氧气侧吹直接炼铅新工艺的开发与应用.doc

氧气侧吹直接炼铅新工艺的开发与应用总第118期2005年9月工程设计与研究13氧气侧吹直接炼铅新工艺的开发与应用宋光辉,张乐如摘要)简述了我国氧气侧吹直接炼铅工艺的开发过程和背景技术(瓦纽可夫炼铅法)以及试验研究结果和经济指标,论述了氧气侧吹直接炼铅工艺的改进方向和工业应用前景.关键词)氧气侧吹;直接炼铅;氧化熔炼;还原熔炼;试验;应用1概述我国是世界产铅大国,2003年全国生产电铅和精铅156.41万t,居世界第1位,大都采用传统的烧结一鼓风炉还原熔炼法,此乃目前世界上应用最广泛的炼铅方法.但这种方法存在烧结烟气S污染问题.虽然许多炼铅厂的烧结烟气采用制酸处理,回收其,但由于存在烟气中浓度较低,烟气量波动较大,烟气的平衡困难等问题,导致的回收率较低,污染问题难以彻底解决.由于世界范围内的环境保护问题越来越受到重视,炼铅的污染问题也受到了人们的普遍关注.为了从根本上消除烧结烟气的污染问题,炼铅工业在寻求各种直接炼铅新工艺,原料不需经过烧结而直接熔炼产出粗铅,并使其有价元素在工艺流程中有一个合理走向,便于回收利用,如基夫赛特法,法等已在炼铅工业中得到成功的应用.实践证明,直接炼铅是可以实现的.我国新乡中联总公司2000年开始与俄罗斯专家,中南大学,长沙有色冶金设计研究院合作共同开发氧气侧吹直接炼铅新工艺,历时3年,经过工业试验,获得成功.氧气侧吹直接炼铅法是借鉴前苏联瓦纽可夫熔炼法经验开发出来的.瓦纽可夫熔炼法在前苏联炼铜工业中得到应用,用于炼铅在上世纪踟年代作过2次半工业试验.此后,由于苏联解体,这项工作未能继续进行.但根据当时的报导,半工业试验的结果表明,瓦纽可夫熔炼法用于炼铅是可行的,为我们开发氧气侧吹直接炼铅工艺提供了有益的经验.2瓦纽可夫法直接炼铅试验2.1工艺流程瓦纽可夫法是一种熔池熔炼法,用煤作为燃料和还原剂,熔炼所需热量来自煤和原料中硫的燃烧.含铅物料从氧化区炉顶加入,氧化脱硫产出部分粗铅和含铅40%左右的富铅渣,富铅渣流入还原区进一步还原熔炼产出粗铅和弃渣.氧化区和还原区烟气排入两个独立的烟气处理系统进行处理.瓦纽可夫炼铅工艺流程如图1所示.2.2瓦纽可夫炉的基本结构瓦纽可夫炼铅炉设计为矩形炉,内部分隔成氧化区和还原区,隔墙下部相通,富铅渣能从下部流入还原区;炉缸用镁砖或镁铬砖砌筑,炉底呈反拱;下部炉身(熔池部分)分区隔墙用铜水套,炉顶为钢水套内衬耐火砖构筑;炉体两侧设有多个风口,由此向氧化区和还原区鼓入富氧空气或工业纯氧;氧化区和还原区分设两个烟道和两套烟气处理系统.为降低烟气含尘浓度,设有较高直升烟道,烟道下部设有二次风口,以便烟气中PbS进一步氧化,S,0O得以完全燃烧.直升烟道为水14工程设计与研究总第118期图1瓦纽可夫法直接炼铅工艺流程冷壁组成,成为余热锅炉的一部分,可使烟气迅速冷却并回收其余热.2.3瓦纽可夫法炼铅试验过程及结果俄罗斯诺里尔斯克矿冶联合企业用20m2瓦纽可夫炉进行日处理铅精矿1000t的工业试验情况如下:瓦纽可夫法炼铅炉料包括铅精矿,返尘,熔剂,燃料和还原剂等.炉料粒度<20rlln.处理1t铅精矿需耗原煤(粒度<20ram)260,需耗氧气(浓度93%左右)300m3,其中氧化区耗氧为70%80%.氧化区温度控制在9501150,产出部分粗铅和富铅渣;还原区温度控制在12001350,弃渣含Pb1%,2%以下,大部分锌进入烟尘,烟尘含60%70%.