将熔炼炉产出的热态铜锍通过流槽直接流入吹炼炉进行吹炼,两台炉子呈阶梯状巧妙布置,形成了富氧底吹熔炼+底吹连续吹炼+固定式反射阳极精炼的工艺,该作业组合更加凸显节能和环保,一定意义上为上马三连炉工艺技术的连续生产埋下了伏笔;当时华鼎铜业选择底吹连续吹炼炉用于铜锍吹炼生产,可谓一场不小的考验,因为当时在铜冶炼行业通过底吹炉生产的企业,没有一家能实现全热料流程生产,而要打破全热料生产一直是华鼎人想要实现的目标,为了能够做到更深层次保护资源和环境,在底吹技术上,华鼎铜业最大的优势,一是因为袁俊智多年前在行业其他企业,对底吹炉操作有一定的驾驭能力,二是华鼎有一支敢于创新不畏艰辛的团队,有了一定的技术保障。华鼎开始大胆布局,实施创新,实现了大氧枪生产及全热料生产的有效突破,一些制约环境的瓶颈难题被打破,在点点滴滴的实践中,华鼎铜业生产变清洁了,能耗降低了,很多流失在空气中的酸雾被节能环保技术有效收集利用。
 
  到第三阶段,即2019年2月,为了实现底吹熔炼炉、底吹连续吹炼炉与底吹精炼炉三种底吹工艺完美结合及实现全热料连续生产,向一步炼铜安全、节能、环保、高效要效益,华鼎铜业凭着多年对底吹技术的成功经验,及秉持求新求变谋发展的态度,坚决淘汰了固定式反射阳极炉,将原有的两台(Φ3.6m×8.1m)PS转炉升级改造为底吹回转式阳极炉(Φ3.6m×10m),最终”打通了最后一公里“,实现了熔炼、吹炼、精炼三台炉子错层串联,完善了熔炼炉产出的铜锍通过溜槽流入连续吹炼炉内进行吹炼,吹炼产出的粗铜通过溜槽流入底吹精炼炉进行火法精炼并浇铸的三连炉全底吹连续炼铜生产工艺。绿色清洁的一步炼铜,保障了放渣过程安全高效,低空污染得到进一步完善,生产方式的改变使华鼎铜业最终向绿色化发展迈出了坚定的步伐。
 
  通过10多年的不懈努力,华鼎铜业已经发展成为年原料处理能力75万吨、硫酸60万吨,及年处理50万吨铜渣的生产能力,在配套3万吨电解铜产业链的同时,带动了重点产业10万吨连铸连轧铜拉丝生产线的高质量发展,其中高端产品已应用于航空航天和智能手机等产品中,实现年产值60亿元,年利税突破亿元。
 
  回忆创新过程的那些艰苦往事,袁俊智有些感慨,他说,为了啃下制约行业技术领域的一些“硬骨头”,没有捷径可走,要想持续发展,必须不断超越。就拿2016年企业选择底吹连续吹炼技术对冶炼主厂房增加一台Φ4.4×18m氧气底吹熔炼炉,将原有Φ3.8×15m底吹熔炼炉升级改造为底吹连续吹炼炉用于铜锍吹炼进行技术改造作例子,改造之前,项目团队吃了不少苦,为了打赢一系列有准备的攻坚战,在时间紧任务重的关键时期,华鼎人提前布置线路,把阻挡改造进程的工作面面俱到不留死角;自项目落地之后,项目团队为了利用大氧枪进行生产实践,大伙儿在机器轰鸣炉火通红的生产现场,个个精神饱满,有使不完的劲,累了困了就地铺个袋子倒头就睡。
 
