有色金属科学与工程  2011, Vol. 2 Issue (1): 14-18
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铅冶炼技术的发展现状及旋涡闪速炼铅工艺[PDF全文]
汪金良1 , 吴艳新1 , 张文海1,2     
1. 江西理工大学材料与化学工程学院, 江西 赣州 341000;
2. 中国瑞林工程技术有限公司, 南昌 330002
摘要:铅是发展国民经济的重要基础原材料, 然而, 传统的烧结-鼓风炉熔炼工艺具有能耗大和污染重等缺陷, 因此, 加快铅冶炼技术的科技进步对整个国民经济的可持续发展具有重要意义.文中综述了Kivcet法、QSL法、Kaldo法、Ausmelt/Isasmelt法、SKS法等国内外直接炼铅新工艺, 重点介绍了具有我国自主知识产权的旋涡闪速炼铅工艺过程、主要设备及技术特点.
关键词铅冶炼方法    发展现状    旋涡闪速炼铅    
Development Status of Lead Smelting Technology and the Lead Vortex Flash Smelting Process
WANG Jin-liang1, WU Yan-xin1, ZHANG Wen-hai1,2    
1. Faculty of Material and Chemical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;
2. China Nerin Engineering Co., Ltd., Nanchang 330002, China
Abstract: Lead is an important raw materials for developing national economy. However, the conventional sintering -blast furnace process has some defects, such as high energy consumption and heavy pollution. Therefore, to accelerate the scientific and technological progress of lead smelting is important for national economy development. Some new lead direct smelting technologies, including Kivcet, QSL, Kaldo, Ausmelt/Isasmelt and SKS, were summarized. The technological process, main equipment and technical characteristics of lead vortex flash smelting technology were mainly introduced, which has china independent intellectual property rights.
Key words: lead smelting technology    development status    lead vortex flash smelting    
0 引言

铅是发展国民经济的重要基础原料之一.自2003年起我国精铅产量已超越美国, 至今连续八年精铅产量全球第一, 2009年, 我国精铅产量达370.79万t.然而, 我国粗铅冶炼技术和装备水平仍普遍较低, 传统的铅精矿烧结-鼓风炉还原工艺在矿产铅冶炼中仍占主导地位.由于铅精矿烧结烟气的SO2浓度低, 给制酸造成很大困难, 不仅损害了岗位工人和附近居民的身体健康, 而且给工厂周围的生态环境造成严重破坏, 国家已明令淘汰落后的烧结-鼓风炉还原工艺.

近年来, 国内外研发的多项直接炼铅新工艺先后应用于大型工业化生产, 按照实现强化作业的技术手段可分为闪速熔炼和熔池熔炼两类.属于闪速熔炼的有基夫赛特(Kivcet)法、奥托昆普熔炼法等, 其共同特点是将经过充分磨细和深度干燥的炉料用工业氧气高速喷入高温反应器内, 在高度分散状态下实现PbS的受控氧化.QSL法、Ausmelt/Isasmelt熔炼法以及SKS法等均属于熔池熔炼, 其冶金反应过程集中于被工艺气体强烈搅动的熔体中.然而, 以上新的炼铅工艺, 除SKS外均属国外技术, 缺乏自主创新技术.

随着国家对企业节能与减排的目标要求日趋严格, 以及创建“环境友好型、资源节约型”社会, 迫切需要兼具节能、环境友好和资源高效利用的具有我国自主知识产权的铅强化冶金技术, 以提升我国铅冶炼工业整体技术装备水平和国际竞争力.

1 炼铅新工艺的发展 1.1 Kivcet法

基夫赛特(Kivcet)法[1-3]是由前苏联有色金属科学研究院从20世纪60年代开始研究开发的直接炼铅工艺, 20世纪80年代先后在哈萨克斯坦乌斯季-卡缅诺戈尔斯克冶炼厂和意大利维斯姆港冶炼厂成功获得工业化应用, 是当今世界较为先进、成熟、有效的直接炼铅工艺, 我国的株冶集团、江西铜业集团等企业也正在引进该工艺.

Kivcet法的核心设备是基夫赛特炉, 该炉主要由带火焰喷嘴的反应塔、填有焦炭过滤层的熔池、立式余热锅炉、铅锌氧化物的还原挥发电热区组成.

