Система и способ анодного рафинирования меди

Система и способ анодного рафинирования меди

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Настоящее изобретение относится к пирометаллургической обработке медьсодержащих материалов технологическими газами, такими как окислительные и восстановительные технологические газы, для преобразования таких материалов в медьсодержащие материалы более высокого качества. Более конкретно, настоящее изобретение относится к анодному рафинированию расплавленной черновой меди для удаления серы, кислорода и прочих примесей селективной обработкой расплавленной черновой меди когерентными газовыми струями окислительных и восстановительных технологических газов.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Производство меди обычно подразумевает многостадийную процедуру, которая включает этапы концентрирования, плавки, продувки в конвертере, рафинирования, литья анода и электролитического рафинирования. Обычно, начиная с руды, включающей один или более минералов на основе сульфидов меди или сульфидов меди-железа, таких как халькоцит, халькопирит и борнит, руду преобразуют в концентрат, обычно содержащий между 25 и 35 весовыми процентами (вес.%) меди. Затем концентрат под действием тепла и кислорода преобразуют в штейн, а затем в черновую медь. К черновой меди часто добавляют дополнительный металлический лом твердой меди (скрап). Дальнейшее рафинирование черновой меди выполняется снижением содержания примесей кислорода и серы в черновой меди, типично от уровней содержания не выше 0,80% и 1,0% соответственно до уровней содержания не ниже 0,05% и 0,002% соответственно, и обычно проводится при температуре в диапазоне от примерно 1090°С (2000°F) до 1300°С (2400°F) и включает окислительный процесс для окисления серы до диоксида серы, который выделяется из раствора в ванне, а также восстановительный процесс для удаления растворенного кислорода, присутствующего после стадии окисления.

[0003] Рафинирование черновой меди до анодной меди может быть проведено как периодический процесс или полунепрерывный процесс. В любом случае для вдувания потоков окислительного газа и восстановительного газа в расплав меди обычно используют высокоскоростные погружные фурмы. Однако с традиционным процессом огневого рафинирования анодной меди и вдуванием потоков окислительного и восстановительного газов через погружные фурмы связаны многообразные эксплуатационные затруднения и значительные затраты. Такие затруднения включают: техническое обслуживание фурм и проблемы надежности; сильный износ огнеупорной облицовки печи вследствие коррозионного воздействия окислительных и восстановительных газов; чрезмерное образование NO_x и вариации процесса рафинирования.

[0004] Поэтому требуется усовершенствованный способ рафинирования анодной меди, который устраняет необходимость в погружных фурмах и который достигает высоких эффективностей рафинирования и производительности, в то же время с сокращением эксплуатационных затрат и с достижением снижения уровней NO_x, связанных с процессом анодного рафинирования меди.

[0005] Раскрытые теперь система и способ рафинирования меди когерентными газовыми струями включают многочисленные признаки и аспекты, которые по отдельности и в совокупности интенсифицируют процесс рафинирования меди в плане производительности и защиты окружающей среды. Эти соответствующие изобретению аспекты и признаки более подробно представлены в нижеследующих разделах.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] В одном аспекте настоящее изобретение может быть охарактеризовано как способ рафинирования анодной меди, включающий стадии, на которых: (i) подают расплавленную черновую медь в печь; (ii) загружают медный скрап в расплавленную черновую медь в печи; (iii) расплавляют упомянутый медный скрап или нагревают расплавленную черновую медь с использованием плавильного пламени, созданного из многофункциональной когерентно-струйной фурмы верхнего дутья; (iv) окисляют примеси серы в расплавленной черновой меди в печи с использованием вдуваемой сверху когерентной струи кислородсодержащего газа, выбрасываемой из когерентно-струйной фурмы, причем упомянутая когерентно-струйная фурма соединена с источником кислородсодержащего газа и источником топлива; и (v) восстанавливают кислород в расплавленной черновой меди в печи с использованием вдуваемой сверху когерентной струи восстановительного газа, содержащей восстановитель и инертный газ, выбрасываемой из когерентно-струйной фурмы.

