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冶金百科 | 有色冶金過程能源消耗及品種結構
2023-05-30 11:06:13 來源:中冶有色技術網
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簡介:節能減排長期以來就是全球工業發展的共同目標,現今全球都面臨能源短缺問題,這對于能源費用占生產總成本20%~30%的冶金企業來說同樣面臨著新的挑戰。企業消耗的能源指用于生產活動的各種能源,包括:①一次能源(原煤、原油、天然氣等)、二次能源(如電力、熱力、石油制品、焦炭、煤氣等)、耗能工質(水、氧氣、壓縮空氣等)和余熱資源。②能源及耗能工質在企業內部進行貯存、轉換及計量供應(包括外銷)中的損耗。③用做原料的能源,不包括生活用能和批準的基建項目用能。有色冶金工業節能減排效果對完成我國中長期節能減排目標具有重
節能減排長期以來就是全球工業發展的共同目標,現今全球都面臨能源短缺問題,這對于能源費用占生產總成本20%~30%的冶金企業來說同樣面臨著新的挑戰。企業消耗的能源指用于生產活動的各種能源,包括:①一次能源(原煤、原油、天然氣等)、二次能源(如電力、熱力、石油制品、焦炭、煤氣等)、耗能工質(水、氧氣、壓縮空氣等)和余熱資源。②能源及耗能工質在企業內部進行貯存、轉換及計量供應(包括外銷)中的損耗。③用做原料的能源,不包括生活用能和批準的基建項目用能。有色冶金工業節能減排效果對完成我國中長期節能減排目標具有重要意義。加大有色金屬工業節能減排力度,既是國家整體節能減排的戰略需要,也是有色金屬工業轉變發展方式、走可持續發展道路的必然選擇。

有色冶金過程能源消耗及品種結構
鋁冶金過程能源消耗及品種結構

中國氧化鋁工業消耗的能源主要是原煤,用于生產蒸汽和發電,生成煤氣用于焙燒氫氧化鋁,部分還可作為燃料直接用于回轉窯煅燒。部分氧化鋁廠利用天然氣進行氫氧化鋁焙燒。

中國鋁電解工業消耗的能源主要是電力。部分鋁電解企業直接從電網買電,電價較高;而部分鋁電解企業則主要依靠采購原煤進行自發電,電價則較低。低溫低電壓鋁電解技術、新型結構鋁電解槽、新型陰極鋼棒等一批節能技術的投入運行,使我國鋁錠綜合交流電耗進一步降低。2013年中國鋁錠綜合交流電耗降到13740 kW·h/t。

銅冶金過程能源消耗及品種結構

赫氏(Hatch)公司Guo Xianjian 在其題為《銅冶煉節能研究(Consideration of energy save in copper smelting)》的報告中指出,新技術的應用、氧氣的使用、冶煉中余熱回收的改進,是銅冶煉能耗降低的主要原因。該報告從采選冶多環節、歷史與現實、不同冶煉方法等多角度對銅冶煉能耗進行了分析比較。


圖5-1所示為銅生產采選冶各環節能耗值。在銅生產各環節中,冶煉(粗煉、精煉)仍是能耗最大的環節,但隨著技術進步,其能耗值已大幅度降低,從銅精礦到陽極銅,能耗值小于9000 MJ/t。比較而言,濕法煉銅(浸出—溶劑萃取——電積)工藝,僅從冶煉能耗角度而言,要比火法高約65%,且以電能為主。但全面考慮采選冶能耗,濕法煉銅在能耗上仍具有優勢。


