徐克華,陳志彬,劉 柳

(1.深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司丹霞冶煉廠,廣東韶關(guān) 512325;2.中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

含銅礦物的冶煉方法包括火法與濕法兩大類(lèi),其中火法冶煉占全球銅產(chǎn)量的80%[1-2]。硫化銅精礦大部分采用火法冶煉,通過(guò)將硫化銅精礦中的銅冶煉成粗銅,然后將粗銅電解得到陰極銅?；鸱掋~過(guò)程中產(chǎn)生大量的含SO2煙氣,傳統(tǒng)方法是將煙氣送制酸工序生產(chǎn)硫酸,其硫酸產(chǎn)量約為精銅產(chǎn)量的4 倍,給硫酸的運(yùn)輸貯存及銷(xiāo)售帶來(lái)極大的困難。為此,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者圍繞SO2煙氣直接還原制硫磺的工藝進(jìn)行了研究,目前主要技術(shù)有H2還原法、碳還原法、CH4還原法、CO 還原法、NH3還原法等[3-4],但由于生產(chǎn)成本過(guò)高,這些技術(shù)尚未得到工業(yè)化應(yīng)用。實(shí)際上,即使應(yīng)用煙氣制酸或制硫磺,火法煉銅技術(shù)帶來(lái)的SO2煙氣對(duì)環(huán)境的污染仍無(wú)法避免。

傳統(tǒng)的濕法煉銅工藝主要有低品位硫化礦的生物浸出-萃取-電積工藝和硫化銅精礦焙燒-浸出工藝。前者主要適應(yīng)于低品位礦;后者因需要焙燒,帶來(lái)SO2煙氣污染,已被逐漸淘汰[4-5]。21世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的硫化銅精礦加壓浸出工藝具有流程短、回收率高的特點(diǎn),在浸出過(guò)程中,硫以元素硫或硫酸根的形式進(jìn)入渣或溶液中,可用于處理復(fù)雜、低品位物料,具有廣闊的應(yīng)用前景[6-8]。

在硫化銅精礦氧壓浸出過(guò)程中,氧氣不僅起到攪拌流體的作用,同時(shí)也是浸出反應(yīng)中重要的氧化劑[9],氧氣利用率是評(píng)價(jià)其工藝技術(shù)水平的重要指標(biāo)。為此本文對(duì)氧壓浸出工藝過(guò)程中氧氣利用率的影響因素進(jìn)行分析,采用數(shù)值模擬方法研究攪拌槳形狀、轉(zhuǎn)速以及礦漿比等參數(shù)對(duì)高壓釜中氧氣分布的影響規(guī)律,制定提高氧氣利用率的優(yōu)化操作方案,并進(jìn)行相應(yīng)的工業(yè)試驗(yàn)。

1 工藝流程及其氧氣利用率影響因素分析

1.1 工藝流程

典型的硫化銅精礦主要由黃銅礦、黃鐵礦等礦物組成[10],在氧壓浸出過(guò)程中主要發(fā)生式(1)、式(2)所示反應(yīng)[11]。

硫化銅精礦氧壓浸出工藝流程示意圖如圖1所示[12]。將硫化銅精礦細(xì)磨后,加入H2SO4體系的廢電解液制成一定濃度的礦漿,再采用隔膜泵將礦漿泵入高壓釜進(jìn)行氧壓浸出,浸出后的礦漿進(jìn)入閃蒸槽,進(jìn)行降溫降壓處理。浸出過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)排料閥控制排料管礦漿流量,以維持高壓釜壓力的穩(wěn)定;定期間斷開(kāi)啟高壓釜正常排氣口一段時(shí)間,排出未反應(yīng)的惰性氣體。

圖1 硫化銅精礦氧壓浸出工藝流程示意圖

1.2 氧氣利用率影響因素分析

在高壓釜浸出過(guò)程中,氧氣利用率主要與氧氣在漿液中濃度分布及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)。氧氣分布越均勻,氣泡尺寸越小,氣液相接觸面積越大,氧氣利用率越高;液相速度越快,越有利于精礦固體顆粒的溶解,氧氣的利用率越高;反應(yīng)釜壓力越大,越有利于浸出反應(yīng)的進(jìn)行,進(jìn)而提高氧氣的利用率。影響氧氣在漿液中濃度分布與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要因素包括:攪拌槳的結(jié)構(gòu)尺寸與轉(zhuǎn)速、礦漿的液固比、氧氣流量、溫度以及釜內(nèi)壓力等參數(shù)。