[0007] В еще одном аспекте настоящее изобретение может быть охарактеризовано как система для анодного рафинирования меди, включающая: медеплавильную металлургическую печь, имеющую огнеупорную стенку, причем печь приспособлена содержать ванну расплавленной меди, имеющую верхнюю поверхность, и упомянутая печь ограничивает незаполненное пространство над верхней поверхностью ванны меди; по меньшей мере одну многофункциональную когерентно-струйную фурму, соединенную с источниками кислородсодержащего газа, инертного газа, восстановителя и топлива, причем упомянутая когерентно-струйная фурма установлена в упомянутой огнеупорной стенке печи в положении над верхней поверхностью ванны меди; и контроллер, функционально регулирующий поток кислородсодержащего газа, инертного газа, восстановителя и топлива к упомянутой по меньшей мере одной когерентно-струйной фурме. Многофункциональная когерентно-струйная фурма предназначена для создания плавильного пламени для нагрева расплавленной меди или расплавления любых загрузок медного скрапа, помещенных в печь; когерентной струи кислородсодержащего газа для окисления серы в ванне меди; и когерентной струи восстановительного газа, содержащей восстановитель и инертный газ, для восстановления кислорода в ванне меди.

[0008] В еще одном аспекте настоящее изобретение может быть охарактеризовано как усовершенствование способа непрерывного рафинирования меди в анодной печи. Усовершенствование включает стадии, на которых: (i) подают расплавленную черновую медь в анодную печь и, необязательно, загружают медный скрап в расплавленную черновую медь в анодной печи; (ii) окисляют примеси серы в расплавленной черновой меди в анодной печи с использованием вдуваемой сверху когерентной струи кислородсодержащего газа, выбрасываемой из когерентно-струйной фурмы, установленной в огнеупорной стенке анодной печи в положении над верхней поверхностью расплавленной черновой меди; и (iii) восстанавливают кислород в расплавленной черновой меди в анодной печи с использованием вдуваемой сверху когерентной струи восстановительного газа, содержащей восстановитель и инертный газ, выбрасываемой из когерентно-струйной фурмы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0009] Вышеуказанные и прочие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения будут более понятными из нижеследующего, более подробного его описания, представленного в сочетании со следующими чертежами, на которых:

[0010] Фигура 1 представляет схематическую иллюстрацию части процесса анодного рафинирования меди, включая анодные печи, применяемые на предприятии фирмы Kennecott Utah Copper;

[0011] Фигура 2А представляет изометрический вид когерентно-струйной формы в сборе согласно уровню техники, размещенной внутри корпуса с водяным охлаждением, тогда как Фигуры 2В и 2С представляют изображения более простых, меньших по размеру и более легких по весу когерентно-струйных фурм в сборе в соответствии с настоящим изобретением;

[0012] Фигура 3 представляет вид сбоку в разрезе когерентно-струйной фурмы в сборе в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения;

[0013] Фигура 4 представляет вид в продольном разрезе когерентно-струйной фурмы в сборе по фигуре 3;

[0014] Фигура 5 представляет вид сбоку в разрезе альтернативного варианта реализации когерентно-струйной фурмы в сборе; и

[0015] Фигура 6 представляет вид в продольном разрезе альтернативного варианта реализации когерентно-струйной фурмы в сборе по фигуре 5.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0016] Используемый здесь термин «когерентный газовый поток» или «когерентная струя» означает поток газа, который имеет малое увеличение диаметра струи в радиальном направлении или не имеет его совсем и который сохраняет свою осевую скорость на протяжении дистанции по меньшей мере в 20 диаметров сопла, по измерению от передней поверхности сопла. Такие струи формируются выбрасыванием газовой струи через сужающееся/расширяющееся сопло и окружением ее пламенной оболочкой, которая простирается поверх по меньшей мере части длины струи, а предпочтительно - по всей длине струи. Подобным образом, термин «пламенная оболочка» означает горящий поток, образованный за счет горения топлива и окислителя, который простирается вдоль одной или более газовых струй.