銅生產采選冶各環節能耗值

表5-1所列為1980年美國與2008年智利兩國不同時期銅冶煉能耗比較。


1980年美國與2008年智利兩國不同時期銅冶煉能耗比較

表5-2列出了不同研究者報道的各種銅冶煉工藝能耗。目前,主流的煉銅方法能耗均較為接近,但能源結構有所區別,有的方法如雙閃法、三菱法等,電能所占比例要高一些。


不同研究者報道的各種銅冶煉工藝能耗

1980年,美國反射爐煉銅能耗高達32633MJ/t陽極銅,當時即使是先進的閃速爐、三菱法及諾蘭達爐煉銅,能耗也在20000MJ/t陽極銅左右。目前智利是僅次于中國的世界第2大精煉銅生產國,2008年,智利共有7座煉銅廠,生產123萬t銅,其中2座采用奧圖泰閃速熔煉工藝,5座采用特尼恩特工藝,整體技術水平大致屬世界中等程度,其平均能耗僅為9080MJ/t陽極銅。


比較了雙閃法與艾薩法能耗及其構成

表5-3比較了雙閃法與艾薩法能耗及其構成。其中重要的信息為:雙閃法工藝銅锍的破碎、磨細等能耗并不高;爐渣貧化能耗為1503 MJ/t 陽極銅,折算標煤為51.3kgce/t陽極銅,這部分能耗應主要為電能。

表5-3所列能耗數據代表了當前世界銅冶煉能耗較為先進的水平。雙閃法工藝從銅精礦到陽極銅工藝能耗為10784 MJ/t 陽極銅,其中電能消耗為9266 MJ/t陽極銅;折算成標煤為368.1 kgce/t陽極銅;艾薩爐熔煉—爐渣貧化——P-S轉爐工藝,從銅精礦到陽極銅工藝能耗為11078 MJ/t陽極銅,其中電能消耗為6903MJ/t陽極銅;折算成標煤,則為378.5kgce/t陽極銅,略高于雙閃法工藝。中國銅冶煉能耗國標(GB21248——2014)規定,從銅精礦到陽極銅工藝能耗限額先進值為280kgce/t陽極銅,應屬世界先進水平。

改革開放以來,我國銅冶煉行業通過技術引進、消化吸收再創新,已完全淘汰落后的鼓風爐、反射爐和電爐工藝,采用較為先進的閃速熔煉、熔池熔煉工藝,加上富氧、高銅锍品位、煙氣余熱回收、高濃度SO煙氣制酸、制酸中低溫位余熱回收、透氣磚通氮氣攪拌陽極精煉新工藝、陽極爐稀氧燃燒等技術措施。目前,無論是從產業規模、技術的多樣性與先進性,還是對銅精礦原料的適應性等方面,均居于世界先進水平,這已是不爭的事實。

在銅冶煉能耗方面,各企業報道過一些數據,但由于采用的煉銅方法較多,不同方法間由于技術參數及原料成分差別較大,用這些數據來直接比較是不恰當的。參照國外研究報道的較為可行的數據,比較國內外在技術、裝備、工藝參數、余熱回收、制酸等方面的情況,可以判斷我國銅冶煉從銅精礦到陽極銅的工藝能耗,大致在200~500kgce/t陽極銅。規模較大、工藝與裝備先進、余熱回收好的企業,一般都能達到GB21248—2014中的準人值,部分企業能耗已低于其先進值。這標志著我國銅冶煉企業在工藝、裝備和節能方面,已居于世界先進水平。

鉛冶金過程能源消耗及品種結構

鉛冶金分兩大部分(貴金屬提煉除外),即粗鉛冶煉和電解精煉。隨著鉛火法冶煉技術的進步,消耗的能源品種也有很大變動,并且隨鉛冶煉工序的不同,所使用的能源品種結構也有不同。

傳統的燒結—鼓風爐熔煉工藝,所消耗的能源與動力包括有煤氣(精礦干燥)、焦炭(鼓風爐還原)、煤(煙化爐煙化)、電、水、壓縮空氣等。先進的直接煉鉛工藝,所消耗的能源與動力主要有藍炭(閃速熔煉法),煤(還原、煙化),煤氣或天然氣(還原),電,水,氧氣,氮氣,壓縮空氣等。

