基夫賽特直接煉鉛技術(shù)的應(yīng)用前景

賀菊香

(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南長沙 410011)

基夫賽特直接煉鉛技術(shù)的應(yīng)用前景

賀菊香

(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南長沙 410011)

介紹了基夫賽特直接煉鉛技術(shù)的反應(yīng)機(jī)理、核心設(shè)備、工藝特點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)例。通過對幾種直接煉鉛工藝的比較,認(rèn)為基夫賽特直接煉鉛工藝能滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求,原料適用性強(qiáng),特別是在煉鉛的同時(shí)能搭配處理大量的鋅浸出渣,是適合大型鉛鋅聯(lián)合冶煉企業(yè)選擇的一種煉鉛工藝。

基夫賽特爐;直接煉鉛;反應(yīng)機(jī)理;工藝特點(diǎn);應(yīng)用前景

鉛是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)原料之一,世界礦產(chǎn)鉛的生產(chǎn)普遍采用傳統(tǒng)的燒結(jié)-鼓風(fēng)爐熔煉流程,該法雖然工藝穩(wěn)定、可靠,經(jīng)濟(jì)效果尚好,但有能耗高、環(huán)保難達(dá)標(biāo)、勞動條件差等缺點(diǎn),已逐漸被新的直接煉鉛方法所取代。

從上世紀(jì)70年代開始,世界上許多國家致力于研究各種新的煉鉛方法。已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的直接煉鉛法有基夫賽特法(Kivcet)、QSL法、Kaldo法、頂吹熔煉法(ISA或Ausmelt)、水口山法(SKS)、富氧側(cè)吹直接煉鉛工藝;云南冶金集團(tuán)也在進(jìn)行新的直接煉鉛工藝試驗(yàn),但尚未見報(bào)道。

我國為了提高鉛冶煉的技術(shù)裝備水平,減少鉛冶煉造成的污染,也應(yīng)用和開發(fā)了多種直接煉鉛法。西北鉛鋅冶煉廠引進(jìn)QSL法專利技術(shù),建成一套年產(chǎn)粗鉛5.2萬t的QSL爐,1992年投產(chǎn),不久因故停產(chǎn),1995年經(jīng)多項(xiàng)整改后重新生產(chǎn),又因故停產(chǎn)至今;2005年西部礦業(yè)建成一套年產(chǎn)粗鉛5萬t的Kaldo爐;2005年云南曲靖采用了 ISA爐+鼓風(fēng)爐煉鉛,年產(chǎn)粗鉛8萬t;豫光金鉛和水口山等多家鉛廠采用了SKS爐+鼓風(fēng)爐煉鉛,年產(chǎn)粗鉛8萬t;江西銅業(yè)和株冶引進(jìn)了基夫賽特直接煉鉛技術(shù),正在分別建設(shè)基夫賽特工廠,預(yù)計(jì)2011年年底建成投產(chǎn)。

隨著社會的前進(jìn)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,礦產(chǎn)鉛鋅精礦供應(yīng)越來越緊張,環(huán)保要求日趨嚴(yán)格。尋找合適的煉鉛方法,實(shí)現(xiàn)資源最大限度的利用,同時(shí)又實(shí)現(xiàn)節(jié)能和清潔生產(chǎn),提升技術(shù)創(chuàng)新力,降低生產(chǎn)成本,滿足環(huán)保要求,已成為鉛鋅冶煉企業(yè)必須面對和尋求的目標(biāo)。

生產(chǎn)實(shí)踐已證明,基夫賽特法煉鉛具有技術(shù)先進(jìn)、可靠、高效、節(jié)能、環(huán)保、綜合回收好等特點(diǎn),其原料適用性強(qiáng),特別是在煉鉛的同時(shí)能搭配處理大量的鋅浸出渣,是適合鉛鋅聯(lián)合冶煉企業(yè)選擇的一種煉鉛工藝。本文從其反應(yīng)機(jī)理、工藝特點(diǎn)、工廠實(shí)例、應(yīng)用前景等進(jìn)行分析和介紹。