[0017] В широком смысле раскрытая теперь система и способ рафинирования в общем относятся к применению технологии когерентной струи для пирометаллургического рафинирования цветных металлов. В то время как изобретение в его предпочтительных вариантах реализации относится, в частности, к анодному рафинированию расплавленной меди, определенные аспекты и признаки данных системы и способа могут быть в равной мере применимыми к рафинированию других цветных металлов, таких как никель, свинец, цинк и олово. Понятно, что в расплаве цветного металла, рафинированного с использованием раскрытых здесь способов, могут быть различные количества черных металлов. Однако представленные система и способ в особенности полезны для анодного рафинирования меди и, в частности, для процедур анодного рафинирования меди того типа, в которых загруженную партию меди нагревают и/или расплавляют, а затем последовательно приводят в контакт с окислительными и восстановительными технологическими газами из одной и той же фурмы в сборе с тем, чтобы снизить количество примесей серы и кислорода в ней.

[0018] Технология когерентной струи включает вдувание газов в форме когерентных газовых струй при сверхзвуковых скоростях в ванны расплавленного металла для достижения превосходных технологических преимуществ по сравнению с традиционными способами вдувания газа. Когерентной струю газового потока поддерживают специально сконструированные сопла для вдувания газа. Когерентность означает сохранение диаметра и скорости струи. Когерентная струя доставляет точные количества газового потока в ванну из расплавленного металла с высоким моментом количества движения (импульсом), лучшими условиями столкновения, меньшим отклонением или затуханием, меньшей степенью увлечения окружающих печных газов и меньшим образованием полостей или разбрызгиванием, по сравнению с традиционным вдуванием сверхзвуковой газовой струи. Газы, подводимые с использованием устройств для создания когерентной струи, сталкиваются с ванной расплавленной меди вдалеке от стенки печи, что может продлить срок службы футеровки печи по сравнению с вдуванием газа погружной фурмой, которая вдувает газы сквозь стенки печи.

[0019] Раскрытые теперь система и способ рафинирования меди всецело обеспечивают возможность проведения процесса анодного рафинирования без погружных фурм за счет применения одного или более многофункциональных когерентно-струйных устройств верхнего дутья для подачи кислородсодержащего газа, инертного газа или азота, восстановителя и углеводородного топлива, такого как природный газ, в анодную печь и/или в размещенный в ней расплав черновой меди. Устранением необходимости в погружных фурмах снимаются проблемы технического обслуживания и надежности и связанные с такими фурмами затраты и значительно продлевается полезный срок службы емкости печи. В дополнение, применением когерентно-струйных устройств для обеспечения плавильного пламени печь способна поддерживать расплав при желательных температурах и даже выполнять расплавление дополнительного медного скрапа, чем могут быть устранены необходимость в отдельной печи для плавления скрапа и связанные с нею расходы. Исчерпывающее осмысление современных процессов рафинирования меди, в том числе процессов непрерывного рафинирования меди фирмы Kennecott Utah Copper, представлено, например, в патенте Соединенных Штатов № 6210463 и Re 36598.

[0020] Газы, подаваемые в анодную печь, предпочтительно включают кислород, природный газ, азот и их смеси, которые подаются соответственно предварительно запрограммированным заданным значениям. Более конкретно, система управления когерентной струей состоит из системы регулирования газового потока (также называемой газовым модулем или клапанным механизмом) и предпочтительно одной или двух когерентно-струйных фурм в сборе. В основном, в системе регулирования газового потока может быть предварительно запрограммирована любая комбинация потоков. Для предотвращения закупорки сопла могут потребоваться минимальные газовые потоки, или «продувочные потоки», через каждое из отверстий, и такие минимальные газовые потоки настраиваются и поддерживаются контроллером все время, пока когерентно-струйные фурмы работают в горячей печи.

[0021] Подвергаемая рафинированию медь типично включает любой подходящий сырьевой медный материал, который содержит способные реагировать количества примесей серы и кислорода, и может быть подвергнут обработке в рассматриваемых здесь реакциях обессеривания и раскисления. Как является общепризнанным в технологии рафинирования меди, медь обычно содержит серу и кислород как в газообразной растворенной форме, так и в химически связанной с атомами меди форме, например, в такой форме, как сульфиды меди и оксиды меди. Как правило, черновая медь из процесса непрерывной конверсии содержит перед стадией окисления примеси серы в пределах диапазона от примерно 800 до 6000 миллионных долей (млн^-1) серы или более и примеси кислорода примерно 2000 млн^-1 кислорода или более. Как хорошо известно квалифицированным специалистам в этой области техники, черновая медь представляет собой продукт, который получен после стадий плавки и продувки в конвертере в процессе рафинирования меди. Данные система и способ предусматривают прямую конверсию такой черновой меди в анодную медь. Полученная анодная медь типично содержит менее чем примерно 50 млн^-1 серы и менее чем примерно 2000 млн^-1 кислорода.

