Снижение энергоёмкости на современных медеплавильных заводах

Брисбен, Австралия

Для немедленной публикации

Экономика плавки меди всегда была тесно связана с энергией. По мере снижения качества концентратов, усиления нормативного давления в отношении выбросов и сохранения волатильности затрат на энергию фокус сместился от управления энергией как отдельной статьёй расходов к полному пересмотру конструкции печной системы. Медеплавильные предприятия, которые сегодня выигрывают по затратам, не просто работают более эффективно. Они изначально спроектированы иначе, с учётом этой цели.

Почему конструкция печи является отправной точкой для медеплавильных заводов

Энергоёмкость медеплавильного завода определяется не столько тем, насколько хорошо эксплуатируется печь. Она определяется тем, какая печь была выбрана. Базовое проектное решение, геометрия агрегата, механизм подачи газа и шихты, а также степень обогащения кислородом задают предел того, чего можно достичь с помощью операционной оптимизации.

Традиционные отражательные и шахтные печи зависят от сжигания ископаемого топлива для получения тепла, необходимого для плавки. Такой метод переработки изначально неэффективен. Значительная часть выработанного тепла уносится с отходящими газами, а относительно низкие концентрации SO₂ в этих газах усложняют интеграцию с сернокислотным производством. Степень улавливания серы ниже, соблюдение требований по выбросам поддерживать труднее, а энергетические затраты на тонну произведённой меди остаются структурно высокими.

Плавка в отражательных печах сыграла важную роль в историческом развитии медной промышленности, особенно при переработке сульфидных медных руд и получении медного штейна. Однако её энергоэффективность была низкой, а улавливание диоксида серы затруднено, что привело к постепенной замене этой технологии более эффективными методами. Введение отражательной печи в Чили примерно в 1830 году произвело революцию в переработке медных концентратов в регионе и значительно увеличило производственные мощности.

Печь ISASMELT™ с верхней погружной фурмой (TSL) для плавки в ванне работает иначе. Фурма подаёт контролируемый поток воздуха, обогащённого кислородом, непосредственно в расплавленную шлаковую ванну, где фактически происходят химические реакции. Высокая турбулентность ванны ускоряет тепло- и массоперенос, концентрирует энергию реакции в точке ввода газа и резко снижает объём отходящих газов на тонну переработанного материала. Меньше отходящих газов означает меньше потерь энергии с газовым потоком и более высокую концентрацию SO₂, пригодную для переработки на сернокислотной установке и улавливания серы.

Это не постепенная оптимизация. Это принципиально иной операционный подход. Плавка необходима, потому что она связывает первичный продукт добычи с готовой пригодной к использованию катодной медью, которая имеет критическое значение для перехода к возобновляемой энергетике, обеспечивая материалы для солнечных панелей, электромобилей и систем национальной обороны.

Обогащение кислородом и удельные скорости плавки медного концентрата

Ключевым энергетическим рычагом в медеплавильной печи ISASMELT™ является обогащение воздуха фурмы кислородом. Повышение доли кислорода в потоке фурмы позволяет операторам поддерживать плавильные реакции при меньшем общем объёме газа, снижать энергию, необходимую для нагрева инертного азота из воздуха, и увеличивать удельную скорость плавки: количество тонн концентрата, перерабатываемых на единицу объёма расплавленной ванны за единицу времени.

В первичной плавке меди печь ISASMELT™ обычно работает с концентрацией кислорода в воздухе фурмы от 60 до 90% O₂. Этот уровень обогащения обычно выбирается на стадии проектирования, чтобы процесс мог приближаться к автогенной работе, при которой сера и железо в концентрате обеспечивают достаточно энергии для плавки при минимальном внешнем расходе топлива.

На медной печи ISASMELT™ Kazzinc в Усть-Каменогорске работа на практике часто была автогенной. Котёл-утилизатор получал примерно на 30% меньше газа, чем проектный объём, поскольку требовалось очень мало дополнительного топлива. Это прямое энергосбережение, встроенное в химию процесса, а не достигнутое усилиями оператора.