  他们这么拼为了什么
 
  原来,当时铜冶炼行业在设计方面,不论是熔炼炉、吹炼炉还是在连续底吹技术方面,一直遵循氧抢直径宜小不宜大,通风面积宜小不宜大,氧枪支数宜多不宜少的设计理念,华鼎团队为了打破固有思维,力争采取大氧枪进行实践应用,那些激情燃烧的日子,想要打开一扇成功的大门何其之难,刚开始炉子工作不到24小时,氧枪屡被烧损,造成炉子不能连续生产。困难面前,华鼎人不放弃,不气馁,坚持大氧枪思路不变,测试方向不变,一次次实践,一次次技术最大化对接,通过无数次的反复论证,找准了氧枪“平衡点”,最终自主创新的大氧枪生产,在行业里实现了突破引领,全热料生产实现了有效突破;通过与设计需求进行比较,按10万吨规模连续吹炼炉,氧枪需要9~10只,氧枪直径为48毫米,送氧量在800立方米~1000立方米/只左右才能发挥实践生产的作用,而华鼎铜业实现了将10只氧枪创新减少至3只大氧枪,氧枪的直径设计为70多毫米,送氧量达4000立方米~6000立方米/只左右。
 
  其次,在突破了大氧枪生产的同时,特别是当华鼎铜业选择底吹连续吹炼技术实现了全热料生产的那段时间,行业企业质疑声音此起彼伏,虽说两大突破点对于行业可谓利好不断,但因为新工艺设计之初热料生产理论不被实践认可,只能采用冷料生产设计,而冷料工艺流程是将熔炼炉产生的冰铜冷却成固体,进行机械破碎,再用铲车将破碎的冰铜运到生产线通过皮带加入炉子,在华鼎人看来,用冷料生产,难度小,风险小,能够解决炉子的热能平衡问题,可是吹炼炉的连续性没有真正体现它的价值。华鼎人明白,要实现全热料生产难度很大,100%热料这一难关他们必须要跨越,那段时间,创新团队在熔体的抛物线上进行攻关,一次次将数据推倒重来,通过团队一个多月时间的反复摸索,流速难题被攻破,炉子曾经在短暂几分钟被冲漏的难题被攻克,最终生产工艺实现了全热料生产,华鼎人在欢呼雀跃声中奔走相告。
 
  大氧枪及全热流生产的有效突破,进一步提升了制约行业技术领域的科技进步,随着全底吹技术首次在企业落地后,立足创新驱动的华鼎人不骄不躁,面对资源紧缺等难题,华鼎人开始在杂质脱除等方面做功课,通过大量查阅铜火法冶炼杂质脱除相关参考文献和资料,对比自身企业产品化验结果等,最终企业精炼炉采用底吹模式以及特殊造渣法,使得各杂质元素在精炼环节脱除效果显著,脱除率Pb在70%~90%,As在50%~90%,Sb在50%~70%,Bi在30%~50%,较传统方法提高80%左右,竞争力无疑更加凸显。
 
  如何让行业共享改革发展成果
 
  在底吹技术上啃下硬骨头的华鼎人,一定意义上开启了引领行业用新技术改造PS转炉老生产线向环保要效益的新时代。
 
  袁俊智表示,传统工艺转炉吹炼带来的制约环节,目前已经通过封闭溜槽实现了全热态生产,熔炼和吹炼过程物料转移形成的低空污染得到了一定程度的改善,同时铜冶炼废气、环境烟气和制酸尾气全部经过动力波脱硫系统脱硫后达标排放;另外,企业生产废水及生活污水经过处理后用于渣缓冷,全部实现不外排;尾渣等工业固体废物全部暂存后外售综合利用,中和渣等危险废物全部外委安全处置或综合利用。项目实施后,华鼎铜业大气污染中的重金属污染物排放量相对技改前有较大程度的减少。
 
  当环保效益进一步体现时,华鼎铜业为了让更多利用PS转炉生产的铜冶炼企业对该项技术进行全方位认识和了解,在全底吹全热态连续工艺炼铜技术创新答卷上,华鼎人交出了让行业满意的成绩单。
 
  一是打破了复杂矿料的制约性。该企业通过项目改造,解决了曾经生产中遇到高硫铜精矿、低硫铜精矿、氧化矿、金精矿、银精矿、高砷矿、高硅矿、块矿等品位较低矿料的复杂难题,新工艺吃杂能力强大,而且能将难除矿料中的铜、金、银等有价金属较高的回收利用。通过生产实践,华鼎铜业在底吹连续吹炼过程中,利用吹炼富裕热处理较高品位的冷杂铜,同时矿铜和冷铜比最高达到了1:1,真正解决了其他连续吹炼工艺冷铜无法加入或加入比例过低的难题,可降低成本10%~20%。
 