1 基夫賽特直接煉鉛的反應(yīng)機(jī)理

基夫賽特法煉鉛屬于閃速熔煉技術(shù),它集氧化、還原、煙化三種冶金化學(xué)過程為一體?；疽c(diǎn)是利用工業(yè)純氧和電能,將含鉛的混合爐料進(jìn)行閃速熔煉和氧化物碳熱還原來實(shí)現(xiàn)直接煉鉛。

在基夫賽特爐的反應(yīng)塔內(nèi),由上到下完成氧化脫硫、熔煉造渣和焦濾層還原三個(gè)基本過程,主要反應(yīng)有:

氧化反應(yīng):

還原反應(yīng):

氧化反應(yīng)中(1)、(2)、(3)、(4)均是放熱反應(yīng)。爐料在反應(yīng)塔內(nèi)呈懸浮狀態(tài),通過傳熱、傳質(zhì)和氣-固與氣-液等反應(yīng),完成氧化脫硫、熔煉造渣過程;熔融物中85%～90%的氧化鉛被灼熱的焦炭還原成液態(tài)金屬鉛。當(dāng)混合爐料中含銅高時(shí),可造冰銅。

當(dāng)爐料中搭配有鋅冶煉的浸出渣時(shí),則混合爐料中含F(xiàn)e2O3成分會高,Fe2O3在1 300～1 400℃的高溫下會分解:

這兩個(gè)反應(yīng)是吸熱反應(yīng),焦濾層除要還原PbO和Fe2O3外,還要還原Fe3O4,因此焦濾層要保持足夠的溫度,反應(yīng)才能得以進(jìn)行。

2 基夫賽特爐的構(gòu)造

基夫賽特(Kivcet)法煉鉛的核心設(shè)備是基夫賽特爐,基夫賽特爐主要由銅水套、耐火材料、鋼結(jié)構(gòu)等部分組成。

按照不同的功能基夫賽特爐可劃分為四個(gè)部分:一是帶氧焰噴嘴的反應(yīng)塔,二是帶有焦炭過濾層的熔池,熔池由爐底、爐墻、爐頂、冷卻件、鋼結(jié)構(gòu)框架構(gòu)成,三是電熱區(qū),四是豎煙道及余熱鍋爐。熔煉區(qū)和電熱區(qū)之間采用浸沒式銅水套將上部的煙氣隔開,下部的熔池是相互連通的。如圖1所示。

圖1 基夫賽特爐

反應(yīng)塔頂安裝有氧料噴嘴,爐料和氧氣通過噴嘴噴入反應(yīng)塔,在反應(yīng)塔內(nèi)進(jìn)行氧化反應(yīng),爐料中的PbS被迅速氧化生成PbO,形成高溫熔融物,掉入熔煉區(qū)熔池,PbO通過漂浮在熔池上的焦炭過濾層時(shí)進(jìn)行還原,形成液態(tài)金屬鉛;熔煉過程產(chǎn)生的含硫煙氣通過煙氣隔墻流向上升煙道,進(jìn)入豎爐余熱鍋爐。電熱區(qū)的主要作用是將流入電熱區(qū)的熔體進(jìn)行沉淀分離,并將部分金屬氧化物煙化揮發(fā);電熱區(qū)頂部安裝有電極,電極插入渣層,為電熱區(qū)補(bǔ)充熱量;含鉛氧化物流入電熱區(qū)內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步的還原反應(yīng);在電熱區(qū),液態(tài)渣和液態(tài)鉛被定期放出,電熱區(qū)產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入電熱區(qū)余熱鍋爐,并在余熱鍋爐內(nèi)進(jìn)行二次燃燒。

基夫賽特爐是集氧化、還原、煙化三種冶金化學(xué)過程為一體的大型爐窯。

3 基夫賽特直接煉鉛的工藝特點(diǎn)

1.真正意義上的一步煉鉛。氧化脫硫和還原在一座爐內(nèi)連續(xù)完成,可直接產(chǎn)出高品位(Pb 98.8%～99.1%)粗鉛。

2.原料適應(yīng)性強(qiáng)。能冶煉含 Pb 20%～70%,硫13.5%～28%,銀100～8 000 g/t的鉛精礦或氧化礦,能搭配處理各種含鉛渣料、廢鉛蓄電池,特別是能搭配處理鋅冶煉產(chǎn)生的大量浸出渣,可節(jié)約基建投資,降低能耗,完全消除回轉(zhuǎn)窯處理浸出渣過程中產(chǎn)生低濃度SO2煙氣的污染問題。

