国外氧化铝生产方法主要是传统的拜耳法,大约占国外氧化铝总产量的96%;其余约4%的产量由拜耳-烧结联合法生产,主要来自于俄罗斯和哈萨克斯坦的氧化铝厂,俄罗斯采用联合法处理霞石矿,生产氧化铝和副产硫酸钾,而哈萨克斯坦采用串联法从低品位三水铝石矿中生产氧化铝。
由于国内外铝土矿资源的性质和品位不同,杂质含量也相差较远,因此难于比较。国外传统的拜耳法流程基本与中国的拜耳法流程相似。中国氧化铝企业除了山东省企业采用低温拜耳法处理进口三水铝石矿外,其他中国氧化铝企业全部采用了高温拜耳法技术,同时为了解决铝土矿品位较低的难题,中国还开发出选矿拜耳法和石灰拜耳法技术,这与国外拜耳法有所不同。
中国的拜耳-烧结联合法也与俄罗斯和哈萨克斯坦的不同,中国主要采用了混联法技术,目前正在向串联法过渡,但仍然在烧结法配料中加入少量铝土矿。因此中国的能耗总体上比国外氧化铝生产平均水平高,石灰消耗和碱耗也偏高。
但中国铝土矿氧化铝含量较高,矿耗和赤泥产出量较低,见表3-32。
铝电解工艺比较与评价
国外典型电解铝生产方法与中国无大差异,自焙槽技术也因为环境污染问题正在逐步淘汰,大部分都应用大型预焙槽技术。但电解槽电流容量的多样性与中国有所不同,国外电解铝厂通常采用少数规格电流容量电解槽,如200kA、300 kA、350 kA等槽型。而中国几乎采用了更多的槽型,从160 kA 到500 kA,大约有十多种。国内外电解铝企业主要技术经济指标比较见表3-33。
铝电解技术方面,国外都采用高电流密度、高电流效率、低阳极效应系数的生产运行模式。因而单槽产出率高、直流电耗也高,能量利用率较低。而中国电解铝企业因电价较高,则采用低电流密度、低电压和低直流电耗以及较低电流效率的生产运行模式,因而往往单槽产出率较低,但电耗也较低。
国内外铜冶金工艺比较与现状评价
(1)铜冶炼先进技术及其代表企业
据国际铜研究组织(ICSG,International copper study group)报告,2011年全球铜冶炼产量约1580万t,其中矿产铜约1300万t,占82%,再生铜约280万t,占18%。2011年冶炼铜产量前20位的国家排名见图3-57。前5位分别为中国(470万t,占37%)、日本(140万t,占9%)、智利(140万t,占9%)、俄罗斯(80 万t,占5%)、印度(65万t,占4%)。
表3-34为2011年全球按产能排名前20位炼铜厂的情况。我国贵溪冶炼厂产能最大,达到年产90万t铜规模。排名第20位为日本直岛炼铜厂,产能为30.6万t,前20位铜厂总产能高达772万t,约占火法炼铜(含矿产铜和再生铜)全球产能的50%。因此,这些炼铜厂应能反映当前世界铜冶炼总体情况。
在2011年产能世界前20位铜厂中,使用奥图泰闪速熔炼的有11家(少数冶炼厂使用多种技术),其中双闪法2家,应用最为广泛。使用TSL(艾萨,奥图泰-澳斯麦特)法4家,其中艾萨法3家,奥图泰-澳斯麦特法1家。使用三菱连续炼铜法的3家。使用特尼恩特法2家、反射炉2家、电炉2家、瓦纽科夫1家、诺兰达1家。总体来看,炼铜技术领先的国家为中国、美国、日本等,这些国家大型铜厂主要采用奥图泰闪速熔炼—P-S吹炼、奥图泰闪速熔炼—肯尼科特-奥图泰闪速吹炼、TSL(艾萨、奥图泰-澳斯麦特)法、三菱法连续炼铜等技术。智利、俄罗斯和印度,尽管铜产量位居全球前5位之列,但仍在应用反射炉、电炉、特尼恩特炉、诺兰达炉等技术。我国在铜冶金技术发展上走了一条引进、集成、再创新的道路,目前,一批企业在规模、技术、装备、能耗、环保和综合回收等多方面,已居于世界先进水平,部分技术和装备已开始出口国外。
表3-35所列为目前火法炼铜先进且应用较广的技术及其国内外代表企业。其中,双闪法、奥图泰闪速熔炼—P-S转炉吹炼、TSL(艾萨、澳斯麦特)法,国内外均有水平高的代表性企业。
我国富氧底吹炉和双侧吹炉有较广泛的应用,但国外应用较少,缺乏代表性数据。三菱法也属较先进的炼铜法,我国没有应用,也无从进行比较。
