JANUSZ STASZAK JERZY GARBACKI JÓZEF PARADOWSKI Rudy Metale R51 2006 nr 7 UKD 669.3(438):669.013.001.6(438)65.011.1:65.016 WYKORZYSTAĆ SZANSĘ PROJEKCJA PLANÓW ROZWOJOWYCH HUTY MIEDZI GŁOGÓW Huta Miedzi GŁOGÓW składa się z dwóch Zakładów o pełnym ciągu technologicznym od przetopu koncentratu do produkcji katod miedzianych rafinowanych elektrolitycznie. Huta Miedzi GŁOGÓW I została uruchomiona w 1971 r. i pracuje opierając się na technologii przetopu brykietowanych koncentratów w piecach szybowych, a następnie konwertorowania kamienia miedziowego do miedzi blister w konwertorach typu Hoboken z syfonowym odciągiem gazu. Huta Miedzi GŁOGÓW II została uruchomiona w 1978 r., a ciąg technologiczny jest oparty na wytopie jednostadialnym miedzi blister w piecu zawiesinowym. W perspektywie posiadanych przez KGHM zasobów rudy podaż koncentratów będzie zaspokajała produkcję miedzi przez następne 25 lat na poziomie zbliżonym do obecnie osiąganych wielkości. Obecnie eksploatowana technologia wytopu kamienia w piecach szybowych jest technologią przestarzałą i nie spełnia wielu wymogów stawianych przez współczesne metody produkcji oraz warunki korzystania ze środowiska. W perspektywie następnych 25 lat utrzymania produkcji w KGHM na dotychczasowym poziomie wymagane jest podjęcie działań w celu modernizacji ciągu technologicznego HMG I, tak aby spełniał wszystkie wymagania techniczno-ekonomiczne oraz ochrony środowiska. Możliwości rozwoju i modernizacji HMG I są opracowane na podstawie dostępnych światowych technologii produkcji miedzi i rozpatrywane w aspekcie specyfiki polskich koncentratów, które są unikatowe z uwagi na wysoką zawartość węgla organicznego. Możliwości rozwoju poprzez dobór nowej technologii lub modernizacji pieców szybowych są rozważane w kilku aspektach: uzyskania obniżki kosztów produkcji, wyeliminowania wad obecnie eksploatowanych linii technologicznych oraz możliwości zwiększenia zdolności produkcyjnych w perspektywie następnych lat. Słowa kluczowe: hutnictwo polskie, metalurgia miedzi, rozwój gospodarczy TAKING A CHANCE DEVELOPMENT PLANS OF THE GŁOGÓW COPPER SMELTER The Głogów Copper Smelter consists of two plants with full technological lines, from concentrate smelting to the production of electrolytically refined copper cathodes. The Głogów I Copper Smelter was started in 1971 and operates based on technology for smelting briquetted concentrates in shaft furnaces followed by copper matte converting to blister copper using Hoboken-type converters with a syphon off-gas duct. The Głogów II Copper Smelter was started in 1978 and its technological line is based on a single-stage process of smelting blister copper in a flash furnace. Considering the ore deposit resources owned by KGHM the concentrate supply will be sufficient to ensure copper production volume at the level close to the present one for the next 25 years. Technology for copper matte smelting in shaft furnaces, which is used at present, is obsolete and does not meet the requirements of modern production methods and environment protection standards. In order to maintain production volume at the current level over the next 25 years it is necessary to take appropriate measures aimed to modernize technological line at Głogów I Copper Smelter (HMG I) so as to meet all technical, economic and environment protection related requirements. The development and modernization plans for HMG I have already been prepared based on worldwide known technologies for copper production with an account of the specificity of Polish concentrates, which are unique due to high content of organic