还原炼Pb新工艺及展望
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本文作者：何国才鲁兴武易超程亮李俞良蒲敬文作者单位：西北矿冶研究院冶金新材料研究所
1引言
近年来我国精铅产量稳步增长，近年来年均递增14．9%，2011年中国精炼铅产量为464．8万t，较2010年增加10．7%，我国已成为全球铅生产、消费中心，铅产量和消费量连续多年位居世界第一。由于铅产量的增长速度高于铅精矿产量和铅消费的增长速度，国内铅精矿供不应求与铅冶炼产品供过于求的矛盾日益显现［1-3］。
我国目前铅冶炼企业普遍存在的问题是产业集中度低，工艺落后，部分企业仍然在采用污染大、能耗高的烧结－鼓风炉炼铅工艺，为了更好地改善我国炼铅企业的工艺技术水平，降低成本和能耗，提升企业效益，我院利用多年在铜铅锌技术领域的积累和实践经验，开发出了达到国内领先技术水平的一步还原炼铅工艺［4］。
2铅冶炼工艺发展现状
传统的硫化铅精矿烧结－鼓风炉还原炼铅工艺，由于不能满足日趋严格的生态、环保法规和节能降耗要求，自20世纪80年代以来，逐渐被直接炼铅新工艺所取代。我国炼铅行业的发展也进入了一个快速发展的阶段，随着经济的发展与环保要求的越来越高，近几年，国内自主开发的氧气底吹－鼓风炉还原炼铅(SKS)工艺，以及从国外引进的艾萨炉(ISA)、澳斯麦特炉(Ausmelt)、卡尔多炉(Kaldo)等都己采用或正在建设中，熔池熔炼侧吹炼铅试验也取得重大进展，这极大地推动了我国铅冶炼工艺水平及装备水平的提高，我国现有炼铅工艺改造升级步伐明显加快。
2．1烧结－鼓风炉炼铅法
烧结－鼓风炉还原熔炼法，其技术稳定、回收率高，多年被广泛采用，所生产的铅一度占世界产量的80%以上。烧结－鼓风炉熔炼法对原料的适应性较强，不但可以处理品位40%～75%的常规精矿，而且可以处理一些低品位在40%以下的杂矿和含铅10%～25%的烟尘、渣料等。但在烧结过程中，硫及一些金属氧化热未能有效利用，而鼓风炉还原熔炼要使用一定比率的焦炭，所以能耗高，而且烧结烟气含SO2浓度偏低，劳动条件差。
2．2ISP炼铅法
ISP熔炼法目前只有白银公司和韶关冶炼厂使用。其中韶关冶炼厂通过不断改造完善，生产工艺、技术装备和技术经济指标不断提高，铅锌生产规模从最初的5万t跃升到24万t，己达到世界先进、国内领先的水平，在全世界13家ISP企业中综合水平名列第三位，并以更加完美、更加成熟的状态把ISP工艺转让给了伊朗。白银公司也由最初的3万t提高到6～7万t，近期将进行技术改造，届时产能将达到10万t。该法对铅锌混合精矿的处理有其广泛的适应性和独到之处。目前葫芦岛锌厂采用ISP熔炼法10万t项目也正在建设中［5］。
2．3QSL直接炼铅
QSL直接炼铅技术是世界上一种先进清洁高效的直接炼铅先进技术，是一种无焦炼铅技术，代表炼铅技术的一个发展方向。它与传统炼铅工艺相比省去了烧结工序不使用焦炭，故而具有流程短、热利用率高、能耗低、烟气中SO2浓度高、硫利用率高并比较好的解决了环保、降耗问题等优势。该法的核心设备是QSL炉。反应器炉型为卧式、圆形，断面沿长轴线是非等径的，氧化区直径大、还原区直径小，炉体倾斜0．5%，反应器沿长轴线可旋转90°。炉内根据反应气氛要求分为氧化段和还原段，两区之间设置有下方留有孔洞的隔墙，孔洞用于渣铅反向流动。目前世界上共有三座QSL法炼铅工厂，除白银公司西北铅锌冶炼厂外，还有德国Stolberg和韩国Onsan厂。韩国Onsan厂目前铅生产能力己由初60kt/a提高到100～110kt/a［6-9］。
2．4SKS法
