一种基于数学模型指导的粗铜吹炼工艺

摘要

本发明公开了一种基于数学模型指导的粗铜吹炼工艺，包括以下步骤：①先将冰铜、烟尘、石灰和石英沙置入闪速吹炼炉的冰铜喷嘴，再将炉料与工艺风置入吹炼炉的反应塔内迅速完成吹炼反应；②上步反应生成的熔体在沉淀池内分离为粗铜和渣，产出粗铜由溜槽定期进入阳极炉进行精炼；③建立闪速炉粗铜吹炼数学模型；通过金属平衡建立一个11元线性方程组，以求取当粗铜含硫达到目标值时物料在炉内化学反应所需要的氧量，渣中四氧化三铁、硅品位达到目标值时的钙量和硅量；热平衡是求取渣温达到目标值时的氧气浓度或天然气量，模型既可把氧气浓度作为未知数，也可将天然气量作为未知数；它可提高生产效率延长生产设备的使用寿命，具有节能减排的优点。

主权项

1、一种基于数学模型指导的粗铜吹炼工艺，其特征在于：包括以下步骤：①先将冰铜、烟尘、石灰和石英沙混合均匀后置入闪速吹炼炉的冰铜喷嘴，再将炉料与工艺风由喷嘴一起置入吹炼炉的反应塔内迅速完成吹炼反应，为改变反应塔中间区域的氧势，利用反应塔内安装的中央氧枪吹入氧气，并向反应塔内通入压缩空气，通过压缩空气的气流改善炉料在反应塔内的分布状况；炉内的氧化程度和产出物的温度分别由氧/料比和工艺风的氧浓度控制，当炉内热量不足时，通过冰铜喷嘴周围的天然气烧咀补充热量，当热量过剩的情况下，则加入烟尘调节炉内的热平衡状况；②上步反应生成的熔体在沉淀池内分离为粗铜和渣，产出的粗铜通过溜槽定期进入阳极炉进行精炼，吹炼渣经水淬磨细脱水后返回闪速熔炼炉继续熔炼，吹炼炉的烟气经余热锅炉和电收尘后送制酸系统制酸，烟气经余热锅炉沉降下来的烟尘和电收尘的烟尘经破碎筛分后返回闪速熔炼，电收尘的其他烟尘则返回吹炼炉作冷料；③根据冶金学关于在密闭环境中火法冶金过程化学平衡和热力学平衡理论，建立以金属平衡和热平衡为基础的闪速炉粗铜吹炼数学模型；通过金属平衡建立一个11元线性方程组，以求取当粗铜含硫达到目标值时物料在炉内化学反应所需要的氧量，渣中四氧化三铁、硅品位达到目标值时的钙量和硅量；热平衡是求取渣温达到目标值时的氧气浓度或天然气量，模型既可以把氧气浓度作为未知数，也可以将天然气量作为未知数；利用该数学模型，根据给定的目标参数和生产条件能够精确计算出需要的最佳操作参数，使粗铜吹炼工艺过程的关键控制指标：粗铜硫品位、渣中四氧化三铁、渣温保持稳定性，按所得的参数进行生产，具体计算的相关表格与计算公式如下：一、金属平衡(一)、金属平衡表根据控制要求和投入产出条件，构造如下金属平衡表备注：表中G：给定值C：解方程前计算X_n：未知数空白：解方程后计算一：不计算(二)、金属平衡方程式根据金属平衡原理，将金属平衡表中的未各量，构造成一个11元线性方程组，解此方程组，即可求得为达到粗铜吹炼目标参数所需的氧系数、石灰量、硅酸矿量的操作值，具体方程如下：1、物料平衡冰铜量+投入C烟尘量+石灰量+硅酸矿量+O量＝粗铜量+渣量+产出B烟尘量+产出C烟尘量+烟气中的S量+烟气中的其它量冰铜量+投入C烟尘量+X₁+X₂+X₁₁＝X₃+X₄+X₇+X₈+X₉+X₁₀2、Cu平衡冰铜Cu量+投入C烟尘Cu量+石灰Cu量+硅酸矿Cu量＝粗铜Cu量+渣中的Cu量+产出B烟尘Cu量+产出C烟尘Cu量冰铜Cu量+投入C烟尘Cu量+X₁*石灰Cu品位+X₂*硅酸矿Cu品位＝X₃*粗铜Cu品位+X₄*渣中的Cu品位+X₇*产出B