铅精矿、熔剂和锌浸出渣等混合物料经过干燥后用工业氧气喷入反应塔内, 控制一定的氧气/炉料比, 使炉料在高度分散的状态下充分氧化脱硫, 同时放出大量的热, 反应温度达1300~1400℃.含有PbO的熔体通过漂浮在熔池上的赤热焦碳层时被还原.还原得到的低硫粗铅沉淀到炉底, 与炉渣一道通过部分插入熔体的隔墙下部通道流到电热区.在电热区, 用焦碳作还原剂, 使PbO充分还原, ZnO被还原挥发. Kivcet法的优点是工艺过程连续稳定, 设备使用寿命长, 每个炉期可长达3年, 对原料的适应性大, 制酸后尾气符合环保要求, 烟尘率低, 仅5 %; 铅直收率高, 可达97 %~98 %; 不需要增添设备就可以回收原料中的锌, 能处理低品位铅精矿、湿法炼锌浸出渣, 以及其它含铅锌物料.其缺点是入炉物料含水要求高, 控制在0.5 %~1 %, 备料系统复杂, 电热沉淀池耗电高, 一次性投资较大.

1.2 QSL法

氧气底吹炼铅法(QSL法)[4-10]是一种将氧气和粉煤喷入熔池使铅精矿进行氧化还原的直接炼铅法. 1972年加籍华人Ssvad Lee首先发明了用保护介质使氧枪能在高温下工作后, Quenean和Schuhmann教授提出了在一个容器中, 对硫化铅精矿进行连续熔炼的专利.1974年与德国Lurgi公司铅锌冶炼厂开始合作研究, 在Beyzelius进行了长期的示范工厂试验.

QSL法是将铅精矿加入炉内, 鼓入富氧, 在硫化铅被氧化成氧化铅时, 会放出大量热量使过程自热, 氧化铅和硫化铅交互反应生成金属铅, 部分反应不完全的氧化铅在还原区加还原剂还原成金属铅, 硫氧化成二氧化硫.因采用富氧熔炼, 烟气中的二氧化硫浓度高达15 %左右, 有利于制酸.

我国于1985年引进该技术, 在西北铅锌冶炼厂建成了一套5.2万t/a的QSL炉.但由于引进过早, 技术不完善, 存在许多缺陷, 1990年12月投料后, 暴露出喷枪寿命短, 虹吸口过长, 隔墙、挡圈位置及渣口高度不当等问题, 因此, 仅运行了35 d就被迫停炉. 1994年依照韩国温山冶炼厂的经验改造后取得了初步成功, 运行了135 d, 产出粗铅1万t左右.尽管有关技术指标与第一次试车生产相比有了长足的进步, 但仍未完全达到设计指标, 运行费用太高, 造成亏损, 目前处于长期停产状态.

另外, 几十年来以积极采用新技术而著名的加拿大科明科公司在其特雷尔冶炼厂引进了QSL工艺炼铅.由于科明科公司要求大量搭配浸出渣, 试车后发现该工艺根本不适合处理大量的浸出渣, 结果以失败告终.

德国斯托尔贝格冶炼厂在对喷枪结构、隔墙位置等进行了一系列改造后, 使年生产能力从8万t增加到了10万t.此外, 在增加二次物料处理方面, 斯托尔贝格冶炼厂达到50 %.

韩国温山冶炼厂是较后引进QSL技术的, 他们吸取了前几家企业的经验和教训, 并作了大量的改进.目前, 韩国温山冶炼厂QSL炉的情况非常稳定, 每年能生产10万t粗铅, 大大超过了6.1万t的设计能力.

QSL法改善了卫生条件, 简化了操作, 比传统流程的投资少, 生产成本低, 二氧化硫浓度高, 但其烟尘率达25 %, 须返回处理.此外, 渣含铅高, 需进一步烟化才能得到弃渣.

1.3 Kaldo法

卡尔多炼铅法(Kaldo法)[11-16]是由瑞典玻立顿公司开发的一种以闪速熔炼和熔池熔炼相结合的直接炼铅法, 是氧气冶金在顶吹转炉上的一种应用, 属熔池熔炼范畴.

1979年用来处理含铅烟尘的首台有色金属卡尔多熔炼炉在瑞典隆斯卡尔冶炼厂诞生.1992年伊朗曾姜的铅锌总公司用卡尔多炉处理氧化铅精矿生产铅, 年生产能力为4.1万t.