水口山炼铅法是由我国自行开发的一种氧气底吹直接炼铅方法，属于熔池熔炼范畴［3］。物料投入炉内，同时完成加热、熔化、氧化、造渣、造锍等过程。所不同的是，它采用了独特简单、具有优越冶金动力学功能的设备－水口山熔炼炉(SKS底吹炉)。从熔炼炉顶部加入炉料，底部送入富氧空气搅动熔池，入炉物料在熔池中完成熔炼过程，产出的粗铅、高铅渣和烟气，分别从放铅口、放渣口、排烟口排出［10-12］。
2．5艾萨法(ISA)
艾萨法能处理铜、铅、锌、锡、铁阳极泥等多种物料。该熔炼工艺由两台炉子组成，精矿在第一个炉子被氧化，形成的熔体通过溜槽送到第二个炉子，在第二个炉子内将氧化铅还原成金属铅，然后将形成的渣和金属铅分别排到炉外，连续操作。该工艺能够处理湿料，因此备料系统可以实现无尘作业。但该法不便于制酸。云南冶金集团6万t粗铅项目引进艾萨法氧化熔炼工艺技术和设备，与该集团具有自主知识产权的富铅渣鼓风炉还原工艺技术相结合，形成了新的环保节能粗铅冶炼新工艺。该项目将引进的艾萨炉氧气顶吹炼铅技术与富铅铅渣鼓风炉熔炼技术及鼓风炉强化喷粉熔炼技术有效整合，在世界首次将艾萨炉应用于铅冶炼［13］。
2．6澳斯麦特法(Ausmelt)
2006年云南锡业股份有限公司与澳大利亚澳斯麦特公司签订了10万t铅项目合同，从而向铅冶炼进军。该公司选择了更新的澳斯麦特新的工艺，特点是该工艺拥有澳斯麦特第三代最新顶吹喷枪、先进的生产炉体结构技术、智能化的控制系统，加之采用世界上最先进的中国冶金行业尚未使用的制酸工艺［14］。
2．7卡尔多炉(Kaldo)
卡尔多炉炼铅工艺在直接炼铅法中占有一席之地。卡尔多炉炼铅法的加料、氧化、还原和排渣均在一个相对较小的空间中完成。由于瑞典波利登公司采用了先进的控制设备，使得整个过程流畅轻松，卡尔多炉具有广泛的原料适应性，对处理含硫低的物料尤其适用。卡尔多炉的熔炼(氧化)和还原在同一个炉中进行，没有流态物料的任何形式的转运过程。但卡尔多炉有两个不足:一是在熔炼过程中要抽出一部分烟气压缩，使二氧化硫气体变成液态二氧化硫，在还原过程中又将液态二氧化硫送至制酸，以保证工艺顺利进行;二是间断性作业。青海西部矿业股份有限公司在其粗铅冶炼技改工程中，从自身发展及环保政策的要求出发，结合企业的实际情况，最终选择了卡尔多炉炼铅工艺，2003年与瑞典波立登工程有限公司签订了合同，现己成熟应用［15］。
2．8基夫塞特法
基夫塞特炼铅法是一种闪速熔炼的直接炼铅法。该法由前苏联“全苏有色金属科学研究院”开发，已成为工艺先进、技术成熟的现代直接炼铅法。基夫塞特炼铅法可处理各种不同品位的铅精矿、铅银精矿、铅锌精矿和鼓风炉难以处理的硫酸盐残渣。湿法炼锌厂产出的铅银渣、废铅蓄电池糊、各类含铅烟尘等都可以作为原料入炉冶炼。在1台炉内完成物料的熔化、脱硫、氧化、还原及造渣过程。由于物料在反应塔内高温区高氧势的作用下，氧化、熔化速率高，硫化铅挥发率较小，所以烟尘率相对较低，烟气SO2浓度高，可实现双接触法制酸，尾气低于国家排放标准，操作条件好。根据工厂实践其处理炼锌厂浸出渣的能力较强［16］。
2．9熔池熔炼侧吹炼铅
此外，中南大学在河南的熔池熔炼侧吹炼铅试验也取得重大进展。2001年11月，河南新乡中联总公司建成的硫化铅精矿氧气侧吹直接炼铅炉，经过20多次的开炉试验并对炉子作了多项重大技术改造，熔炼过程得以顺利进行，此后，通过长期的试生产，技术条件逐渐成熟，技术经济指标不断得到优化提高。
3无烧结无焦还原炼铅新工艺
3．1工艺流程