carbon. Possibilities of further development, including the choice of new technology and modernization of shaft furnaces, are being considered from several points of view: production costs reduction, elimination of drawbacks of currently operated technological lines and possibilities of increasing production capacity over the next years. Keywords: Polish metallurgy, copper metallurgy, economic development Specyfika polskich koncentratów Polskie koncentraty różnią się od światowych: zróżnicowaną średnią zawartością miedzi, dużą zawartością metali towarzyszących: Pb, Ag, stosunkowo niską zawartością żelaza i siarki, zawartością węgla organicznego. Obecne eksploatowane linie technologiczne w HMG i HML Schemat HMG I i HML operacje technologiczne: Mieszanie koncentratu z lepiszczem oraz suszenie i brykietowanie mieszanki; Wytop kamienia miedziowego w piecach szybowych; Konwertorowanie kamienia miedziowego do miedzi blister; Klasyczny proces elektrorafinacji miedzi anodowej do katod. Schemat HMG II operacje technologiczne: Suszenie koncentratu; Mgr inż. Janusz Staszak, mgr inż. Jerzy Garbacki, mgr inż. Józef Paradowski KGHM Polska Miedź S.A., O/Huta Miedzi GŁOGÓW, Żukowice. 388
Składnik % LUBIN POLKOWICE RUDNA Tablica 1 Table 1 Import Cu 17,0 ±1 27,8 ±1 29,9 ±1 30 40 Fe 5,8 7,5 1,86 2,28 2,92 3,46 10 20 S 10,23 11,97 8,26 10,58 10,81 11,49 15 22 Pb 2,1±0,2 1,4±0,2 1,9±0,2 0 1 Zn 0,32 0,54 0,50 0,62 0,37 0,45 < 0,5 As 0,36 0,38 0,08 0,12 0,069 0,08 < 0,1 SiO 2 20,54 21,30 15,41 18,86 19,09 21,02 10 20 Al 2 O 3 6,2 7,55 5,41 6,86 4,73 5,79 1 5 MgO 3,57 4,11 3,34 4,50 2,60 3,72 0 2 CaO 5,03 6,29 7,64 8,73 5,13 6,26 1 6 C og 10,16 11,16 11,30 11,64 7,87 9,03 C org 7,94 8,35 8,04 8,9 5,75 6,82 K 1,68 1,87 1,39 1,46 1,32 1,99 Na 0,17 0,22 0,16 0,39 0,18 0,32 Bezpośredni wytop miedzi blister z koncentratu w piecu zawiesinowym; Odmiedziowanie żużla w piecu elektrycznym i uzyskanie stopu Cu-Pb-Fe; Konwertorowanie stopu Cu-Pb-Fe dla uzyskania miedzi blister; Klasyczny proces elektrorafinacji miedzi anodowej do katod. Wady i zalety przetopu koncentratu w piecach szybowych Wady: Kosztowny, pracochłonny i skomplikowany proces formowania brykietów; Konieczność stosowania odpadowego ługu posulfitowego jako czynnika wiążącego i związane z tym problemy (rozładunek, magazynowanie, dozowanie); Strategiczne znaczenie ługu, którego brak lub niewłaściwa jakość decyduje o wielkości produkcji miedzi w procesie szybowego przetopu koncentratów; Skomplikowany i energochłonny transport materiałów wsadowych; Konieczność stosowania drogiego koksu jako paliwa; Niska sprawność energetyczna pieców szybowych; Generowanie dużej ilości gazów procesowych o niskiej zawartości SO 2 wymagających dopalenia w kotłach oraz odsiarczania spalin i składowania powstałego odpadu; Bardzo trudny proces oczyszczania gazów procesowych z frakcji pylistej i skondensowanej; Rozbudowana instalacja odciągowa gazów wtórnych; Stosunkowo wysoki transfer zanieczyszczeń do atmosfery na drodze transportu produktów fazowych: kamienia, żużla, pyłów i gazów; Trudna sterowalność procesu przetopu brykietów w piecach szybowych wydajność procesu w znikomym stopniu możliwa do regulacji, zakłócenia procesu wymagają wielu zmian (dni) na doprowadzenie do parametrów oczekiwanych; Mnogość czynników mogących ruchowo zakłócić wydajność przetopu brykietów (kolejowy transport żużla, taśmowy transport materiałów wsadowych, odbiór gazu gardzielowego na odpylni lub elektrociepłowni); Duża pracochłonność obsługi pieca szybowego podczas zakłóceń w normalnej pracy (praca na dyszach, udrażnianie oka, szorowanie przy blokowaniu oka cegłą, spuszczanie