[0022] Обычно анодная печь будет включать вращающуюся цилиндрическую печь, такую как анодная печь, имеющая огнеупорную футеровку, которая, необязательно, оснащена по меньшей мере одной воздушно-топливной или кислородно-топливной горелкой общеупотребительного типа, смонтированной на торцевой стенке конвертера, для подведения тепла в печь, и которая была модифицирована так, чтобы содержать по меньшей мере одну монофункциональную когерентно-струйную фурму верхнего дутья в сборе. Расплав меди содержится на дне печи. Емкость печи ограничивает незаполненное пространство над поверхностью расплава. Когерентно-струйные фурмы в сборе предпочтительно установлены на огнеупорной стенке печи в положении над поверхностью расплавленной меди и предназначены для верхней продувки расплава либо факелами плавильного пламени, либо когерентными газовыми струями.

[0023] В представленном варианте реализации когерентно-струйные фурмы установлены в верхней части печи, предпочтительно под предварительно заданным углом к поверхности расплавленной меди, чтобы свести к минимуму разбрызгивание на огнеупорную стенку. Необязательно, печь может иметь конструкцию с перемешиванием в донной части, содержащую по меньшей мере одну пористую пробку, размещенную в дне печи для вдувания перемешивающего газа, такого как азот, аргон, диоксид углерода, кислород или их комбинации. В дополнение, печь также может быть оснащена по меньшей мере одной дублирующей или вторичной фурмой для вдувания окислительных и/или восстановительных газов в расплав, когда когерентно-струйная фурма в сборе не работает, хотя в предпочтительном варианте реализации применение таких фурм не является благоприятным вследствие связанных с ними недостатков, которые были перечислены ранее.

[0024] Обращаясь теперь к чертежу, фигура 1 представляет схематическую иллюстрацию анодных печей на предприятии фирмы Kennecott Utah Copper, показывающую вариант реализации данных системы и способа рафинирования меди. Первая анодная печь 22 показана имеющей одиночную амбразуру 25 для когерентно-струйной фурмы, тогда как вторая анодная печь 24 показана как имеющая две амбразуры 25 для когерентно-струйных фурм. Хотя это не показано, места монтажа когерентно-струйных фурм в сборе предпочтительно находятся рядом с существующей платформой или мостками так, чтобы для доступа к когерентно-струйным фурмам в сборе не требовались никакие приспособления для работ на высоте. Проиллюстрированные печи включают фурмы 26, которые используются для вдувания газов во время традиционных процедур окисления и восстановления. После удаления шлака 34 черновую медь 32 из конвертера 30 взвешенной плавки подают в медеплавильные анодные печи через впускные каналы 28, а дополнительный медный скрап подают через горловину 29 печи, где медь подвергается большей части процесса огневого рафинирования, включая стадии расплавления завалки, окисления, сгребания шлака и восстановления. По завершении процесса огневого рафинирования внутри каждой анодной печи меньшие по размеру легковесные когерентно-струйные фурмы в сборе, как более подробно описано ниже, могут быть удалены, и печь поворачивается так, чтобы выливать расплавленную медь 40 из анодной печи через сливное отверстие в печи (не показано) и направлять на процесс литья.

[0025] Меньшие по размеру, более легкие по весу когерентно-струйные фурмы в сборе размещены внутри амбразур 25 для когерентно-струйных фурм, показанных на Фигуре 1. Как более подробно обсуждается ниже, когерентно-струйные фурмы в сборе используются для создания факелов плавильного пламени во время расплавления любого медного скрапа, добавленного к расплавленной завалке, а также для создания когерентных газовых струй во время технологических стадий окисления и восстановления, тем самым сокращая продолжительности циклов окисления и восстановления, а также повышая производительность анодных печей, в то же время сводя к минимуму нежелательные выбросы NO_x.

