還原煉Pb新工藝及展望
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本文作者：何國才魯興武易超程亮李俞良蒲敬文作者單位：西北礦冶研究院冶金新材料研究所
1引言
近年來我國精鉛產量穩步增長，近年來年均遞增14．9%，2011年中國精煉鉛產量為464．8萬t，較2010年增加10．7%，我國已成為全球鉛生產、消費中心，鉛產量和消費量連續多年位居世界第一。由于鉛產量的增長速度高于鉛精礦產量和鉛消費的增長速度，國內鉛精礦供不應求與鉛冶煉產品供過于求的矛盾日益顯現［1-3］。
我國目前鉛冶煉企業普遍存在的問題是產業集中度低，工藝落后，部分企業仍然在采用污染大、能耗高的燒結－鼓風爐煉鉛工藝，為了更好地改善我國煉鉛企業的工藝技術水平，降低成本和能耗，提升企業效益，我院利用多年在銅鉛鋅技術領域的積累和實踐經驗，開發出了達到國內領先技術水平的一步還原煉鉛工藝［4］。
2鉛冶煉工藝發展現狀
傳統的硫化鉛精礦燒結－鼓風爐還原煉鉛工藝，由于不能滿足日趨嚴格的生態、環保法規和節能降耗要求，自20世紀80年代以來，逐漸被直接煉鉛新工藝所取代。我國煉鉛行業的發展也進入了一個快速發展的階段，隨著經濟的發展與環保要求的越來越高，近幾年，國內自主開發的氧氣底吹－鼓風爐還原煉鉛(SKS)工藝，以及從國外引進的艾薩爐(ISA)、澳斯麥特爐(Ausmelt)、卡爾多爐(Kaldo)等都己采用或正在建設中，熔池熔煉側吹煉鉛試驗也取得重大進展，這極大地推動了我國鉛冶煉工藝水平及裝備水平的提高，我國現有煉鉛工藝改造升級步伐明顯加快。
2．1燒結－鼓風爐煉鉛法
燒結－鼓風爐還原熔煉法，其技術穩定、回收率高，多年被廣泛采用，所生產的鉛一度占世界產量的80%以上。燒結－鼓風爐熔煉法對原料的適應性較強，不但可以處理品位40%～75%的常規精礦，而且可以處理一些低品位在40%以下的雜礦和含鉛10%～25%的煙塵、渣料等。但在燒結過程中，硫及一些金屬氧化熱未能有效利用，而鼓風爐還原熔煉要使用一定比率的焦炭，所以能耗高，而且燒結煙氣含SO2濃度偏低，勞動條件差。
2．2ISP煉鉛法
ISP熔煉法目前只有白銀公司和韶關冶煉廠使用。其中韶關冶煉廠通過不斷改造完善，生產工藝、技術裝備和技術經濟指標不斷提高，鉛鋅生產規模從最初的5萬t躍升到24萬t，己達到世界先進、國內領先的水平，在全世界13家ISP企業中綜合水平名列第三位，并以更加完美、更加成熟的狀態把ISP工藝轉讓給了伊朗。白銀公司也由最初的3萬t提高到6～7萬t，近期將進行技術改造，屆時產能將達到10萬t。該法對鉛鋅混合精礦的處理有其廣泛的適應性和獨到之處。目前葫蘆島鋅廠采用ISP熔煉法10萬t項目也正在建設中［5］。
2．3QSL直接煉鉛
QSL直接煉鉛技術是世界上一種先進清潔高效的直接煉鉛先進技術，是一種無焦煉鉛技術，代表煉鉛技術的一個發展方向。它與傳統煉鉛工藝相比省去了燒結工序不使用焦炭，故而具有流程短、熱利用率高、能耗低、煙氣中SO2濃度高、硫利用率高并比較好的解決了環保、降耗問題等優勢。該法的核心設備是QSL爐。反應器爐型為臥式、圓形，斷面沿長軸線是非等徑的，氧化區直徑大、還原區直徑小，爐體傾斜0．5%，反應器沿長軸線可旋轉90°。爐內根據反應氣氛要求分為氧化段和還原段，兩區之間設置有下方留有孔洞的隔墻，孔洞用于渣鉛反向流動。目前世界上共有三座QSL法煉鉛工廠，除白銀公司西北鉛鋅冶煉廠外，還有德國Stolberg和韓國Onsan廠。韓國Onsan廠目前鉛生產能力己由初60kt/a提高到100～110kt/a［6-9］。
2．4SKS法
