CN104846209A - 一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系统及方法，属于资源与环境领域。该系统包括还原提铁炉，煤气化炉，粒化及余热回收装置，烟气换热器，气体分离除尘装置，余热锅炉，旋风除尘器，煤气柜，输运装置；方法分为3步：分步还原提铁及煤气回收；煤气化及煤气回收；粒化及余热回收。本发明系统和方法实现了铜渣干法粒化、余热回收工艺以及铜渣有价金属提取工艺的链接，可有效回收铜渣中的铁，铁回收率达到90%以上，并且回收过程产生的CO气体可进行自循环使用，保护环境节约资源的同时，解决了高温铜渣处理过程的一系列问题。

Description

一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系统及方法

技术领域

本发明属于资源与环境领域，具体涉及一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系统及方法。

背景技术

近年来，全球铜冶炼行业发展迅速，1980年世界铜总年产量为750万吨，而目前全世界铜年产量已突破1600万吨。世界铜产量快速增长的同时，我国炼铜行业也得到了前所未有的发展，2007年我国跃居成为世界第一大铜生产国，到2012年我国铜产量已占全球铜产量的30％。

铜的冶炼主要包括火法和湿法冶炼，由于湿法冶炼受制于矿石的品位及类型，火法冶炼适用范围广，因此全球约有80％的铜采用的是火法治炼，而在我国火法冶炼更是占到了97％以上。众所周知冶金行业属于能源密集型产业，对资源和能源的损耗较大，且二次能源利用率低，往往造成严重的浪费，铜的火法冶炼过程该问题尤为突出。并且火法冶炼过程产生的大量铜渣其主要成分是铁橄榄石和磁铁矿，其中的铁含量高达30％～45％，具有较高的回收利用价值，部分铜渣中的铁含量甚至超过铁矿石的开采品位，不同熔炼方法产生的铜渣各组分质量百分比如表1所示。据有关资料统计，全球每生产1吨铜会产生2.2～3吨的铜渣，每年仅我国产生的铜渣就可达1500万吨。此外，铜渣的出炉温度可达1200～1300℃，而对铜渣的传统处理方式是采用堆存缓冷及水淬法，两种方式处理后的铜渣大量堆存，不仅没有将铜渣的余热加以回收利用，而且铜渣中的铁、铜、钴、镍等有价金属也白白浪费。此外水淬法处理过程需要消耗大量的水，产生的H₂S和SOx等有害气体也随蒸汽排入大气，造成严重的环境污染。反观中国铁矿石资源现状：铁矿石资源严重短缺，远不能满足我国钢铁产业的需求，人均拥有量仅为世界人均铁矿资源量的34.8％，而可供开发利用的铁矿石资源仅为总资源量的53％，且铁矿石资源品质较差，贫矿多，富铁矿较少，贫矿储量占总储量的80％。因此，改造传统铜渣处理工艺，有效回收铜渣中的铁组分，对于缓解我国铁矿石资源长期短缺的状况具有重要意义。

随着人们对能源和环境的重视，对于铜渣中有价金属回收利用的研究也逐步深入。现有报道的对铜渣中铁组分的回收方法主要包括氧化法，还原法，湿法及磁选法。

氧化法，是指对熔融态铜渣进行氧化处理，实现铜渣中铁组分向磁铁矿相选择性富集，经过冷却破碎后在低温下通过磁选方式回收铁。专利CN101100708首先报道了该回收方法。在后续研究过程中发现，在熔融氧化反应后期，由于铜渣中FeO组分不断减少，Si-O络合离子团不断聚合，以及Fe₃O₄不断聚集长大，导致熔渣粘度及熔点逐渐升高，阻碍了反应的继续进行和磁铁矿相的长大，导致铁回收率低。

还原法，主要是铜渣中含铁组分在外加还原剂的作用下而还原析出的方法。对不同种类的还原剂，其添加方式不同，具体的熔融还原工艺有所差别。专利CN101736112B公开了一种惰性气体喷吹搅拌从熔融铜渣中还原炼铁的方法，回收铁的同时可对烟气进行二次燃烧并回收烟气余热。CN102952952A公开了一种在高温下以天然气还原铜渣得到铜合金熔体和金属铁的方法。还原法的关键是通过控制还原性气氛改变铁在铜渣中的富集形式，将铁橄榄石转变为金属铁后再进行回收利用，但还原法要求熔池温度高。

湿法，是采用硫酸或氯酸等化学药剂综合回收有价金属，该法具有良好的选择性，且可回收锌、铅、镍、钴等有价金属。但湿法技术需要使用大量的化学药剂，不仅对设备产生腐蚀，也会造成环境污染。