烟尘Cu品位+X₈*产出C烟尘Cu品位3、Fe平衡冰铜Fe量+投入C烟尘Fe量+石灰Fe量+硅酸矿Fe量＝粗铜Fe量+渣中的Fe量+产出B烟尘Fc量+产出C烟尘Fe量冰铜Fe量+投入C烟尘Fe量+X₁*石灰Fe品位+X₂*硅酸矿Fe品位＝X₃*粗铜Fe品位+X₅+X₇*产出B烟尘Fe品位+X₈*产出C烟尘Fe品位4、S平衡冰铜S量+投入C烟尘S量+石灰S量+硅酸矿S量＝粗铜S量+渣中的S量+产出B烟尘S量+产出C烟尘S量+烟气中的S量冰铜S量+投入C烟尘S量+X₁*石灰S品位+X₂*硅酸矿S品位＝X₃*粗铜S品位+X₄*渣中的S品位+X₇*产出B烟尘S品位+X₈*产出C烟尘S品位+X₉5、SiO₂平衡冰铜SiO2量+投入C烟尘SiO2量+石灰SiO2量+硅酸矿SiO2量＝粗铜SiO2量+渣中的SiO2量+产出B烟尘SiO2量+产出C烟尘SiO2量冰铜SiO2量+投入C烟尘SiO2量+X₁*石灰SiO2品位+X₂*硅酸矿SiO2品位＝X₃*粗铜SiO2品位+X₄*渣中的SiO₂品位+X₇*产出B烟尘SiO2品位+X₈*产出C烟尘SiO2品位6、CaO平衡冰铜CaO量+投入C烟尘CaO量+石灰CaO量+硅酸矿CaO量＝粗铜CaO量+渣中的CaO量+产出B烟尘CaO量+产出C烟尘CaO量冰铜CaO量+投入C烟尘CaO量+X₁*石灰CaO品位+X₂*硅酸矿CaO品位＝X₃*粗铜CaO品位+X₆+X₇*产出B烟尘CaO品位+X₈*产出C烟尘CaO品位7、渣中的CaO/Fe平衡X₆＝X₅*目标CaO/Fe8、产出B烟尘量X₇＝(冰铜量+投入C烟尘量+X₁+X₂)*烟尘发生率*(1—C烟尘率)9、产出C烟尘量X₈＝(冰铜量+投入C烟尘量+X₁+X₂)*烟尘发生率*C烟尘率10、烟气中的其它量平衡X₁₀＝[(冰铜其它量+投入C烟尘其它量+X₁*石灰其它品位+X₂*硅酸矿其它品位)—(冰铜O₂量+投入C烟尘O₂量+硅酸矿O₂量)]*(1—其它系数)其中：冰铜O₂量＝Fe₃O₄的O₂量+2FeO.SiO₂的O₂量+Cu₂O的O₂量＝冰铜Fe₃O₄的Fe量*K7+冰铜2FeO.SiO₂的Fe量*K14+冰铜Cu₂O的Cu量*K16投入C烟尘O₂量＝Cu₂O的O₂量+CuSO₄的O₂量+Fe₃O₄的O₂量＝投入C烟尘Cu₂O的Cu量*K16+[FCF C烟尘的S量—Cu2S的Cu量*K1]*K17+FCF C烟尘Fe量*K7硅酸矿O₂量＝硅酸矿的Fe量*K1111、O₂平衡X₁₁＝(粗铜O₂量+渣中的O₂量+产出C烟尘的O₂量+产出B烟尘的O₂量)—(冰铜O₂量+投入C烟尘O₂量+硅酸矿O₂量)其中：粗铜O₂量＝Cu₂O的O量+Fe₃O₄的O量＝粗铜Cu₂O的Cu量*K16+粗铜中的Fe量*K7渣中的O₂量＝Cu₂O的O₂量+CuO的O₂量+Fe₂O₃的O₂量+Fe₃O₄的O₂量+FeOX.CaO的O₂量+2FeO.SiO₂的O₂量+CaSO₄的O₂量＝渣中的Cu₂O的Cu量*K16+渣中的CuO的Cu量*K8+渣中的Fe₂O₃的Fe量*K11+渣中的Fe₃O₄的Fe量*K7+渣中的FeOX.CaO的Fe量*K14+渣中的2FeO.SiO₂的Fe量*K14+渣量*P10*K12*K15产出B烟尘的O₂量＝Cu₂O的O量+Fe₃O₄的O量＝[FCF B烟尘的Cu量—Cu2S的Cu量]*K16+FCF B烟尘Fe量*K7其它各项的O₂量见烟气中的其它量平衡，(三)氧气量计算1、理论氧气量＝(烟气中的S量*22。