Преимущество по удельной скорости плавки напрямую преобразуется в экономию капитальных и операционных затрат. Одна печь ISASMELT™ продемонстрировала производственные мощности более 330 000 тонн меди в год, при мгновенных скоростях подачи концентрата свыше 200 тонн в час. Завод Southern Peru Copper Corporation (SPCC) в Ило перерабатывал 1 200 000 тонн медного концентрата в год через одну печь. SPCC выбрала технологию ISASMELT™ благодаря доказанной мощности на таком масштабе и более низким капитальным и операционным затратам по сравнению со всеми конкурирующими технологиями. К июню 2009 года завод работал с производительностью до 183 т/ч при среднем обогащении кислородом воздуха фурмы 66,7%.

Компактная печь, перерабатывающая большие объёмы при высоком обогащении кислородом, требует меньшей строительной площади, меньшего количества вспомогательных систем и меньших капитальных затрат на тонну годовой мощности. Это структурные преимущества по затратам, а не общие маркетинговые заявления.

Операционные параметры ISASMELT™ в различных плавильных применениях

В таблице ниже приведены эксплуатационные данные многочисленных установок ISASMELT™, показывающие, как масштабируются обогащение кислородом технологического воздуха, расход фурмы и размер печи в различных плавильных применениях. Контраст между вторичной плавкой свинца и первичной плавкой меди показывает, как конструкция адаптируется под конкретные тепловые и химические требования.

Источник: ISASMELT™ 2020 Compendium of Technical Papers, Glencore Technology.

Примечательно, что даже крупнейшие печи первичной плавки меди, перерабатывающие до 1 400 000 т/год шихты, делают это в агрегате с внутренним диаметром 4,5 метра. Соотношение производительности к занимаемой площади является исключительным и имеет прямые последствия как для эффективности капитальных затрат, так и для возможности модернизации существующей инфраструктуры медеплавильных предприятий.

При проектировании плавильных печей необходимо учитывать минеральный состав и содержание меди в перерабатываемых концентратах, поскольку эти факторы влияют на эффективность извлечения, образование шлака и общее извлечение меди. Плавка помогает сократить огромные объёмы добытой горной массы до концентрированного, плотного и высокоценного продукта, что является ключевым фактором экономики производства меди.

Утилизация отходящего тепла

Любая плавильная печь генерирует горячие отходящие газы. Разница между высокоэффективной и расточительной операцией часто определяется тем, как это тепло улавливается и используется.

Печи ISASMELT™ интегрируются с котлами-утилизаторами (WHB), которые охлаждают поток отходящих газов и одновременно производят пар для нужд предприятия или выработки энергии. Этот пар компенсирует покупную энергию для отопления, технологических потребностей и заводских служб. В Kazzinc котёл-утилизатор был рассчитан и спроектирован с тщательным учётом профиля газового потока и оказался надёжным на практике: пылевые отложения из свинецсодержащего концентрата не ухудшили теплообмен, как предполагалось на стадии планирования проекта.

Результаты на заводе Kayser Recycling System (KRS) компании Aurubis в Любеке, Германия, показывают в цифрах, чего может достичь такая технологическая замена. Одна печь ISASMELT™ заменила три шахтные печи и один конвертер Peirce-Smith. Сообщённые результаты:

• Снижение энергопотребления более чем на 50%.
• Снижение выбросов CO₂ более чем на 64%.
• Снижение общих выбросов по всей операции на 90%.

Производственная мощность превысила первоначальный проектный показатель на 40%.

Эти результаты были достигнуты благодаря замене технологии, а не постепенной программе операционных улучшений.

Отходящие газы из печи ISASMELT™ с высоким обогащением кислородом имеют более высокую концентрацию SO₂, чем газы, образующиеся при использовании устаревших технологий. Газ, богатый SO₂, является необходимым сырьём для производства серной кислоты, превращая улавливание серы одновременно в результат экологического соответствия и источник дохода. Плавильные предприятия, которые ранее выпускали низкоконцентрированный SO₂ в атмосферу или не могли направлять газ на контактные сернокислотные установки из-за слишком низкой концентрации, могут замкнуть этот цикл с помощью технологии ISASMELT™.

Гибкость печи и обращение с шихтой

Одним из недооценённых энергоэффективных преимуществ конструкции ISASMELT™ является её устойчивость к изменчивому качеству шихты. В традиционной плавке подготовка шихты - особенно измельчение и сушка - требует значительных капитальных и энергетических затрат. Любое отклонение от проектных свойств шихты может привести к существенным простоям или снижению производительности.

