卡爾多爐煉鉛工藝的思考

董曉偉，何醒民

(長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙 410011)

1 引言

我國為世界鉛生產(chǎn)大國，2012年鉛產(chǎn)量464.6萬t，目前鉛冶煉行業(yè)面臨的突出問題是:生產(chǎn)成本不斷提高;產(chǎn)能過剩壓力凸顯;重金屬污染治理形勢空前嚴峻。面對資源、環(huán)境和成本的三大挑戰(zhàn)，21世紀以來，我國鉛冶煉技術(shù)及裝備水平得到快速發(fā)展，各種煉鉛工藝在我國都有應(yīng)用，如SKS法、艾薩-鼓風爐法、Kaldo法、富氧底吹(或側(cè)吹)-熱態(tài)渣直接還原法、Ausmelt三段法、kivcet法等，以上煉鉛工藝極大地提高了我國鉛冶煉技術(shù)裝備水平，創(chuàng)造了適合我國國情的高效節(jié)能環(huán)保低碳的鉛冶煉新技術(shù)。我國在引進消化吸收國外卡爾多爐煉鉛工藝生產(chǎn)中雖然出現(xiàn)了一些問題，但工廠整體狀況良好，能滿足生產(chǎn)要求，特別是在瑞典隆斯卡爾廠有同樣一臺卡爾多爐一直在煉鉛、煉銅及處理廢雜鉛、銅及軍工廢料，因此，對卡爾多爐煉鉛工藝進行全面思考，采用優(yōu)化措施，完全能解決卡爾多爐煉鉛生產(chǎn)中的問題，卡爾多工藝是成熟可行的。

2 Kaldo法在國外的生產(chǎn)應(yīng)用

瑞典波立登(Boliden)公司利用氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐熔煉技術(shù)，開發(fā)了卡爾多(Kaldo)熔煉法用于有色金屬冶煉，可處理銅精礦、廢雜銅、廢鉛蓄電池、鉛精礦、鉛塵及陽極泥等物料，目前世界上有意大利、伊朗、波蘭、哈薩克斯坦、墨西哥、俄羅斯、美國、印度等國的多家冶煉廠采用不同規(guī)格的卡爾多爐處理不同物料。瑞典隆斯卡爾廠的卡爾多爐一直在煉鉛、煉銅及處理廢雜鉛、銅及軍工廢料，該廠的煙氣處理系統(tǒng)較為復(fù)雜，其特點是煙氣種類多，部分煙氣不連續(xù)。連續(xù)煙氣來自銅精礦沸騰爐、煉銅電爐，不連續(xù)煙氣來自銅轉(zhuǎn)爐及卡爾多爐，以上煙氣均進入混合塔，經(jīng)凈化處理后，大約33%的煙氣進入SO2部分冷凝系統(tǒng)生產(chǎn)液體SO2，67%的煙氣進入制酸系統(tǒng)生產(chǎn)硫酸。SO2部分冷凝技術(shù)是一種常規(guī)的SO2濃縮技術(shù)，國外黃鐵礦沸騰焙燒制酸廠，廣泛抽取部分煙氣采用該技術(shù)來獲得合格的液體SO2產(chǎn)品，其余煙氣送制酸［1］。

3 Kaldo法在國內(nèi)的生產(chǎn)應(yīng)用

目前國內(nèi)已引進了三套卡爾多爐裝置，一套用于鉛精礦冶煉，一套用于處理廢雜銅，另一套用于銅陽極泥處理，以下為卡爾多爐冶煉鉛精礦的生產(chǎn)應(yīng)用情況。

3.1 工程概況

工程設(shè)計粗鉛5萬t/a、硫酸4.5萬t/a，從瑞典波立登公司引進卡爾多爐煉鉛及SO2部分冷凝技術(shù)，外方完成引進部分的基本設(shè)計并提供關(guān)鍵設(shè)備，如:卡爾多爐熔煉及SO2部分冷凝系統(tǒng)的全部自動化檢測控制儀表、精礦加料器、噴槍、卡爾多爐部件、可調(diào)文丘里、制冷壓縮機等，引進部分的主體設(shè)備由外方提供詳細設(shè)計國內(nèi)制造，如卡爾多爐、箕斗提升機、水冷煙道、抬包車、SO2預(yù)冷器、SO2冷凝器、產(chǎn)品熱交換器、制冷劑冷凝器等，國內(nèi)負責轉(zhuǎn)化及配套設(shè)施設(shè)計，引進部分工程的進口設(shè)備及部件占比例約為15%，其余85%設(shè)備及部件為國內(nèi)制造，整個工程增加投資約為同等規(guī)模SKS法的3～5%，設(shè)備配置及裝備水平提高很多，主要增加投資內(nèi)容為外方的技術(shù)訣竅費、進口設(shè)備及部件費用。