3.金屬回收率高。鉛回收率＞98%,金銀入粗鉛率達(dá)99%以上,渣含鉛可達(dá)3%以下。

4.環(huán)保好。煙氣SO2濃度高,可直接制酸回收其SO2;爐子為固定爐床,密封性好,操作崗位環(huán)境良好。

5.能耗低。充分利用硫的反應(yīng)熱,煙氣量小,帶走熱量少;煙塵率低,為投料量的5%～7%,直接返回爐內(nèi)熔煉,返料少。其粗鉛能耗為350 kg標(biāo)煤/t,滿足我國鉛冶煉能耗標(biāo)準(zhǔn)中限額準(zhǔn)入值的水平。

6.爐體相對復(fù)雜。渣線以下及反應(yīng)塔裝有大量銅水套,但爐壽可達(dá)3 a,銅水套壽命可達(dá)10 a以上。

7.原料準(zhǔn)備相對熔池熔煉技術(shù)要求高些,但技術(shù)和設(shè)備常規(guī)、成熟、可靠。

4 基夫賽特直接煉鉛的應(yīng)用實(shí)例

基夫賽特法是前蘇聯(lián)有色金屬科學(xué)研究院(現(xiàn)哈薩克斯坦東方有色金屬研究院)上世紀(jì)60年代開始研究開發(fā)的直接煉鉛技術(shù),上世紀(jì)80年代應(yīng)用于大型工業(yè)化生產(chǎn)。

其原則流程為:含鉛爐料→干燥→球磨→基夫賽特熔煉→粗鉛,含硫煙氣送制酸,爐渣則直接水淬或送煙化。

目前應(yīng)用基夫賽特直接煉鉛技術(shù)的企業(yè)已有5個(gè),分別介紹如下:

1.1986年在哈薩克斯坦烏斯季—卡緬諾哥爾斯克建成處理爐料340 t/d的基夫賽特?zé)掋U廠,1988年改擴(kuò)建為400～500 t/d,各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯改善。爐料主要成分見表1。

表1 爐料主要成分

2.1986年意大利薩明公司購買該專利,在意大利撒丁島西南海岸的維斯麥港附近,于1987年2月建成了600 t/d基夫賽特?zé)掋U廠,在原專利技術(shù)基礎(chǔ)上作了許多改進(jìn),投產(chǎn)后各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和自控水平均超過了原專利,實(shí)際產(chǎn)能達(dá)到了 10～12萬t/a,粗鉛產(chǎn)量取決于爐料含鉛量,但受硫酸系統(tǒng)生產(chǎn)能力的限制。爐料主要成分見表2。

表2 爐料主要成分

維斯麥港公司基夫賽特廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)如下:

粗鉛產(chǎn)量:260～290 t/d。

開工率:＞96%。

鉛的直收率:88%～91%。

焦粉耗量:45～65 kg/t Pb(18～27 kg/t原料)。粉煤耗量:140～180 kg/t Pb(60～78 kg/t原料)。電極耗量:3.2～5.9 kg/t Pb(1.4～2.6 kg/t原料)。電能耗量:970～1 020 kWh/t Pb(410～450 kWh/t原料)。

余熱回收:0.43～0.53 t蒸汽/t原料。

氧氣耗量:410～530 m3/t Pb(170～210 m3/t原料)。耐火材料耗量:0.2～0.4 kg/t原料。

3.1996年年底加拿大科明科(Cominco)公司120 kt/a粗鉛的基夫賽特?zé)掋U廠在特雷爾廠(Trail)投產(chǎn)成功。特雷爾冶煉廠是一個(gè)鉛鋅聯(lián)合企業(yè), 2006年生產(chǎn)粗鉛96.5 kt/a,電鋅295 kt/a,基夫賽特爐的爐料包括了鋅系統(tǒng)產(chǎn)出的全部浸出渣,浸出渣占到了爐料的45%～50%,鉛精礦占28%,廢蓄電池占5%,返料占10%,熔劑占10%。爐料主要成分見表3。

