富氧冶金

富氧在冶金中的应用和发展①

昆明冶金研究院徐凤琼2

摘要阐述了富氧用于冶金的节能依据, 富氧技术在冶金中的应用和发展, 并对其现状与未来作了综述。

关键词能源消耗燃料富氧冶炼技术钢铁冶炼有色冶金

Application and Development of Oxygen -Enriched Air in Metallurgy

XU FengQiong

(Kunming Metallurgy Research Institute , Kunming 650031)

ABSTRACT The basis of energy -saving metallurgy with oxygen -enriched technique is described.Applica- tion and development history of this technique and its current situation and future in meta lurgy are reviewed .

KEY WORDS energy-saving fuel consumption oxygen -enriched metallurgy iron and steel smelting nonferrous metallurgy

1 前言

在人类冶金发展史中,从炼金术到现代冶金,始终和能源消耗密不可分,冶金离不开燃料与空气。早期的冶金过程完全依赖于燃料在自然的空气中燃烧以维持所需的热量。由矿物中提取金属就在此状况下进行,从而为人类提供各种所需的金属材料,对人类文明作出了重要的贡献。

早期的冶金都是利用空气,火法冶金更是如此。一方面需要燃料供热,耗费大量能源(近代随着燃料资源的减少,矛盾更加突出);另一方面又产出大量的燃烧炉气,有时炉气中含有价成分,如SO2、As2O3等,若不回收利用,其又对环境造成严重污染。近代工业生产的环境污染遍及世界各地,充分说明了这一点。

面对能源资源的减少及环境污染,未来的冶金必须做出较大的技术改进,以同时满足社会发展对冶金材料的需求和人类对生存环境的质量要求。冶金上富氧的应用便是一个最好的解决办法之一,该项技术已被认为是近半个世纪以来冶金界的四大发明之一〔1〕。

①1998—03—16收稿

②昆明市650031

2 富氧在冶金中的节能依据

冶金过程中,特别是火法冶金,各高耗能单元过程如反射炉熔炼、鼓风炉熔炼、转炉吹炼等,其热平衡可表述如下:

∑Q损=∑Q化+∑Q料-∑Q固产-∑Q气产-∑Q料温(1)

∑Q料=∑Q料固+∑Q料气(2)

∑Q料温=∑Q料气温+∑Q料固温(3)

式中:∑Q损为熔炼或精炼的冶金单元过程热损失的总和,就一定环境及过程条件而言,可以认其为定数;∑Q化为燃料等可燃物质在燃烧时所释放的能量,在给定的单元过程中,其配料一定,因而也为定数;∑Q料为冶炼过程时各组分物料所带入的能量,∑Q固产、∑Q气产分别

为冶炼过程固体产物及气体排放时所携带的能量,∑Q料温为所配物料包括固体物料和气体组分在冶炼升温时吸收的热量。对一定的冶金单元过程,当配料固定,唯有气体组分的成分可变动时,式(1)和(2)、(3)中∑Q损、∑Q化、∑Q料固、∑Q固产、∑Q料固温等均为定数,将(2)、(3)式代入(1)式,则式(1)变为:

∑Q料气-∑Q气产-∑Q料气温=-k-∑Q化(4)

上式中k为>0的常数

当采用富氧时,∑Q气产、∑Q料气、

∑Q料气温因气体量减小而变小

∑Q料气-∑Q气产-∑Q料气温减少,从而k+∑Q化减少,由于k为定数,∑Q化就必须减小以满足(4)式。∑Q化的减小即燃料减少,能源消耗减少。当烟气量减小后,冶金过程中产出的分散于气相中的物质其浓度相应增大。这就有利于烟气治理,减少有害物质排放量,改善其对环境的污染〔2,3,4〕。

表1列出国内某厂在鼓风炉炼铜工艺中采用富氧前后的技术经济指标〔3〕,由这些数据可知,富氧用于冶金,明显降低能耗,充分利用矿物本身所携带的能源〔3,6〕,包括可燃烧的化学能和潜在热能,强化冶金过程,增大处理能力,提高烟气中组分的含量,有利于烟气处理,从而明显改善企业的经济效益〔6～9〕,并可

间接地节省投资费用〔8〕。

表 1 鼓风炉炼铜采用富氧前后的指标对比

Tab .1 Metallurgical contrast between copper blast smelting before and after using

oxygen -enriched air at a domestic plant

3富氧在冶金中的应用现状

空气含氧气20.95%,其余为N2。只有氧气参与冶金过程,而N2气无任何有益的作用。它的存在,一方面随烟气带走大量加热至高温的能源,增大了烟气的处理量,另一方面在炉型设计时必须考虑燃烧时N2的膨胀所占用的空间。富氧的采用,即是提高助燃空气中氧的含量。工业富氧含氧量为25%～99%。一般将用于冶金的气体中之氧