氧化区和还原区产出的粗铅汇合一起经虹吸口连续放出,弃渣经渣口连续放出.氧化区烟气>25%,温度1200以上,铅精矿成分见表1.表1铅精矿成分(%)PbZnCuFuSH2056.64.060.656.9712.566粗铅成分为Pb96%,Cu0.9%,富铅渣成分见表2.表2富铅渣成分(%)3氧气侧吹直接炼铅法的开发3.1氧气侧吹直接炼铅法的改进氧气侧吹直接炼铅法是在瓦纽可夫法的基础上开发的.工艺流程如同所有直接炼铅法,无需作过多的改进.但是基于投资的限制和开发者对瓦纽可夫炼铅法的认识程度,在炉型结构和操作制度上作了重大改进.3.1.1炉型结构的改进试验炉为单区炉型,熔炼区为1.5m2.试验采用单炉进行,氧化熔炼和还原熔炼由一台炉子交替进行.氧化熔炼阶段产出粗铅和富铅渣,富铅渣水淬后堆存.达到一定数量后进行还原熔炼.试验炉没有分成氧化区和还原区,而是分成加料室和熔炼区.炉身由3层水套组成,下部为熔池区,上部为再燃烧区.两侧下部装有熔池风口,上部装有再燃烧风口.熔池的一端设有渣铅虹吸井,开设放渣口和虹吸放铅口.熔池的深度可通过调整渣口高度来控制.炉缸由镁铬砖砌筑,呈反拱形,分成高,低及斜坡3个区段.炉缸宽0.8m,最深处0.535m.炉缸用作渣铅分离,渣,铅分别通过虹吸道排出.熔池区水平方向分熔炼室和加料室,两室之间有65rlln651Tin水冷方形铜管叠砌的隔墙.熔炼室两侧各设有2个D32rlln的风口,风口采用水冷保护.为减少炉气带走炉料和喷沫,中层水套向外倾斜,炉子宽度从1m扩大到2m,以降低风速.下层水套为铜质水套,中层为钢水套.再燃烧室为内衬镁砖的钢水套构成,两侧各设有2个D50i-zalt再燃烧风口.总第118期氧气侧吹直接炼铅新工艺的开发与应用15加料室顶部设有D200nIn的主加料口,熔炼区顶部设有D200iljll备用加料口,炉顶均为钢水套内衬耐火砖.上升烟道为1000fI/iiX1700nInX4500nIn箱式水套组成.3.1.2操作制度的改变由于本试验采用单区炉型,氧化熔炼和还原熔炼不能在一座炉内同时进行,迫使两个不同熔炼过程只能分阶段在同一炉内交替进行.氧化熔炼阶段连续产出粗铅和富铅渣,富铅渣水淬后堆存.当富铅渣累积到一定数量,炉子进行还原熔炼,改变控制技术参数,连续产出粗铅和弃渣.直至这批富铅渣全部处理完,才重新进行氧化熔炼,如此反复交替进行.3.2氧气侧吹直接炼铅生产试验情况本试验从2001年11月开始,共完成了24次试验,在俄罗斯专家指导下进行了第1次和第711次试验.直到第11次试验完时,炉子主要操作指标还未达到要求.我们认为主要原因是俄罗斯专家将炼铜的经验用来炼铅,炉型结构不适应,炉内形成的冰铜层无法消除.但俄罗斯专家持不同意见,双方对主要原因分析意见分歧较大,俄罗斯专家退出试验.此后,中方对炉型结构和技术条件进行改造和调整,进行多次试验,直至第16次试验,才能进行正常生产,成功地解决了熔炼过程的两大难题:一是避免炉缸铅锍层的形成及消除办法;二是防止炉壁结瘤的形成及消除办法.第23次为氧化熔炼试验,炉子连续运行33d,后因引风机故障停炉;第24次为还原熔炼试验,炉子连续运行62d,直至富铅渣全部处理完才停炉.从试验情况看,侧吹炉已经能够长期连续稳定运行.3.3氧气侧吹直接炼铅的试验结果氧化熔炼以第23次试验为例进行统计和计算.