氧气底吹氧化炉系统产生的液态富铅渣(含pb40%)，经溜槽送入到卧式还原炉中，同时，将碎煤与熔剂加入到还原炉中;工业纯氧为氧化剂，工业纯氮气为喷枪保护剂，粉煤从还原炉下方喷枪进入在渣层中燃烧，还原温度为1200℃。还原过程为:在高温下，液态炉渣中的PbO与还原剂作用生成CO或CO2，同时炉渣中的ZnO也被还原成Zn蒸汽与烟气一起排出。还原炉体靠近进渣口端设出铅口，另一端设放渣口。还原炉产出粗铅经过出铅口虹吸放出，通过溜槽进入到圆盘铸锭机铸锭，用桥式起重机转运到堆垛区域脱模堆放，由汽车转运到精炼车间或库房，铅锭重量为2t/块。还原炉渣从放渣口放出后进入溜槽，终渣进入烟化工序或者水淬。主还原剂采用碎煤，由加煤系统以压缩空气为载体在还原炉上部直接喷射到熔池中。辅助还原剂与燃料为粉煤，粉煤由粉煤喷枪从炉底喷射到熔池中，通过粉煤分配器控制进入到各粉煤喷枪的粉煤量。配套的氧气通过单独的控制阀使氧气流量和燃料流量相匹配，一起进入到燃烧喷枪，通过燃烧喷枪使还原炉内温度保持在工艺要求的温度。烟气冷却由设在烟气出口上部的直升烟道和余热锅炉组成，直升烟道将烟气导引到锅炉中，同时完成烟气的再氧化，避免可燃性气体进入到锅炉中产生再次燃烧或爆炸，同时降低烟气温度，有利于余热锅炉正常运行。利用自然漏风和二次鼓风，使烟气中的氧浓度达到3%左右。原则流程图见图1。
3．2工艺特点
该工艺技术特点是不使用焦炭，能源消耗结构合理，且能耗低，劳动卫生条件比鼓风炉得到很大改善。具体有以下几点:
⑴自动化程度高。卧式底吹还原炉反应器以及粉煤分配器、加料系统的控制均采用DCS集散系统控制，生产过程控制系统得到进一步优化，车间内主要岗位设工业电视监视。熔池温度原设计的热电偶测温因寿命短已不能使用，改用快速热电偶点测方式，将温度输入DCS系统;炉料分析、炉渣分析等也采用离线分析再输入DCS系统。随着自动化控制水平不断提高，现场操作人员大大减少，但对操作维护人员的水平要求则相应提高。
⑵工艺流程短、成本及建设投资省。由于工艺流程简短，所需设备及劳动力不多，生产费用和建设投资分别比传统炼铅法约低40%和30%～40%。
⑶环境污染程度小、清洁。由于卧式底吹还原炉采用工业氧气熔炼，过程产生的烟气量只为传统炼铅法的l/4～1/5，对环境的污染卧式还原炉比鼓风炉炼铅法轻得多。
⑷综合能耗低。将底吹氧化炉放出的液态热富铅渣直接通过溜槽送入卧式底吹还原炉，能充分利用化学反应热，煤耗低，不需优质焦炭。余热锅炉产出的蒸汽相当于制氧站能耗的70%～80%。总能耗较传统鼓风炉炼铅法低。
4结论及建议
⑴一步炼铅法特别是QSL炉炼铅法的不断完善和发展为本工艺技术开发的还原炉提供了丰富的理论基础与实践经验。
⑵材料性能和设备加工水平的提高为还原炉及配套设备的制作及稳定运行提供保证。随着冶炼科技的发展，一些新的材料产生，为本项目技术开发提供了可靠的物质条件。例如炉壳所需要的高强度耐热钢板目前已经得到成熟应用，新型的耐火材料也能很好适应本项目的需求，喷枪所使用的耐热不锈钢材料在国内也基本能得到满足，项目所需配套的余热锅炉、电收尘器、风机、制氧机组等制造水平也得到了很大的发展，完全可以满足需要，一些特殊的机械设备加工也可以在国内得到满足。
⑶控制技术的进步减小了还原炉的操作难度，并使得还原炉的进料、进气与温度控制更为精确，能够更好的满足工艺要求。我国引进的QSL炼铅技术没有取得最终的成果，其中最核心的一个问题就是控制系统存在大量的问题，当时采用了以模块电路为主的控制系统，存在继电器可靠性差、备件费用高、故障判断排除困难等问题，往往一个很小的问题就导致长时间的停产;随着计算机技术的应用，智能化操作系统的发展，新型控制理论的不断进步，控制系统的可靠性和稳定性都得到了很大提高，为工艺技术开发实施提供了保障。
⑷对现有焙烧－鼓风炉炼铅进行环保改造，采用液态高铅渣直接还原技术，除去了液态高铅渣降温凝固－固态渣加热熔化的过程，充分利用高铅渣熔体的潜热，在还原时改用粉煤还原，并且粉煤用量比鼓风炉的焦炭用量少，产生的高温烟气经过余热锅炉回收热量并产生蒸汽。综合能耗由原鼓风炉的413kgce/t粗铅降到了337kgce/t粗铅，真正做到了节能降耗。目前世界铅市场需求旺盛，而我国作为铅的主产国，该技术开发成功后具有广阔市场前景，经济和社会效益显著，并且将带动中国铅冶炼整体工艺水平的提高。