Kaldo法采用卡尔多顶吹回转炉氧气顶吹熔炼富铅精矿, 作业分为氧化和还原两段周期进行, 氧化段可自热, 还原段需补加部分重油.卡尔多炉有多种类型, 但基本结构相似, 其炉子本体与炼钢氧气顶吹转炉的形状相似, 由圆桶形的下部炉缸和喇叭形的炉口两部分组成, 内衬为铬镁砖.炉子本体在安装于空间笼上的电机、减速传动机的驱动下, 可沿炉缸的轴作回转运动.在正常作业倾角的部位, 设有烟罩和烟道, 将炉气引入收尘系统, 输送燃油和氧气的燃烧喷枪以及输送精矿的加料喷枪通过烟罩从炉口插入炉内.

喷枪是卡尔多炉的关键部件, 其质量的优劣对冶炼过程的安全性和经济效益有很大影响.精矿喷枪具有套管结构, 铅精矿用定量的空气输送, 经内管喷入炉内, 而空气和氧的混合物(富氧二次风)通过内外管间隙输送, 喷枪头部的设计要确保风、料充分混合, 这对于提高氧的利用率极为重要.我国金川有色公司从1988年在其引进的镍卡尔多炉的生产实践中, 对喷枪的结构、材质等方面进行了许多革新和改进, 大大提高了喷枪使用寿命.

Kaldo法使熔炼、还原和精炼在同一炉内完成, 适于各种炉料, 且结构紧凑, 能完全封闭, 可满足环保要求.但该法的阶段性作业, 不利于SO2的回收利用, 且要求入炉物料含水小于0.5%, 还原期需烧油, 也使该法的推广使用受到一定的限制.

1.4 Ausmelt/Isasmelt法

20世纪70年代由澳大利亚联邦科学-工业组织(CSIRO)研究开发, 芒特·艾萨矿业公司(MIM)进行中间试验而取得成功, 并以Isasmelt炼铅法的名称获得顶吹浸没喷枪技术(TSL)专利权.20世纪80年代初, TSL技术发明人组建澳大利亚熔炼公司, 顶吹浸没熔炼技术被正式命名为奥斯麦特(Ausmelt)法[17-19]. Ausmelt法和Isasmelt法已发展成能处理铜、铅、锌、锡、阳极泥等多种物料的方法.目前, 该炼铅法已在印度、韩国、纳米比亚、德国等国家得到工业化应用; 我国云南锡业、云南驰宏锌锗公司等也引进了Ausmelt法或Isasmelt法进行炼铅.

该技术的核心是采用结构相对简单的喷枪, 将冶炼工艺所需的气体和燃料输送到液面以下的炉渣层中, 由此产生的强烈搅动加快了传热和传质, 加快了化学反应的进行, 所以单位炉容积能力很高, 并且提高了燃料的利用率, 钢制喷枪通过特别的挂渣作业在喷枪上形成一层炉渣保护层, 从而提高了喷枪的寿命.

该法与QSL法一样属于浸没式熔炼, 其不同之处在于它不是在可倾翻炉子的底部安装喷嘴, 而是由上方插入熔池的钢制喷枪喷射空气和燃料, 并且由两台设计相似的炉子连接在一起完成整个熔炼过程, 一个为氧化炉, 另一个为还原炉, 用热流槽连接以实现连续作业.

该法的主要优点是设备简单、投资相对较低、原料适应性强、可处理铅精矿和其他含铅物料(二次物料可达50%)、原料不需干燥(含水至8%的物料可直接入炉)、氧枪从炉顶插入熔池使熔体搅动传热传质快, 其主要缺点是氧枪寿命短, 影响炉子作业率.

1.5 SKS法

水口山炼铅法(SKS法)[20-22]被国家科委列为“六五”科技攻关项目.该项目综合参考了20世纪80年代国内外直接炼铅工艺, 并结合水口山矿的具体情况而开发出来的直接炼铅工艺.

北京有色冶金设计研究总院在水口山炼铅法半工业性试验和消化吸收QSL法技术的基础上, 将氧化和还原分两段进行, 在一个水平回转式熔炼炉中, 加入铅精矿、含铅烟尘、熔剂及少量粉煤, 从熔池底部的氧枪喷入工业纯氧, 将部分铅氧化成氧化铅, 氧化铅和熔池上部的硫化铅发生交互反应生成一次铅、氧化铅渣和二氧化硫, 渣铅沉淀分离分别放出.氧化铅渣铸块后送鼓风炉熔炼产出二次粗铅.熔炼炉采用微负压作业, 车间含铅尘低于0.1mg/ m3.

