JP5488098B2

JP5488098B2 - 耐酸廃レンガの処理方法

Info

Publication number: JP5488098B2
Application number: JP2010067970A
Authority: JP
Inventors: 壮志中村; 樹人黒岩; 克也木村
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-03-24
Also published as: JP2011202196A

Description

本発明は、乾式銅製錬において発生する製錬ガスから硫酸を製造する過程で使用されたレンガで、耐用年数後に更新されて廃棄物となる耐酸レンガを効率的に処分する方法に関するものである。

銅製錬において硫化鉱石から金属銅を製造する工程は、銅品位が１〜２％程度の硫化鉱石を選鉱処理することによって銅品位が３０％程度の硫化銅精鉱を得て、産地ごとに異なる不純物組成をもつ硫化銅精鉱を、組成がなるべく均一となるように調合して得られる硫化銅精鉱（以下、単に銅精鉱という）に、珪酸鉱を主体とするフラックス等の装入物および重油、微粉炭またはコークス等の燃料を、予熱した酸素富化空気とともに銅製錬自溶炉（以下、単に自溶炉という）内に吹き込み、熱源の大半を占める銅精鉱中の硫黄の酸化による反応熱と燃料の燃焼熱とを加えて，銅精鉱を溶解するとともに酸化製錬を行い、硫化銅（Ｃｕ_２Ｓ）および硫化鉄（ＦｅＳ）を主体とする溶体であるマットと、酸化鉄の珪酸塩を主体とする溶体であるカラミ（またはスラグ）を生成させる。ここで使用される珪酸鉱としては、通常硅石を用いている。
銅精鉱の主成分をＣｕＦｅＳ_２とした例においては、酸化溶融製錬反応は以下のように進行すると考えられる。すなわち、先ず銅精鉱が（１）式に従って銅の硫化物と鉄の硫化物となる。
４ＣｕＦｅＳ_２→ ２Ｃｕ_２Ｓ＋２ＦｅＳ＋２ＦｅＳ_２・・・・・（１）
鉄の硫化物のうち二硫化鉄（ＦｅＳ_２）はさらに酸化されて（２）式に従って硫化鉄（ＦｅＳ）となる。
２ＦｅＳ_２＋２Ｏ_２→ ２ＦｅＳ＋２ＳＯ_２・・・・・（２）
こうしてできた硫化鉄（ＦｅＳ）は、（３）式に従ってさらに酸化されるとともにフラックス中の珪酸と結合して鉄珪酸塩となる。
４ＦｅＳ＋６Ｏ_２＋４ＳｉＯ_２→２Ｃｕ_２Ｓ＋４ＦｅＯＳｉＯ_２＋６ＳＯ_２
・・・・・（３）
つまり上記（１）式から（３）式までの左右各編を加えると、銅精鉱の製錬反応は以下の（４）式で代表される。
４ＣｕＦｅＳ_２＋４ＳｉＯ_２＋８Ｏ_２
→ ２Ｃｕ_２Ｓ＋４ＦｅＯＳｉＯ_２＋６ＳＯ_２・・・・・・（４）
この際、炉内での反応に伴って発生する多量の亜硫酸ガス（ＳＯ_２）は、硫酸工場へ導入して酸化して三酸化硫酸ガス（ＳＯ_３）に転化した後、水に溶かして硫酸製造の原料とされる。銅精鉱の主成分が上記とは別の化学式形態をとる場合でも、製錬反応にともなってＳＯ_２が多量に発生することは同様である。

より詳しくは、上記硫酸製造工程には、ＳＯ_２を主成分とする製錬ガスの洗浄工程、ＳＯ_２をＳＯ_３に転化する転化工程、ＳＯ_３を水や希硫酸に吸収させて濃硫酸を製造する吸収工程などが含まれており、吸収工程において使用される吸収塔という設備には、その内張りとして耐酸レンガが使用されている。
吸収塔の内張りに使用されている耐酸レンガは、設備の更新時にレンガの張替え作業が行なわれるので、設備の状態にもよるが、更新されて廃棄物となった耐酸レンガ（以下、耐酸廃レンガという場合がある）は２０〜３０年に１回、約１００ｔ規模で発生する。
耐用年数経過後に更新されて廃棄物となった耐酸レンガを、産業廃棄物として処分すると高額な処理費用が必要となり経済的損失を招く。