表3 爐料主要成分

處理量:1 350～1 470 t/d(設(shè)計(jì)值1 310 t/d)。

開工率:93%～96%。

鉛的直收率:88%～89%。

焦粉使用量:80～120 kg/t Pb(20～30 kg/t原料)。

粉煤使用量:320～360 kg/t Pb(80～90 kg/t原料)。

電極使用量:2.4～3.6 kg/t Pb(0.6～0.9 kg/t原料)。

電能耗量:540～840 kWh/t Pb(135～205 kWh/ t原料)。

氧氣耗量:600～680 m3/t Pb(150～170 m3/t原料)。

耐火材料消耗量:0.2～0.4 kg/t原料。

4.國內(nèi)某公司鉛鋅冶煉及資源綜合利用工程,建設(shè)規(guī)模:100 kt/a粗鉛,屬于鉛鋅聯(lián)合企業(yè)及綜合回收建設(shè)項(xiàng)目,鉛冶煉項(xiàng)目搭配處理100 kt/a常規(guī)濕法煉鋅產(chǎn)生的全部浸出渣等,即鋅浸出渣約81 600 t/a,鉛渣約18 500 t/a;工程預(yù)計(jì)2011年年底投產(chǎn),處理量:1 174 t/d(設(shè)計(jì)值)。爐料主要成分見表4。

表4 爐料主要成分

主要技術(shù)參數(shù)如下:

反應(yīng)塔溫度:1 380～1 420℃。

電熱區(qū)溫度:約1 200℃。

渣層溫度:約1 300℃。

工業(yè)氧氣(98%)消耗:約11 380 m3/h。

變壓器功率:12 000 kVA,1臺。

5.國內(nèi)某公司搭配鋅浸出渣基夫賽特直接煉鉛工程,建設(shè)規(guī)模:120 kt/a粗鉛,屬循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)項(xiàng)目,鉛冶煉項(xiàng)目搭配處理100 kt/a鋅常壓氧浸產(chǎn)生的含 Pb、Ag的硫尾礦渣約 96 000 t/a及硫渣約20 000 t/a等,預(yù)計(jì)于 2011年年底投產(chǎn),處理量: 1 070 t/d。爐料主要成分見表5。

表5 爐料主要成分

該項(xiàng)目的基夫賽特爐主要技術(shù)參數(shù)與上述某公司類似,但出鉛、出渣方式有所不同。

5 幾種直接煉鉛工藝的比較

幾種直接煉鉛法的共同特點(diǎn)是利用氧氣冶煉技術(shù),強(qiáng)化熔煉過程,硫化鉛直接熔煉,生產(chǎn)率高、自動化水平高、設(shè)備少、流程短,特別是能產(chǎn)出高濃度SO2煙氣便于制酸,從根源上解決了SO2煙氣污染問題。

下面從原料的適應(yīng)性、單位產(chǎn)品綜合能耗、主金屬回收率及裝置的使用壽命及開工率幾個(gè)方面,對幾種直接煉鉛方法進(jìn)行比較。

表6 幾種煉鉛工藝綜合能耗指標(biāo)

5.1 原料的適應(yīng)性

生產(chǎn)實(shí)踐證明,基夫賽特法對原料的適應(yīng)性最好,能搭配處理各種低品位的含鉛物料,特別是能搭配處理大量鋅廠浸出渣,如意大利 KSS廠和加拿大Trail廠。富氧頂吹浸沒熔煉法和 Kaldo法沒有搭配處理鋅浸出渣煉鉛的報(bào)導(dǎo);QSL法不能處理浸出渣,加拿大科明科最初用QSL爐,由于加入部分浸出渣引起工藝過程混亂,這是該公司改用基夫賽特法原因之一,韓國溫山冶煉廠的鋅浸出渣用Ausmelt爐另外處理,不進(jìn)QSL爐;水口山法也無處理大量鋅浸出渣的實(shí)踐;富氧側(cè)吹法未作過這方面的試驗(yàn)。