水口山煉鉛法是由我國自行開發的一種氧氣底吹直接煉鉛方法，屬于熔池熔煉范疇［3］。物料投入爐內，同時完成加熱、熔化、氧化、造渣、造锍等過程。所不同的是，它采用了獨特簡單、具有優越冶金動力學功能的設備－水口山熔煉爐(SKS底吹爐)。從熔煉爐頂部加入爐料，底部送入富氧空氣攪動熔池，入爐物料在熔池中完成熔煉過程，產出的粗鉛、高鉛渣和煙氣，分別從放鉛口、放渣口、排煙口排出［10-12］。
2．5艾薩法(ISA)
艾薩法能處理銅、鉛、鋅、錫、鐵陽極泥等多種物料。該熔煉工藝由兩臺爐子組成，精礦在第一個爐子被氧化，形成的熔體通過溜槽送到第二個爐子，在第二個爐子內將氧化鉛還原成金屬鉛，然后將形成的渣和金屬鉛分別排到爐外，連續操作。該工藝能夠處理濕料，因此備料系統可以實現無塵作業。但該法不便于制酸。云南冶金集團6萬t粗鉛項目引進艾薩法氧化熔煉工藝技術和設備，與該集團具有自主知識產權的富鉛渣鼓風爐還原工藝技術相結合，形成了新的環保節能粗鉛冶煉新工藝。該項目將引進的艾薩爐氧氣頂吹煉鉛技術與富鉛鉛渣鼓風爐熔煉技術及鼓風爐強化噴粉熔煉技術有效整合，在世界首次將艾薩爐應用于鉛冶煉［13］。
2．6澳斯麥特法(Ausmelt)
2006年云南錫業股份有限公司與澳大利亞澳斯麥特公司簽訂了10萬t鉛項目合同，從而向鉛冶煉進軍。該公司選擇了更新的澳斯麥特新的工藝，特點是該工藝擁有澳斯麥特第三代最新頂吹噴槍、先進的生產爐體結構技術、智能化的控制系統，加之采用世界上最先進的中國冶金行業尚未使用的制酸工藝［14］。
2．7卡爾多爐(Kaldo)
卡爾多爐煉鉛工藝在直接煉鉛法中占有一席之地。卡爾多爐煉鉛法的加料、氧化、還原和排渣均在一個相對較小的空間中完成。由于瑞典波利登公司采用了先進的控制設備，使得整個過程流暢輕松，卡爾多爐具有廣泛的原料適應性，對處理含硫低的物料尤其適用。卡爾多爐的熔煉(氧化)和還原在同一個爐中進行，沒有流態物料的任何形式的轉運過程。但卡爾多爐有兩個不足:一是在熔煉過程中要抽出一部分煙氣壓縮，使二氧化硫氣體變成液態二氧化硫，在還原過程中又將液態二氧化硫送至制酸，以保證工藝順利進行;二是間斷性作業。青海西部礦業股份有限公司在其粗鉛冶煉技改工程中，從自身發展及環保政策的要求出發，結合企業的實際情況，最終選擇了卡爾多爐煉鉛工藝，2003年與瑞典波立登工程有限公司簽訂了合同，現己成熟應用［15］。
2．8基夫塞特法
基夫塞特煉鉛法是一種閃速熔煉的直接煉鉛法。該法由前蘇聯“全蘇有色金屬科學研究院”開發，已成為工藝先進、技術成熟的現代直接煉鉛法。基夫塞特煉鉛法可處理各種不同品位的鉛精礦、鉛銀精礦、鉛鋅精礦和鼓風爐難以處理的硫酸鹽殘渣。濕法煉鋅廠產出的鉛銀渣、廢鉛蓄電池糊、各類含鉛煙塵等都可以作為原料入爐冶煉。在1臺爐內完成物料的熔化、脫硫、氧化、還原及造渣過程。由于物料在反應塔內高溫區高氧勢的作用下，氧化、熔化速率高，硫化鉛揮發率較小，所以煙塵率相對較低，煙氣SO2濃度高，可實現雙接觸法制酸，尾氣低于國家排放標準，操作條件好。根據工廠實踐其處理煉鋅廠浸出渣的能力較強［16］。
2．9熔池熔煉側吹煉鉛
此外，中南大學在河南的熔池熔煉側吹煉鉛試驗也取得重大進展。2001年11月，河南新鄉中聯總公司建成的硫化鉛精礦氧氣側吹直接煉鉛爐，經過20多次的開爐試驗并對爐子作了多項重大技術改造，熔煉過程得以順利進行，此后，通過長期的試生產，技術條件逐漸成熟，技術經濟指標不斷得到優化提高。
3無燒結無焦還原煉鉛新工藝
3．1工藝流程
