氧气底吹熔炼—鼓风炉还原炼铅新技术二○○六年八月二日氧气底吹熔炼—鼓风炉还原炼铅法传统的烧结-鼓风炉炼铅法面临环保要求日趋严格的挑战。
中国有色工程设计研究总院联合多家冶炼厂，就氧气底吹熔炼-鼓风炉还原炼铅工艺进行联合攻关。
在经过工业试验和工业验证试验后，对两座炼铅厂（河南豫光金铅集团和池州有色金属公司）采用该工艺进行了设计，设计范围包括精矿储存、配料、混合制粒、氧气站、底吹熔炼、酸厂、鼓风炉还原熔炼等，且现已建成投产。
烧结-鼓风炉炼铅法采用底吹氧化熔炼处理铅精矿, 富铅渣用鼓风炉还原熔炼, 已实现工业化生产。
实践证明，该工艺技术先进，环保效果明显。
一、氧气底吹熔炼—鼓风炉法简介氧气底吹熔炼—鼓风炉还原炼铅法工艺流程为:熔剂、铅精矿或二次铅原料及铅烟尘经配料、制粒或混捏后进行氧气底吹熔炼,产出烟气、一次粗铅和铅氧化渣,烟气经余热锅炉回收余热和电收尘器收尘后采用二转二吸工艺制酸,尾气排放,铅烟尘返回配料。
铅氧化渣经铸块后与焦块、熔剂块混合后入鼓风炉进行还原熔炼,产出炉渣、烟气和粗铅,烟气经收尘后放空,铅烟尘返回配料。
工艺主要设备包括可旋转式氧气底吹熔炼炉,多元套管结构氧枪（多通道水冷高温喷镀耐磨底吹氧枪）,特殊耐磨材质的氧枪口保护砖，浅层分格富铅渣速冷铸渣机（铅氧化渣铸渣机）,带弧型密封罩和垂直模式壁中压防腐余热锅炉，全封闭铅烟尘输送配料等, 新型结构鼓风炉（双排风口大炉腹角高料柱）等。
工艺的核心设备是氧气底吹熔炼炉。
熔炼炉炉型结构为可回转的卧式圆筒形,在炉顶部设有2～3 个加料口,底侧部设有3～6 个氧气喷入口,炉子两端分别设一个虹吸放铅口和铅氧化渣放出口。
炉端上方设有烟气出口。
铅精矿的氧化熔炼是在一个水平回转式熔炼炉中进行的。
铅精矿、铅烟尘、熔剂及少量粉煤经计量、配料、圆盘制粒后, 由炉子上方的气封加料口加入炉内, 工业纯氧从炉底的氧枪喷入熔池。
氧气进入熔池后, 首先和铅液接触反应, 生成氧化铅(PbO ) , 其中一部分氧化铅在激烈的搅动状态下, 和位于熔池上部的硫化铅(PbS) 进行反应熔炼, 产出一次粗铅并放出SO 2。
反应生成的一次粗铅和铅氧化渣沉淀分离后, 粗铅虹吸或直接放出,铅氧化渣则由铸锭机铸块后, 送往鼓风炉工段还原熔炼, 产出二次粗铅。
出炉SO 2 烟气采用余热锅炉或汽化冷却器回收余热, 经电收尘器收尘, 送硫酸车间处理。
熔炼炉采用微负压操作, 整个烟气排放系统处于密封状态, 从而有效防止了烟气外逸。
同时, 由于混合物料是以润湿、粒状形式输送入炉的, 加上在出铅、出渣口采取有效的集烟通风措施, 从而避免了铅烟尘的飞扬。
经实地检测, 熔炼车间岗位含铅尘低于0. 1m g/Nm 3, 完全达到了国家劳动卫生标准。
由于在熔炼炉内只进行氧化作业, 不进行还原作业, 工艺过程控制大为简单。
氧气底吹熔炼一次成铅率与铅精矿品位有关, 品位越高, 一次粗铅产出率越高。
为适应下一步鼓风炉还原要求, 铅氧化渣含铅应控制在40% 左右, 略低于烧结块含铅率, 相应地,一次粗铅产出率一般为35%～ 40% , 粗铅含S< 0. 2%。
和烧结块相比, 铅氧化渣孔隙率较低, 同时, 由于是熟料, 其熔化速度较烧结块要快些, 从而增加了鼓风炉还原工艺的难度。
但是, 经过半工业试验证明, 采用鼓风炉处理铅氧化渣在工艺上是可行的, 鼓风炉渣含Pb 可控制在4% 以内。
通过炉型改进, 渣型调整、适当控制单位时间物料处理量等措施, 渣含Pb 可望进一步降低。
