含銅污泥直接還原熔煉回收銅工藝分析

劉俊江

（韶關鵬瑞環?？萍加邢薰荆瑥V東 韶關 512000）

研究發現，我國電鍍企業年生產電鍍污泥達1000萬t，大量有價金屬均在可回收范圍，對重金屬污泥資源回收技術較多，包括焙燒、浸出、置換電解及微生物處理等技術[1]。國內處理污泥主要使用高溫還原法，使用鼓風爐熔煤煉工藝，原料干燥后，制磚機制磚，晾干后輸送到鼓風爐熔煉，產出合金或品位低初級金屬。工藝流程短，而且銅回收率高，此項工藝技術也十分成熟。由于傳統鼓風爐加料口容易漏入空氣，出口煙氣大，燃料消耗多，環境差[2]。隨著我國硫化銅礦山開采、銅冶煉工業和銅深加工工業的發展，生產時有大量含銅酸性廢水，對此廢水處理對含銅污泥如果不及時處理，也會對地下水造成污染，甚至污染環境，對生態環境造成嚴重的破壞，最終危害到人體的健康[3]。很多金屬資源都屬于不可再生資源，受此因素影響，能源短缺的問題也會使經濟持續發展受到影響。金屬資源在自然界不能再生，其中含銅污泥作為可再生資源，需要對此資源進行再利用和開發，可以實現可循環經濟，同時，對能源起到有效的節約作用，從而實現節約型社會，使銅資源的利用得到保障[4]。下面對含銅污泥還原熔煉回收銅工藝進行簡單的論述，僅供參考。

1 含銅污泥原料性質分析

含銅污泥原料由某礦山選取，經過化學反應試驗觀察，可以生成細礦物，是鐵氫氧化物、鋁氫氧化物和碳酸鹽等混合物，也有少量黃鐵礦和石英、明礬石及銅硫化物等，對其化學成分分析發現，其中銅含量占3.93，TFe占12.73，SiO2占10.75，TS占3.30，CaO占10.87，Al2O3占17.75，Na2O占1.26，As占0.017，Zn占0.46，MgO占0.27，TC占1.74；對熔劑石英石、石灰石的化學成分進行分析，其中石英石中SiO2占91.86，CaO占0.14，Al2O3占1.51，MgO占0.023，Fe占0.079；而石灰石中SiO2占8.47，CaO占68.18，Al2O3占1.13，MgO占0.08，Fe占0.58；對還原劑無煙煤的化學成分進行分析，其中固定碳占66.10，Al2O3占13.69，CaO占0.42，MgO占0.16，TS占2.37。

2 含銅污泥還原回收銅工藝原理分析

通過以上對含銅污泥原料、熔劑中化學成分的分析，電鍍污泥內銅含量低，以濕法浸出工藝，流程過長，而且會消耗較大的浸出藥劑，工藝復雜，也會增加生產成本，甚至出現大量含有重金屬成分廢水，對這些廢水處理成本較高，還會導致二次污染。分析這些性質特點發現，電鍍污泥選擇火法處理，可以將廢物轉化為玻璃態固化渣，無害化處理，還能對有價值金屬銅進行回收。經過冶煉廠初步加工，可以防止深度處理造成二次污染。污泥無害化回收銅成分，可以解決環保差的問題。對含銅污泥還原工藝原理進行分析，觀察其反應方程式為Cu(OH)2→CuO+H2O，高溫900℃完成氧化銅還原反應。溫度高于570℃，氧化鐵還原氧熱按分解壓從大到小分級，分別是Fe2O3→FeO→Fe，這一過程也是還原反應的過程。當高溫熔煉時選擇造渣反應[5]。

3 含銅污泥還原回收銅工藝試驗分析

3.1 直接還原熔煉條件

（1）石英石用量條件固定，含銅污泥中還原劑煤為7%，石灰石用量為12%，控制熔煉溫度在1280℃，控制時間在2h。而石英石的用量在含銅污泥中占3%、5.5%、8%、10.5%、13%、15.5%，對不同變量進行試驗，如圖1所示。結果證明，石英石添加不足13%，銅加收率較低，隨著石英石增加，也會提高銅回收率。石英石加入量高于13%，石英石加入量越大，銅回收率越低。這是由于石英石加入量低，含量污泥內FeO、SiO2其接觸十分緊密，在還原過程中容易形成鐵橄欖石，熔點在1205℃，再此狀態下加石英石，會降低熔點，到達1170℃，出現共晶混合物，從而影響銅回收率[6]?？梢?，石英石加入過量，和中和渣內石灰石反應，也會導致熔點高達1500℃，形成硅灰石或硅鈣石，導致爐渣粘度過大，影響銅的回收率。所以，要控制加入石英石劑量在13%，控制銅回收率達到67.9%。

