《一種脈動旋流法銅冶煉工藝及裝置》是陽穀祥光銅業有限公司於2009年11月26日申請的發明專利，該專利的申請號為2009102305003，公布號為CN101705369A，公布日為2010年5月12日，發明人是周松林、劉衛東，該專利涉及銅、鎳、鉛等冶金技術領域。
《一種脈動旋流法銅冶煉工藝及裝置》乾燥的銅精礦粉或冰銅粉與富氧空氣混合後以高速旋轉狀態進入反應器，形成以軸線為中心的高旋流體，高旋流中心引入脈動氧氣和脈動燃燒，使高旋流體內產生脈動紊流，促進粒子間相互碰撞，反應器內形成高溫場、高氧場、高粒子場的脈動旋流反應區，完成銅精礦造冰銅、造渣反應或冰銅造粗銅、造渣反應。反應後熔融物沉降於反應器下的熔池進行冰銅和渣分離或粗銅和渣分離。SO2煙氣送入制酸工序。
2014年11月6日，《一種脈動旋流法銅冶煉工藝及裝置》獲得第十六屆中國專利金獎。
（概述圖為《一種脈動旋流法銅冶煉工藝及裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種脈動旋流法銅冶煉工藝及裝置
- 公布號：CN101705369A
- 公布日：2010年5月12日
- 申請號：2009102305003
- 申請日：2009年11月26日
- 申請人：陽穀祥光銅業有限公司
- 地址：山東省陽穀縣石佛鎮祥光路一號
- 發明人：周松林、劉衛東
- 分類號：C22B15/00（2006.01）I
- 代理機構：濟南聖達專利商標事務所有限公司
- 類別：發明專利
- 代理人：張勇
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
銅在自然界中主要是硫化礦和氧化礦，特別是硫化礦分布最廣，大約有80％的銅礦以Cu-Fe-S礦石形態存在。對於這類礦石提銅通常採用火法冶金的方法，一般流程為：硫化銅礦石→採選工序→銅精礦→熔煉工序→冰銅→吹煉工序→粗銅→陽極爐工序→陽極銅→電解工序→高純陰極銅。2009年11月前熔煉工序主要有閃速熔煉和熔池熔煉兩大類，因閃速熔煉具有高效、節能、環保等優點，所以，世界60％以上的銅是由閃速熔煉工藝生產的，閃速熔煉工藝原理是：乾燥的銅精礦粉顆粒在反應塔內被分布風完全分散懸浮，氧和懸浮的精礦顆粒在反應塔的整個空間內進行反應，這種工藝存在以下問題：一是反應在整個反應塔空間進行，故熱負荷大，爐壁沖刷嚴重，爐壽命短；二是因精礦顆粒存在分散懸浮，故顆粒間碰撞機率小，反應不完全，存在過氧化和欠氧化現象，煙塵發生率高；三是高投料情況下熱負荷特別大，一般熱負荷超過2200兆焦/立方米·時時，閃速爐的反應塔承受不了，故限制了單台閃速爐的高產能。
發明內容
專利目的
《一種脈動旋流法銅冶煉工藝及裝置》在充分利用物料顆粒比表面積和反應熱能的同時，有效減少反應塔熱負荷空間，避免高溫熔體對冶金爐壁的沖刷腐蝕，同時有效提高反應效率、降低煙塵發生率，滿足高富氧、高產能、低能耗冶煉的要求。
技術方案
一種脈動旋流法銅冶煉工藝，它的步驟為，
1）乾燥銅精礦粉或冰銅粉與富氧空氣分別送入噴嘴混合形成氣固兩相混合體，通過安裝在噴嘴中的旋流器使氣固混合體高速旋轉進入反應器中，在反應器中形成以軸線為中心的高旋流體；
2）脈動旋流噴嘴將氧氣和燃料以脈動形式送入高旋流體中，使高旋流體中心產生脈動紊流。
3）反應器內高旋流體內的物料顆粒被加熱達到著火溫度，進而高溫燃燒、反應使物料顆粒或溶劑粒子融化為熔融小液滴；同時旋流體急速膨脹，在脈動、膨脹、旋轉向心力的作用下，小液滴碰撞長大後的液滴在重力和離心力的作用下從高旋流體中分離，沉降於反應器下的熔池中；