2 高壓釜內(nèi)氧氣濃度分布的數(shù)值模擬

由于高壓釜的封閉性,加上氣液兩相流在線(xiàn)檢測(cè)的困難,尚無(wú)法直接獲取高壓釜內(nèi)氧氣濃度的分布情況。目前,計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)是再現(xiàn)密閉反應(yīng)器中物理場(chǎng)的重要手段。為此,本文利用文獻(xiàn)[13]中鋅精礦氧壓浸出過(guò)程數(shù)值模擬的方法,對(duì)硫化銅精礦氧壓浸出過(guò)程物理場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,研究攪拌槳形狀、轉(zhuǎn)速以及液固比對(duì)氧氣濃度分布的影響規(guī)律。

首先對(duì)高壓釜的物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,以高壓釜中的一個(gè)隔室為研究對(duì)象;其次,考慮到高壓釜液面波動(dòng)較小,以釜內(nèi)液相高度空間為計(jì)算區(qū)域,液相表面為氧氣的脫氣邊界,如圖2所示。通過(guò)軟件ANSYS Fluent18.0 對(duì)隔室內(nèi)的氣液兩相流場(chǎng)進(jìn)行模擬,液相為礦漿,密度為1 207 kg/m3;氣相為氧氣,密度為5.919 5 kg/m3。由于模擬主要研究的是高壓釜內(nèi)氧氣濃度分布情況及不同參數(shù)對(duì)氧氣分布的影響規(guī)律,且銅精礦浸出反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)釜內(nèi)氧氣消耗較慢,同時(shí)浸出過(guò)程中釜內(nèi)持續(xù)通入氧氣,因此模擬中不考慮釜內(nèi)的浸出反應(yīng)對(duì)氧氣的消耗。高壓釜內(nèi)液相速度與氣相濃度分布如圖3所示。

圖2 高壓釜中的一個(gè)隔室結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3(a)可知,流體在下層推進(jìn)槳葉的作用下向下運(yùn)動(dòng)。流體碰撞釜壁后,沿著釜壁向上運(yùn)動(dòng),到達(dá)液面時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)向,向釜中央運(yùn)動(dòng)。上層推進(jìn)槳對(duì)下層槳葉上方的流體起到了下壓的作用。流體會(huì)在釜內(nèi)形成一大一小的循環(huán)流動(dòng)區(qū),分別位于下層槳葉下方以及兩層槳葉之間。釜內(nèi)氣相在循環(huán)流動(dòng)區(qū)附近的濃度較大,這是因?yàn)樵谘h(huán)流動(dòng)區(qū)流體壓力較低,導(dǎo)致氣相在該區(qū)域分布較多。如圖3(b)所示,在槳葉下方,氣相從進(jìn)氧口進(jìn)入,由于槳葉會(huì)在釜底形成向下的螺旋流動(dòng),因此氣相的分布并不對(duì)稱(chēng)。氣相在流體的帶動(dòng)下沿著釜壁向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)入兩層槳葉之間的循環(huán)區(qū)。

圖3 高壓釜內(nèi)速度及氣相分布

2.1 攪拌槳形狀對(duì)氧氣濃度的影響

攪拌槳具有2 層攪拌槳葉,上層槳葉均為推進(jìn)式;對(duì)于下層槳葉,一種為推進(jìn)式,如圖4(a)所示,另一種為平直葉圓盤(pán)渦輪,如圖4(b)所示。兩種類(lèi)型攪拌槳的上層槳葉形式均為四折葉開(kāi)啟渦輪形式,有較好對(duì)流循環(huán)能力和一定的湍流擴(kuò)散能力,有利于槳葉上方的氧氣及液相重新進(jìn)入兩層槳葉之間的區(qū)域進(jìn)行循環(huán)浸出反應(yīng)。對(duì)上述兩種雙層攪拌槳的高壓釜內(nèi)流場(chǎng)特性及氧氣濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬,如圖5所示。