[0026] В порядке сравнения, при неиспользовании когерентно-струйных фурм в сборе и технологии, в процессе анодного рафинирования могут применяться традиционные кислородно-топливные горелки типа JL, размещенные на одном конце 20 каждой медеплавильной анодной печи 22, 24 вдали от впускных каналов 28, для подведения необходимой энергии в печь во время соответствующих стадий плавления или нагрева. Кроме того, при неиспользовании когерентно-струйных фурм в сборе, медь подвергают технологическим стадиям окисления и восстановления внутри анодной печи с использованием погружных фурм 26 для введения надлежащих газов в расплав меди.

[0027] Фигура 2А показывает трехмерное изображение когерентно-струйной фурмы в сборе согласно уровню техники, размещенной внутри корпуса с водяным охлаждением. Когерентно-струйная фурма в сборе согласно уровню техники имеет большой посадочный размер («отпечаток») с максимальным пролетом или диаметром примерно 16 дюймов. Инжектор когерентной струи согласно уровню техники предпочтительно размещен внутри корпуса с водяным охлаждением. Вся система для формирования когерентной струи с охлаждаемым водой корпусом обычно весит почти 400 фунтов.

[0028] Напротив, на фигурах 2В и 2С показана меньшая по размеру и более легкая по весу когерентно-струйная фурма в сборе 50, используемая в данных системе и способе анодного рафинирования меди. Меньшая по размеру и более легкая по весу когерентно-струйная фурма в сборе 50, 150 также размещена внутри корпуса с водяным охлаждением, все еще имеющим отпечаток в примерно 37-48 дюймов в длину, но максимальный диаметр лишь примерно 7 дюймов. Более тонкие инжекторы когерентной струи имеют диаметр лишь примерно 3,5 дюйма, и все системы для создания когерентной струи весят не более примерно половины того, что весит устройство согласно уровню техники, показанное на Фигуре 2А. Эта меньшая по размеру и более легкая по весу когерентно-струйная фурма в сборе 50, 150 позволяет уменьшить установочные амбразуры в верхней части емкости печи для более простого и безопасного вставления и удаления фурмы в сборе, а также заглушения амбразуры.

[0029] Уменьшенный вес данной когерентно-струйной фурмы в сборе вместе с вышеописанными местами монтажа обеспечивает заметно упрощенное извлечение и введение когерентно-струйной фурмы в сборе внутрь анодной печи. Амбразуры с меньшими диаметрами в основном легче открывать и проще заглушать, что сводит к минимуму риски в отношении безопасности, связанные с печью.

[0030] При любом обсуждении применения когерентно-струйной фурмы в сборе в печи необходимо рассматривать целостность конструкции печи и, в частности, неизменность характеристик огнеупорной футеровки на внутренней поверхности печи. Применением когерентно-струйной фурмы в сборе с меньшим размером и вместе с меньшими фурменными амбразурами сводят к минимуму конструкционные и огнеупорные проблемы, связанные с технологией использования когерентной струи, сравнительно с фурмами в сборе согласно уровню техники.

[0031] Когерентно-струйные фурмы в сборе соединены с источниками топлива, кислородсодержащего газа, восстановительного газа и, необязательно, инертного газа, через модуль или систему регулирования газа (не показаны). Модуль или система регулирования газа функционально управляют потоками газов к когерентно-струйным фурмам в сборе таким образом, чтобы селективно генерировать различные газовые потоки, вдуваемые в печь в целях осуществления различных стадий рафинирования, в том числе расплавления медного скрапа, а также окисления и восстановления расплавленной меди.

[0032] Когерентно-струйные фурмы предназначены для создания высокоскоростных, структурированных когерентных газовых струй, в которых по меньшей мере один первичный газовый поток выбрасывается из сужающегося-расширяющегося сопла и окружен пламенной оболочкой, которая простирается от дальнего конца фурмы в сборе или передней поверхности фурмы на по меньшей мере часть длины первичного газового потока, а предпочтительно простирается по существу по всей длине первичного газового потока, то есть, проходит от передней поверхности фурмы до поверхности расплава меди. Пламенная оболочка служит для предотвращения увлечения окружающих (печных) газов в первичный газовый поток и тем самым подавляет снижение скорости первичных газовых потоков и позволяет первичным газовым потокам сталкиваться с поверхностью расплава меди на расстояниях в примерно 20 диаметров сопла или более, по существу с сохранением осевой скорости струи. Сохранение осевой скорости газового потока позволяет газовым потокам по существу поддерживать весь свой момент количества движения в пределах поперечного сечения, который по существу равен моменту количества движения в области выхода из сопла, на всем протяжении этого расстояния, улучшая контакт между первичными газовыми потоками и расплавом меди и тем самым реакцию между когерентными газовыми струями и примесями серы и кислорода, которые присутствуют в расплаве меди, и тем самым сокращая продолжительности циклов и повышая эффективность процесса рафинирования меди.