また、上記洗浄工程においては洗浄塔という設備が使用され、洗浄塔の中で製錬排ガスを工業用水のシャワーの中に通過させることにより、重金属を含むヒュームなどを洗い落とすことが行なわれる。洗浄塔において水分を含んだガスとなるので、洗浄後に一度乾燥させている。しかし、洗浄工程において、ＳＯ_２の一部は工業用水に吸収され硫酸を形成するので、乾燥塔の内張りにも耐酸レンガが使用され、頻度の違いはあるが同様に耐酸廃レンガが発生する。

このようにして発生した耐酸廃レンガは、通常産業廃棄物として処理され、処理費用が嵩むという問題点だけでなく、最終処分場の不足の問題もあり、産業廃棄物として産廃業者への委託処理ができなくなる可能性があるという問題点がある。このため別の処理方法が要請されている。ところがこれまでに熔錬炉に使用された廃レンガから有価金属を分離回収する既存技術はあるが、使用済み耐酸レンガの処理方法は見当らない。

使用済み耐酸レンガの処理方法については、例えば廃レンガを粉砕する際に問題となる廃レンガに付着した銅メタルを感知して排除する方法が公開されており（例えば、特許文献１参照。）、また、熔錬炉に使用された廃レンガから銅を回収する方法が公開されている（例えば、特許文献２参照。）が、いずれの方法も熔錬炉に使用されたレンガの廃棄が前提であり、上記の使用済み耐酸レンガの処理方法の問題点の解決には馴染まない。
硫酸製造工程で使用された耐酸廃レンガは比重が小さく、上記先行文献にあるようにカラミ選鉱工程に混ぜて処理すると、比重差が大きく、スラリーにした際に分離し、配管を閉塞させたりシックナーにて比重の小さい耐酸廃レンガの沈降を阻害する問題がある。

特開２０００−２６２９２０号公報特開２００４−３０７９２６号公報

本発明はこのような状況を解決するためになされたものであり、廃棄処分が必要な廃耐酸レンガを産業廃棄物として処分するのではなく、安価かつ効率的に処分することが可能な、処理方法を提供することを課題とする。

本発明者らは上記課題を解決するために、銅製錬プラントの硫酸製造工程から発生する
耐酸廃レンガを処理する際に、耐酸廃レンガとフラックス用の珪酸鉱との混合割合が、その珪酸鉱に対して重量比で３％以下となるように耐酸廃レンガを珪酸鉱原料と混合し、湿式粉砕により、粉末状に粉砕して、銅製錬工程のフラックス原料として使用することとした。この方法によれば安価で産業廃棄物を出さずに効率的に処理できることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、耐酸廃レンガをフラックス用珪酸鉱原料と混ぜ、ジョークラッシャーなどで
粗破砕し、さらにボールミルによって粒径が５０〜１００μｍの粉末状になるように粉砕
することで、自熔炉でのフラックス用珪酸鉱原料として供給することができる。
本発明においては、耐酸廃レンガと珪酸鉱との混合割合は、重量比で珪酸鉱に対して３重量％以下の割合とするのが重要であり、１重量％以下の割合とするのがより好ましい。
前記珪酸鉱としては、硅石を使用することができる。

本発明の耐酸レンガの処理方法では、産業廃棄物として処理するのではなく、粉末状のフラックス原料として自熔炉で繰返し使用することで有効活用できるので、その工業的価値は極めて大きい。

硫酸製造工程の転化器補修で発生する耐酸廃レンガは、主たる耐熱成分であるＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯを含んでいる。この耐酸廃レンガは銅精鉱の製錬反応で必要とされるＳｉＯ_２を７４〜７６重量％程度含有しており、耐酸廃レンガを自熔炉操業用の珪酸鉱として使用できることが期待される。

自熔炉操業用の珪酸鉱の原単位は、原料銅精鉱の品位に応じて前記（１）式で示される反応に従って決めなければならない。前記（１）式で示されるように銅精鉱の酸化反応で必要とされるのは、ＳｉＯ_２成分である。耐酸廃レンガにはＳｉＯ_２成分の他にＡｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｃｒ_２Ｏ_３等が含まれているので、これらの影響を考慮すると耐酸廃レンガの使用には当然限界がある。