4）在熔池中進一步完成造渣反應，並依靠不同的比重，實現冰銅、渣的分離或粗銅、渣的分離；
5）SO2高溫煙氣在引風機抽力的作用下，從冶金爐的排煙口進入到餘熱鍋爐和制酸系統進行熱能和SO2的回收。
該發明包括冶金爐和脈動旋流噴嘴；其中冶金爐包括反應器、熔池以及與熔池連線的排煙道；脈動旋流噴嘴安裝在反應器頂部，富氧空氣與乾燥粉狀物料分別送入脈動旋流噴嘴混合形成氣固兩相混合體，通過安裝在脈動旋流噴嘴中的旋流器使氣固混合體高速旋轉進入反應器中，在反應器中形成以軸線為中心的高旋流體；脈動旋流噴嘴內設有脈動氧槍和脈動燃料槍，脈動氧槍和脈動燃料槍產生脈動紊流進入到混合高旋流體的中心。
所述脈動旋流噴嘴包括由外向內布置的物料通道、主工藝富氧空氣通道、脈動氧槍和脈動燃料槍，它們組成套筒狀結構，具有同一個圓心和中心線，頂部互不相通；在物料通道進口處安裝流化給料器；主工藝富氧空氣通道的空腔內插入脈動氧槍，在脈動氧槍的出口外層是旋流器，旋流器固定在脈動氧槍上。
所述物料通道中部為文丘里噴管狀的收縮，出口處為水冷元件或耐高溫材料元件。
所述物料通道、主工藝富氧空氣通道、脈動氧槍和脈動燃料槍的進口相互間採用法蘭的對接。
所述主工藝富氧空氣通道通過兩條管道與工藝富氧空氣管道對接，兩條管道上分別安裝有拉瓦爾噴管和調節閥。
所述脈動燃料槍進口處安裝風力傳動葉片。
該發明的原理為：乾燥物料（銅精礦粉或冰銅粉、熔劑粉）和富氧空氣混合後以高速旋轉進入反應器內，在反應器內形成旋流體，由於在這個旋流體中物料粒子和氧分子以軸線為中心呈螺旋狀同時向前運行，所以參與反應的物料粒子和氧分子的碰撞機率小，反應效率低，另外，旋流體中心是物料粒子的富集區，缺少物料粒子反應的必要氧量，為了增加粒子間的碰撞機率，避免過氧化和欠氧化的兩極分化，保證反應充分完全，將氧氣和燃料以脈動形式送入到旋流體的中心，利用脈動氧氣和脈動燃燒氣體在旋流體中心產生脈動紊流，增加物料粒子和氧分子的碰撞機率，為反應創造良好的動力學條件，使加入到反應器中的物料粒子與氧充分碰撞結合，在反應器中心形成高溫場、高氧場、高粒子場的脈動旋流體，在脈動旋流體內完成銅精礦的造冰銅、造渣反應或冰銅粉的造粗銅、造渣反應。反應後的熔融產物在旋流脈動內相互碰撞長大而沉降於反應器下的熔池內，在熔池中進一步完成造渣反應並實現渣銅分離。反應產生的SO2煙氣由排煙道送到制酸工序。
銅精礦熔煉的主要反應為：
CuFeS2+O2→Cu2S+FeS+SO2
FeS+O2→FeO+SO2
FeO+SiO2→FeO·SiO2
冰銅粉吹煉的主要反應為：
Cu2S+O2→Cu2O+SO2
Cu2S+Cu2O→Cu+SO2
FeS+O2+CaO→CaFe2O4
銅精礦熔煉的主要反應產物是冰銅（Cu2S+FeS）、熔煉渣、SO2煙氣。
冰銅（Cu2S+FeS）粉吹煉的主要反應產物是粗銅、吹煉渣、SO2煙氣。
該發明工藝參數：富氧空氣含氧為50～99％，銅精礦粉或冰銅粉的含水＜0.3％.脈動氧氣為工業氧，體積流量為工藝所需總氧量的5～20％.脈動燃燒的燃料為天然氣或液化石油氣，體積流量為50～500立方米/時。
該發明不僅適用於銅冶煉，同樣適用於鎳冶煉和鉛冶煉。
有益效果
1、粒子間的碰撞機率高，反應完全，氧利用率高，煙塵發生率低；
2、產能大，能耗低，反應的空間小，反應的熱能集中，爐體耐火材料的損耗小，不需要巨大的冶金爐膛，投資成本低；