另外, 尽管现有指标较传统工艺渣含Pb1. 5%～ 2% 的指标稍高, 但由于新工艺中鼓风炉渣量仅为传统工艺的50%～ 60% , 因而,鼓风炉工段铅的损失基本不增加。
在技改过程中, 利用原有的鼓风炉作适当改进即可, 这样, 可以节省大笔投资。
新工艺的一个重要组成部分是氧气站。
目前, 国内工业纯氧的制备技术有两种, 一种为传统的深冷法, 一种为变压吸附法。
前者生产能力大, 氧气纯度高, 但成本高, 氧气单位电耗一般为0. 6～ 0. 7kw h／Nm 3; 后者投资省, 成本低, 氧气单位电耗低于0. 45kw h／Nm 3。
目前, 国内1500m 3／h 的吸附制氧机组已研制成功, 其氧气纯度达93% 以上。
对于1 万t／a 规模的炼铅厂, 氧气需要量一般为700～ 800m 3／h。
采用变压吸附法制氧完全能满足中型炼铅厂技改需要, 该技术为首选方案。
氧气底吹熔炼工艺取代传统烧结工艺后, 不仅解决了SO 2 烟气及铅烟尘的污染问题, 还有如下效益:(1) 由于熔炼炉出炉烟气SO 2 浓度在12% 以上, 对制酸非常有利, 元素硫总回收率可达95%。
( 2) 熔炼炉出炉烟气温度高达1000～1100℃, 可利用余热锅炉或汽化冷却器回收余热。
(3) 采用氧气底吹熔炼, 原料中Pb、S 含量的上限不受限制, 不需要添加返料,简化了流程, 且取消了破碎设备, 从而降低了工艺电耗。
(4) 由于减少了工艺环节, 提高了Pb 及其它有价金属的回收率, 氧气底吹熔炼车间Pb 的机械损失< 0. 5%。
经测算, 采用新的工艺改造传统工艺后,粗铅单位产品综合能耗可降至400kgbm／t·粗铅以下, 达到国家规定的一级能耗标准。
熔炼过程中主要化学反应有:熔池底部铅液和喷入氧气之间的氧化反应,炉料中PbS 和熔渣中PbO 之间的反应熔炼;炉料中熔剂和熔渣中PbO 之间的造渣反应。
氧气底吹熔炼的特点是:Pb 作为O2 的载体,在铅液层中可除去一次铅中的杂质,有利于提高一次粗铅的品位;在熔渣中可加速PbS 的氧化反应,有利于降低熔炼烟尘率。
水口山工业试验遗留两个关键问题未能解决。
其一是氧枪寿命较短,其二是鼓风炉渣含铅较高。
工厂设计对氧枪和鼓风炉的工艺参数及设备结构进行了重大革新。
氧枪由工业试验的二元结构改为多元结构,氧枪冷却介质由空气改为氮气+ 软化水,并对氧枪材质、加工工艺和操作参数进行了改进,经生产验证,新型氧枪寿命由工业试验的5d ±提高至20～50d ,保证了熔炼炉的稳定操作,提高了作业率,降低了生产成本。
针对铅氧化渣还原熔炼的特殊性,工厂设计改进了鼓风炉结构,调整了鼓风炉渣型和供风操作制度,经生产验证,鼓风炉渣含铅由工业试验的7 %～9 %降至3 %～4 % ,提高了铅冶炼回收率。
水口山工业试验熔炼烟气处理设施简陋,不能满足工业生产要求。
工厂设计针对铅精矿熔池熔炼过程烟尘率较高等特点,设计了带垂直上升段、膜式壁结构的余热锅炉,有效回收了烟气余热,并解决了铅烟尘的粘结和密闭输送问题。
新工艺在国内外炼铅行业中首次设计并成功采用铅氧化渣直线铸渣机,氧气底吹熔炼炉产出的铅氧化渣连续铸渣后直接送入鼓风炉还原化渣连续铸渣后直接送入鼓风炉还原。
