我国作为世界铜生产和消耗大国,2013年铜产量已达到700万吨。火法炼铜工艺中每生产1吨精铜,会产生2.2～3吨铜渣。铜渣的出炉温度为1300℃,具有较高的余热回收价值,现有的水淬法处理没有将其得到合理利用。同时,铜渣中还含有丰富的有价金属资源,现有的铜渣中金属二次回收利用的方法中,采用直接还原法回收渣中金属,反应所需温度较低,产物直接还原铁(DRI)性能优良,具有广阔的发展前景。煤粉是直接还原工艺最常用的固基还原剂,为了响应世界对于节能减排的号召,选用生物质作还原剂,可以有效降低成本,减少碳排放。因此,基于铜渣中余热资源和有价金属回收利用的需求,论文提出离心粒化余热回收-生物质直接还原系统,处理铜冶炼环节中产出的铜渣熔渣,并分别以生物质、煤粉为还原剂,对铜渣含碳球团直接还原进行了深入的研究。(1)对生物质进行热重特性分析,研究发现在650℃左右生物质已热解完毕,参与还原铜渣的主要成分为其中的固定碳。对铜渣的还原过程进行了可行性分析,当温度达到700℃以后,开始发生碳与铜渣中铁氧化物的还原反应,反应生成的CO也会参与对铜渣的还原。当温度达到700℃以上时,碳的气化反应伴随发生,还原产物CO2与固定碳结合生成CO。CaO的加入增大了铁橄榄石被还原的吉布斯自由能变。(2)对离心粒化-直接还原系统的能耗进行了计算,得到以生物质做还原剂时的能耗为6.53kgce/tFe,以煤粉做还原剂时的能耗为2.35kgce/tFe。若不考虑粒化及其余热回收,则生物质还原剂的系统能耗为6.61kgce/tFe,煤粉的系统能耗为2.42kgce/tFe。与高炉炼铁流程相比,使用煤粉,本系统能耗降低了 74.5%。(3)以生物质、煤粉为还原剂,分别与铜渣渣粉和粒化后的铜渣颗粒混合,在不添加粘结剂条件下,采用冷固结方式制备铜渣含碳球团,并进行球团抗压强度的测试。探讨了还原剂种类、铜渣粒径、球团质量、造球压力和CaO添加比对球团抗压强度的影响。研究发现,冷固结含碳球团受还原剂种类影响,生物质可显著提高含碳球团的抗压强度。在球团质量为7g、造球压力50MPa、CaO配比为0.3的条件下,煤粉球团的抗压强度只有58N,而生物质球团的抗压强度达到2870N。在实验条件下,随着球团质量提高、造球压力提高和铜渣粒径的减小,球团的抗压强度提高。CaO的添加对生物质球团抗压强度具有削弱作用,而对煤粉球团影响不大。(4)氮气气氛下,对制备的含碳球团进行还原煅烧,研究了还原剂种类、反应温度、恒温时间、铜渣粒径和CaO添加比对还原失重分数的影响规律。研究发现:生物质球团的还原失重分数明显高于煤粉球团。还原失重分数随还原温度和反应时间的增加而增加,随铜渣粒径的增大而降低。CaO的添加有益于反应的进行,但过量时仍会降低还原失重分数,最佳的CaO配比为1:0.3。在还原温度1100℃、恒温时间1.5h、CaO配比0.3的条件下,以生物质为粘结剂进行生物质煤粉复合球团共还原,生物质的添加比越高,还原失重分数越大。