3、環保好，工藝簡潔，控制操作簡單、方便、可靠。
附圖說明
圖1是《一種脈動旋流法銅冶煉工藝及裝置》的所述的反應機理示意圖。
圖2是脈動旋流噴嘴結構示意圖。
其中，1富氧空氣，2粉狀物料，3脈動氧氣，4脈動燃料槍，5高旋流體，6脈動紊流，7分離出的液滴，8高溫煙氣，9反應器，10熔池，11排煙道，12脈動旋流噴嘴，13物料通道，14主工藝富氧空氣通道，15脈動氧槍，16流化給料器，17旋流器，18拉瓦爾噴管，19調節閥，20風力傳動葉片。
權利要求
1.一種脈動旋流法銅冶煉工藝，其特徵是，它的步驟為：
1）乾燥銅精礦粉或冰銅粉與富氧空氣分別送入噴嘴混合形成氣固兩相混合體,通過安裝在噴嘴中的旋流器使氣固混合體高速旋轉進入反應器中，在反應器中形成以軸線為中心的高旋流體；
2）脈動旋流噴嘴將氧氣和燃料以脈動形式送入高旋流體中，使高旋流體中心產生脈動紊流；
3）反應器內高旋流體內的物料顆粒被加熱達到著火溫度,進而高溫燃燒、反應使物料顆粒或溶劑粒子融化為熔融小液滴；同時旋流體急速膨脹，在脈動、膨脹、旋轉向心力的作用下,小液滴碰撞長大後的液滴在重力和離心力的作用下從高旋流體中分離，沉降於反應器下的熔池中；
4）在熔池中進一步完成造渣反應，並依靠不同的比重，實現冰銅、渣的分離或粗銅、渣的分離；
5）SO2高溫煙氣在引風機抽力的作用下，從冶金爐的排煙口進入到餘熱鍋爐和制酸系統進行熱能和S02的回收
其中，富氧空氣含氧為50～99％，銅精礦粉或冰銅粉的含水＜0.3％。脈動氧氣為工業氧，體積流量為工藝所需總氧量的5～20％。脈動燃燒的燃料為天然氣或液化石油氣，體積流量為50～500立方米/時。
2.權利要求1所述的一種脈動旋流法銅冶煉工藝用裝置，其特徵是，它包括冶金爐和脈動旋流噴嘴（12），其中冶金爐包括反應器（9）、熔池（10）以及與熔池（10）連線的排煙道（11）；脈動旋流噴嘴（12）安裝在反應器（9）頂部，脈動旋流噴嘴（12）內設有旋流器（17）、脈動氧槍（15）和脈動燃料槍（4）。旋流器（17）使富氧空氣（1）與乾燥粉狀物料（2）以高速旋轉進入反應器（9）中形成高旋流體（5），脈動氧槍（15）和脈動燃料槍（4）在高旋流體（5）的中心產生脈動紊流（6）。
3.如權利要求2所述的一種脈動旋流法銅冶煉工藝用裝置，其特徵是，所述脈動旋流噴嘴（12）包括由外向內布置的物料通道（13）、主工藝富氧空氣通道（14）、脈動氧槍（15）和脈動燃料槍（4），它們組成套筒狀結構，具有同一個圓心和中心線，頂部互不相通；在物料通道（13）進口處安裝流化給料器（16）；主工藝富氧空氣通道（14）的空腔內插入脈動氧槍（15），在脈動氧槍（15）的出口外層是旋流器（17），旋流器（17）固定在脈動氧槍（15）上。
4.如權利要求3所述的一種脈動旋流法銅冶煉工藝用裝置，其特徵是，所述物料通道（13）中部為文丘里噴管狀的收縮，出口處為水冷元件或耐高溫材料元件。
5.如權利要求3所述的一種脈動旋流法銅冶煉工藝用裝置，其特徵是，所述主工藝富氧空氣通道（14）通過兩條管道與工藝富氧空氣管道對接，兩條管道上分別安裝有拉瓦爾噴管（18）和調節閥（19）。
6.如權利要求3所述的一種脈動旋流法銅冶煉工藝用裝置，其特徵是，所述脈動燃料槍（4）的進口處安裝風力傳動葉片（20）。
實施方式