氧氣底吹氧化爐系統產生的液態富鉛渣(含pb40%)，經溜槽送入到臥式還原爐中，同時，將碎煤與熔劑加入到還原爐中;工業純氧為氧化劑，工業純氮氣為噴槍保護劑，粉煤從還原爐下方噴槍進入在渣層中燃燒，還原溫度為1200℃。還原過程為:在高溫下，液態爐渣中的PbO與還原劑作用生成CO或CO2，同時爐渣中的ZnO也被還原成Zn蒸汽與煙氣一起排出。還原爐體靠近進渣口端設出鉛口，另一端設放渣口。還原爐產出粗鉛經過出鉛口虹吸放出，通過溜槽進入到圓盤鑄錠機鑄錠，用橋式起重機轉運到堆垛區域脫模堆放，由汽車轉運到精煉車間或庫房，鉛錠重量為2t/塊。還原爐渣從放渣口放出后進入溜槽，終渣進入煙化工序或者水淬。主還原劑采用碎煤，由加煤系統以壓縮空氣為載體在還原爐上部直接噴射到熔池中。輔助還原劑與燃料為粉煤，粉煤由粉煤噴槍從爐底噴射到熔池中，通過粉煤分配器控制進入到各粉煤噴槍的粉煤量。配套的氧氣通過單獨的控制閥使氧氣流量和燃料流量相匹配，一起進入到燃燒噴槍，通過燃燒噴槍使還原爐內溫度保持在工藝要求的溫度。煙氣冷卻由設在煙氣出口上部的直升煙道和余熱鍋爐組成，直升煙道將煙氣導引到鍋爐中，同時完成煙氣的再氧化，避免可燃性氣體進入到鍋爐中產生再次燃燒或爆炸，同時降低煙氣溫度，有利于余熱鍋爐正常運行。利用自然漏風和二次鼓風，使煙氣中的氧濃度達到3%左右。原則流程圖見圖1。
3．2工藝特點
該工藝技術特點是不使用焦炭，能源消耗結構合理，且能耗低，勞動衛生條件比鼓風爐得到很大改善。具體有以下幾點:
⑴自動化程度高。臥式底吹還原爐反應器以及粉煤分配器、加料系統的控制均采用DCS集散系統控制，生產過程控制系統得到進一步優化，車間內主要崗位設工業電視監視。熔池溫度原設計的熱電偶測溫因壽命短已不能使用，改用快速熱電偶點測方式，將溫度輸入DCS系統;爐料分析、爐渣分析等也采用離線分析再輸入DCS系統。隨著自動化控制水平不斷提高，現場操作人員大大減少，但對操作維護人員的水平要求則相應提高。
⑵工藝流程短、成本及建設投資省。由于工藝流程簡短，所需設備及勞動力不多，生產費用和建設投資分別比傳統煉鉛法約低40%和30%～40%。
⑶環境污染程度小、清潔。由于臥式底吹還原爐采用工業氧氣熔煉，過程產生的煙氣量只為傳統煉鉛法的l/4～1/5，對環境的污染臥式還原爐比鼓風爐煉鉛法輕得多。
⑷綜合能耗低。將底吹氧化爐放出的液態熱富鉛渣直接通過溜槽送入臥式底吹還原爐，能充分利用化學反應熱，煤耗低，不需優質焦炭。余熱鍋爐產出的蒸汽相當于制氧站能耗的70%～80%。總能耗較傳統鼓風爐煉鉛法低。
4結論及建議
⑴一步煉鉛法特別是QSL爐煉鉛法的不斷完善和發展為本工藝技術開發的還原爐提供了豐富的理論基礎與實踐經驗。
⑵材料性能和設備加工水平的提高為還原爐及配套設備的制作及穩定運行提供保證。隨著冶煉科技的發展，一些新的材料產生，為本項目技術開發提供了可靠的物質條件。例如爐殼所需要的高強度耐熱鋼板目前已經得到成熟應用，新型的耐火材料也能很好適應本項目的需求，噴槍所使用的耐熱不銹鋼材料在國內也基本能得到滿足，項目所需配套的余熱鍋爐、電收塵器、風機、制氧機組等制造水平也得到了很大的發展，完全可以滿足需要，一些特殊的機械設備加工也可以在國內得到滿足。
⑶控制技術的進步減小了還原爐的操作難度，并使得還原爐的進料、進氣與溫度控制更為精確，能夠更好的滿足工藝要求。我國引進的QSL煉鉛技術沒有取得最終的成果，其中最核心的一個問題就是控制系統存在大量的問題，當時采用了以模塊電路為主的控制系統，存在繼電器可靠性差、備件費用高、故障判斷排除困難等問題，往往一個很小的問題就導致長時間的停產;隨著計算機技術的應用，智能化操作系統的發展，新型控制理論的不斷進步，控制系統的可靠性和穩定性都得到了很大提高，為工藝技術開發實施提供了保障。
⑷對現有焙燒－鼓風爐煉鉛進行環保改造，采用液態高鉛渣直接還原技術，除去了液態高鉛渣降溫凝固－固態渣加熱熔化的過程，充分利用高鉛渣熔體的潛熱，在還原時改用粉煤還原，并且粉煤用量比鼓風爐的焦炭用量少，產生的高溫煙氣經過余熱鍋爐回收熱量并產生蒸汽。綜合能耗由原鼓風爐的413kgce/t粗鉛降到了337kgce/t粗鉛，真正做到了節能降耗。目前世界鉛市場需求旺盛，而我國作為鉛的主產國，該技術開發成功后具有廣闊市場前景，經濟和社會效益顯著，并且將帶動中國鉛冶煉整體工藝水平的提高。