5.2 單位產(chǎn)品綜合能耗

幾種煉鉛工藝綜合能耗指標(biāo)見表6。

從表6可見,凡需采用鼓風(fēng)爐還原熔煉的方法能耗均高,因?yàn)楣娘L(fēng)爐需要大量冶金塊焦,熔融熱態(tài)高鉛渣須冷卻鑄塊后再加入鼓風(fēng)爐再重新加熱熔化;煙塵率也偏高,都在15%～20%左右,煙塵在流程中循環(huán),也需消耗能源。基夫賽特法粗鉛綜合能耗低于我國鉛冶煉能耗標(biāo)準(zhǔn)中的限額準(zhǔn)入值。

5.3 金屬回收率

幾種煉鉛方法的金屬回收率見表7。

表7 幾種煉鉛方法的金屬回收率 %

從表7可見,幾種方法金屬回收率都很好,其中基夫賽特法的最好。

5.4 裝置的使用壽命及開工率

基夫賽特裝置的爐壽可達(dá)3 a,一年的開工率大于95%。而Kaldo、QSL、富氧頂吹浸沒熔煉法、水口山等裝置壽命一般為3～9個(gè)月不等,一年開工率為60%～85%。因此,基夫賽特法煉鉛的運(yùn)行成本相對較低。

綜合來說基夫賽特法是其中最佳方法,是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的煉鉛工藝。

6 基夫賽特直接煉鉛的應(yīng)用前景

濕法煉鋅不論是采用常規(guī)法,還是先進(jìn)的直接浸出技術(shù),都會產(chǎn)生大量的鋅浸出渣,常規(guī)法的鋅浸出渣采用威爾茲回轉(zhuǎn)窯處理,存在能耗高,低濃度SO2的污染等問題。生產(chǎn)實(shí)踐已證明,基夫賽特法在煉鉛的同時(shí)能搭配處理大量鋅浸出渣,從根源上解決了鉛鋅冶煉企業(yè)重要的環(huán)境污染問題,鋅冶煉廠不用建單獨(dú)的回轉(zhuǎn)窯來處理鋅浸出渣,且渣中的金、銀等進(jìn)入粗鉛中得到回收?；蛸愄刂苯訜掋U工藝在我國成功實(shí)施,將提高我國鉛冶煉技術(shù)和裝備水平,對鉛鋅聯(lián)合企業(yè)的資源綜合利用和節(jié)能環(huán)保具有積極的示范意義,將具有良好的市場應(yīng)用前景。

21世紀(jì)的環(huán)保要求更為嚴(yán)格,進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新,節(jié)能降耗,降低生產(chǎn)成本,增加經(jīng)濟(jì)效益,滿足環(huán)保要求等是企業(yè)所追求的目標(biāo)?；蛸愄刂苯訜掋U工藝能滿足這一挑戰(zhàn)的要求,為鉛冶煉行業(yè)提供了一種環(huán)保、節(jié)能、運(yùn)行成本較低、先進(jìn)的、真正意義上的直接煉鉛方法?？梢灶A(yù)見將來會有更多的鉛鋅聯(lián)合企業(yè)會采用基夫賽特直接煉鉛技術(shù),在煉鉛的同時(shí)搭配處理掉其鋅系統(tǒng)產(chǎn)出的鋅浸出渣,打造鉛鋅聯(lián)合綠色的現(xiàn)代化冶金工廠。

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The Application Prospect of KIVCET Direct Lead Smelting

HE Ju-xiang
(Changsha Engineering and Research Institute Ltd.of Nonferrous Metallurgy,Changsha410011,China)

This paper introduces the reaction mechanism,hard core equipment,process characteristics and application examples of the KIVCET direct lead smelting technology.Through the comparison of several direct lead smelting process,consider KIVCET direct lead smelting process can meet the increasingly stringent environmental requirements,raw materials and strong practicability,especially in lead smelting and can match the processing of large amounts of zinc leaching residue,which is suitable for lead-zinc joint enterprise to choose a lead smelting process.

KIVCET;direct lead smelting;reaction mechanism;process characteristics;application prospect

TF812

A

1003-5540(2011)06-0020-04

賀菊香(1968-),女,高級工程師,主要從事有色金屬冶金工程咨詢和設(shè)計(jì)工作。

2011-11-02