水口山炼铅法的主要优点是冶炼流程短, 采用富氧底吹技术, 强化了冶炼过程, 烟气SO2浓度达20%, 便于制酸, 解决了环境污染问题; 冶炼设备密闭, 避免了作业人员铅中毒; 与QSL法相比, 将氧化段和还原段分开, 工艺较易掌握, 与传统的烧结鼓风炉熔炼法经营费用相当; 粗铅单位产品能耗可降至400 kgce/t以下, 原料适应性较强, 可处理高铜低品位铅精矿.其主要缺点是:因制氧设备能力小不配套, 氧化炉生产率未达标; 喷枪寿命短, 远低于国外QSL法的水平.

除上述几种炼铅工艺之外, 国际上近年来发展的直接炼铅工艺还有奥托昆普闪速炉熔炼法、瓦纽可夫法等.奥托昆普公司在20世纪七八十年代开展了两次奥托昆普闪速炼铅半工业实验, 取得了良好效果.

2 旋涡闪速炼铅工艺

旋涡闪速炼铅工艺[23-25]是由江西理工大学、中国瑞林工程技术有限公司、云南冶金集团股份有限公司、中南大学等4家单位, 基于铅冶金在节能、环境保护及安全生产方面的需要和我国对闪速冶金技术长期积累的经验而发明的一种针对铅硫化精矿的强化冶金新工艺, 已被列为国家863计划重点项目、国家发改委重点节能示范工程项目、云南省重点产业创新工程项目.

旋涡闪速炼铅工艺的主体设备是具有我国自主知识产权的“中心柱闪速熔炼炉”, 如图 1所示.经干燥的粉末硫化铅精矿与氧气一起从设于反应塔顶部中央喷嘴切线喷入, 沿反应塔轴线形成粒子、氧气和温度集中的旋涡柱高温反应区, 在径向与塔壁之间形成环状非接触过度圈, 从而减轻高温粒子和气体对塔壁的冲刷和腐蚀, 保护塔壁; 通过控制氧气的输入量, 使得硫化铅的氧化率为60%~80%, 完成硫化铅的氧化过程, 生成的熔体飘落在反应塔下方的沉淀池中; 再通过氧化铅与硫化铅的交互反应以及还原反应, 连续生成粗铅和炉渣, 澄清分层后分别从放铅口、放渣口排出, 含铅低的炉渣可以丢弃或进一步处理; 烟气经烟道进入余热锅炉, 最后送回收硫装置.

图 1 旋涡闪速炼铅炉体结构示意图

旋涡闪速炼铅产业化后可处理铅品位20%~70%的炉料, 单台炉产能可达到20万t粗铅, 得到粗铅品位≥98.30%, 全系统硫的固化率≥99%, 渣含铅≤3.0 %, 铅回收率>98 %, 吨粗铅能耗≤280 kgce/t.

旋涡闪速炼铅工艺具有短流程、连续化、节能、环保、产能大等特点; 鼓风压力仅5~20 kPa, 约为熔池熔炼的1/10, 风机能耗也降低10倍; 允许精矿干燥后入炉, 使含二氧化硫的冶炼高温烟气量大幅度减少, 在投资得到减少同时, 单位水的脱除能耗也得到大幅度的降低; 资源高效利用, 可一次得到含铅低的弃渣, 炉渣丢弃或进一步处理; 烟气含二氧化硫浓度高, 且连续、稳定, 适合制酸; 炉体密闭, 没有可能泄漏烟气造成“粉尘与二氧化硫低空污染”的开口或空洞, 也没有需要经常性更换部件的作业, 劳动条件好; 也没有泡沫渣爆炸危险, 生产安全.

3 结语

传统的烧结-鼓风炉熔炼工艺虽有其工艺成熟等优点, 但生产环节多、流程长、返料多, 特别是对环境污染严重等缺点, 故20世纪50年代以来, 冶金工作者力图寻求一种熔炼强度高、过程连续、焙烧与熔炼结合的精矿直接熔炼工艺, 以实现硫化铅精矿的自热或半自热熔炼并消除或减轻对环境的污染.

当前, 国内外已实现工业化应用的直接炼铅工艺有Kivcet法、QSL法、Kaldo法、Ausmelt/Isasmelt法、SKS法等.然而, 以上新的炼铅工艺, 除SKS外均属国外技术, 缺乏自主创新技术.

为提升我国铅冶炼工业整体技术装备水平和竞争力, 基于铅冶金在节能、环境保护及安全生产方面的需要和我国对闪速冶金技术长期积累的经验而发明的“旋涡闪速炼铅工艺”, 具有短流程、连续化、节能、环保、产能大、资源利用率高、生产安全、劳动条件好等特点, 有望得到推广应用.

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