磁选法，主要针对冷态铜渣中铁的回收。铁主要分布在铜渣中橄榄石相和磁性氧化铁矿物中，可以用磁选的方法得到铁精矿。但铜渣物相复杂，结晶度不好的铜渣各物相之间存在连生与包裹现象，导致有价金属与脉石成分分离困难，因而磁选效果不佳。

以上技术方法均能在一定程度上回收铜渣中的金属组分，但在回收金属的同时，铜渣高品位余热未能有效利用。特别是湿法及磁选法回收金属的方式针对的是冷态铜渣，铜渣余热回收技术与金属回收技术难以有效链接。CN103537480A报道了一种熔融铜渣还原后低碳化综合利用的方法，该方法对还原提铁后的铜渣熔渣进行喷水冷却凝固并机械碾磨破碎，然后以破碎后的铜渣为热源，通过生物质气化的方式回收利用铜渣余热。该方法能够回收铜渣900℃以下的余热，但在喷水冷却凝固过程中，熔渣1500℃～900℃温度段的余热未能有效利用，系统余热回收效率难以进一步提高。因此，开发铜渣资源化利用效率高及余热回收效率高的新方法意义重大。

表1不同熔炼方法产生的铜渣各组分质量百分比

注：铜渣中铁的存在形式主要为Fe₃O₄及FeO，在Fe₃O₄及FeO中铁元素的质量百分比之和为30％～45％。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系统及方法，可以实现高效回收铜渣中铜铁组分以及铜渣余热的目标，解决了铜渣中铁回收率低及铜渣熔渣余热回收困难的技术问题。本发明的技术方案如下：

一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系统，包括还原提铁炉，煤气化炉，粒化及余热回收装置，烟气换热器，气体分离除尘装置，余热锅炉，旋风除尘器，煤气柜，输运装置，其中煤气柜连接还原提铁炉，还原提铁炉上端通过烟气换热器连接气体分离除尘装置，分离除尘装置上部设有管道连接煤气柜，还原提铁炉的出渣口连接煤气化炉，煤气化炉通过余热锅炉连接旋风除尘器的一端，旋风除尘器另一端连接煤气柜，煤气化炉的出渣口连接粒化及余热回收装置，粒化及余热回收装置连接输运装置。

还原提铁炉的熔池底部或者炉壁侧部设有还原剂喷嘴；炉壁一侧同时设有煤气烧嘴及煤气喷嘴，且煤气烧嘴位于熔池上方，煤气喷嘴伸入熔池底部。

煤气化炉设有煤粉喷嘴和气化剂喷嘴，伸入煤气化炉的熔池中，喷嘴数量至少为4个，分别位于煤气化炉熔池上部和下部。

粒化及余热回收装置包括粒化器，渣粒收集及余热回收装置两部分，上部为粒化器，下部为渣粒收集及余热回收装置；粒化器位于粒化及余热回收装置中心，粒化器通过钢板焊接到渣粒收集及余热回收装置的金属内壁上；渣粒收集及余热回收装置上部为漏斗形状，下部为圆筒形状，其内外壁面为金属水冷壁面，在下部圆筒形壁面上均设置向下倾斜的环形金属折流板，5～7级，折流板长度为0.4～0.8m，间距为0.4～0.6m，与水平面夹角为10～30°。其工作过程如下：粒化器将熔渣破碎冷却为颗粒渣，颗粒渣在上部收集后做下落运动，下落的颗粒渣在环形金属折流板上作“之”字形运动，碰撞过程中颗粒渣与金属水冷壁进行换热，金属壁面将热量传递给内部的冷却水，冷却水温度升高，颗粒渣在缓慢流动过程中温度降低，颗粒渣余热得以有效回收，在装置底部，冷却后的颗粒渣收集后排入输运装置。

粒化及余热回收装置还可设有风机和余热锅炉，风机位于粒化及余热回收装置底部，余热锅炉位于粒化及余热回收装置右上部。其工作过程如下：空气从粒化及余热回收装置底部鼓入，与下落的颗粒渣进行对流换热，在流动过程中空气温度升高，颗粒渣降温冷却；热空气从粒化及余热回收装置右上部进入余热锅炉，余热锅炉回收热空气所携带的热量生产热水，空气从余热锅炉排出。

一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的方法，包括以下工艺步骤：

(1)分步还原提铁及煤气回收：

将从炼铜炉中排出的1200～1300℃的熔融态铜渣流入还原提铁炉，将煤气柜中的CO通过煤气烧嘴进行燃烧，待熔池温度升至1450℃～1500℃，从煤气喷嘴喷吹CO对铜渣进行CO还原反应，CO用量与铜渣中Fe量按照摩尔比为1∶3～1∶2.5，喷吹时间为20～30min，喷吹压力为0.5～1.0MPa；反应结束后停止喷吹CO，加入熔剂，熔剂用量与铜渣中SiO₂量按照摩尔比为1.2∶1，同时通过还原剂喷嘴喷吹还原剂对铜渣进行还原剂还原反应，还原剂用量与铜渣中Fe量按照摩尔比为1∶1～1.2∶1，喷吹时间为20～40min；反应结束后停止喷吹还原剂，将还原的铜渣保温静置20～40min，沉降后的铜渣分成两层，下层为铁水从还原提铁炉低部流出，上层为还原炉渣从出渣口流入煤气化炉；