zimnego topu); Produkcja szlamów szybowych o wysokiej zawartości ołowiu i związków bitumicznych, bardzo kłopotliwych na dalszych etapach przerobu; Trudne warunki pracy dla załogi; Znaczna emisja niezorganizowana substancji zapachowych; Zagospodarowanie materiałów zawrotowych i wsadów zanieczyszczonych (przedstawione jako zaleta procesu) wymaga dodatkowego przetopu koksu oraz uprzedniego przygotowania tych materiałów (granulacja, transport, właściwe namiarowanie); Ogólna wydajność produkcji miedzi wymaga sprzężenia zdolności produkcyjnej pieców szybowych i konwertorów (ograniczone możliwości produkcji kamienia miedziowego na hałdę oraz ograniczone możliwości przetopu stałego kamienia z hałdy). Zalety: Duża elastyczność procesu w stosunku do jakości koncentratów; Wysoki uzysk miedzi oraz metali towarzyszących; Możliwość przetopu materiałów zawrotowych i wsadów zanieczyszczonych; Niskie koszty urządzeń produkcyjnych w części ogniowej; Rezerwowe urządzenia hutnicze umożliwiają wykonywanie remontów bez konieczności zatrzymywania ciągu technologicznego; Krótki okres postojowy na remont urządzeń fabryki kwasu siarkowego. Wady i zalety przetopu koncentratu w piecu zawiesinowym Zalety: Duża elastyczność zdolności produkcyjnych procesu; Prosty i ekonomiczny proces suszenia i transportu koncentratu (z możliwością dalszego obniżenia kosztów suszenia suszarka parowa); Skupienie reakcji chemicznych w jednym agregacie; Duża koncentracja SO 2 w gazach procesowych; Wysoka sprawność odzysku ciepła procesowego w kotle odzysknicowym; Stabilność parametrów procesowych ułatwia pracę w optimum technologicznym oraz automatyzację i sterowanie procesem. Wady: Kosztowny proces odmiedziowania żużla; Uzależnienie pełnej wydajności procesu od spełnienia szeregu warunków (właściwe wysuszenie i granulacja koncentratu, zamknięcie bilansu ciepła w obrębie pieca, odbiór ciepła w kotle odzysknicowym); Problem z zamknięciem bilansu zawrotów w wersji procesu jak dla HMG II; Długi okres postoju remontowego ciągu technologicznego. Cele strategiczne rozwoju HMG I Strategiczne kierunki modernizacji HM Głogów I Czynniki determinujące konieczność modernizacji: Modernizacja nieefektywnego technicznie i ekonomicznie procesu szybowego w HM GŁOGÓW I (stabilizacja produkcji na wyższym poziomie, maksymalne zagospodarowanie półproduktów i zawrotów); Utrzymanie dotychczasowego poziomu produkcji miedzi elektrolitycznej, a przy ograniczonej podaży własnych koncentratów możliwość uzupełnienia koncentratami importowanymi; Eliminacja kosztów na remonty i odtworzenie wyeksploatowanych urządzeń instalacji starej huty; Poprawa wskaźników technicznych, ekonomicznych i ekolo- 389
gicznych w procesie wytwarzania miedzi w HMG; Wyeliminowanie konieczności zużywania (w procesie brykietowania koncentratów dla pieców szybowych) importowanego ługu posulfitowego, a co za tym idzie eliminacja niebezpieczeństwa wstrzymania produkcji miedzi wskutek zaprzestania produkcji tego produktu; Wyeliminowanie uciążliwej technologii oczyszczania gazów procesowych z pieców szybowych, która generuje szlamy ołowionośne o dużej zawartości szkodliwych związków organicznych, utylizacji gazów w elektrociepłowni i Instalacji Odsiarczania Spalin; oraz składowania powstałego odpadu; Osiągnięcie pełnej zgodności stosowanej techniki i technologii wytwarzania miedzi ze standardami Unii Europejskiej, zwłaszcza we wskaźnikach ochrony środowiska. Wybór strategii rozwoju HMG I Strategia rozwoju HMG I zakłada utrzymanie osiągniętego poziomu produkcji w KGHM PM S.A., przy jednoczesnym zapewnieniu konkurencyjności produkcji wobec