4/32。06+投入产出的O₂量*22。4/32)*10³                                                          Nm³(100％O₂)2、必要氧气量＝理论氧气量/反应塔氧效率；二、热平衡(一)热平衡表1、反应塔热平衡2、沉淀池热平衡3、上升烟道热平衡4、总热平衡(二)热平衡计算A、入热1、S燃烧热＝烟气中的S量*反应塔S的氧化率*SO₂生成热2、FeO的生成热＝(渣中的Fe量—渣中FeS的Fe量—渣中Fe₃O₄的Fe量)*FeO反应热其中：FeS的Fe量＝{渣中的S量*P3O—[渣中的Cu量—Cu₂O的Cu量—CuO的Cu量—金属Cu量]*k1—渣量*P10*K12}*P2Fe₃O₄的Fe量＝渣中的Fe量*P93、Fe₃O₄(含CuSO₄、CaSO₄)生成热＝Fe₃O₄生成热+CuSO₄生成热+CaSO₄生成热其中：●Fe₃O₄生成热＝(渣中Fe₃O₄的Fe量+产出C烟尘Fe₃O₄的Fe量+产出B烟尘Fe₃O₄的Fe量+粗铜Fe₃O₄的Fe量)*Fe₃O₄反应热其中：渣中Fe₃O₄的Fe量＝渣中的Fe量*P9产出C烟尘Fe₃O₄的Fe量＝产出C烟尘Fe量B烟尘Fe₃O₄的Fe量＝FCF B烟尘Fe量粗铜Fe₃O₄的Fe量＝粗铜中的Fe量●CuSO₄生成热＝产出C烟尘CuSO₄的Cu量*CuSO₄反应热其中：CuSO₄的Cu量＝(C烟尘的Cu量—C烟尘Cu2S的Cu量—C烟尘Cu₂O的Cu量)●CaSO₄生成热＝渣中CaSO₄的Ca量*CaSO₄反应热其中：渣中CaSO₄的CaO量＝渣量*P10*(40.08+16)/(40.08+32.06+16*4)4、分解热＝—(Fe₃O₄分解热+投入C烟尘CuSO₄分解热+FeS的分解热+Cu₂S变成CuSO₄分解热+硅酸矿分解热+石灰分解热)其中：●Fe₃O₄分解热＝(冰铜Fe₃O₄的Fe量+投入C烟尘的Fe₃O₄的Fe量)*Fe₃O₄反应热其中：冰铜Fe₃O₄的Fe量＝冰铜Fe量—冰铜FeS的Fe量—冰铜2FeO.SiO₂的Fe量投入C烟尘Fe₃O₄的Fe量＝投入C烟尘Fe量●投入C烟尘CuSO₄分解热＝投入C烟尘CuSO₄的Cu量*CuSO₄反应热●FeS的分解热＝[(粗铜的Fe量+渣中Fe量+产出C烟尘的Fe量+B烟尘的Fe量)—(冰铜Fe₃O₄的Fe量+冰铜2FeO.SiO₂的Fe量+投入C烟尘Fe₃O₄的Fe量+硅酸矿的Fe量)*FeS反应热●Cu₂S变成CuSO₄分解热＝(产出C烟尘的Cu量—投入C烟尘的Cu量)*Cu₂S反应热●硅酸矿分解热＝硅酸矿的Fe量*Fe₂O₃反应热●石灰分解热＝CaCO₃量*CaCO₃反应热+MgCO₃量*MgCO₃反应热5、炉料显热[总装入量*炉料比热+(冰铜量*冰铜水分率+石灰量*石灰水分率+硅酸矿量*硅酸矿水分率)]*(炉料温度—基准温度)6、造渣热(沉淀池)＝渣中2FeO.SiO₂的Fe量*2FeO.SiO₂生成热+渣中FeO_X·CaO的Fe量*FeO_X·CaO生成热7、反应塔燃料燃烧热＝反应塔天然气量*天然气发热量8、反应塔送风显热＝(O₂量*O₂单位热量+N₂量*N₂单位热量+H₂O量*H₂O单位热量)*10^-3                                                                  