CO燃烧以及两步还原反应产生的CO₂及CO混合气经烟气换热器回收余热后，通过气体分离除尘装置除去CO₂气体，CO返回煤气柜继续循环使用；

(2)煤气化及煤气回收：

还原炉渣流入煤气化炉的初始温度为1450～1500℃，通过煤粉喷嘴喷吹粒径在1mm以下的煤粉，煤粉和还原炉渣的质量比为1∶0.02，通过气化剂喷嘴喷吹气化剂CO₂，CO₂用量与煤粉用量按照摩尔比为1∶1，监测还原炉渣的温度，待温度降至约1200℃，将还原炉渣从出渣口排入粒化及余热回收装置；

煤气化过程产生的CO经过余热锅炉回收余热后进入旋风除尘器除尘，除尘后的洁净CO进入煤气柜继续循环使用；

(3)粒化及余热回收：

还原炉渣先进入粒化器进行干法离心破碎，形成直径约1mm的颗粒渣，在离心力作用下颗粒渣被甩出进入渣粒收集及余热回收装置，并在环形金属折流板上作“之”字形运动，通入空气或是水冷壁中通入冷却水，通过颗粒渣与通入的空气或是水冷壁进行换热来收集颗粒渣的余热，回收余热后的颗粒渣落入装置底部，温度降至100℃左右，排入输运装置。

所述分步还原提铁及煤气回收过程的熔剂为石灰石或白云石或生石灰。

所述分步还原提铁及煤气回收过程的还原剂为煤粉或焦炭或石墨。

所述气体分离除尘装置中装配的溶液为NaOH溶液或Ca(OH)₂溶液，吸收CO₂气体后可分别制备纯碱或者CaCO₃；且制备的CaCO₃可作为熔剂投入到还原提铁炉中重复利用。

所述熔渣煤气化过程的气化剂CO₂来自工业炉窑产生的废气。

本发明方法包含的工艺步骤涉及的化学反应方程式如下：

(1)分步还原提铁：

铜渣中的三价铁首先被CO还原成二价铁，见反应①；在用碳质还原剂还原前先利用熔剂和铜渣中的SiO₂反应，以促进铁硅分离，见反应②；然后加入碳质还原剂将二价铁还原成单质铁，见反应③和④。

Fe₃O₄+CO＝3FeO+CO₂(g) ①

CaO+SiO₂＝CaO·SiO₂ (②

2FeO·SiO₂+2C＝2Fe+2CO(g)+SiO₂ ③

FeO+C＝Fe+CO(g) ④

(2)煤气化：

煤粉与气化剂CO₂反应，见反应⑤。

C+CO₂(g)＝2CO(g) ⑤

下面以1kg铜渣为基础，按照质量守恒及能量守恒定律对铜渣分步还原和煤气化过程中所需物料及生成的产物进行计算，方法如下：

熔融态铜渣温度：1250℃；铜渣化学组成：Cu＝0.7％，FeO＝37.5％，Fe₃O₄＝10.2％，SiO₂＝32.0％，CaO＝0.2％，Al₂O₃＝1.0％，其他杂质18.4％；金属回收率按照100％计算。

(1)分步还原过程

还原过程中CO完成对Fe₃O₄的还原，见反应①，铜渣还原所需CO的物质的量和体积分别为：

$\mathrm{nCO}=\frac{m_{\mathrm{Fe}3O4}}{232}=102/232=0.440\mathrm{mol}$

VCO＝nCO×0.0224＝0.010m³

还原剂对铜渣中二价铁进行还原，二价铁由两部分产生，一部分是还原Fe₃O₄所得，另一部分是铜渣中原先含有，见反应③和④，铜渣还原所需还原剂物质的量和质量分别为：

$\mathrm{nC}=\frac{m_{\mathrm{Fe}3O4}}{232}\×3+\frac{m_{\mathrm{FeO}}}{72}=\frac{102}{232}\×3+\frac{375}{72}=6.527\mathrm{mol}$

mC＝nC×0.012＝0.078kg

所需熔剂(CaO)理论物质的量和质量分别为，见反应②：

$\mathrm{nCaO}=\frac{m_{\mathrm{SiO}2}}{60}=\frac{320}{60}=5.333\mathrm{mol}$

mCaO＝nCaO×0.056＝0.299kg

热量收入项如下：(CO，还原剂及熔剂带入的物理热忽略不计)