dynamicznego, coraz trudniejszego do prognozowania zachowania się rynku miedzi. W obecnej sytuacji zmniejszania zdolności pozyskiwana koncentratów miedziowych z własnego złoża KGHM, zachodzi konieczność uzupełnienia bilansu miedzi do pełnych zdolności hut, zakupem koncentratów z importu. Światowy rynek koncentratów dysponuje szeroką gamą dostawców, jednak w zdecydowanej większości są to koncentraty chalkopirytowe o wysokiej zawartości żelaza i siarki. Dla takich koncentratów ze względu na wielkość generowanego ciepła reakcji jest predysponowany proces dwustadialny bez względu na rodzaj stosowanej technologii. Polskie koncentraty z uwagi na zawartość węgla organicznego również posiadają wysokie parametry energetyczne. Przetop koncen- tratów krajowych z udziałem koncentratu importowanego w urządzeniach hutniczych obecnie eksploatowanych w HMG jest możliwy przy ograniczonym udziale importu. W ciągu technologicznym HM GŁOGÓW I ograniczeniem jest wzrost upału siarki do gazów gardzielowych oraz wzrost zawartości siarki i żelaza w kamieniu miedziowym. Zbyt duża zawartość siarki w gazie powoduje, że istniejąca instalacja odsiarczania nie jest w stanie sprostać wymogom stawianym przez Unię Europejską. Większy udział siarki i żelaza powoduje wydłużenie cyklu konwertorowania kamienia, co w znacznym stopniu zmniejsza zdolności produkcyjne miedzi konwertorowej. Przerób koncentratów chalkopirytowych w procesie zawiesinowym pozwala na pełną utylizację związków siarki do kwasu siarkowego. W piecu zawiesinowym eksploatowanym w HM GŁOGÓW II udział koncentratu chalkopirytowego ogranicza wzrost ciepła reakcji w szybie reakcyjnym i brak zdolności utylizacji zwiększonych ilości SO 2. Kompensacja ciepła reakcji w procesie zawiesinowym jest prowadzona poprzez stosowanie dodatku do wsadu związków wapnia, które pochłaniają ciepło oraz poprawiają własności żużla. Możliwości stosowania dodatkowo związków wapnia są ograniczone z uwagi na kinetykę procesu utleniania koncentratu oraz unos pyłów w strudze gazów procesowych. W latach dziewięćdziesiątych wprowadzono szereg modernizacji w procesie szybowego wytopu koncentratów (brykietów) w zakresie namiarowania wsadu do produkcji brykietów, odpylania gazów procesowych i rejonów emisji niezorganizowanej (przesypy, spusty), czy odsiarczania spalin. Wydaje się, że osiągnięto szczyt modernizacji przestarzałego procesu. Dalszy postęp można uzyskać zmieniając technologię wytopu. Zdecydowaną większość światowej produkcji miedzi uzyskuje się w trzech podstawowych procesach przetop w piecu zawiesinowym OUTOKUMPU, w reaktorach Teniente i w piecach z zanurzoną lancą (procesy TSL Top Submerged Lance ISA- Schemat technologiczny GŁOGOWA I (po modernizacji) Rys. 1. Schemat technologiczny projektowanego ciągu produkcyjnego Fig. 1. Technological flowchart of the designed production line 390
Rys. 2. Schemat technologiczny HML (po modernizacji) Fig. 2. Technological flowchart of the Legnica Copper Smelter (after modernization) SMELT, Ausasmelt). Technologie te bazują na przetopie koncentratu pylistego, bez formowania brykietów i związanych z tym kosztów i problemów. W olbrzymiej większości są to operacje dwustadialne PSR (Primary Smelting Reactor) do wytopu kamienia miedziowego (mat lub biały metal) i dalsze konwertorowanie do miedzi blister. Próby uzyskania miedzi blister w jednostadialnym procesie na skalę przemysłową powiodły się w przypadku zastosowania pieca zawiesinowego, w którym topienie rozpylonego koncentratu zachodzi w szybie reakcyjnym, w zawiesinie fazy stałej/ciekłej w dmuchu (reaktor Teniente i piece z zanurzoną lancą wykorzystują zjawisko