二、新工艺实际生产指标项目指标氧气底吹熔炼炉有效作业率/ % > 95 氧气底吹熔炼炉工业氧气消耗量/ (m3·t - 1粗铅) 300～350 氧气底吹熔炼燃料率/ % 0～210 氧气底吹熔炼炉一次粗铅产出率/ % 45～55 一次粗铅品位/ % > 9815 铅氧化渣含Pb/ % 40～50 铅氧化渣含S/ % < 015 氧气底吹熔炼烟尘率/ % 12～15 氧气底吹熔炼炉出炉烟气SO2 浓度/ % 12～14 制酸后尾气含SO2/ (mg·m- 3) < 300 鼓风炉床能力/ (t·m - 2·d - 1) 45～55 鼓风炉焦率/ % 13～15 Pb 回收率/ % > 97S 回收率/ % > 95 Au 回收率/ % > 98 Ag 回收率/ % > 98鼓风炉渣含Pb/ % 3～4氧枪寿命/ d 20～50 余热锅炉蒸气产出量(410MPa) / (t·t - 1粗铅) 015～018三、工艺主要特点(1)环境保护好由于熔炼过程在密闭的熔炼炉中进行,避免了烟气外逸,SO2 烟气经二转二吸制酸后,尾气排放达到了环保要求。
铅精矿或其他铅原料配合制粒后直接入炉,没有烧结返粉作业,生产过程中产出的铅烟尘均密封输送并返回配料,防止了铅烟尘的弥散;同时在虹吸放铅口设通风装置,防止铅蒸气的扩散。
彻底解决了铅冶炼烟气、烟尘污染问题。
河南豫光经环保部门实测,生产岗位含尘量为7mg/ m3 ,其中铅尘含量0103 mg/ m3 , 硫酸尾气SO2 含量< 100mg/ m3。
均远低于国家排放标准。
实际生产比较证明,氧气底吹熔炼炉前噪音较低,岗位操作环境优于氧气顶吹熔炼( ISA 法和Ausmelt 法) 。
(2) 能耗低与传统流程相比,氧气底吹实现了自热熔炼并回收了高温烟气中的余热;熔炼炉已产出一次粗铅,鼓风炉物料处理量大幅减少,焦炭消耗相应节省了30 %～40 %。
与氧气顶吹熔炼( ISA 法和Ausmelt法) 相比,由于采用工业纯氧熔炼,动力消耗较少。
（3）投资省前述两厂的吨铅基建投资为3 000～3 500 元,与国外较先进的炼铅工艺相比,相同生产规模节省投资40 %～60 % ;由于工艺流程短,相同生产规模较传统烧结机—鼓风炉流程投资亦可节省20 % ;新工艺尤其适合烧结—鼓风炉流程的技改:除烧结设施外,其余设施均可通过适当改造加以利用,从而可进一步节省技改费用。
(4) 生产成本低与国外较先进的炼铅工艺相比,投资省,折旧费用低,生产成本低;和传统流程相比,生产过程简单,动力和焦炭消耗量少,生产效率高,人工费用低,同时有价金属和硫回收率高,生产成本相对亦较低,据实际生产测算,和烧结机—鼓风炉流程相比,每吨粗铅生产成本降低约10 %。
(5) 对原料适应性强氧气底吹熔炼炉既可直接处理各种品位的铅精矿,又可同时处理各种二次铅原料。
实际生产中,上述两厂处理的铅原料含铅品位在45 %～65 % ,均能正常作业。
(6) 自动化水平高氧气底吹熔炼过程采用DCS 控制系统,实现了配料、制粒、供氧、熔炼、余热锅炉、锅炉循环水、电收尘、高温风机等全流程、全部设备的集中控制。
(7) 产品质量好氧气底吹熔炼炉产出的一次粗铅品位高,烟气制酸可产出无色透明的一级酸。
4 新工艺应用中的问题讨论(1) 关于氧枪寿命影响氧枪寿命的因素有氧枪结构、材质、制造工艺、操作参数和冷却介质,控制合理的氧气流速对提高氧枪寿命有显著效果。
(2) 关于熔炼烟尘率由于PbS 在高温下有较大挥发性,铅熔池熔炼过程烟尘率较高。
生产中降低烟尘率的关键因素是控制较低的熔炼温度和较高的PbO 活度。
(3) 关于鼓风炉还原氧气底吹熔炼炉产出的铅氧化渣含硫较低,有效防止了由ZnS 造成的炉结的产生。
生产中基本不需要清理炉结。