造渣反应放热：

反应②：ΔH＝91.990kJ/mol

Q_in-1＝nCaO×91.99＝5.333×91.99＝490.6kJ

铜渣带入的物理热：

Q_in-2＝C_m3×1×Δt₁＝0.755×1×(1250-20)＝928.7kJ

CO燃烧放热：以V′CO代表CO燃烧消耗的体积

Q_in-3＝V′CO×12754

热量支出项如下：(不考虑系统散热损失)：

铜渣还原反应吸热：

反应①：ΔH＝92.351kJ/mol

反应③：ΔH＝233.683kJ/mol

$Q_{\mathrm{out}-1}=\mathrm{nCO}\×92.351+\frac{\mathrm{nC}}{2}\×233.683=803.2\mathrm{kJ}$

铁合金带出的物理热：

Q_out-2＝C_m1(m_Fe+m_Cu)×Δt₂＝

0.460×(0.102×168/232+0.375×56/72+0.007)×(1500-20)＝305.0kJ

炉渣带出的物理热：

Q_out-3＝C_m2(1-m_FeO-m_Fe3O4-m_Cu+m_CaO)×Δt₁

＝1.050×(1-0.375-0.102-0.007+0.299)×(1500-20)＝1266.5kJ

烟气带出的物理热(烟气温度定为1600℃)：

Q_out-4＝C_烟气(V′CO+VCO+nC×0.0224)×Δt₃

＝[2.364×(V′CO+0.01+0.146)×1580]kJ

根据能量守恒定律，Q_in＝Q_out，可计算出在还原提铁炉中每处理1kg铜渣，需要燃烧的CO体积为V′CO＝0.171m³。还原提铁炉中物料投入量及产物产出量计算结果如表2所示。

表2还原提铁炉中物料投入量及产物产出量计算结果

(2)煤气化过程

煤气化炉中以还原炉渣为热源进行煤气化反应，见反应⑤。

反应⑤：ΔH＝-173.4kJ/mol

炉渣质量为0.873kg，进入煤气化炉的温度为1500℃，排出温度设定为1200℃，炉渣释放的热量为：Q＝C_m2m_炉渣×Δt₁＝1.050×0.873×(1500-1200)＝275.0kJ

根据能量守恒定律：炉渣释放的热量＝气化反应吸收的热量，煤气化反应所需煤粉的物质的量为：

nC_煤气化＝Q/173.4＝1.586mol

则煤气化气化反应需要消耗的煤粉的质量为0.0190kg，消耗的CO2体积为0.035m³，产生的CO体积为0.070m³。

(3)煤气回收过程

在分步还原提铁及煤气化过程均涉及煤气回收，其中分步还原提铁过程产生的CO为0.146m³，CO₂为0.170m³，经过分离除尘装置洗涤分离后，剩余气体为CO纯净气，体积为0.146m³，在分离除尘装置中可产生的Na₂CO₃质量为0.804kg；煤气化过程产生的CO体积为0.070m³。两个过程产生的CO总体积为0.216m³，大于分步还原提铁过程中CO的需求量(0.181m³)，因此CO气体能够满足自身系统需要。综上所述，分步还原提铁和煤气化过程系统物料投入量及产物产出量计算结果如表3所示

表3分步还原提铁、煤气化及煤气回收过程系统物料投入量及产物产出量计算结果

此外，还原提铁炉产生的CO₂及CO混合气经烟气换热器进行余热回收，以及煤气化炉中产生的高温CO经过余热锅炉进行余热回收，按余热回收效率为70％计算，可分别回收余热约为597kJ，以及79kJ，约合0.023kg的标准煤。

煤气化过程采用的气化剂为工业炉窑或锅炉产生的含CO₂废气，CO₂消耗量为0.035m³，换算成质量为0.0694kg，即利用本发明的方法每处理1kg铜渣，就可以吸收0.0694kg的CO₂废气，那么对于每年我国产生的1500万吨铜渣，就可以吸收高达104万吨CO₂废气。