自熔炉操業で大切なのは、マットへの銅成分の移行を促進させるとともに、カラミ中への銅の捕捉を押さえて銅の回収効率を高めることである。
好ましい操業状態では、マット中のＣｕ分は６４〜６９重量％、Ｆｅ分は１０〜１５重量％、Ｓは１８〜２２重量％程度である。また、好ましいカラミとは、Ｃｕ含有量が０．６５〜０．９０重量％、Ｆｅ含有量が４０〜４４重量％、ＳｉＯ_２含有量が２６〜３０重量％で、Ｆｅ／ＳｉＯ_２（モル比）が１．０〜１．４程度である。
このようなカラミの好ましい組成は、ＳｉＯ_２：２６〜２８重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：４〜８重量％、ＭｇＯ：２４〜２８重量％、ＣａＯ：２〜５重量％程度である。ＦｅはＦｅ_３Ｏ_４を生成するとカラミ融点が高くなり、半溶融状態のまま炉内に残留するので、Ｃｕの巻き込みが多くなったり操業上の支障を来すようになるので、表面に粉炭を供給したり銑鉄を添加してＦｅ_３Ｏ_４をＦｅＯに還元するのが有効である。また、カラミ中のＭｇＯやＣａＯもカラミの融点を高めて流動性を悪化させる。Ａｌ_２Ｏ_３は中性成分として作用する。カラミ中にはこの他に金、銀、鉛、亜鉛、アンチモン、ビスマス等の有用金属を含むので、さらに精製工程に移して回収する。

このような条件下で耐酸廃レンガの珪酸（ＳｉＯ_２）分を利用するには、使用する銅精鉱と目標とするマット組成とカラミ組成を設定し、前述の反応式（４）に基づいて配合計算をして決定する。
カラミ中のＭｇＯ、ＣａＯやＡｌ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３を目標値に抑えるためには、耐酸廃レンガの配合量は多くとも硅石鉱原料の３重量％以下とするのが限度である。耐酸廃レンガの配合量が３重量％を越えるとＭｇＯ、ＣａＯやＡｌ_２Ｏ_３等の脈石成分が多くなり、カラミの融点や粘度が上昇し、操業に支障を来す恐れがある。耐酸廃レンガの発生が十数年に一度であるため、この程度の耐酸廃レンガの使用量でも再利用しながら処分可能な量である。尚、前記耐酸レンガの代表的な組成は、ＳｉＯ_２：７４重量％以上、Ａｌ_２Ｏ_３：１４重量％以上、ＭｇＯ・ＣａＯ：２重量％程度である。廃レンガとなっても、この組成に大きな変動はない。

硫酸製造工程の転化器補修で発生した耐酸廃レンガは、フラックス用原料である珪酸鉱に３重量％以下の割合で添加して混合した後、クラッシャーによる破砕工程で１５ｍｍ程度に破砕し、さらにボールミルを使って湿式粉砕を行い、７５μｍの篩目を６０〜８０重量％が通過できるように粉砕する。粉砕後のスラリーをシックナーにて粗粒を沈降させ、濃縮してセラミックフィルター等の脱水機にて脱水する。
珪酸鉱は自溶炉で銅精鉱とともに酸素付加空気で炉内に吹き込み、基本的には燃料を使用しないで溶解させねばならないので、５０〜１００μｍと充分細かい粒径にしておく必要がある。この粒径の粉末を得るには、上記したとおり、７５μｍの篩目を６０〜８０重量％が通過できるように粉砕すれば良い。

耐酸廃レンガは比重が２．３ｇ／ｃｍ^３で、珪酸鉱は比重が２．８ｇ／ｃｍ^３であるので、特定の混合割合であれば、破砕や粉砕工程を流す間に互いに均一に混合することができる。異種原料の比重差が大きいと、湿式粉砕した際に、スラリーが２層に分かれ、配管径が変わる箇所や角でスムーズに流れなくなることによる配管詰まりや、シックナーでは比重の小さい成分が沈降しにくくなるといった問題が発生するが、耐酸廃レンガと珪酸鉱の比重差は小さいのでこれらの問題は発生しない。
珪酸鉱としては、一般に硅石を使用する。
尚、破砕や粉砕工程のうち、前記均一な混合状態を維持するのがもっとも困難なのは、ボールミルを使用した湿式粉砕が工程である。通常操業においては、連続式のボールミルが使用されており、内容物が均一な混合状態であることを前提に操業されている。このため、ボールミルの回転によって比重の小さな粉末と比重の大きな粉末とが、２層にわかれると、比重の小さな粉末は、所定の湿式粉砕を受けずにボールミルから排出され、その結果ボールミルから排出される粉末に、０．５〜１．５ｍｍ程度の粗粒が目視でも判別できる程度に混入する。
このため、前記耐酸廃レンガと珪酸鉱との混合割合は、珪酸鉱に対して重量比で３％以下とすることが重要である。この重量比が３％を超えると、前記均一な混合状態を維持することが困難となり、粗粒が多量に発生し、７５μｍの篩目で６０重量％以上を通過させることができなくなるからである。
発明者らは、耐酸廃レンガの配合量は多くとも硅石鉱原料の３重量％以下とすることによって、組成上の要請と、粒径の要請の両方を満たすことができるので、本発明の効果が発現するものと考えている。
以上説明したとおり、本発明によれば、廃棄処分が必要な廃耐酸レンガを産業廃棄物として処分するのではなく、安価かつ効率的に処分することができる。