[0033] Когерентно-струйные фурмы в сборе сильно отличаются от общеупотребительных устройств верхнего дутья для некогерентного вдувания газа, используемых в печах, в которых не применяется пламенная оболочка. С такими традиционными устройствами верхнего дутья для вдувания газа, когда газовый поток без пламенной оболочки проходит через атмосферу печи, печные газы захватываются газовым потоком, вызывая быстрое расширение его в радиальном направлении до характерной конусной формы, с быстрой потерей его осевой скорости и момента количества движения.

[0034] Действительно, у традиционных фурм или устройств верхнего дутья эта потеря осевой скорости является настолько значительной, что поток сверхзвукового газа будет терять свой сверхзвуковой характер в пределах короткого расстояния от передней поверхности фурмы. С другой стороны, при технологии когерентной струи когерентный поток газа будет по существу сохранять свою осевую скорость на расстояниях более 20 диаметров сопла, а обычно от 30 до 150 диаметров сопла. Такая большая длина позволяет смонтировать когерентно-струйную фурму в сборе дальше от расплава меди, например, так, чтобы она была заподлицо с огнеупорной стенкой печи, без потери эффективности процесса. Более того, значительно более высокая скорость когерентных газовых струй обеспечивает возможность более глубокого проникновения газов в расплав меди, чем это получается в случае традиционных, вдуваемых сверху без пламенной оболочки (т.е. некогерентных) газовых потоков. В самом деле, во многих случаях представляется, что когерентные газовые струи проникают глубоко в расплав меди до того, как выталкивающие силы плавучести заставят вдуваемые газы вернуться обратно наверх, так что действие газа внутри расплава имитирует действие вдуваемого под поверхность газа, тем самым устраняя необходимость в погружных фурмах.

[0035] Обращаясь теперь к фигурам 3 и 4, там иллюстрирован предпочтительный инжектор когерентно-струйной фурмы, включающий переднюю поверхность 52 фурмы, имеющую расположенное в ней по центу основное сопло 54, окруженное концентрическими кольцами каналов 56 для топлива и каналов 58 для окислителя (т.е. топливных и окислительных соответственно). Хотя это не показано на фигурах 3 и 4, инжектор когерентно-струйной фурмы содержится в корпусе с рубашкой водяного охлаждения, который охлаждается водой с использованием гибкого шланга от водяной рубашки до водопровода. В рубашку водяного охлаждения обычно поступает значительное количество охлаждающей воды, часть которой отводится от коллектора рубашки водяного охлаждения в когерентно-струйную фурму в сборе.

[0036] В предпочтительном варианте реализации топливо предпочтительно представляет собой природный газ 64, подводимый к топливным каналам 56 через протоки 65. Подобным образом, окислитель представляет собой кислородсодержащий газ, такой как промышленный чистый кислород 62, подводимый к окислительным каналам 58 по протоку 63. Предпочтительно, каждый из топливных каналов 56 и окислительных каналов 59 размещен в кольцеобразной выемке внутри корпуса с водяным охлаждением, чтобы свести к минимуму любое закупоривание каналов. Сопло 54 для первичного газа представляет собой высокоскоростное сужающееся-расширяющееся сопло, надлежащим образом подобранное по размеру с учетом газов и газовых потоков, предполагаемых к подведению когерентно-струйной фурмой в сборе 50. Сопло 54 на своем расположенном выше по потоку (входном) конце предпочтительно соединено с одним или более источниками газа 60 через первый проток 61. В то время как фигуры 3 и 4 иллюстрируют простую и предпочтительную конструкцию инжектора, при желании могут быть применены альтернативные компоновки инжектора и конфигурации сопла. Например, вместо одиночного центрального сопла могут быть использованы сдвоенные сопла для первичного газа.