目前國內主流的“三段爐”煉鉛工藝,氧化熔煉階段,所消耗的主要能源與動力有氧氣、氮氣、壓縮空氣、電、水等;還原熔煉階段,所消耗的主要能源與動力有煤、煤氣(或天然氣)、氮氣、壓縮空氣、電、水等;爐渣煙化階段,所消耗的主要能源與動力有煤、壓縮空氣、電、水等。粗鉛電解精煉過程,所消耗的主要能源與動力有煤氣或天然氣、電、水、蒸汽等。煙氣制酸過程,所消耗的主要能源與動力有電、水和壓縮空氣等。粗略統計,鉛冶煉能耗中44%為化石能源。

目前,我國在粗鉛冶煉上主要采用的火法冶金方法有傳統的燒結焙燒—鼓風爐煉鉛法、我國新研發的SKS煉鉛法(水口山煉鉛法)、改進型SKS煉鉛法及引進的基夫賽特直接煉鉛法?;诓煌囊睙挿椒?,其能耗也大不相同。就是同種冶煉方法,由于原料、技術、設備等各異,也會出現能耗參差不齊的情況。傳統的燒結焙燒—鼓風爐煉鉛法雖然具有工藝成熟,操作簡單,投資省等優點,但其存在高能耗、高排量、環境污染嚴重等弊端,已經逐步被新工藝所替代。水口山煉鉛法實現了自熱熔煉回收高溫煙氣中的余熱,熔煉爐已產出一次初鉛,鼓風爐爐料處理量大幅減少,焦炭消耗相應節省了30%~40%。

粗鉛冶煉過程中能源的消耗主要體現為精礦的選擇、渣型的合理配置、焦炭的塊度及正確的操作。兩種冶煉模式能耗列于表5-4和表5-5。


燒結焙燒-鼓風爐煉鉛法能耗表

SKS煉鉛法能耗表


根據《中國有色金屬工業年鑒》統計,過去10年我國鉛冶煉綜合能耗平均為660kgce/t,粗鉛冶煉焦耗413kg/t,電解鉛的直流電耗平均為132kW·h/t。隨著SKS工藝及改進型SKS工藝的升級改造,2013年我國鉛冶煉綜合能耗為469.3 kgce/t。

冶煉工藝是影響能耗的最重要因素。在火法冶煉過程中,引人富氧或純氧冶煉技術,實現精礦直接熔煉,使生產流程縮短,設備床能力大幅度提高,使冶煉過程的煙氣量大幅度減少,煙氣帶走的熱量也大幅度減少,消耗的動力也相應減少,單位產品能耗大幅度下降。濕法冶煉工藝引入富氧直接浸出技術,硫化鋅精礦不需經過沸騰焙燒,在氧氣條件下直接浸出,不產生SO煙氣,硫轉化元素硫,經過浮選和熱濾得到含硫99.9%的硫磺。

(1)鉛冶煉工藝對能耗的影響:目前世界用于工業生產的冶煉方法有傳統的燒結——鼓風爐法和現代直接煉鉛法(基夫賽特法、富氧閃速熔煉法、QSL法、卡爾多法、氧氣頂吹—鼓風爐法、氧氣底吹—鼓風爐法、三段爐煉鉛法)?,F代直接煉鉛法的共同特點是采用富氧或純氧熔煉技術,基夫賽特法、富氧閃速熔煉法、QSL法、三段爐煉鉛法的能耗較低。氧氣頂吹和氧氣底吹都只能完成氧化熔煉,產出40%~45%的粗鉛,然后將高鉛渣鑄塊冷卻后加入鼓風爐還原熔煉,產出二次粗鉛,綜合能耗相對較高。一般來說,生產規模擴大有利于單位能耗降低,有利于設備大型化。技術水平和自動化水平的提高,資源綜合利用率的提高,均有助于單位產品能耗的降低。統計數據表明,我國大型鉛鋅冶煉企業生產能耗明顯好于中小企業,部分達到了世界先進水平。

(2)原料品位的影響:國外的能耗指標通常是按處理的物料量進行計算,原料品位不會影響能耗評價指標。但我國是按產品計算能耗評價指標,對于處理含鉛鋅品位較低的原料或其他含鉛鋅廢料,單位產品所需的物料量增加,單位產品的能耗指標就會增高,例如冶煉含鉛50%以上的爐料,2t爐料能產1t鉛,如果爐料含鉛26%,就要4t爐料才能產1t鉛,單位產品能耗可能增加一倍。