工程主要由以下部分組成:原料制備、卡爾多爐熔煉、煙氣凈化及SO2部分冷凝、制酸、氧氣站、循環(huán)水系統(tǒng)、變電站。

3.2 生產(chǎn)過程描述

原料制備主要由一、二段干燥窯組成，一段干燥窯主要干燥煙塵濾餅，當精礦水份＜10%時，直接進二段干燥，干燥后水份要求＜0.5%。

卡爾多爐冶煉硫化鉛精礦分為閃速熔煉和還原二個步驟，干燥好的精礦通過精礦加料器由噴槍噴入卡爾多爐內(nèi)進行自熱閃速熔煉，返料、熔劑及焦碳由箕斗提升機加入爐中，卡爾多爐分別以加料、熔煉、倒渣出鉛三個位置工作，煙氣通過水冷煙道進入可調(diào)文丘里濕式降溫除塵，收集的煙塵泥漿送濃密機經(jīng)壓濾機得煙塵濾餅返干燥。粗鉛注入抬包車中鉛包冷卻鑄錠，渣包用吊車傾倒造水碎渣。

卡爾多爐為間斷作業(yè)，煙氣中SO2濃度波動很大，在0～16%之間變化，氧化階段煙氣SO2高約16%，在還原階段或者出渣出鉛階段SO2濃度很低，甚至為零，用SO2部分冷凝系統(tǒng)就是把濃度變化的SO2煙氣變成濃度相對穩(wěn)定的SO2煙氣，以供制酸使用，為此，設(shè)定一個SO2濃度值，當煙氣中SO2濃度值高于設(shè)定值時，多余的SO2則被冷凝下來，當煙氣中SO2濃度低于設(shè)定值時，液體SO2儲罐就自動釋放SO2補充到干燥塔內(nèi)，使進入轉(zhuǎn)化工序的煙氣SO2濃度達到要求值［2］。

降溫除塵后的煙氣進入冷卻塔、電除霧及干燥塔進行凈化，深度除酸霧及水份凈化后的煙氣進入SO2預(yù)冷器換熱，然后進入 SO2冷凝器產(chǎn)出液體SO2，制冷劑采用R410A，經(jīng)SO2冷凝器氣化的制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮后進入產(chǎn)品熱交換器，然后進入制冷劑冷凝器冷卻成液體R410A循環(huán)使用。凈化后的煙氣采用二轉(zhuǎn)二吸制酸。

3.3 生產(chǎn)指標

中方、外方專家在生產(chǎn)期間，對卡爾多爐煉鉛及SO2部分冷凝系統(tǒng)進行了一周時間的性能測試，測試結(jié)果滿足合同給定的關(guān)于產(chǎn)量、質(zhì)量及環(huán)境要求的所有性能保證，數(shù)據(jù)見表1。

表1 卡爾多爐煉鉛及SO2部分冷凝系統(tǒng)生產(chǎn)性能測試

3.4 工藝技術(shù)特點

(1)對原料的適應(yīng)性強，卡爾多爐不但可以處理不同品位的鉛精礦，而且可以在不改變?nèi)魏卧O(shè)備的條件下，改煉廢雜銅等其它物料。

(2)工藝過程簡單，加料、氧化、還原和排渣放鉛均在一個空間內(nèi)完成，屬一步煉鉛工藝。

(3)設(shè)備簡單，卡爾多爐結(jié)構(gòu)緊湊，密封性好，可滿足嚴格的環(huán)保要求，排出的煙氣經(jīng)處理后可制酸。

(4)SO2部分冷凝系統(tǒng)采用深冷法，其原理是利用制冷劑換熱，將煙氣溫度冷卻到SO2露點溫度以下，使氧化段煙氣中多余的SO2冷凝為液體SO2，在還原段再將液體SO2返回制酸煙氣。壓縮機用于壓縮氣化的制冷劑后再冷凝成液體制冷劑循環(huán)使用，由于還原段煙氣SO2濃度很低，此時壓縮機為空載運行，整個過程僅壓縮機消耗一些電能。