圖1 石英石加入量對銅回收率的影響

（2）石灰石用量條件固定，其中還原劑煤為含銅污泥7%，石英石用量13%，控制熔煉溫度在1280℃，控制2h熔煉。其中石灰石用量為變量，是含銅污泥3%、6%、9%、12%、15%，當加入量低于9%，石灰石加入劑量增加，提高銅的回收率；石灰石用量超出9%，隨著石灰石用量的增加，會降低銅的回收率。這是由于爐渣粘度、渣中CaO與SiO2/ Al2O3的比值密切相關，隨著Al2O3的增加堿度，生成溫度會降低，提升銅回收率。當CaO超出一定值，增加CaO，會導致粘度過高，影響流動性，堿度提高后會使爐渣礦物結構改變，導致正硅酸鈣含量過高，使熔點礦物出現非均勻相，熔化溫度升高，影響流動性，從而影響銅的回收率。所以，石灰石用量控制在9%，能保證銅回收率達到92.25%。

（3）熔煉溫度。將還原劑煤控制在7%，石英石控制在13%，石灰石控制在9%，熔煉2h。這些指標固定后，對熔煉溫度變量分析，分別設作1250℃、1280℃、1310℃、1350℃，不同溫度下對銅回收率進行分析。當熔煉溫度升高時，會增加銅回收率，增加液態爐渣質點熱運動，減弱離子間靜電引力，影響粘度。溫度上升能促進還原反應進行，促進銅金屬還原。溫度上升可以降低爐渣粘度，促進金屬相聚集、沉降，利于渣金屬分離，促進渣排放?？墒牵绻麥囟冗^高也會加大能耗，對爐襯侵襲過大，所以，經過試驗發現，控制熔煉溫度在1310℃，保證銅回收率94.56%，可以取得最理想的試驗結果。

（4）熔煉時間。將還原劑煤固定7%、石英石固定在13%和石灰石固定在9%，控制熔煉溫度在1310℃，將這些條件固定后，以熔煉時間為變量進行試驗，分別對0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h不同變量時間進行試驗。試驗結果顯示，熔煉溫度合適狀態下，在延長熔煉時間后，能保證銅金屬還原更充分，使其在熔渣內可以充分的沉降，提高銅的回收率。但是，也要控制適宜的時間，如果熔煉時間過長，還會導致能量消耗過度，影響銅金屬的品位[7]，影響爐子處理能力，對爐體造成過度侵蝕?？刂七€原熔煉時間最佳狀態在1h，可以提高生產效率，控制銅回收率達到93.86%。

（5）還原劑用量。當石英石固定在13%，石灰石固定在9%，控制1h熔煉時間，1310℃溫度后，這些條件為固定條件，將還原劑煤用量設計成變量，分別設計成1%、2.5%、4%、5.5%、7%等各個指標，對其試驗研究。結果顯示，還原劑低于銅污染5.5%，隨著還原劑使用量增加，會提高銅的回收率。當還原劑使用量大于5.5%，隨著還原劑煤用量增加，會降低銅的回收率。當還原劑使用量過大，還會影響銅品位，增加冶煉成本。試驗結果顯示，最佳還原劑煤用量控制到5.5%，還原銅回收率能達到93.92%。

3.2 正交試驗

含銅污泥直接還原熔煉，通過正交試驗分析，發現，在對還原劑用量、時間、溫度等條件固定后，確定石英石用量13%，石灰石用量9%，結果顯示直接比較選出水平組合，控制在1340℃、80min熔煉時間、加入4.5%煤用量可以達到銅94.85的回收率，回收率最高。其中影響銅回收率最大因素是時間，其次是還原劑用量、溫度，通過分析確定最優水平組合。分析影響試驗因素，確定主次關系，避免溫度過高增加能耗，也要避免還原劑用量過大增加成本。最佳選手以是80min、4.5煤加入量和1280℃。對不同組合驗證計算，發現最優組合，含銅污泥直接還原熔煉工藝最佳組合為80min、4.5煤加入量和1280℃，保證銅回收率達到93.89%。

4 小結

總之，含銅污泥直接還原熔煉回收銅工藝，通過以上試驗結果對比，固定各項條件后，對不同變量的分析，結果顯示，最佳組合合適的工藝數據為，石英石13%，石灰石9%，控制80min熔煉時間，使用4.5%煤用量，控制1310℃熔煉溫度，能保證銅93.89%的回收率。通過直接還原熔煉工藝的應用，可以保證熔爐內爐渣的穩定性能，避免污染環境，也能將爐渣用于建筑輔材、水泥生產等原料中使用，不僅能控制環境不受污染，而且能起到重要的經濟效益，從而實現重要的社會效益，用于含銅污泥處理，實現對銅回收的實現，保證銅回收率，已成為施工中常用的技術工藝。