气含量为35%～80%的冶炼过程称为富氧冶炼〔10〕。采用的富氧有的氧含量仅24%,而有的则高达90%以上,这都与冶金过程的特殊性有关。

如果采用的炉型结构好,冶炼矿物中可燃物如硫含量高,又采用高浓度富氧进行冶炼,则不配加任何燃料都会因燃烧热量过剩,使炉温升高,而无法维持正常的冶炼;反之冶炼炉型结构不好,热损耗大,即令采用高浓度富氧,冶炼过程能量依然不平衡,便需补充部分燃料方能维持正常冶炼。合适的富氧浓度由工艺过程、炉型、矿物形态等所决定。

3.1富氧技术在冶金中应用的发展

自从英国学者HerryBessemer发明了底吹转炉炼钢后,因能耗高,而令许多冶金学家致力

于节能的研究。20世纪20～30年代所进行的广泛研究证明富氧可以节能降耗。

人类从1895年就已经能由空气中制得富氧〔11〕,其浓度完全能满足冶金的要求。富氧制备技术随冶金工业的发展,不断改进完善,其成本明显降低。富氧冶金节能降耗所增利润,远比使用富氧所消耗能源的费用多得多,经济上的可行为其工业应用创造了良好的条件。

世界上第一个应用富氧冶炼技术的是在1937年于底吹转炉炼钢(Bessemer)上〔12〕。由于其应用的成功,促使其在有色冶金领域也得到重视。1933年Cominco开始于锌沸腾焙烧中进行富氧试验,并在1937年实现工业化应用。1945年Inco首次在铜精矿熔炼时进行富氧试验研究;1951年日本Hi-tachi熔炼厂对富氧在转炉中的应用进行了试验研究。同时,世界大规模的富氧顶吹炼钢转炉技术即LD技术在奥地利大获成功,有力地推动了富氧在冶金中的应用,详细情况见表2。

富氧技术在工业上的早期研究与生产实践为其在冶金中大规模的生产应用建立了坚实的基础。70年代初,富氧在冶金中得到了广泛的应用,遍及炼钢、炼铁与铜、铅、锌、镍、钴、锡等的冶金。世界大多数国家如美国、英国、日本、俄罗斯、德国、法国、加拿大等均广泛推广和应用了富氧技术,使用范围越来越广。

3.2 富氧在钢铁冶金中的应用现状

目前世界富氧消耗中,钢铁占50%以上〔11〕,各大型炼铁(钢)厂基本上都采用富氧鼓风。现代钢、铁联合企业中,没有例外地都自建有配套的氧气厂,富氧鼓风可以增大处理能力,降低热消耗水平,提高高炉煤气质量〔13〕。炼钢过程中,由于炼钢方法不一样,富氧使用情况也不同。对转炉或平炉炼钢法,采用富氧是30年代开始的重要技术革新,一直沿用至今,已是极成熟和普遍采用的工艺。

3.3富氧在有色冶金中的应用现状

富氧在有色金属冶金中的应用及推广比钢铁冶金晚,这可能是因为有色金属的多品种及冶炼处理的复杂性所致。有色冶金富氧的使用量占总富氧消耗量的6%以上〔14〕。主要用于熔炼的各种炉型如熔池熔炼炉、反射炉、鼓风炉、闪速熔炼炉及吹炼转炉和精炼过程中的各种炉型(如精炼反射炉)中。

富氧技术按应用而言可分为二类,一类是与矿物中硫燃烧有关的过程即氧化熔炼等过程,另一类是火法冶金中配入燃料燃烧时采用富氧的燃烧炉应用及新型设计的燃烧炉应用。

对铜冶金,世界上已有60%以上的工厂采用了富氧技术。目前新的技术有荷兰的Autokumpu闪速炉、加拿大的Horne熔炼厂采用的Noranda法、日本Naoschirma熔炼厂用的Mitsubishi法、前苏联Balhash厂中采用的ΠЖВ熔炼法、智利Caletones厂采用的改良转炉熔炼法(CMT)及中国的白银炼铜法〔15〕。Inco式富氧熔炼法〔16〕是当今节能的新型富氧炼铜法,有逐渐取代传统炼铜方法的趋势。传统的密闭鼓风炉虽然正在被取代,但在我国仍占有较大比重,正在进行技术改造〔17〕。各炼铜企业现正为采用新的富氧熔炼技术而进行相应的改造和建设〔13,18,19〕。

炼铅易于炼铜,目前炼铅工业中已采用了比较新的技术。QSL炼铅法及前苏联КИВЦИT炼铅法、艾萨熔炼法都已采用富氧技术〔11〕。世界各国正在推广应用这些节能降耗的炼铅新方法。含铅烟尘的处理中,富氧的使用显得更为重要,它明显节能降耗。如瑞典Ronnskar 熔炼厂在TBRC炉上采用富氧炼铅〔11〕,即TBRC(卡尔多)法。

世界上60%以上的炼铅企业都采用了富氧技术〔11〕。

表 2 富氧技术在冶金中应用的发展过程

Tab.2 Developmenthistory of the application of ox ygen -enriched technique in metallurgy