Процесс плавки в ванне ISASMELT™ по своей природе устойчив к вариациям шихты и может перерабатывать широкий диапазон скоростей подачи, составов, уровней примесей, влажности, размеров и форм материала. Поэтому требования к подготовке шихты минимальны: для большинства типов концентратов достаточно барабана агломерации, бункеров, конвейеров и питателей. Шихта поступает в ванну, перемешиваемую фурмой, где автоматизированные параметры управления процессом удерживают продукты печи в узком диапазоне независимо от изменений свойств подачи.

В Kazzinc медная печь ISASMELT™ перерабатывала концентраты, значительно отличавшиеся от первоначальной проектной спецификации, включая пропорциональное увеличение содержания свинца и сурьмы более чем на 50% и пропорциональное снижение содержания кремнезёма более чем на 50%. Операционная реакция ограничилась корректировкой скорости добавления кремнезёмного флюса и небольшой настройкой работы печи. Печь продолжала работать в пределах допустимых параметров на протяжении всего периода.

Гибкость в отношении шихты снижает энергетическую и стоимостную нагрузку подготовки материала и минимизирует операционные нарушения, которые приводят к неоптимальным условиям плавки и повышенному расходу энергии на тонну.

Конструкция ISASMELT™ также поддерживает быстрый запуск и останов. В отличие от отражательных печей, которые требуют длительных периодов нагрева и охлаждения, компактный футерованный огнеупором агрегат быстрее достигает рабочей температуры и может быть перезапущен без продолжительных кампаний повторного разогрева ванны. Это преимущество снижает энергию, расходуемую в непродуктивное время печи, что является реальной и измеримой статьёй затрат для операций с плановыми или внеплановыми остановками.

Удаление примесей и упрощение технологической схемы

Примесные элементы в медных концентратах, включая мышьяк, свинец, висмут, сурьму и цинк, должны удаляться для получения меди приемлемого качества и защиты оборудования последующего рафинирования. В традиционных плавильных схемах управление примесями часто требует дополнительных технологических стадий, отдельной обработки шлака или возврата потоков с высоким содержанием примесей в основную печь, что увеличивает энергозатраты.

Процесс ISASMELT™ использует интенсивное перемешивание ванны и высокие рабочие температуры для перевода примесных элементов в газовую фазу со скоростями, которых традиционная плавка не может достичь. Такие элементы, как мышьяк, свинец и цинк, преимущественно переходят в поток отходящих газов, где улавливаются в системе газоочистки. Высокая степень улетучивания снижает необходимость в дополнительных стадиях удаления примесей downstream и упрощает общую технологическую схему.

На заводе ISASMELT™ Yunnan Copper Corporation (YCC) в Китае коммерческие данные подтвердили способность печи эффективно удалять летучие примесные элементы, что соответствует эксплуатационному опыту Mount Isa Mines. В Kazzinc способность печи ISASMELT™ переносить и удалять летучие примесные элементы, включая свинец, мышьяк, цинк, висмут и сурьму, была определена как конкретное технологическое преимущество и критерий выбора для переработки полиметаллических концентратов.

Более простая технологическая схема является более энергоэффективной схемой. Меньше технологических стадий означает меньше часов работы печи, меньший расход реагентов и меньше вспомогательного оборудования, требующего энергоснабжения.

Аргумент в пользу модернизации: обновление существующих плавильных предприятий для электролитического рафинирования и снижения энергозатрат

Не каждый проект электролитического рафинирования и снижения энергозатрат начинается со строительства нового предприятия. Для многих операций возможность заключается в замене или дополнении существующих печей в пределах действующей площадки.

Вертикальная печь ISASMELT™ имеет небольшую занимаемую площадь относительно своей производительности. Цилиндрический, футерованный огнеупором агрегат является компактным, стационарным и в значительной степени закрытым, что позволяет устанавливать его на существующих плавильных площадках для дополнения или замены действующей технологии. Эти факторы снижают капитальные затраты на строительную часть и инфраструктуру, необходимые для модернизации, и позволяют вводить новую мощность без полной остановки предприятия.

Модернизация медеплавильного завода Mopani в Муфулире на Замбийском медном поясе, завод Vedanta в Индии, а также предприятия Yunnan Copper Corporation в Чусюне и Чамбиши являются примерами установок ISASMELT™, представляющих собой технологические обновления, а не новые greenfield-проекты. Каждая из них обеспечила улучшение энергоэффективности, более высокий контроль выбросов и большую производительность на единицу установленного капитала.

