粉煤底吹還原煉鉛新工藝的應(yīng)用實踐

曲勝利，蘇光文，張 偉

(山東恒邦冶煉股份有限公司, 山東 煙臺 264109)

重金屬

粉煤底吹還原煉鉛新工藝的應(yīng)用實踐

曲勝利，蘇光文，張 偉

(山東恒邦冶煉股份有限公司, 山東 煙臺 264109)

采用粉煤底吹熔融還原技術(shù)直接還原液態(tài)高鉛渣生產(chǎn)粗鉛。工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)果表明，該技術(shù)解決了傳統(tǒng)煉鉛工藝能耗高、環(huán)保問題突出、地域能源限制等問題，實現(xiàn)了粉煤噴吹直接還原液態(tài)高鉛渣。

高鉛渣； 直接還原； 還原爐； 粉煤； 底吹

0 前言

鉛精礦的火法冶煉都必須經(jīng)過兩個冶金過程：硫化鉛精礦中的硫化鉛及其他硫化物高溫氧化生成氧化物(也可能同時生成部分金屬)；氧化物還原反應(yīng)產(chǎn)生金屬[1]。

除傳統(tǒng)的鼓風(fēng)爐還原熔煉外，近幾年又新研發(fā)出了多種高鉛渣直接還原法[2]，其中具有代表性的是底吹熔融還原法、側(cè)吹熔融還原法、電熱焦炭還原法。

山東恒邦冶煉股份有限公司鉛冶煉采用氧氣底吹爐熔煉- 氧氣底吹爐粉煤噴吹還原工藝。氧氣底吹熔煉爐產(chǎn)出的高鉛渣熔融狀態(tài)下通過溜槽加入到氧氣底吹還原爐中，底吹還原爐底部噴入粉煤作為主要還原劑，并從加料口加入部分碎煤作為輔助還原劑，同時配以熔劑石灰石造渣。與鼓風(fēng)爐還原相比，該工藝不需昂貴的冶金焦，采用高濃度富氧空氣熔煉，產(chǎn)出粗鉛和還原終渣，鉛直收率提高，同時達到了減少煙氣量及減小煙塵率的目的[3]。

1 粉煤底吹熔融還原工藝

1.1 粉煤底吹還原爐的冶煉原理

粉煤底吹還原爐主要是處理液態(tài)高鉛渣，粉煤作為主要還原劑。還原熔煉過程中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)為熔融高鉛渣中的PbO與粉煤的固定C之間的液固反應(yīng)，以及PbO與CO之間的液氣反應(yīng)。

1.2 粉煤底吹熔融還原工藝的優(yōu)勢

1.2.1 能耗低

粉煤底吹還原過程中，粉煤在提供熔煉所需熱量的同時還原金屬。粒度小的粉煤從底部噴入熔池，相對于從頂部加入大粒焦炭的加熱還原工藝，該法具有反應(yīng)速度快且反應(yīng)充分，粉煤利用率高的特點，減少了頂部煤塊的加入量。

1.2.2 粉煤噴槍壽命長

粉煤噴吹噴槍較天然氣噴槍壽命長。粉煤與氧氣反應(yīng)為氣固反應(yīng)，天然氣與氧氣為氣氣反應(yīng)，氣固反應(yīng)明顯慢于氣氣反應(yīng)，粉煤噴出槍體瞬間與氧氣的燃燒反應(yīng)為不完全燃燒，同時冷卻介質(zhì)除鹽水噴出后也會與粉煤反應(yīng)。上述反應(yīng)均為吸熱反應(yīng)，在噴槍出口附近吸收較多的熱量，減少了槍頭的燒損，槍壽可達2個月以上。

1.2.3 還原效果好，指標(biāo)穩(wěn)定

由于還原反應(yīng)發(fā)生在還原劑表面，粉煤作為還原劑，還原劑表面積增大，強化了還原,并且避免了采用塊狀還原劑可能出現(xiàn)的局部積疊現(xiàn)象。工業(yè)氧與粉煤等從爐底噴槍鼓入，在熔池中形成大量的微氣泡分布于熔體中，氣體的動能使熔體有效攪拌，粉煤與高鉛渣接觸充分，還原反應(yīng)迅速、充分，指標(biāo)平穩(wěn)。

