0 前言

铜产业是资源型产业, 是国民经济的重要组成部分.改革开放以来, 中国铜产业通过不断深化改革, 调整结构, 实现了跨越式发展, 产业规模不断扩大, 主要产品产量持续增长, 行业总体实力逐步增强, 竞争力得到提升.与此同时, 随着国民经济快速发展和人民生活水平不断提高, 中国对铜金属的需求日益增加.在中国铜产业快速发展的同时, 面临的问题也相当突出, 特别是资源和环境约束日益显现, 粗放型发展模式导致产业结构失衡.当前中国铜产业亟需解决国内自然矿产资源不足(铜精矿自给率约23%)与铜需求增长的矛盾; 产业规模扩大与生态环境恶化的矛盾; 能源供应有限与总能耗不断上升的矛盾.国务院2009年5月发布的《有色金属产业调整和振兴规划》把发展循环经济, 搞好再生利用列为有色金属产业调整和振兴的主要任务, 并且要求“支持有条件的企业采用高效、低耗、低污染的工艺装备, 建设若干年产30万t以上的再生铜、铝等生产线, 促进资源化利用上规模、技术上水平、产品上档次, 减少矿产资源消耗.”因此, 坚持大力发展循环经济, 走节约资源、保护环境的新型工业化道路, 是铜产业可持续发展的必然选择.

紫杂铜是含铜量不低于90%的废杂铜, 其社会回收量约占全部废杂铜的2/3.紫杂铜经过再生火法精炼成为火精铜.大多数火精铜用于浇铸阳极板, 再经过电解精炼生产阴极铜.部分纯度较高的火精铜直接用于连铸连轧铜线坯(又称铜杆、铜盘条), 或用于浇铸其它紫铜坯.由于紫杂铜再生精炼产业具有流程短、生产和环保投资省、能源消耗较低等优点, 近年来发展十分迅速.火精铜的几种生产流程能耗比较见表1.

从表 1可见, 以紫杂铜为主要原料生产火精铜, 其综合能源消耗仅占以原生铜矿为源头生产火精铜的十分之一, 与以铜精矿为原料生产火精铜相比, 能源消耗可降低近40%, 还可大幅降低环保成本.大力回收以及进口紫杂铜, 大力发展紫杂铜再生精炼产业, 对于提高再生铜产业占整个铜产业的比重, 加速实现铜产业低碳化绿色化, 具有十分重要的现实意义.

1 当前国内紫杂铜再生精炼产业的主要问题 1.1 工艺设备能源利用率低冶炼耗时长

紫杂铜再生精炼产业节能减排的核心环节在精炼炉.国内再生铜行业大部分中小企业均采用传统的固定室式反射炉(阳极炉)进行紫杂铜再生精炼.最近几年有些大企业已经引进或是计划建造倾动式精炼炉(阳极炉), 简称倾动炉, 倾动炉也是一种室式反射炉, 与固定室式反射炉比较, 只是机械化程度和劳动条件有所改善, 节能减排方面的技术先进性并不明显.室式反射炉的主要问题, 一是散热面积大, 密封性差, 热效率低(能源利用率15%~30%); 二是炉内精炼时间长达16~24h, 高碳排放问题突出.

1.2 产业集中度低

产业升级是决定中国再生铜行业能否实现跨越发展的关键因素.产业升级的核心是提高产业集中度.当前我国再生铜产业中小企业占多数, 产业集中度很低, 结构调整和产业升级难度很大.产业集中度过低导致在行业规范管理、技术研发投入、产业升级等方面增加了很大难度.

2 紫杂铜火法精炼产业的低碳化绿色化思路 2.1 节能减排主攻技术创新

抓好节能减排工作, 是贯彻落实科学发展观、转变经济发展方式的紧迫任务, 也是我国应对全球气候变化的实际行动.做好节能减排工作不仅是企业履行社会责任的具体体现之一, 也是关系企业能否生存、能否可持续发展的问题.发展绿色低碳经济的理念已经深入人心, 低碳绿色经济的发展, 离不开技术进步的推动.

(1) 研发应用热效率高的竖炉与回转式精炼炉组合的紫杂铜再生精炼技术, 大幅度降低紫杂铜→火精铜工艺过程能耗.

燃气竖炉具有热效率高(能源利用率高于60%), 熔化速度快的独特优势, 但只能用于紫杂铜熔化, 不能进行氧化还原精炼, 原生铜冶炼行业的回转式精炼炉能源利用率一般不低于50%, 明显优于室式反射炉(包括倾动炉), 但只能用于液态铜精炼, 不适合固态铜熔化, 若将二者组合用于紫杂铜再生精炼替代室式反射炉, 紫杂铜原料熔化在竖炉进行, 液态紫杂铜的氧化还原在回转炉进行, 必将大幅度提高热效率(能源利用率不低于50%), 大量减少碳排放, 还可缩短冶炼周期至少一半.其基本流程是, 紫杂铜原料→燃气竖炉熔化→紫杂铜液→回转炉氧化还原精炼→火精铜液→浇铸阳极板或铜线坯等铜加工用坯.

按照这一思路, 对于单一室式反射炉的工厂, 可以进行技术改造, 增加竖炉与其组合用于紫杂铜精炼, 同样可以显著降低紫杂铜→火精铜工艺过程能耗, 提高生产效率.国内已有竖炉-反射炉联合精炼首开先河厂家案例.

(2) 借鉴钢铁工业的电炉短流程技术, 提高紫杂铜精炼产业的大型化、快速化、低碳化、绿色化水平.