topienia koncentratu w warstwie już stopionego topu). Wspomniane wyżej procesy są nowoczesnymi rozwiązaniami, stale doskonalonymi. Nie wymagają specjalnego przygotowania koncentratu (poza głębokim suszeniem, i to nie zawsze), wymagają natomiast zastosowania dmuchu wzbogaconego w tlen. Ciepło reakcji odbierane jest w kotłach odzysknicowych w postaci pary wysokoprężnej. Są to procesy stosunkowo łatwe do sterowania, z możliwością pracy w szerokim zakresie nadawy koncentratu. Ich wspólną cechą jest prawidłowość, że prowadząc je jako procesy dwustadialne w PSR (lub odstojniku przynależnym do pierwszego pieca) uzyskuje się stosunkowo łatwo żużel o niskiej zawartości miedzi, który może być kierowany na hałdę jako materiał odpadowy, natomiast mat wymaga świeżenia w następnym piecu. Z kolei prowadząc proces jako jednostadialny, do miedzi blister, zdecydowaną większość miedzi blister produkuje się w zasadniczym reaktorze, ale żużel uzyskiwany w tym piecu jest bogaty w miedź i wymaga odmiedziowania w innym agregacie, ponadto proces uzyskiwania miedzi blister jest względnie czuły na zmiany parametrów technologicznych. Piece z przetopem koncentratu w topie reaktor Teniente i procesy TSL umożliwiają w stosunkowo prosty sposób przetop żużli i innych zawrotów w podstawowym reaktorze, natomiast proces zawiesinowy wymaga innej metody utylizacji tych materiałów. Porównując te procesy można stwierdzić, że żaden z nich nie jest rozwiązaniem uniwersalnym, każdy z nich ma swoje zalety i wady w odniesieniu do specyfiki przerabianych koncentratów czy innych najczęściej lokalnych uwarunkowań. Analiza tych procesów, a także doświadczenie uzyskane podczas wieloletniej eksploatacji pieca zawiesinowego w Hucie Miedzi GŁOGÓW II, narzucają wybór tej technologii dla zmodernizowanej huty GŁOGÓW I. Z kolei projektowanie i budowa całkowicie nowego zakładu pozwala na zaprojektowanie go pod docelową wielkość produkcji miedzi w KGHM, bez konieczności dalszych zmian w technologii przetopu. Schemat HMG I po modernizacji operacje technologiczne: Suszenie koncentratu; Wytop miedzi blister w procesie jednostadialnym pieca zawiesinowego; Wstępne odmiedziowanie żużla PZ w piecu elektrycznym i otrzymanie stopu Cu-Pb; Kontrolowane chłodzenie żużla w dołach oraz jego urabianie i kruszenie; Konwertorowanie bogatego stopu Cu-Pb do miedzi blister; Elektrorafinacja miedzi w klasycznym procesie elektrolizy. Celem modernizacji jest budowa kompleksu pieca zawiesinowego w HM GŁOGÓW I do jednostadialnej produkcji miedzi blister, o zdolności produkcyjnej 350 tys. Cu blister. Zakres inwestycji w HM LEGNICA obejmuje: zabudowę pieca do topienia złomów i miedzi stałej z HM GŁOGÓW typu Contimelt wraz z załadunkiem wsadu i odpylnią. Utylizacja wstępnie odmiedziowanego żużla PE Żużel wstępnie odmiedziowany (721 661 Mg), zawierający 3,5 % Cu będzie powoli studzony i po zakrzepnięciu kruszony do ziarnistości poniżej 15 mm. Dalszy przerób żużla będzie miał miejsce w zakładzie wzbogacania flotacyjnego. W wyniku drugiego etapu odmiedziowania otrzyma się koncentrat wtórny o udziale 24,0 % Cu oraz odpady flotacyjne zawierające poniżej 0,4 % Cu. Stop CuPb wraz z zawrotami własnymi i zawrotami z innych wydziałów będzie przerabiany w konwertorach. Produkty tego etapu to miedź konwertorowa w ilości 99 579 Mg, żużel (31 546) zawracany do pieca elektrycznego oraz pyły (1000 Mg) przesyłane do Wydziału Ołowiu. Głównymi zaletami tej technologii są: prosty i tani sposób przygotowania wsadu polegający tylko na suszeniu koncentratu do 0,3 % mas. H 2 O, autogeniczność procesu, który przebiega z niewielkim udziałem paliwa, a głównym źródłem energii jest ciepło utleniania węgla organicznego i siarczkowych składników koncentratu, 391