圖4 雙層攪拌槳結(jié)構(gòu)

從圖5(a)可以觀察到,在高轉(zhuǎn)速下,氧氣會(huì)在推進(jìn)式-推進(jìn)式攪拌槳作用下向下運(yùn)動(dòng),最后沿著釜壁運(yùn)動(dòng)到兩層槳葉之間;而推進(jìn)式-平直葉圓盤(pán)渦輪攪拌槳的下層槳葉為平直葉圓盤(pán)渦輪,氧氣從進(jìn)氧口進(jìn)入釜內(nèi)后,受到下層槳葉圓盤(pán)的阻礙作用,氧氣會(huì)在圓盤(pán)下方聚集,如圖5(b)所示,造成氧氣分散效果差,氧氣消耗大。因此,平直葉圓盤(pán)渦輪更適用于低轉(zhuǎn)速工況下的攪拌,可以防止氧氣直接穿過(guò)槳葉脫離液面;而在高轉(zhuǎn)速下,雙層推進(jìn)式攪拌槳的氧氣分布更加均勻,更多的氣相從釜底進(jìn)入釜中部,有利于增加氣液的接觸面,提高浸出反應(yīng)中氧氣的利用率。

圖5 不同槳葉類(lèi)型下氧氣分布

取下層槳葉所在平面作為觀察面,進(jìn)一步觀察不同槳葉區(qū)域附近氧氣的分布情況,如圖6所示。對(duì)比兩種槳葉后方的氧氣分布,可以明顯看到,氧氣在推進(jìn)式槳葉后方的分布較少,而在平直葉圓盤(pán)渦輪槳葉后方產(chǎn)生明顯“氣穴”現(xiàn)象,導(dǎo)致攪拌功率的下降[14]。因此,在后續(xù)的數(shù)值模擬以及工業(yè)試驗(yàn)中,均采用推進(jìn)式-推進(jìn)式的攪拌槳。

圖6 下層槳葉所在平面氧氣分布情況

2.2 轉(zhuǎn)速對(duì)氧氣濃度分布的影響

攪拌槳在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,產(chǎn)生的剪切力作用于流體,不同的攪拌轉(zhuǎn)速使流體獲得不同的軸向及徑向速度,從而影響釜內(nèi)的氧氣濃度分布。分別對(duì)200 r/min、250 r/min、300 r/min、350 r/min 四種轉(zhuǎn)速下的氧氣濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬,研究轉(zhuǎn)速對(duì)氧氣濃度分布的影響規(guī)律。為了比較不同轉(zhuǎn)速對(duì)釜內(nèi)氧氣濃度分布的影響,以上下槳葉所在平面將釜內(nèi)空間區(qū)域分為三部分,如圖7所示。不同轉(zhuǎn)速下釜內(nèi)不同區(qū)域的氧氣濃度分布情況如圖8所示。

圖7 高壓釜內(nèi)空間區(qū)域劃分

圖8 不同轉(zhuǎn)速下釜內(nèi)氧氣濃度分布

從圖8 可以看出,槳葉中間區(qū)域氣含率最高,其次是槳葉下方區(qū)域。隨著轉(zhuǎn)速增大,釜底攪拌強(qiáng)度增大,更多的氧氣會(huì)從槳葉下方運(yùn)動(dòng)到槳葉中間,使得槳葉下方區(qū)域氣含率逐漸減小,而槳葉中間區(qū)域氣含率逐漸增大;轉(zhuǎn)速的增大,會(huì)使氧氣沿著釜壁上升速度加快,在槳葉上方導(dǎo)致氧氣更快脫離流體,因此槳葉上方區(qū)域氣含率逐漸減小。