耐酸廃レンガ１．５トンに対して珪石３００トンの割合で混合（混合割合０．５重量％）して、ジョークラッシャーとコーンクラッシャーで１２ｍｍのスクリーンを通過するまで粗破砕を行い、さらにボールミルにて湿式粉砕をおこなった。湿式粉砕後のスラリーは７５μｍの篩目を７０〜７５重量％が通過するまで細かく粉砕した。その後は、スラリーをシックナーに入れて粗粒を沈降させ、濃度を５０〜６０％にまで濃縮したスラリーをセラミックフィルターにて脱水して、水分率を１５〜１８％とし、フラックス用原料として銅精鉱１トン当たり１５０キログラムの割合で配合して自熔炉へ供給した。

その結果、ボールミルによる湿式粉砕において、均一な混合状態は保たれており、粉砕後の粉末に０．５〜１．５ｍｍといった粗粒の発生は見られなかった。また、自溶炉におけるマット中のＣｕ分は６７重量％、Ｆｅ分は１３重量％、Ｓは１９重量％であった。また、カラミ中のＣｕ分は０．７重量％、Ｆｅ分は４２重量％、ＳｉＯ_２分は２８重量％あった。
以上のように、実施例１においては、極めて安定した良好な操業を維持しつつ、耐酸廃レンガをフラックス用原料として利用することができた。

耐酸廃レンガ３．０トンに対して硅石３００トンの割合で混合（混合割合１．０重量％）した以外は、実施例１と同様の操業を行った。
その結果、ボールミルによる湿式粉砕において、均一な混合状態は保たれており、粉砕後の粉末に０．５〜１．５ｍｍといった粗粒の発生は見られなかった。尚、７５μｍの篩目を６５〜７０重量％が通過した。
その結果、実施例１と同様、安定した操業を維持しつつ、耐酸廃レンガをフラックス用原料として利用することができた。

耐酸廃レンガ９．０トンに対して硅石３００トンの割合で混合（混合割合２．９重量％）した以外は、実施例１と同様の操業を行った。
その結果、ボールミルによる湿式粉砕において、ほぼ均一な混合状態は保たれていた。粉砕後の粉末に０．５〜１．５ｍｍといった粗粒の発生が見られたが、ごく僅かであり、７５μｍの篩目を６０〜６５重量％が通過した。
また、マット成分やカラミ成分は実施例１と同様、安定した操業を維持しつつ、耐酸廃レンガをフラックス用原料として利用することができた。

(比較例１）
耐酸廃レンガ１０．０トンに対して硅石３００トンの割合で混合（混合割合３．３重量％）した以外は、実施例１と同様の操業を行った。
その結果、ボールミルによる湿式粉砕において、均一な混合状態の維持が困難で、粉砕後の粉末に０．５〜１．５ｍｍといった粗粒が多く発生し、７５μｍの篩目を５０〜６５重量％しか通過させることが出来なかった。
また、前記した粉砕後の粉末から粗粒を取り除いて、引き続き操業をおこなった。その結果、マット成分は安定状態の範囲内であったが、カラミ成分のうち、例えばカラミ中のＣｕ分は１．０重量％を超えており、目標成績を達成した安定操業を維持することができなかった。

Claims

銅製錬プラントにおける硫酸製造工程から発生する耐酸廃レンガを処理するに際し耐酸廃レンガと珪酸鉱との混合割合が、前記珪酸鉱に対して重量比で３％以下となるように耐酸廃レンガを珪酸鉱と混合し、湿式粉砕により、粒径が５０〜１００μｍの粉末状に粉砕して、銅製錬工程の自溶炉のフラックスとして使用することを特徴とする耐酸廃レンガの処理方法。
前記珪酸鉱が硅石であることを特徴とする請求項１に記載の耐酸廃レンガの処理方法。