(5)投資省，經(jīng)濟效益好，規(guī)?？纱罂尚。子诓僮?。

4 卡爾多爐煉鉛的問題

4.1 設(shè)備故障

引進設(shè)備性能良好，如:精礦加料器、可調(diào)文丘里、制冷壓縮機、全套自動化檢測控制儀表等，生產(chǎn)實踐證明這些引進設(shè)備能滿足生產(chǎn)要求，但同時也存在精礦加料器給料速度不穩(wěn)定，計量系統(tǒng)有待完善，SO2濃度分析儀不準確等問題。卡爾多工廠的原料制備、煙氣凈化及SO2部分冷凝、制酸、氧氣站等，設(shè)備故障率較低，主要設(shè)備故障還是集中在卡爾多爐熔煉［3］。

(1)噴槍及噴頭

外方提供的噴槍及噴頭為易損件，生產(chǎn)中發(fā)生噴槍漏水及噴頭燒損，現(xiàn)已國產(chǎn)化，性價比已超過國外產(chǎn)品。

(2)卡爾多爐部件

外方提供的卡爾多爐部件，如:萬向軸、回轉(zhuǎn)輪、止推輪、回轉(zhuǎn)減速機、彈性元件等，現(xiàn)已國產(chǎn)化。

(3)水冷煙道

由于受熔渣沖刷腐蝕作用，使得煙道耐火層脫落，重新澆注耐火材料。

(4)爐體耐火磚

國產(chǎn)耐火磚使用壽命均較短，采用大連生產(chǎn)的奧美磚使用壽命長，生產(chǎn)數(shù)據(jù):爐口磚160爐，渣線磚260爐，爐身磚350爐，爐底磚525爐，完全能滿足生產(chǎn)要求。

(5)文丘里風機

文丘里風機為國產(chǎn)設(shè)備，其工作條件惡劣，煙氣中含塵及水分高，介質(zhì)有稀酸腐蝕作用，風機總體運行效果是可行的，但風量達不到設(shè)計值，為維持生產(chǎn)，只能調(diào)大可調(diào)文丘里喉管開度，導致煙氣凈化效果差。

(6)SO2冷凝器

SO2冷凝器被鉛塵污染堵塞，分析原因是文丘里風機能力不夠，可調(diào)文丘里喉管開度加大，造成煙氣凈化效果差，未凈化的鉛塵帶入了SO2部分冷凝系統(tǒng)。

(7)自動檢測控制系統(tǒng)

引進部分的自動化檢測控制程度高，點多面廣，程序復(fù)雜，雖然整個系統(tǒng)硬件及軟件運行正常，但隨著時間的推移，自動化檢測控制系統(tǒng)需要加強日常維護。

4.2 工藝問題

(1)作業(yè)率低

由于卡爾多爐熔煉設(shè)備故障及操作原因，致使生產(chǎn)能力達不到設(shè)計值，但工廠的水、電、氣消耗，設(shè)備維護，財務(wù)費用均要發(fā)生，而造成生產(chǎn)成本高，因此提高卡爾多爐設(shè)備運轉(zhuǎn)率將是降低生產(chǎn)成本的重要因素，先達產(chǎn)才能達標，而國內(nèi)另外兩套分別用于處理廢雜銅及銅陽極泥的卡爾多爐都在正常運行，企業(yè)間有相互交流學習的平臺，這對完善國內(nèi)卡爾多爐技術(shù)及設(shè)備具有積極作用。

(2)中間物料多

中間物料主要由三部分組成:煙塵濾餅是在氧化階段從水冷煙道隨煙氣一起帶到可調(diào)文丘里洗滌，沉降及過濾后得到的煙塵，煙塵率11～15%;煙道渣是在氧化階段從水冷煙道流出的高溫氧化鉛熔體，流出率8%;富鉛渣是凝固粘結(jié)在鉛包壁上的渣，粘結(jié)率5%。

對于中間物料多的原因，外方認為一是原料含銅高，建議含銅高物料應(yīng)單獨集中處理;二是文丘里風機能力不夠，影響工藝操作條件控制。建議更換或改造文丘里風機。

(3)液體SO2冷凝能力不夠

由于液體SO2冷凝能力不夠，在氧化階段煙氣中SO2濃度偏高，而在還原階段向煙氣補充的液體SO2量偏小，造成煙氣中SO2濃度不穩(wěn)定。

5 卡爾多爐煉鉛的優(yōu)化措施建議

5.1 提高作業(yè)率

加強人員培訓，提高操作水平及設(shè)備維護能力，提高作業(yè)率大于90%，使卡爾多工廠正常運行。

5.2 卡爾多爐處理低品位雜礦

利用卡爾多爐能處理其它冶煉方法不能處理的低品位雜礦特點，雖然降低了鉛產(chǎn)量，但考慮原料價格以及低品位雜礦富集的有價金屬，具有綜合經(jīng)濟效益的優(yōu)勢。