通过对铜渣分步熔融还原回收铁及煤气化余热回收的系统的理论分析及计算可知，本发明为铜渣的组分分离、余热回收以及资源有效利用提供了崭新思路。本发明的有益效果为：(1)利用化学法高效回收熔融铜渣的高温段余热，利用物理法高效回收铜渣中低温段余热，实现了铜渣干法粒化、余热回收工艺以及铜渣有价金属提取工艺的链接，在保护环境节约资源的同时，又解决了高温铜渣处理过程的一系列问题；(2)利用分步还原法还原铜渣，有效回收铜渣中的铁，铁回收率达到90％以上，其中生成的铁水中含铁量可达92％以上，铜含量为1.5％左右，满足冶炼特种耐候钢的要求，可直接进入转炉炼钢，渣中铁含量降至3.4％以下，铜含量降至0.08％左右；(3)还原提铁过程和煤气化过程产生的CO气体经过分离后可进行自循环使用，大大减少了能源消耗；(4)在气体分离装置中装配NaOH溶液吸收还原过程的CO₂气体可制备纯度较高的纯碱；装配Ca(OH)₂溶液吸收还原过程的CO₂气体可制备CaCO₃重复回收利用于还原过程，实现了变废气为宝和资源的循环利用；(5)煤气化过程采用的气化剂是工业炉窑或锅炉产生的含CO₂废气，节能减排的同时又可对工业产生的废气进行有效处理；(6)铜渣经还原、回收铁以及回收余热后的颗粒渣可运送至水泥厂，使用价值高，真正实现了铜渣的资源化利用。

附图说明

图1为本发明实施例1中的从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系统结构示意图，图中1、还原提铁炉，2、铜渣入口，3、烟道，4、熔剂入口，5、炉渣出口，6、还原剂喷嘴，7、铁水出口，8、煤气喷嘴，9、煤气烧嘴，10、高温换热器，11、低温换热器，12、风机，13、煤气化炉，14、气化剂喷嘴，15、煤粉喷嘴，16、余热锅炉，17、旋风除尘器，18、煤气柜，19、加压配气装置，20、水冷壁，21、粒化器，22、粒化及余热回收装置，23、风机，24、折流板，25、输运装置，26、余热锅炉，27、气体分离除尘装置，28、渣粒收集及余热回收装置。

图2为从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的方法的工艺流程图。

具体实施方式

本发明实施采用的铜渣来源于国内某铜业有限公司闪速熔炼炉的排渣，主要成分如表4所示。

表4铜渣各组分质量百分比

注：表中所给铜渣中铁元素含量为36.6％，其他杂质主要是长石及钙镁硅酸盐等物质。

本发明实施采用的气化剂CO₂来源于某石灰窑烟气，主要组成为CO₂、N₂和水蒸气，其组分含量分别为32.2％、59.6％和8.2％。

实施例1

从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系统如图2所示，包括还原提铁炉1，煤气化炉13，粒化及余热回收装置22，烟气换热器10、11，气体分离除尘装置27，余热锅炉16、24，旋风除尘器17，煤气柜18，输运装置25，其中煤气柜18连接还原提铁炉1，还原提铁炉1上端通过烟气换热器10、11连接气体分离除尘装置27，分离除尘装置27上部设有管道连接煤气柜18，还原提铁炉1的出渣口连接煤气化炉13，煤气化炉13通过余热锅炉16连接旋风除尘器17的一端，旋风除尘器17另一端连接煤气柜18，煤气化炉13的出渣口连接粒化及余热回收装置22，粒化及余热回收装置22连接输运装置25。

还原提铁炉1的熔池底部设有还原剂喷嘴6；炉壁左侧从上往下依次设有煤气烧嘴9，煤气喷嘴8及铁水出口7；炉壁右侧从上往下设有熔剂入口4，炉渣出口5；右上方设有烟道3；煤气烧嘴9位于熔池上方，煤气喷嘴8伸入熔池底部。

煤气化炉13的两侧炉壁分别设有2个煤粉喷嘴15和2个气化剂喷嘴14，喷嘴均伸入煤气化炉的熔池中。

粒化及余热回收装置22包括粒化器21，渣粒收集及余热回收装置28两部分，上部为粒化器21，下部为渣粒收集及余热回收装置28，粒化器21位于粒化及余热回收装置22中心，粒化器21通过钢板焊接到渣粒收集及余热回收装置28的金属内壁上；渣粒收集及余热回收装置28上部为漏斗形状，下部为圆筒形状，其内外壁面为金属水冷壁面，在下部圆筒形壁面上均设置向下倾斜的环形金属折流板24，5级，折流板长度为0.6m，间距为0.5m，与水平面夹角为20°；粒化及余热回收装置还设有风机23和余热锅炉26，风机23位于粒化及余热回收装置22底部，余热锅炉26位于粒化及余热回收装置22右上部。

采用上述装置从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热，具体步骤如下：

(1)分步还原提铁及煤气回收：

将从炼铜炉中排出的1200～1300℃的熔融态铜渣流入还原提铁炉，将煤气柜中的CO通过煤气烧嘴进行燃烧，待熔池温度升至1450℃～1500℃，从煤气喷嘴喷吹CO对铜渣进行CO还原反应，CO用量与铜渣中Fe量按照摩尔比为1∶3，喷吹时间为25min，喷吹压力为0.5Mpa；反应结束后停止喷吹CO，加入石灰石，石灰石用量与铜渣中SiO₂量按照摩尔比为1.2∶1，同时通过还原剂喷嘴喷吹煤粉对铜渣进行还原剂还原反应，煤粉用量与铜渣中Fe量按照摩尔比为1.1∶1，喷吹时间为30min；反应结束后停止喷吹煤粉，将还原的铜渣保温静置20min，沉降后的铜渣分成两层，下层为铁水从还原提铁炉低部流出，上层为还原炉渣从出渣口流入煤气化炉。