Rys. 3. Huta Miedzi Głogów I stan aktualny Fig. 3 Głogów I Copper Smelter current state znaczne zwiększenie udziału arsenu i ołowiu wyprowadzanych z procesu w postaci żużli o znikomej zdolności oddziaływania na środowisko; pełna utylizacja gazów procesowych, niska emisja SO 2 tak z gazami z Fabryki Kwasu Siarkowego, jak też wskutek zmniejszenia ilości gazów z Instalacji Odsiarczania Spalin, możliwość zamknięcia bilansu zawrotów. Proces zawiesinowego przetopu koncentratów KGHM (o wysokiej zawartości węgla organicznego) do miedzi blister w początkach jego stosowania (koniec lat siedemdziesiątych, lata osiemdziesiąte) stwarzał wiele problemów technologicznych i ruchowych, których nie potrafili rozwiązać licencjodawcy procesu (OUTOKUMPU). Rozwiązanie tych problemów zajęło polskim specjalistom wiele lat. Dopracowano się wielu własnych rozwiązań zarówno konstrukcyjnych, jak i technologicznych. Zastosowanie tej technologii w zmodernizowanej Hucie Miedzi GŁO- GÓW I pozwoli na wykorzystanie wieloletnich doświadczeń i zminimalizuje liczbę potencjalnych problemów rozruchowych. Wybór tej technologii pozwoli na wyprzedzające przeszkolenie załogi do obsługi procesu, tak więc w czasie rozruchu Huta będzie dysponować doświadczonym personelem zarówno technologicznym, jak i służbami utrzymania ruchu. Również biura projektów, robiące dokumentację techniczną dla znanego i opanowanego procesu, dostarczą projekty ze sprawdzonymi rozwiązaniami. Zastosowanie w HM GŁOGÓW I, w miejsce pieców szybowych, procesu zawiesinowego, oprócz obniżenia kosztów produkcji, rozwiązuje również inne niedogodności istniejącej technologii: zapewnia pełne wykorzystanie węgla organicznego i węglowodorów jako nośnika energii w piecu zawiesinowym, dzięki czemu nie będą powstawać uciążliwe do zagospodarowania materiały ołowionośne w postaci szlamów szybowych, likwiduje import deficytowego w najbliższej przyszłości ługu posulfitowego, w zdecydowany sposób zwiększa produkcję pary na potrzeby zakładu, rozwiązuje w znacznym stopniu problemy ochrony środowiska, zwłaszcza dla Legnicy, minimalizuje proces odsiarczania spalin i ilość generowanego odpadu tej technologii (siarczyny i siarczany wapniowe), w ramach budowy nowej Huty I następuje odmłodzenie parku maszynowego większości urządzeń HMG I, co oznacza nie tylko minimalizację nakładów remontowych w pierwszych latach eksploatacji zmodernizowanej huty, lecz również zastosowanie urządzeń nowoczesnych, spełniających światowe standardy środowiskowe, mniej energochłonne, bezpieczniejsze w eksploatacji. Ponadto zastosowanie procesu zawiesinowego spowoduje ograniczenia emisji CO 2 do atmosfery od 322 tys. Mg/r. do 414 tys. Mg/r. w zależności od realizowanej wersji modernizacji. Z drugiej strony podjęcie decyzji o zastosowaniu w technologii zawiesinowego przetopu koncentratów dla modernizacji Huty I wymaga kontynuowania prac badawczych szeregu tematów wiążących się z różnicami w procesie Huty GŁOGÓW II i modernizowanej Huty GŁOGÓW I oraz z likwidacją szeregu procesów w Hucie LEGNICA. Są to takie tematy, jak: dostawa koncentratu z ZWR do HMG i dystrybucja między HMG I i II, proces wstępnego odmiedziowania żużla zawiesinowego w PE oraz jego schładzania, urabiania i kruszenia, technologia flotacji żużla wstępnie odmiedziowanego, technologia odpylania gazów procesowych i ich odsiarczanie. Tematy te wymagają też jak najszybszego podjęcia prac projektowych i rozeznania rozwiązań funkcjonujących w zagranicznych hutach, spełniających standardy środowiskowe. 392