奥图泰闪速熔炼—肯尼科特-奥图泰闪速吹炼、奥图泰闪速熔炼—P-S转炉吹炼、TSL熔池熔炼—P-S转炉吹炼是国内外应用最广泛的几种铜火法冶金技术,富氧底吹、双侧吹近年来在国内也得到一定的推广,但在国外并未得到广泛应用,瓦纽科夫(双侧吹)法在国际上应用水平也不高。就国内外应用较广的3种火法炼铜方法,国内外各选1家水平较高的代表性工厂,就工艺、装备、技术经济与能耗和环保等指标进行了比较,见表3-36。
能耗:从铜精矿到阳极铜,上述3种方法国内外代表厂家,工艺能耗水平大致相当,在11000 MJ/1阳极铜左右,折算成标煤为375 kgce/t 阳极铜左右GB21248——2007规定的铜冶炼企业从铜精矿到阳极铜能耗先进值为≤380kgce/阳极铜,与其相当吻合。闪速熔炼只能处理干燥物料(含水小于0.3%),要采用回转窑、气流干燥、蒸汽干燥等方式对炉料进行干燥,从能耗和环保方面考虑采用蒸汽干燥最为有利,目前已普遍采用这一方式。熔池熔炼(三菱法除外)炉料含水8%~10%,仅考虑备料工序,能耗较闪速熔炼小,但由于熔炼烟气含有大量水分,在余热回收方面是不利的,因此总体而言,熔池熔炼加湿料在能耗方面并无优势。闪速吹炼由于其不能处理冷料,和P-S转炉比较,在能耗方面并不占有优势。双闪法工艺烟气SO浓度高,目前已普遍采用高浓度(16%~20%)SO,烟气制酸技术,而采用P-S转炉吹炼,制酸烟气浓度一般仅为12%SO,在制酸能耗方面,前者吨酸能耗大致仅为后者的一半,每吨酸节能约50kW·h,按1t 铜附产3.5 t酸折算,能耗降低约56 kgce/t阳极铜,这是双闪法工艺在能耗方面的优势所在。
余热回收:国内外水平较高的厂家,都对熔炼及吹炼余热进行了回收,产出蒸汽用于干燥炉料、驱动SO主风机及发电等,由于各厂蒸汽压力等级及利用途径并不完全一致,因此,仅凭发电量难以直接比较余热回收水平。部分厂家,如我国的祥光铜业公司等,还对阳极炉、硫酸制造中、低温位余热进行了回收,因此,其工艺能耗应处于世界领先地位。铜锍、炉渣冷却余热目前国内外各厂家均未回收,这是今后进一步降低能耗应致力的研究方向。
SO2排放:双闪法的最大优势,在于有利于达到高的硫捕集率,实现火法炼铜中SO2的大规模减排。目前,采用这一工艺的国内外厂家,硫捕集率普遍达到99.9%,吨铜SO2排放量小于2kg。提高硫捕集率的关键在于:第一,加强环境集烟及其收尘脱硫处理,如日本东予冶炼厂,采用P-S转炉吹炼,全厂设有30多个环境集烟点,总烟量达到45万m³(标)/h,采用布袋收尘、Mg(OH),料浆吸收、电除雾处理后,排空气体SO浓度仅10~20mg/m³。第二,制酸尾气吸收。目前,铜冶炼SO2烟气制硫酸,国家标准(GB 25467—2010)规定尾气SO2浓度小于400mg/m³。在此方面,政府要求最严格、企业减排最彻底的是日本东予冶炼厂,转化SO2浓度为11%,转化率为99.8%,尾气未吸收前SO浓度为579mg/m³,采用苛性碱溶液吸收后,排空尾气SO浓度仅为5~15mg/m³。美国肯尼科特铜公司Garfield厂,制酸SO2转化率达99.95%,尾气加空气稀释后,SO2浓度为50~70mg/m³。我国主要炼铜厂均采用“二转二吸”技术制酸,部分系统转化率偏低,不能达到GB25467——2010标准,尾气吸收脱硫后排放,部分新的系统制酸尾气SO2浓度小于300mg/m³,直接达标排放。
我国从20世纪80年代中期引进奥图泰闪速熔炼建成江西铜业公司贵溪冶炼厂开始,历经30年努力,目前我国铜冶炼行业在技术装备及节能减排等方面,已全面赶上和超过世界先进水平,发展成为有色金属领域最具国际竞争力的行业。在能耗方面,祥光铜业、金隆铜业和云南铜业等,与国外先进水平同类铜冶炼企业比较,已处于领先水平;在SO排放方面,国内企业已全面接近甚至超过国外同类企业先进水平。