  二是脱杂能力强。华鼎铜业实现了首次将底吹技术应用于回转式精炼炉,代替了透气砖,突破了传统透气砖精炼搅拌强度小、效率低、寿命低的难题;全底吹炼铜工艺中熔炼、吹炼和精炼所使用的氧枪,均采用底吹模式,华鼎铜业通过氧枪改良,并配入比例合适的氮气、天然气、氧气和空气等混合气体,最终使冶炼渣通过激烈的机械搅拌,使杂质有效脱除和挥发。
 
  在脱杂能力方面,袁俊智非常细致地将脱杂过程用数据进行了简单的阐述,他说,底吹熔炼阶段送入炉内的混气氧浓在75%左右,压力在0.4~0.7Mpa之间,而底吹连续吹炼阶段送入炉内的混气氧浓是25%~30%左右,压力位于0.6~0.8Mpa之间,也就是说高氧势熔液溶解需要更多的氧进行反应,氧气直接或优先将Cu氧化成CuO2作为载体进行传递,正是因为底吹熔炼、底吹连续吹炼和底吹精炼所需的气体都是从底部氧枪鼓入熔池内,通过熔体剧烈搅拌,使Pb、Zn、As、Sb、Bi这些非常难以除去的杂质,经过氧化后挥发至烟气中,最终脱除效果非常显著。
 
  三是打破了传统工艺在制酸过程中SO2时高时低难以持续平衡生产的难题。采用全底吹连续炼铜因为连续稳定的生产,使各炉产生的热态熔体能够有序从上一生产环节流入至下一生产环节,平稳连续生产能有效保障炉子的生产寿命;另外,高温溶液全部采用溜槽进行输送,输送过程溜槽全封闭作业,彻底解决了低空烟气的污染难题。同时,二氧化硫浓度和气量因为具有连续性,保障了在同一环境下SO2浓度高及制酸平稳等。
 
  与PS转炉进行比较,烟气量仅是转炉的1/3,由于底吹熔炼富氧浓度可达75%,即使底吹连续进行吹炼作业,烟气量仍处于稳定状态,利于制酸;与国家排放标准进行比较,尾气排放的SO2浓度达到10mg/m3以下,较国家超低排放标准100mg/m3低10倍多,特别是该工艺SO2发生率由0.4%降低至0.2%,一定程度上硫酸雾量的减少,杜绝了另行配置专业环集烟气系统,最终实现成本和环保的双赢。
 
  尤其是,企业随着冶炼规模和综合盈利能力的不断提高,在吨铜综合能耗指标方面,按照国家标准规定,矿产阳极板综合能耗标准已建企业能耗标准为340kg标煤,新建企业是220kg标煤,先进值为190kg标煤,而华鼎铜业在践行高质量发展进程中,一步步向节能环保技术要效益,最终实现了吨铜能耗标准仅为106.490kg标煤。
  目前,用数据说话展示作为的华鼎铜业,通过多年在技术领域的深耕细作摸爬滚打,企业先后获得了“中国能源诊断和能源管理体系建设示范企业”“内蒙古自治区模范和谐劳动关系单位”“内蒙古自治区非公有制新型企业奖”“内蒙古自治区诚信企业”“包头市知名商标”“包头市安康杯优胜单位”“包头市和稀土高新区非公有制经济党建工作先进企业”“稀土高新区五一劳动奖状”等多项荣誉称号,同时,该企业多个技术研发小组因为大胆创新,获得国家发明专利2项、实用新型专利20多项,这些专利的应用使公司的发展驶上了“快速道”。
 
  回首往昔,在创新中尝到甜头的华鼎人,目前从提高作业效率、降低系统能耗、改进氧枪结构及延长炉寿命等方方面面下功夫,找不足,用袁俊智的话说:“技术创新没有终点,创新就是向一个又一个新起点不断冲刺。作为生产企业要想创新引领,决不是一句简单的口号,也不是简单依靠一两项关键技术就可以解决的问题,打好“组合拳”,让产学研深度结合,最终使创新成为一项系统工程,在实践中不断提高,才是企业高质量持续发展的根本要素。”

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