Завод Umicore в Хобокене, Бельгия, перерабатывает до 300 000 тонн в год сложных вторичных материалов, включая медь- и свинецсодержащие остатки с драгоценными металлами, в одной печи ISASMELT™, введённой в эксплуатацию в 1997 году. Работая в сложных условиях вторичной плавки, при переходе печи между режимами плавки и конвертирования при различных парциальных давлениях кислорода, футеровка достигала кампаний продолжительностью 15 месяцев между полными заменами кирпича. Это устойчивый коммерческий результат на протяжении десятилетий, а не пилотное испытание.

Контроль выбросов как часть энергетической системы

Современные стандарты выбросов SO₂, твёрдых частиц и неорганизованных газов не отделены от энергетического дизайна плавильного завода. Они являются его частью.

Медеплавильный завод, генерирующий большой объём отходящих газов с низкой концентрацией SO₂, сталкивается как с более высокими энергетическими затратами на обработку такого газа, так и с более сложной задачей соблюдения нормативных требований. Скруббирование или обработка разбавленных потоков SO₂ требует значительных затрат реагентов и энергии и часто всё равно не достигает уровня улавливания серы, который сегодня требуют регуляторы.

Печь ISASMELT™ является стационарной и полностью закрытой. Геометрия агрегата ISASMELT™ устраняет неорганизованные выбросы, характерные для открытых, вращающихся или наклоняющихся печей. Концентрированный SO₂ в потоке отходящих газов хорошо подходит для переработки на контактной сернокислотной установке, обеспечивая высокие уровни улавливания серы без штрафов на обработку, связанных с разбавленным газом. Соответствие современным стандартам выбросов встроено в архитектуру процесса, а не решается за счёт дополнительных систем скруббирования, которые требуют собственных капитальных затрат и постоянного энергопотребления.

На предприятии Kazzinc в Усть-Каменогорске внедрение медной печи ISASMELT™ способствовало значительному снижению загрязнения воздуха металлургического комплекса. Новый завод соответствовал экологическим требованиям Казахстана, а незначительные выбросы нового объекта резко контрастировали с показателями оборудования, которое он заменил.

Принятие решения о модернизации

Переработка меди является многостадийным процессом, включающим физические, химические и электрохимические методы извлечения меди из руд; при этом методы различаются по странам в зависимости от источника сырья и местных нормативных требований. Для инженеров и руководителей предприятий, оценивающих варианты модернизации или замены печей, вопрос энергоёмкости нельзя решить, рассматривая только расход топлива. Полная картина включает:

Объём отходящих газов и концентрацию SO₂, а также их значение для интеграции с сернокислотной установкой и улавливания серы.

Потенциал утилизации отходящего тепла и ценность производства пара.
Требования к подготовке шихты и энергию, заложенную в эти этапы.
Энергетическую стоимость управления примесями в последующих процессах.
Капитальную эффективность: какая производительность достижима на единицу установленного объёма печи.
Инфраструктуру соответствия выбросам: какие системы очистки необходимы и сколько стоит их эксплуатация.

Технологический пакет ISASMELT™, разработанный Glencore Technology и сегодня установленный на медеплавильных предприятиях на шести континентах с совокупной годовой мощностью переработки более шести миллионов тонн шихты, рассматривает каждое из этих измерений как часть интегрированной системы. Технология ISASMELT™ доказала свою эффективность в масштабах от 70 000 т/год до более 1 200 000 т/год через одну печь, на первичном и вторичном сырье, а также в операционных условиях от удалённых районов Австралии до Казахстана, Замбии, Перу, Китая и Бельгии.

Снижение энергоёмкости медеплавильного завода начинается с технологии печи. Всё downstream оптимизируется после этого.

Свяжитесь с Glencore Technology

Если вы оцениваете модернизацию печи, планируете новый медеплавильный завод или стремитесь снизить энергоёмкость и интенсивность выбросов существующей операции, команда ISASMELT™ располагает технологическими данными, инженерными возможностями и операционным опытом, чтобы поддержать ваш проект от ТЭО до ввода в эксплуатацию и дальнейшей работы.

Свяжитесь с нами по адресу glencoretechnology@glencore.com.au или посетите нашу страницу контактов, чтобы узнать больше о технологическом пакете ISASMELT™ и о результатах, которые он обеспечил для медеплавильных предприятий по всему миру.