[0037] Обращаясь теперь к фигурам 5 и 6, там иллюстрирован альтернативный предпочтительный вариант реализации инжектора когерентно-струйной фурмы, включающего переднюю поверхность 152 фурмы, имеющую размещенное в ней по центру вокруг ее радиальной срединной точки основное сопло 154 и окруженное одиночным концентрическим кольцом из газовых каналов 155. Хотя на Фигурах 5 и 6 это не показано, инжектор когерентно-струйной фурмы также содержится в корпусе с рубашкой водяного охлаждения и также может включать встроенный узел пирометра для определения температуры расплава.

[0038] В этом альтернативном предпочтительном варианте реализации топливо предпочтительно представляет собой природный газ 164, подводимый по некоторым из газовых каналов 155 через протоки 165. Подобным образом, окислитель представляет собой кислородсодержащий газ, такой как промышленный чистый кислород 162, подводимый по другим газовым каналам 155 через проток 163. Предпочтительно, газовые каналы 155 размещены концентрическим кольцом в чередующейся последовательности, где газовые каналы 155, подсоединенные к топливу, размещены смежными с газовыми каналами 155, подсоединенными к кислороду, и наоборот. Все газовые каналы 155 предпочтительно размещены в кольцеобразной выемке внутри корпуса с водяным охлаждением для того, чтобы свести к минимуму любое засорение каналов в результате разбрызгивания расплава. Сопло 154 для первичного газа представляет собой высокоскоростное сужающееся-расширяющееся сопло, надлежащим образом подобранное по размеру с учетом газов и газовых потоков, предполагаемых к подведению инжектором когерентно-струйной фурмы. Сопло 154 для первичного газа через проток 161 предпочтительно соединено с одним или более источниками газа, в том числе предпочтительно источником основного кислорода 160 через соединительную муфту 172 и источником инертного газа, такого как азот 170, через соединительную муфту 171.

[0039] Данная когерентно-струйная фурма в сборе способна генерировать как традиционное плавильное пламя (слабое дутье), так и когерентные газовые струи, окруженные пламенной оболочкой (сильное дутье). Используемое здесь «плавильное пламя» имеет отношение к создаваемому при слабом дутье некопьевидному пламени (в технологии кислородно-топливных горелок называемому «кустистым пламенем»), покрывающему обширную площадь поверхности. Такие факелы пламени создают регулированием потоков топлива и окислителя таким образом, что получается пламя, которое распространяется по радиальному направлению и утрачивает свой сверхзвуковой характер в пределах дистанции примерно 20 диаметров сопла от дальнего конца сопла или передней поверхности фурмы. Как подразумевает название, такие факелы пламени предпочтительно используются для расплавления твердой меди и других материалов завалки, таких как медный скрап, поскольку они подводят большое количество тепла к большой площади поверхности для расплавления загруженного материала. В данных вариантах реализации газовые потоки, используемые во время такого расплавления, по существу не содержат азота для сведения к минимуму образования NO_x. Факелы плавильного пламени также могут быть использованы для поддержания температуры расплава меди в пределах предписанного диапазона во время любых эксплуатационных режимов «удержание/холостой ход» и «горелка».

[0040] При генерировании факелов плавильного пламени поток газа в сопло для первичного газа предпочтительно дросселируют от условий сверхзвуковой скорости с высоким расходом до уменьшенного потока, который является по меньшей мере достаточным для предотвращения засорения сопел (называемого «продувочным потоком»), хотя, если желательно, высокоскоростной поток газа через сопло может продолжаться, но без пламенной оболочки, для создания гибридного плавильного/копьевидного пламени. Данные система и способ предусматривают применение и кустистого, и гибридного пламени, и все они суммированы под общим термином «плавильное пламя».