5.3 增加煙化爐處理卡爾多爐渣

卡爾多爐產(chǎn)出的中間物料產(chǎn)率在20～25%，與富氧底吹-熱態(tài)渣直接還原法的氧化段和還原段產(chǎn)出的煙塵率相當(20～25%)，除Kaldo法及Ausmelt三段法外，其它煉鉛工藝方法的渣處理都采用煙化爐(或Ausmelt爐)，煙化爐還原揮發(fā)可以降低渣含鉛，同時將鋅還原揮發(fā)到煙塵中回收，更重要的是可以減小煉鉛還原段的壓力，煙化爐可對較高含鉛的渣作進一步還原處理，大大減少中間物料，因此，增加一臺煙化爐處理卡爾多爐渣是必要的。

5.4 卡爾多爐搭配處理鋅氧浸渣及中浸渣

回轉(zhuǎn)窯處理中浸渣存在能耗大，大氣量低濃度SO2煙氣需處理的問題，其生產(chǎn)成本已占鋅生產(chǎn)成本的40%以上，采用卡爾多爐搭配處理鋅氧浸渣及中浸渣，利用鋅氧浸渣中硫代煤或焦，可節(jié)省能源40%以上，因為只有氧化階段，沒有還原階段，不需SO2部分冷凝系統(tǒng)，煙氣可連續(xù)制酸，熱渣采用煙化爐還原揮發(fā)鋅進煙塵回收。

6 幾種煉鉛工藝的比較

幾種煉鉛工藝的比較見表2。

表2 不同煉鉛工藝結(jié)果詳情

從表2可知，幾種煉鉛工藝的總鉛回收率及總硫回收率相差不大，但SKS法總硫回收率偏低，主要原因是鑄渣機冷卻及鼓風爐還原熔煉外逸部分SO2煙氣。SKS法綜合能耗高主要是冷料進鼓風爐造成焦率高的原因，而Ausmelt三段法與Kaldo法，由于煙氣SO2濃度不穩(wěn)定，分別采用有機胺吸收-解析及SO2部分冷凝系統(tǒng)送制酸，制酸要多消耗一些蒸汽或電能，造成綜合能耗偏高，但這二種煉鉛工藝的氧化、還原或煙化都在一個爐子完成，操作簡便，而富氧底吹-熱態(tài)渣直接還原的氧化、還原、煙化在三個爐子中完成，任何一個爐子出故障都得影響其它爐子生產(chǎn)，操作復(fù)雜，而韓國QSL爐的氧化還原都在一個爐子中完成，富氧底吹-熱態(tài)渣直接還原法又會回到QSL法。

7 結(jié)語

國內(nèi)引進的卡爾多爐煉鉛工藝基本上是瑞典隆斯卡爾廠卡爾多爐的翻版，國外工廠已有多年生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，技術(shù)設(shè)備先進、成熟可靠，完全可以解決國內(nèi)卡爾多爐煉鉛生產(chǎn)中的問題，卡爾多工藝是成熟可行的，為一種節(jié)能環(huán)保的清潔生產(chǎn)工藝。

［1］舒見義.卡爾多爐煉鉛工藝在國外的生產(chǎn)應(yīng)用［J］.工程設(shè)計與研究，2006，(121):14-16.

［2］舒春桃.SO2部分冷凝系統(tǒng)的設(shè)計［J］.工程設(shè)計與研究，2006，(121):27-30.

［3］劉軍，盛玉永.卡爾多爐煉鉛設(shè)備運行及整改實踐［J］.工程設(shè)計與研究，2007，(122):23-25.

［4］王建銘.氧氣底吹熔煉-鼓風爐還原煉鉛的新進展［M］.中國首屆熔池熔煉技術(shù)及裝備專題研討會，2007，4.

［5］山東恒邦冶煉股份有限公司·恒邦“雙底吹”煉鉛法工藝優(yōu)勢［M］.全國第十二屆鉛鋅冶金學術(shù)年會，長沙:2013，5.

［6］宋興誠.“一爐三段”直接煉鉛工藝技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用［J］.全國第十二屆鉛鋅冶金學術(shù)年會，長沙:2013，5.

［7］張樂如.現(xiàn)代鉛冶金［M］.中南大學出版社，2013，130-161.