CO燃烧以及两步还原反应产生的CO₂及CO混合气经烟气换热器回收余热后，通过气体分离除尘装置中的NaOH溶液除去CO₂气体，经过蒸发结晶后即为纯度较高的纯碱；CO返回煤气柜继续循环使用。

(2)煤气化及煤气回收：

还原炉渣流入煤气化炉的初始温度为1450～1500℃，通过煤粉喷嘴喷吹粒径在1mm以下的煤粉，煤粉和还原炉渣的质量比为1∶0.02，通过气化剂喷嘴喷吹气化剂CO₂，CO₂用量与煤粉用量按照摩尔比为1∶1，监测还原炉渣的温度，待温度降至约1200℃，将还原炉渣从出渣口排入粒化及余热回收装置。

煤气化过程产生的CO经过余热锅炉回收余热后进入旋风除尘器除尘，除尘后的洁净CO进入煤气柜继续循环使用。

(3)粒化及余热回收：

还原炉渣先进入粒化器进行干法离心破碎，形成直径约1mm的颗粒渣，在离心力作用下颗粒渣被甩出进入渣粒收集及余热回收装置，并在环形金属折流板上作“之”字形运动，通入空气，通过颗粒渣与通入的空气进行换热来收集颗粒渣的余热，换热后的空气从粒化及余热回收装置右上部进入余热锅炉，余热锅炉回收热空气所携带的热量生产热水，回收余热后的颗粒渣落入装置底部，温度降至100℃左右，排入输运装置，颗粒渣可作为建筑材料使用。

利用该系统回收熔融铜渣中的铁及余热，铁回收率可达92％，可得铜铁合金熔体含铁量可达90％以上，铜含量为1.7％，渣中铁含量为3.1％，铜含量为0.11％；每千克铜渣可吸收CO₂0.035m³，产生CO 0.035m³；煤气化及煤气回收阶段产生的煤气热值在4500kJ以上，余热回收效率可达85％，粒化及余热回收阶段余热回收效率可达65％。

实施例2

从熔融铜渣中分步还原回收铁铜及煤气化回收余热的系统同实施例1，不同点在于：粒化及余热回收装置不设风机23和余热锅炉26，其环形金属折流板7级，折流板长度为0.4m，间距为0.4m，与水平面夹角为10°；采用金属水冷壁中通入冷水进行换热；

采用上述装置从熔融铜渣中分步还原回收铁铜及煤气化回收余热，具体步骤如下：

(1)分步还原提铁及煤气回收：

将从炼铜炉中排出的1200～1300℃的熔融态铜渣流入还原提铁炉，将煤气柜中的CO通过煤气烧嘴进行燃烧，待熔池温度升至1450℃～1500℃，从煤气喷嘴喷吹CO对铜渣进行CO还原反应，CO用量与铜渣中Fe量按照摩尔比为1∶2.5，喷吹时间为30min，喷吹压力为1.0Mpa；反应结束后停止喷吹CO，加入熔剂白云石，白云石用量与铜渣中SiO₂量按照摩尔比为1.2∶1，同时通过还原剂喷嘴喷吹焦炭对铜渣进行还原剂还原反应，焦炭用量与铜渣中F_e量按照摩尔比为1.2∶1，喷吹时间为20min；反应结束后停止喷吹焦炭，将还原的铜渣保温静置40min，沉降后的铜渣分成两层，下层为铁水从还原提铁炉低部流出，上层为还原炉渣从出渣口流入煤气化炉。

CO燃烧以及两步还原反应产生的CO₂及CO混合气经烟气换热器回收余热后，通过气体分离除尘装置中的Ca(OH)₂溶液除去CO₂气体，形成的沉淀物为CaCO₃，CaCO₃经过滤干燥后可作为熔剂投入还原提铁炉重复回收利用；CO返回煤气柜继续循环使用。

(2)煤气化及煤气回收：

还原炉渣流入煤气化炉的初始温度为1450～1500℃，通过煤粉喷嘴喷吹粒径在1mm以下的煤粉，煤粉和还原炉渣的质量比为1∶0.02，通过气化剂喷嘴喷吹气化剂CO₂，CO₂用量与煤粉用量按照摩尔比为1∶1，监测还原炉渣的温度，待温度降至约1200℃，将还原炉渣从出渣口排入粒化及余热回收装置。