[0041] Топлива, пригодные для применения с данными системой и способом, включают большинство углеводородных топлив, таких как природный газ, газообразный водород, и жидкие топлива, но наиболее предпочтителен природный газ. Пригодные окислители включают кислородсодержащий газ и, предпочтительно, высокочистый газообразный кислород промышленного сорта. Потоки природного газа и кислородсодержащего газа предпочтительно регулируют так, чтобы общий поток природного газа и кислородсодержащих газов равномерно распределялся между соплом для первичного газа и вторичными каналами, соответственно, когда когерентно-струйные фурмы в сборе эксплуатируют в «режиме горелки» (например, режим плавильного пламени).

[0042] Программируемый логический контроллер (ПЛК) на основе микропроцессора функционально связан с когерентно-струйными устройствами для точного контроля подачи газов в когерентно-струйные фурмы во множестве различных эксплуатационных режимов (например, режим «удержание/холостой ход», режим «горелка», режим «рафинирование») и в ответ на команды пользователя и условия работы печи. Реальные газовые потоки обычно диктуются условиями эксплуатационного режима и конкретными проводимыми стадиями процесса рафинирования (например, нагрев холодной черновой меди или плавление скрапа, окисление, восстановление, сгребание шлака, и т.д.). Выбор эксплуатационных режимов и конкретных технологических стадий, используемых в данной когерентно-струйной системе, предпочтительно делает оператор анодной печи через интерфейс «человек-машина» с чувствительным к прикосновениям экраном на пульте управления в диспетчерской или в машинном зале.

[0043] Основная технологическая задача данных системы и способа анодного рафинирования меди состоит в подведении энергии в анодную печь для расширенного или усиленного расплавления медного скрапа, в то же время оставаясь ниже уровня выбросов NO_x из плавильной печи и со снижением общей продолжительности циклов окисления и восстановления. Другими словами, цель данных системы и способа заключается в достижении наилучшего баланса между эксплуатационными расходами, эффективностью использования энергии, продолжительностью цикла и наинизшего достижимого образования NO_x. Типичные технологические операции медеплавильной печи включают следующие стадии: (i) загрузка; (ii) расплавление; (iii) окисление; (iv) восстановление; (v) сгребание шлака; и (vi) литье. Конкретные технологические стадии для вышеуказанных этапов процесса рафинирования с использованием данного когерентно-струйного способа более подробно обсуждаются ниже.

Загрузка и контроль выбросов NO _x

[0044] Как обсуждалось выше, данные система и способ представляют усовершенствованный процесс анодного рафинирования меди с низкими выбросами NO_x, где когерентно-струйные фурмы в сборе используются для последовательного приема расплавленной черновой меди и загруженного скрапа, расплавления завалки меди, обессеривания расплава, необязательно сгребания шлака с расплава, раскисления расплава и, необязательно, подведения тепла к расплаву для содействия процессу литья. На первой стадии этого процесса обеспечивают расплав меди в печи. В общем, этот расплав меди будет принимать форму ванны расплавленной меди, оставшейся от предшествующей операции рафинирования, которая поддерживается в расплавленной форме посредством тепла, подводимого горелкой, или, альтернативно, из когерентно-струйных фурм в сборе. В эту ванну расплавленного металла загружают твердую медь в печь в течение времени заполнения примерно 7-10 часов. При желании, холодный медный скрап также может быть загружен в печь в количестве, которое, в расчете на вес, составляет незначительную часть общей завалки. Твердый скрап может быть загружен в печь в один или более предпочтительно в несколько этапов.

[0045] Во время загрузки печи с сопутствующим открыванием ее печной дверцы содержимое подвергается воздействию окружающей атмосферы, приводящему к образованию больших количеств NO_x. Действительно, было обнаружено, что образование NO_x во время этапа загрузки является самым главным и единственным источником образующихся NO_x в течение всего процесса анодного рафинирования. Значительное сокращение количества образующихся NO_x в течение всего процесса может быть достигнуто подавлением образования NO_x во время этапа загрузки, используя данную фурму в сборе, действующую в режиме «удержание/холостой ход».

[0046] Неожиданно было найдено, что образование NO_x может быть значительно и непредсказуемо снижено вдуванием газообразного азота в незаполненное пространство печи через когерентно-струйные фурмы в сборе. В одном варианте реализации в незаполненное пространство печи через сопло вдувают газообразный азот, газообразный кислород и поток природного газа. Без намерения вдаваться в какую-либо конкретную те