钢铁工业是最大的金属工业, 年产量百倍于铜工业.经过150多年的工业化发展演变, 物竞天择, 形成了现在的两大主要流程系统.一是以原生铁矿为源头的长流程系统:铁精矿烧结、煤炭焦化→高炉炼铁(配套铁水预处理装置)→氧气转炉炼钢(配套炉外精炼装置)→连铸钢坯→轧钢; 二是以废钢为主要原料的短流程系统:电弧炉炼钢(配套炉外精炼装置) →连铸钢坯→轧钢.

现代铜工业类似于钢铁工业也形成了两大主要流程系统.一是以铜精矿为原料的长流程系统:铜精矿熔炼→冰铜吹炼→粗铜精炼→火精铜电解→阴极铜重熔加工; 二是以紫杂铜为主要原料的短流程系统:紫杂铜反射炉精炼→火精铜电解→阴极铜重熔加工.

铜精炼反射炉与炼钢电弧炉相比, 其最大区别除了二者耗能结构不同之外, 就是冶炼周期的天壤之别.铜精炼反射炉的熔化-氧化-还原冶炼周期普遍长达16~24h, 而炼钢电弧炉(配套炉外精炼装置)的熔化-氧化-还原冶炼周期不超过2h.

紫杂铜与废钢的火法冶炼技术非常相似, 应当借鉴钢铁工业的电弧炉(配套炉外精炼装置)冶炼技术, 研究开发用于紫杂铜精炼的电弧炉(配套炉外精炼装置)冶炼技术.改变紫杂铜精炼产业的能耗结构, 大幅度减少碳排放; 改变铜精炼炉单位热功率小、氧化还原技术发展慢, 炉料熔化、氧化、还原时间太长的高耗能状况, 大幅度缩短冶炼周期, 提高能源利用率和设备产能.用1套额定容量50t的中型电弧炉(配套炉外精炼装置)冶炼紫杂铜生产火精铜, 其产能相当于2套额定容量400t的特大型倾动炉.由于铜的比热容、熔解热和熔点低于铁, 其吨铜综合能耗有望达到目前吨钢综合能耗90kgce/t的水平, 只相当于粗铜→阳极铜工序综合能耗先进值(230kgce/t)的39%.应当像钢铁工业淘汰高耗能高排放的室式平炉炼钢装备技术一样, 逐步淘汰铜工业同样是高耗能高排放的室式反射炉精炼铜装备技术.

2.2 积极研发推广紫杂铜精炼高品质导电铜直接连铸连轧铜线坯的先进技术

铜线坯是纯铜(即紫铜)用量最多的铜加工产品, 社会回收的紫杂铜, 贵金属含量非常低, 不必要火法精炼成阳极铜电解成阴极铜后, 再次熔化生产连铸连轧铜线坯.应尽可能通过采用先进技术精炼成高品质导电铜, 直接连铸连轧铜线坯产品, 节省阳极铜→电解阴极铜→二次熔化连铸连轧铜线坯的工艺过程能耗.

国内铜线坯年用铜量达400多万t, 其中若有四分之一(100万t)采用紫杂铜精炼高品质导电铜直接连铸连轧铜线坯的先进技术, 按照目前阳极铜→电解阴极铜工序综合能耗限额220 kgce/t和阴极铜→熔化铜液的工序综合能耗限额80 kgce/t计算, 一年节能30万t标准煤.

2.3 提高行业门槛, 淘汰落后产能, 以示范工程推动紫杂铜再生精炼产业节能减排

希望国家有关部门和行业协会针对紫杂铜火法精炼行业特点, 研究制定行业准入条件及细则, 具体规定产品质量、能源单耗、企业规模、技术装备、配套设施、碳排放及其他环保准入指标, 遏制紫杂铜火法精炼行业低水平重复建设和盲目扩张趋势, 规范行业健康发展, 促进节能减排和技术进步, 维护市场竞争秩序, 引领和推进紫杂铜再生精炼企业健康发展.提高产业集中度, 实现集约化经营, 提高资源综合回收利用率和低碳化、绿色化、大型化水平.

鼓励自主创新研发紫杂铜再生精炼技术和设备, 积极引进和消化吸收国外先进技术, 形成具有我国特色的紫杂铜再生精炼技术体系并进行产业化推广, 建设若干重点示范工程, 逐步在全行业推广示范工程的成果及经验, 提升行业整体技术水平.以示范工程推动紫杂铜再生精炼产业节能减排发展和循环产业链建设, 促进产业结构优化升级.

3 结论

(1) 发展紫杂铜再生精炼产业是加速实现低碳绿色铜产业的有效途径.

(2) 解决当前国内紫杂铜再生精炼产业工艺设备能源利用率低、冶炼耗时长及产业集中度低的主要问题, 加速实现紫杂铜火法精炼产业低碳化绿色化的技术创新和行业调控思路是:一是围绕节能减排, 主攻技术创新.研发应用热效率高的竖炉与回转式精炼炉组合的紫杂铜再生精炼技术, 大幅度降低紫杂铜→火精铜工艺过程能耗.借鉴移植钢铁工业电炉短流程技术, 提高紫杂铜再生精炼产业低碳化、绿色化水平; 二是积极研发推广紫杂铜精炼高品质导电铜直接连铸连轧铜线坯的先进技术, 节省阳极铜→电解阴极铜→二次熔化连铸连轧铜线坯的工艺过程能耗; 三是提高行业门槛, 淘汰落后产能, 以示范工程推动紫杂铜再生精炼产业节能减排发展和循环经济建设.