煤气化过程产生的CO经过余热锅炉回收余热后进入旋风除尘器除尘，除尘后的洁净CO进入煤气柜继续循环使用。

(3)粒化及余热回收：

还原炉渣先进入粒化器进行干法离心破碎，形成直径约1mm的颗粒渣，在离心力作用下颗粒渣被甩出进入渣粒收集及余热回收装置，并在环形金属折流板上作“之”字形运动，水冷壁中通入冷却水，通过颗粒渣与水冷壁进行换热来收集颗粒渣的余热，回收余热后的颗粒渣落入装置底部，温度降至100℃左右，排入输运装置，颗粒渣可作为建筑材料使用。

利用该系统回收熔融铜渣中的铁及余热，铁回收率可达96％，可得铜铁合金熔体含铁量可达94％以上，铜含量为1.9％，渣中铁含量为1.6％，铜含量为0.08％。；每千克铜渣可吸收CO₂0.035m³，产生CO 0.035m³；煤气化及煤气回收阶段产生的煤气热值在4500kJ以上，余热回收效率可达85％，粒化及余热回收阶段余热回收效率可达70％。

实施例3

从熔融铜渣中分步还原回收铁铜及煤气化回收余热的系统同实施例1，不同点在于：粒化及余热回收装置不设风机23和余热锅炉26，其环形金属折流板，7级，折流板长度为0.8m，间距为0.6m，与水平面夹角为30°；采用金属水冷壁中通入冷水进行换热。

采用上述装置从熔融铜渣中分步还原回收铁铜及煤气化回收余热，具体步骤如下：

(1)分步还原提铁及煤气回收：

将从炼铜炉中排出的1200～1300℃的熔融态铜渣流入还原提铁炉，将煤气柜中的CO通过煤气烧嘴进行燃烧，待熔池温度升至1450℃～1500℃，从煤气喷嘴喷吹CO对铜渣进行CO还原反应，CO用量与铜渣中Fe量按照摩尔比为1∶3，喷吹时间为20min，喷吹压力为1.0Mpa；反应结束后停止喷吹CO，加入生石灰，生石灰用量与铜渣中SiO₂量按照摩尔比为1∶1，同时通过还原剂喷嘴喷吹石墨对铜渣进行还原剂还原反应，石墨用量与铜渣中Fe量按照摩尔比为1∶1，喷吹时间为40min；反应结束后停止喷吹石墨，将还原的铜渣保温静置30min，沉降后的铜渣分成两层，下层为铁水从还原提铁炉低部流出，上层为还原炉渣从出渣口流入煤气化炉。

CO燃烧以及两步还原反应产生的CO₂及CO混合气经烟气换热器回收余热后，通过气体分离除尘装置中的Ca(OH)₂溶液除去CO₂气体，形成的沉淀物为CaCO₃，CaCO₃经过滤干燥后可作为熔剂投入还原提铁炉重复回收利用；CO返回煤气柜继续循环使用。

(2)煤气化及煤气回收：

还原炉渣流入煤气化炉的初始温度为1450～1500℃，通过煤粉喷嘴喷吹粒径在1mm以下的煤粉，煤粉和还原炉渣的质量比为1∶0.02，通过气化剂喷嘴喷吹气化剂CO₂，CO₂用量与煤粉用量按照摩尔比为1∶1，监测还原炉渣的温度，待温度降至约1200℃，将还原炉渣从出渣口排入粒化及余热回收装置。

煤气化过程产生的CO经过余热锅炉回收余热后进入旋风除尘器除尘，除尘后的洁净CO进入煤气柜继续循环使用。

(3)粒化及余热回收：

还原炉渣先进入粒化器进行干法离心破碎，形成直径约1mm的颗粒渣，在离心力作用下颗粒渣被甩出进入渣粒收集及余热回收装置，并在环形金属折流板上作“之”字形运动，水冷壁中通入冷却水，通过颗粒渣与水冷壁进行换热来收集颗粒渣的余热，回收余热后的颗粒渣落入装置底部，温度降至100℃左右，排入输运装置，颗粒渣可作为建筑材料使用。

利用该系统回收熔融铜渣中的铁及余热，铁回收率可达94％，可得铜铁合金熔体含铁量可达92％以上，铜含量为1.7％，渣中铁含量为2.4％，铜含量为0.08％；每千克铜渣可吸收CO₂0.074m³，产生CO 0.074m³；煤气化及煤气回收阶段产生的煤气热值在4500kJ以上，余热回收效率可达85％，粒化及余热回收阶段余热回收效率可达65％。

Claims (9)

1.一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系统，其特征在于该系统包括还原提铁炉，煤气化炉，粒化及余热回收装置，烟气换热器，气体分离除尘装置，余热锅炉，旋风除尘器，煤气柜，输运装置；