鋅冶金過程能源消耗及品種結構

鋅的冶煉方法分為火法和濕法兩大類?;鸱掍\過程所消耗的能源品種包括煤氣、焦炭、煤、電、水、壓縮空氣等。濕法煉鋅包括常規浸出法、熱酸浸出法、直接浸出法三大類,此外,氧化鋅礦的浸出—凈化一電積也有一定的市場份額。常規浸出法和熱酸浸出法所消耗的能源品種包括電、水、壓縮空氣、煤、柴油、氬氣等;氧壓浸出法所消耗的能源品種包括電、水、氧氣、蒸汽、柴油、氬氣等。粗略統計,鋅冶煉能耗中25%為化石能源。

火法煉鋅工藝有ISP工藝、豎罐煉鋅和電爐煉鋅,ISP工藝綜合能耗為1900~2000kgce/t,豎罐煉鋅為2400~2700kgce/t,電爐煉鋅規模很小,能耗更高,豎罐煉鋅與電爐煉鋅工藝已被淘汰。濕法煉鋅的常規流程是硫化鋅精礦采用沸騰爐低溫硫酸化焙燒,焙砂采用中性和低酸浸出,焙砂中的鐵酸鋅不能在低溫低酸的條件下浸出而進入浸出渣,浸出渣含鋅20%左右,然后用火法將浸出渣中的鋅揮發,產出次氧化鋅,再用濕法回收鋅?,F在一般采用揮發窯揮發,能耗很高,每噸浸出渣要消耗0.5t焦粉,導致每噸電鋅能耗增加400~450kgce,這樣常規法比其他的濕法煉鋅能耗高出10%左右。但是黃鉀鐵礬渣和針鐵礦渣,采用堆存處理,存在潛在的環境污染問題。世界普遍采用的處理方式是火法進行固化處理、水泥固化處理或深度填埋,如果采用火法進行固化處理能耗也會升高。

過去十年來依靠技術進步,逐步淘汰落后的高能耗高污染豎罐煉鋅工藝,我國濕法煉鋅工藝平均綜合能耗指標逐年下降。一些大型煉鋅企業如株冶、韶冶、葫蘆島、豫光金鉛、西北冶煉廠等,其煉鋅能耗接近世界先進水平。世界濕法煉鋅工藝能耗為1900 kgce/t,鋅電積直流電耗平均為3100~3200kW·h/t。株冶由于常規濕法煉鋅高能耗,浸出渣采用高能耗的回轉窯工藝,綜合能耗為2100 kgce/t左右,其鋅電積直流電耗平均為3100kW·h/t左右,最低達到2970kW·h/t,屬于世界先進水平。2013年中國電解鋅冶煉綜合能耗下降到909.3 kgce/t,同比下降0.1%。2013年隨著低電耗大極板鋅電解與自動剝板技術創新及產業化示范工程等先進技術的示范推廣,以及淘汰一批落后的火法煉鋅工藝,電鋅、精鋅冶煉綜合能耗均呈下降趨勢。2013年精鋅綜合能耗1805.6kgce/t,比2012年同期下降了1%;電解鋅綜合能耗降到909.3kgce/t。

鎂冶金過程能源消耗及品種結構

中國鎂工業消耗主要能源是原煤、焦爐煤氣和藍煤等,依據原鎂企業當地的不同能源來源進行生產。如陜西原鎂企業往往采用當地豐富的藍煤資源做能源生產,而焦爐煤氣較多的山西原鎂企業則采用焦爐煤氣生產原鎂。

制約鎂產業發展的主要因素是原鎂冶煉中能源消耗和環境污染控制。過去我國金屬鎂的生產帶來了較為嚴重的資源浪費和環境污染。目前,鎂冶煉綜合能耗為7000kgce/t左右,下降幅度約40%。鎂冶煉產品能耗列于表5-6。

鎂冶煉產品能耗表

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