Mj/h其中：单位热量计算通式：单位热量＝(a*T_G+b*T_G²*10^-3+C*T_G^-1*10³+d)*1/22.4*4.187                                                    Kj/Nm³系数表： 成分aBCdSO₂10.381.271.42-3683N₂6.660.510-2030H₂O7.171.28-0.08-2223T_G：反应塔送风温度+217.16⁰KO₂量＝反应塔工艺风O₂量+反应塔燃烧风O₂量反应塔工艺风O₂量＝必要矿石氧气量反应塔燃烧风O₂量＝反应塔燃烧风量*反应塔燃烧风氧浓度N₂量＝反应塔工艺风N₂量+反应塔燃烧风N₂量+反应塔天然气量*天然气含N₂率反应塔工艺风N₂量＝必要矿石氧气量/工艺风富氧浓度*(1—工艺风富氧浓度)反应塔燃烧风N₂量＝反应塔燃烧风量(湿基！)*(1—反应塔燃烧风氧浓度)H₂O量＝反应塔工艺风H₂O量+反应塔燃烧风H₂O量反应塔工艺风H₂O量＝反应塔工艺空气量(干基)*(空气水分率)反应塔燃烧风H₂O量＝反应塔燃烧空气量*反应塔空气水分率9、沉淀池S燃烧热＝烟气中的S量*(1—反应塔S的氧化率)*SO₂生成热10、沉淀池天然气燃烧热＝沉淀池天然气量*天然气发热量11、沉淀池燃烧风显热＝(O₂量*O₂单位热量+N₂量*N₂单位热量+H₂O量*H₂O单位热量)*1O^-3O₂量、N₂量、H₂O量及其单位热量参见第8项，12、上升烟道天然气燃烧热＝上升烟道天然气量*天然气发热量13、上升烟道燃烧风显热＝(O₂量*O₂单位热量+N₂量*N₂单位热量+H₂O量*H₂O单位热量)*10^-3O₂量、N₂量、H₂O量及其单位热量参见第8项，14、入热合计＝上述1~13项之和B、出热1、粗铜显热＝粗铜量*粗铜单位热量粗铜单位热量＝0.1766*T_B+5.29—(0.0885+0.0005*T_B)*粗铜品位*100T_B：在反应塔中为反应塔气体温度(⁰K)在沉淀池中为粗铜温度(⁰K)2、渣显热＝渣量*渣单位热量渣单位热量＝0.3*T_S—131.9T_S：在反应塔中为反应塔气体温度(⁰K)在沉淀池中为粗铜温度(⁰K)3、烟气显热＝(SO₂量*SO₂单位热量+O₂量*O₂单位热量+NO₂量*NO₂单位热量+CO₂量*CO₂单位热量+H₂O量*H₂O单位热量)*10^-3其中：单位热量计算通式：单位热量＝(a*T_G+b*T_G²*10^-3+C*T_G^-1*10³+d)*1/22.4*4.187                                                    Kj/Nm³系数表： 成分aBCdSO₂10.381.271.42-3683O₂7.160.50.40-2312N₂6.660.510-2030 