2.3 液固比對(duì)氧氣濃度的影響

液固比指的是體系中液體質(zhì)量與固體質(zhì)量之比,不同液固比會(huì)改變釜內(nèi)液相的密度及黏度。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,銅精礦浸出的液固比一般較低,控制在3∶1～5∶1,造成釜內(nèi)礦漿流動(dòng)性差,進(jìn)而降低氧氣的利用率。而提高液固比可以改善礦漿的流動(dòng)性,保證氧氣與物料充分接觸,從而提高氧氣的利用率,為此選擇7∶1、8∶1、9∶1三種不同液固比分析釜內(nèi)氧氣的分布情況,探索高液固比對(duì)氧氣分布的影響。不同液固比下液相的物性參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表1,不同液固比下釜內(nèi)氣含率變化如圖9所示。

表1 不同液固比下液相的物性參數(shù)

圖9 不同液固比下釜內(nèi)氣含率

從圖9 可以看出,隨著液固比的增大,釜內(nèi)氣含率逐漸增大。這是因?yàn)樵诘鸵汗瘫葧r(shí),礦漿的密度及黏度大,釜內(nèi)的流動(dòng)性較差,因此氧氣無(wú)法很好地在釜內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散;反之,在高液固比時(shí),礦漿的密度及黏度較小,在同樣攪拌轉(zhuǎn)速下,礦漿的流動(dòng)在釜內(nèi)運(yùn)動(dòng)更加紊亂,有利于氧氣在釜內(nèi)的擴(kuò)散,增大氣液接觸面積。而當(dāng)液固比過(guò)大時(shí),雖然氧氣濃度分布的均勻性有所增加,但由于礦漿濃度降低,使得氧氣利用率變化不大,同時(shí)會(huì)造成酸的浪費(fèi),增加酸對(duì)設(shè)備的腐蝕。

3 工業(yè)試驗(yàn)

將硫化銅精礦(物相主要為CuFeS2)細(xì)磨后,加入H2SO4體系的廢電解液制成一定濃度的礦漿,采用隔膜泵以一定流量泵入30 L 四隔室臥式高壓釜進(jìn)行氧壓浸出工業(yè)試驗(yàn),浸出過(guò)程中定期間斷開(kāi)啟高壓釜正常排氣口一段時(shí)間,排出未反應(yīng)的惰性氣體。通過(guò)調(diào)節(jié)排料閥控制排料管礦漿流量,以穩(wěn)定高壓釜壓力不變。通過(guò)改變投料速度、液固比以及排氣時(shí)間等參數(shù),進(jìn)行了三組工業(yè)試驗(yàn),其試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表2,其中氧氣利用率C通過(guò)式(3)計(jì)算。

表2 試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)及結(jié)果

式中:C為氧氣利用率,%;Vin為通入高壓釜內(nèi)的氧氣,m3;Vout為排除高壓釜的剩余氧氣,m3。

從表2 可以看出,當(dāng)液固比為8∶1、轉(zhuǎn)速為300 r/min,槳葉形式為雙層推進(jìn)式槳葉時(shí),氧氣利用率最高94.1%,高于鋅精礦等原料氧壓浸出過(guò)程中的氧氣利用率87%。

4 結(jié)論

1)硫化銅精礦氧壓浸出過(guò)程中氧氣利用率與高壓釜中氣液兩相流的流動(dòng)狀況密切相關(guān),其影響因素包括:攪拌槳的結(jié)構(gòu)尺寸與轉(zhuǎn)速、礦漿的液固比、氧氣流量、溫度以及釜內(nèi)壓力等。

2)高壓釜中氣流兩相流的數(shù)值模擬結(jié)果表明:與推進(jìn)式-平直葉圓盤(pán)渦輪的攪拌槳相比,推進(jìn)式-推進(jìn)式攪拌槳更有利于提高氧氣濃度分布的均勻性,提高浸出反應(yīng)中氧氣的利用率;轉(zhuǎn)速對(duì)氧氣濃度分布的影響規(guī)律較為復(fù)雜,過(guò)高或過(guò)低的轉(zhuǎn)速均不利于提高氧氣利用率;液固比增大有利于提高釜內(nèi)氣含率,但氧氣利用率還受礦漿濃度的影響。

3)三組硫化銅精礦氧壓浸出的工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明:液固比為8∶1、轉(zhuǎn)速為300 r/min、槳葉形式為雙層推進(jìn)式時(shí),氧氣利用率可達(dá)到94.1%。