圖1中，該工藝裝置由冶金爐和脈動旋流噴嘴12組成，冶金爐由鋼結構、耐火材料、水冷元件等組成，分為反應器9、熔池10和排煙道11。富氧空氣1與乾燥粉狀物料2在反應器9外的噴嘴中混合併形成為氣、固兩相的混合體，以高速旋轉方式噴入到反應器9內形成高旋流體5；高頻脈動氧氣3進入到混合高旋流體5的中心，彌補中間氧勢並在高旋流體5內製造脈動紊流6，促進粒子間的碰撞，延長粒子在旋流體中的停留時間，脈動燃料槍4提供的燃料在高旋流體的中心燃燒並產生脈動燃燒氣流，用於保持高旋流體內需要的溫度、反應中點燃物料顆粒和維持熱平衡以及在高旋流體中產生脈動；高旋流體5受反應器9內的高溫輻射和脈動燃料槍4燃燒燃料提供的熱能影響，混合流體內的粉狀物料2顆粒被加熱達到著火溫度，與其周圍同樣被加熱的富氧空氣1中的氧發生劇烈的化學反應，反應中的粒子在高旋流體5中隨脈動紊流6運動，直至將氧粒子耗盡，粉狀物料2顆粒的反應才會停止；反應產生的巨大熱能被高旋流體5所控制，使未反應的固態顆粒（溶劑粒子）融化為熔融小液滴，反應和溶化後的小液滴受脈動紊流6的影響，相互間的碰撞機率成幾何倍數的增長，碰撞長大後的在重力和離心力的作用下從旋流體中分離出來，分離出的液滴7沉降於反應器9下的熔池10中；分離出的富含SO2的高溫煙氣8在引風機抽力的作用下，從冶金爐的排煙道11進入到餘熱鍋爐和制酸系統進行熱能和SO2的回收。
圖2中，脈動旋流噴嘴12是由物料通道13、主工藝富氧空氣通道14、脈動燃料槍4、脈動氧槍15組成的套筒狀結構，它們具有同一個圓心和中心線，頂部互不相通，為便於拆裝、檢修和定位，其進口相互間採用法蘭的對接方式。主工藝富氧空氣通道14通過兩條管道與工藝富氧空氣管道對接，兩條管道上分別安裝有拉瓦爾噴管18和調節閥19。物料通道13的外層是噴嘴的外殼，在其進口處安裝有流化給料器16，中部為文丘里噴管狀的收縮，出口為水冷套；在主工藝富氧空氣通道14的空腔內插入脈動氧槍15，脈動氧槍15的出口外層是旋流器17，旋流器17固定在脈動氧槍15上，脈動氧槍15進口安裝有風力傳動葉片20。在脈動氧槍15內插入脈動燃料槍4。
該發明脈動旋流法銅冶煉工藝為：粉狀物料2（銅精礦或冰銅、熔劑）與富氧空氣1分別送入脈動旋流噴嘴12混合形成氣固兩相混合體，通過安裝在脈動旋流噴嘴12中的旋流器17使氣固混合體高速旋轉進入反應器9中，在反應器9中形成以軸線為中心的高旋流體5，為增加粒子間的碰撞機率，彌補旋流體中心氧量不足，在脈動旋流噴嘴12中心設定脈動氧槍15產生脈動氣流3，將氧氣以脈動形式送入高旋流體5中，另外，為補充高旋流體5中心熱量，在脈動旋流噴嘴12最中央安裝一個脈動燃燒槍4。氣固兩相混合體進入反應器9內一定的距離後，受反應器9內的高溫輻射和脈動燃料槍4燃燒提供的熱能影響，混合在高旋流體5內的物料顆粒被加熱達到著火溫度，與其周圍同樣被加熱的富氧空氣1中的氧分子在脈動紊流6條件下發生劇烈的化學反應，反應產生的巨大熱能被高旋流體5所控制，使沒有參與反應的物料顆粒（溶劑粒子）融化為熔融小液滴，同時還會使旋流體急速膨脹，在脈動、膨脹、旋轉向心力的作用下，高旋流體5中形成更多雜亂的脈動紊流6，使反應和熔化後的小液滴相互間的碰撞機率成幾何倍數的增長，碰撞長大後的液滴在重力和離心力的作用下從高旋流體5中分離，分離出的液滴7沉降於反應器9下的熔池10中，在熔池10中進一步完成造渣反應，並依靠不同的比重，實現冰銅、渣的分離或粗銅、渣的分離。SO2高溫煙氣在引風機抽力的作用下，從冶金爐的排煙道11進入到餘熱鍋爐和制酸系統進行熱能和SO2的回收。
榮譽表彰
2014年11月6日，《一種脈動旋流法銅冶煉工藝及裝置》獲得第十六屆中國專利金獎。