本次试验共投入铅精矿3395.6t,烟尘1314t,开炉渣16t.共投入金属量Pb2576.19t,Zn184.57t,Au17.311l,Ag30.68lqg.试验炉料成分见表3.表3氧化熔炼炉料成分(%)氧化熔炼产出一次粗铅1160.71t,烟尘1260t,富铅渣1667t.还原熔炼以第24次试验为例进行统计和计算.本次试验以第22次和第23次氧化熔炼试验产出富铅渣及其烟尘作为炉料,共投入第22次试验的富铅渣381.9t,第23次富铅渣1667t,烟尘1319t,炉料成分见表4.还原熔炼产出粗铅(含Pb96%)669.52表4还原熔炼炉料成分(%)l6工程设计与研究总第118期t,烟尘(含Pb68%)1141t,弃渣(含Pb2.7%)1537t.3.4氧气侧吹直接炼铅试验技术经济指标(1)氧化熔炼技术经济指标熔炼温度:11001150风口压力:0.0850.095MPa床能力:110125t/m2?d氧气单耗:210250m3/t精矿煤耗(相对精矿):7.26%一次粗铅产率(相对精矿):65%70%粗铅含Pb:98%烟尘率:20%35%富铅渣含Pb:28%-35%含%10%离炉烟气浓度:20%24%(2)还原熔炼技术经济指标熔炼温度:11501200风口压力:0.080.09MPa床能力:90110t/m2?d氧气单耗:275320m3/t富铅渣煤率(相对富铅渣):35%44%二次粗铅产率(相对富铅渣含Pb):91%95%二次粗铅含Pb:96%弃渣含Pb:2.7%含Zn:4%6%含Ag:20g/t烟尘率:22%29%(3)冶炼总回收率Pb:>96%Ag:>98.5%Au:99%这次试验烟气用于制备亚硫酸钠,外销造纸企业,尾气排放浓度200r,Wm3.如果进行工业化生产,可用制酸工艺回收烟气中的.3.5试验结果评价试验证明氧气侧吹直接炼铅是完全可行的,主要技术经济指标大部分优于传统的烧结一鼓风炉熔炼法.(1)改进后的炉型结构基本合理,实践证明此炉型既能进行氧化熔炼,又能进行还原熔炼.无论是氧化熔炼还是还原熔炼,均具有很高的床能力.(2)可用廉价煤替代还原熔炼的焦炭,节省生产成本.(3)氧化熔炼和还原熔炼均可连续生产,如果采用双炉结构,氧化炉排出的富铅渣直接流入还原炉,就可直接得到粗铅和弃渣.并且降低煤和氧气的单耗.(4)氧气侧吹直接炼铅工艺设备简单,流程短,投资少.(5)硫化铅精矿直接氧化熔炼,脱硫率>97%,离炉烟气浓度20%24%,有利于硫的回收利用,完全解决烟气的环境污染问题.试验情况表明,目前的炉型结构和操作方式还有需要改进的问题.(1)烟尘率过高.其主要原因是加料位置过高.物料落入熔池的距离过长,导致部分物料在下落过程中就被烟气带走;直升烟道高度不够,烟尘在烟道内没有足够时间沉降;由于炉子小,温度难以控制,熔炼温度偏高.(2)煤和氧气单耗偏高.主要有如下几方面原因:一是试验过程炉子小,热损失大,水套带走热量比例大;二是单炉操作,还原熔炼加入的是水淬后的冷渣,冷渣熔化需要大量的热能.(3)还原熔炼阶段锌的富集回收问题.氧气侧吹直接炼铅试验中,氧化熔炼阶段精矿中的锌富集在富铅渣中,而在还原阶段6o%的锌进入烟尘,同时烟尘中含铅很高(烟尘成分Pb68%,11.5%).这种烟尘无法作为氧化锌处理,只能返回熔炼系统继续炼铅,造成锌在系统中的循环和富集.