CO₂10.551.082.04-3926H₂O7.171.28-0.08-2223T_G：反应塔热平衡时为反应塔烟气温度+217.16K⁰沉淀池热平衡时为沉淀池烟气温度+217.16K⁰上升烟道热平衡时为上升烟道烟气温度+217.16K⁰4、辐射热损＝上升烟道烟气显热*辐射损失率5、反应塔烟尘显热＝(产出B烟尘量+产出C烟尘量+烟气中其他量)*烟尘单位热量烟尘单位热量＝0.3*T_G—131.9T_G：反应塔热平衡时为反应塔烟气温度+217.16K⁰沉淀池热平衡时为沉淀池烟气温度+217.16K⁰上升烟道热平衡时为上升烟道烟气温度+217.16K⁰6、水分蒸发热＝(冰铜量*冰铜水分率+石灰*石灰水分率+硅酸矿*硅酸矿水分率)*(水分蒸发热+饱和水焓—装入水分焓)7、反应塔散热＝给定值8、沉淀池散热＝给定值9、上升烟道散热＝给定值10、出热合计＝上述1~9项之和C、烟气成分计算1、反应塔烟气成分量●SO₂量＝烟气中S量*(22.4/32.06)*10³                 Nm³/h●O₂量＝反应塔工艺风O₂量*(1—反应塔工艺风氧效率)+反应塔燃烧风O₂量*(1—反应塔燃烧风氧效率)反应塔工艺风O₂量＝必要矿石氧气量反应塔燃烧风O₂量＝反应塔燃烧风量*反应塔燃烧风氧浓度●N₂量＝反应塔工艺风N₂量+反应塔燃烧风N₂量+反应塔天然气量*天然气含N₂率反应塔工艺风N₂量＝必要矿石氧气量/工艺风富氧浓度*(1—工艺风富氧浓度)反应塔燃烧风N₂量＝反应塔燃烧风量(湿基！)*(1—反应塔燃烧风氧浓度)●CO₂量＝天然气C品位*反应塔天然气量*22.4/12+[石灰CaO量*CaCO₃比率/56.08+石灰MgO量*MgCO₃比率/40.32]*22.4*10³+反应塔天然气量*天然气CO₂比率●H₂O量＝反应塔工艺风H₂O量+反应塔燃烧风H₂O量+炉料H₂O量+天然气H₂O量反应塔工艺风H₂O量＝反应塔工艺空气量(干基)*(空气水分率)反应塔燃烧风H₂O量＝反应塔燃烧空气量*反应塔空气水分率炉料H₂O量＝[冰铜量*冰铜水分率+石灰量*石灰水分率+硅酸矿量*硅酸矿水分率]*22.4/18*10³天然气H₂O量＝天然气量*天然气H品位*22.4/22、沉淀池烟气成分量●沉淀池SO₂量＝反应塔SO₂量●沉淀池O₂量＝反应塔O₂量+沉淀池燃烧风O₂量*(1—沉淀池氧效率)沉淀池燃烧风O₂量＝沉淀池燃烧风量*沉淀池燃烧风氧浓度●沉淀池N₂量＝反应塔N₂量+沉淀池燃烧风N₂量+沉淀池天然气量*天然气含N₂率沉淀池燃烧风N₂量＝沉淀池燃烧风量(湿基！)*(1—沉淀池燃烧风氧浓度)●沉淀池CO₂量＝反应塔CO₂量+天然气C品位*沉淀池天然气量*22.4/12+沉淀池天然气量*天然气CO₂比率●沉淀池H₂O量＝反应塔H₂O量+沉淀池燃烧风H₂O量+沉淀池天然气H₂O量沉淀池燃烧风H₂O量＝沉淀池燃烧空气量*沉淀池空气水分率沉淀池天然气H₂O量＝沉淀池天然气量*天然气H品位*22.4/23、上升烟道烟气成分量●上升烟道SO₂量＝沉淀池SO₂量●上升烟道O₂量＝沉淀池O₂量+上升烟道燃烧风O₂量*(1—上升烟道氧效率)上升烟道燃烧风O₂量＝上升烟道燃烧风量*上升烟道燃烧风氧浓度●上升烟道N₂量＝沉淀池N₂量+上升烟道燃烧风N₂量+上升烟道天然气量*天然气含N₂率上升烟道燃烧风N₂量＝上升烟道燃烧风量(湿基！)*(1—上升烟道燃烧风氧浓度)●上升烟道CO₂量＝沉淀池CO₂量+天然气C品位*上升烟道天然气量*22.4/12+上升烟道天然气量*天然气CO₂比率●上升烟道H₂O量＝沉淀池H₂O量+上升烟道燃烧风H₂O量+上升烟道天然气H₂O量上升烟道燃烧风H₂O量＝上升烟道燃烧空气量*上升烟道空气水分率沉淀池天然气H₂O量＝沉淀池天然气量*天然气H品位*22.4/2。