煤气柜连接还原提铁炉，还原提铁炉上端通过烟气换热器连接气体分离除尘装置，分离除尘装置上部设有管道连接煤气柜，还原提铁炉的出渣口连接煤气化炉，煤气化炉通过余热锅炉连接旋风除尘器的一端，旋风除尘器另一端连接煤气柜，煤气化炉的出渣口连接粒化及余热回收装置，粒化及余热回收装置连接输运装置。

2.根据权利要求1所述的一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系统，其特征在于所述还原提铁炉的熔池底部或者炉壁侧部设有还原剂喷嘴；炉壁一侧同时设有煤气烧嘴及煤气喷嘴，且煤气烧嘴位于熔池上方，煤气喷嘴伸入熔池底部。

3.根据权利要求1所述的一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系统，其特征在于所述煤气化炉设有煤粉喷嘴和气化剂喷嘴，伸入煤气化炉的熔池中，喷嘴数量至少为4个，分别位于煤气化炉熔池上部和下部。

4.根据权利要求1所述的一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系统，其特征在于所述粒化及余热回收装置包括粒化器，渣粒收集及余热回收装置两部分，上部为粒化器，下部为渣粒收集及余热回收装置；粒化器位于粒化及余热回收装置中心，粒化器通过钢板焊接到渣粒收集及余热回收装置的金属内壁上；

渣粒收集及余热回收装置上部为漏斗形状，下部为圆筒形状，其内外壁面为金属水冷壁面，在下部圆筒形壁面上均设置向下倾斜的环形金属折流板，5～7级，折流板长度为0.4～0.8m，间距为0.4～0.6m，与水平面夹角为10～30°。

5.根据权利要求4所述的一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系统，其特征在于所述粒化及余热回收装置还可设有风机和余热锅炉，风机位于粒化及余热回收装置底部，余热锅炉位于粒化及余热回收装置右上部。

6.一种采用权利要求1所述的系统从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

（1）分步还原提铁及煤气回收：

将从炼铜炉中排出的1200～1300℃的熔融态铜渣流入还原提铁炉，将煤气柜中的CO通过煤气烧嘴进行燃烧，待熔池温度升至1450℃～1500℃，从煤气喷嘴喷吹CO对铜渣进行CO还原反应，CO用量与铜渣中Fe量按照摩尔比为1:3～1:2.5，喷吹时间为20 min～30min，喷吹压力为0.5～1.0Mpa；反应结束后停止喷吹CO，加入熔剂，熔剂用量与铜渣中SiO₂量按照摩尔比为1.2:1，同时通过还原剂喷嘴喷吹还原剂对铜渣进行还原剂还原反应，还原剂用量与铜渣中Fe量按照摩尔比为1:1～1.2:1，喷吹时间为20～40min；反应结束后停止喷吹还原剂，将还原的铜渣保温静置20～40min，沉降后的铜渣分成两层，下层为铁水从还原提铁炉低部流出，上层为还原炉渣从出渣口流入煤气化炉；

CO燃烧以及两步还原反应产生的CO₂及CO混合气经烟气换热器回收余热后，通过气体分离除尘装置除去CO₂气体，CO返回煤气柜继续循环使用；

（2）煤气化及煤气回收：

还原炉渣流入煤气化炉的初始温度为1450～1500℃，通过煤粉喷嘴喷吹粒径在1mm以下的煤粉，煤粉和还原炉渣的质量比为1:0.02，通过气化剂喷嘴喷吹气化剂CO₂，CO₂用量与煤粉用量按照摩尔比为1:1，监测还原炉渣的温度，待温度降至约1200℃，将还原炉渣从出渣口排入粒化及余热回收装置；

煤气化过程产生的CO经过余热锅炉回收余热后进入旋风除尘器除尘，除尘后的洁净CO进入煤气柜继续循环使用；

（3）粒化及余热回收：

还原炉渣先进入粒化器进行干法离心破碎，形成直径约1mm的颗粒渣，在离心力作用下颗粒渣被甩出进入渣粒收集及余热回收装置，并在环形金属折流板上作“之”字形运动，通入空气或是水冷壁中通入冷却水，通过颗粒渣与通入的空气或是水冷壁进行换热来收集颗粒渣的余热，回收余热后的颗粒渣落入装置底部，温度降至100℃左右，排入输运装置。

7.根据权利要求6所述的一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的方法，其特征在于所述分步还原提铁及煤气回收过程的熔剂为石灰石或白云石或生石灰。

8.根据权利要求6所述的一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的方法，其特征在于所述分步还原提铁及煤气回收过程的还原剂为煤粉或焦炭或石墨。

9.根据权利要求6所述的一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的方法，其特征在于所述气体分离除尘装置中装配的溶液为NaOH溶液或Ca(OH)₂溶液。