还原熔炼阶段的渣含Pb2.7%,Zn4%6%,如果用烟化炉处理,经济上不太合算.因此,如何降低烟尘率和还原阶段铅锌的挥发是该工艺总第118期氧气侧吹直接炼铅新工艺的开发与应用l7需重点改进的问题.4氧气侧吹直接炼铅改进设想针对氧气侧吹直接炼铅试验存在的几个问题,必须认真分析问题出现的原因和机理,对其工艺和设备提出相应的改进措施,尽量避免这些问题在工业化生产中出现.4.1炉体结构及直升烟道的改进烟尘率高和氧化锌进入烟尘比率偏高.与炉体结构和直升烟道密切相关.由于受到厂房的限制,试验炉直升烟道高度不够导致铅和锌的挥发物没有足够冷凝沉降时间,就被上升气流带入烟气系统.在工业化应用设计中,必须增加直升烟道的高度,并扩大直升烟道的横断面积,降低气流上升速度,使挥发物有足够的沉降时间.还原炉的烟尘率高和氧化锌进入烟尘比例偏高,与还原炉的结构有密切关系,还原炉应该在现有氧化炉结构的基础上作一些局部改进.根据基夫赛特炉的结构特征,富铅渣进入还原阶段之前应该有一个相对静止的区域,以便还原出来的铅有足够的沉清和分离的时间.4.2冶炼工艺及技术条件的改进试验采用单炉操作,氧化熔炼和还原熔炼在同一炉内交替进行,这样不仅使能耗增加,而且也是造成烟尘率高的原因之一.工业化生产设计应采用双炉作业,氧化炉排出的炽热富铅渣直接流入还原炉,一方面可以大大降低还原阶段的煤耗和氧气消耗,另一方面可以减少烟气量,从而减少挥发物的带走量.同时还可以减少炉顶加入冷料时直接带走的烟尘量.4.3提高自动化控制水平为了减少烟尘量,必须严格控制炉内温度.还原阶段锌挥发进入烟尘的问题不难解决,而问题是大量的铅也同时挥发进入烟尘,导致烟尘中铅含量远高于锌含量,烟尘无法作为氧化锌处理.如果能抑制铅及化合物的挥发,烟尘中氧化锌含量就会提高,就可以进入氧化锌系统进行处理.从沸点和平衡蒸气压分析,锌的挥发要比铅容易得多.锌的沸点为907”C,铅的沸点为1525*(2,R)O的沸点为1472*(2,PbS沸点1281.试验中Pb,Pbo,PIxS的平衡蒸气压见表5.表5Pb,PbO,PbS的平衡蒸气压如果试验中还原温度真正控制在11501200*(2,Pb和Pbo的蒸气压都只有1.36.7kPa,铅的挥发率不会如此高.因此,提高控制水平,严格控制炉内温度至关重要.同时,还可根据渣型将还原温度控制在10501150”(2.5氧气侧吹直接炼铅工艺的应用氧气侧吹直接炼铅工艺经过工业试验,工艺流程,设备能力均已确定,炉型结构基本合理,炉子的操作特性完全掌握,各项技术经济指标令人满意.对个别需改进的部分进行了认真的研究,找出了引起问题的原因,研究出了改进措施.因此,该工艺应用于工业化生产的工厂设计所需条件已经具备.根据试验所提供的条件,应新乡中联总公司要求,进行了氧气侧吹直接炼铅新工艺6万t/a粗铅炼铅厂的可行性研究.6万t/a粗铅厂采用双炉连续冶炼,混合铅精矿与溶剂,煤计量配料后制粒,加入侧吹炉熔炼,温度控制在9301130”(2,产出一次18工程设计与研究总第118期粗铅,富铅渣和含浓度>20%的高温烟气.粗铅铸锭,富铅渣进还原炉产出二次粗铅和弃渣,烟气送往制酸,制酸采用两转两吸接触法工艺流程,尾气达标排放.设备连接图见图2.研究结果表明,该工艺虽然增加氧气制图2双炉连续氧气侧吹直接炼铅设备连接图备站,但省去鼓风炉和烟化炉,直接工程投资费用仅8000余万元,与烧结一鼓风炉熔炼工艺不相上下,