2 粉煤底吹熔融還原工藝的應(yīng)用

國內(nèi)底吹還原爐煉鉛的燃料普遍為天然氣，山東恒邦冶煉股份有限公司是國內(nèi)第一家成功應(yīng)用粉煤底吹熔融還原法的鉛冶煉企業(yè)。

還原爐的工藝為：進入還原爐的液態(tài)高鉛渣在底部高速噴入的粉煤、氧氣等流體作用下，形成良好的傳質(zhì)和傳熱條件，同時從頂部輔料口加入部分塊煤。還原過程產(chǎn)出富集金銀銅等有價金屬的粗鉛，爐渣直接流進煙化爐，高溫?zé)煔饨?jīng)余熱回收及收塵后脫硫排空，工藝流程見圖1。

圖1 粉煤底吹還原工藝流程圖

粉煤底吹熔融還原法同浸沒熔煉相似，主要是利用粉煤在熔體中浸沒燃燒(將燃料在液相中的燃燒稱為浸沒燃燒)。粉煤經(jīng)底吹爐噴槍以大于100 m/s的速度進入熔池，迅速升溫至著火溫度，在噴槍口不遠處燃燒放熱。燃氣射流在熔池形成浸沒火焰，高溫火焰加熱熔體并使熔體產(chǎn)生兩種對流，即噴槍口射流產(chǎn)生的縫隙環(huán)流及兩側(cè)的渦流，這兩種對流強烈攪拌熔池，使熔體與粉煤火焰的接觸表面不斷快速更新。渣液中的粉煤顆粒被高溫爐渣所包圍，受熱后蒸餾裂解，生成碳氫化合物和活性極強的焦炭。這些物質(zhì)奪取渣中的氧而部分燃燒，部分使金屬直接還原[4]。粉煤在爐內(nèi)浸沒燃燒為不完全燃燒，CO濃度一般在11%以上。

還原爐采用克萊德粉煤噴吹系統(tǒng)，其為過程可控制的連續(xù)噴吹系統(tǒng)，包含兩個倉泵、鎖罐、噴吹泵和一套稱重系統(tǒng)，另外還包含鎖罐入口圓頂閥、料倉出口圓頂閥、料倉出口插板閥、鎖罐旋轉(zhuǎn)排氣閥、噴吹泵進口圓頂閥和由變頻電機和減速箱驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)給料機。每個料倉都安裝有料位計。克萊德噴吹系統(tǒng)經(jīng)由一條輸送管線通過噴槍將煤粉噴入到熔煉爐中。旋轉(zhuǎn)給料機安裝在煤粉料倉下，包括兩個壓力容器和一個定容積的給料器，可以連續(xù)并精確地將煤粉噴入熔煉爐中。首先氮氣將兩個壓力容器中的物料沸騰流化，再用空氣在給料器出口處吹送物料至旋轉(zhuǎn)給料機，通過帶有標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)電機的變速器進行驅(qū)動。驅(qū)動電機由變頻器控制，可以改變給料機的速度，所以粉煤的噴吹速率是可控的。生產(chǎn)中通過控制粉煤的噴吹量控制高鉛渣的還原溫度及還原氣氛，從而達到良好的還原效果。與還原爐配套的噴槍為專用粉煤噴槍，采用等截面鋼管制作。粉煤噴槍由3層套管組成，中心管通粉煤，壓縮空氣或氮氣作為輸送載體；中心管與第2層套管之間的槽形縫隙通工業(yè)純氧；中間層套管與外層套管之間的槽形縫隙通氮氣和除鹽水等冷卻介質(zhì)。粉煤噴槍的內(nèi)管既要承受高溫又要承受粉煤的高速沖刷，中心管材質(zhì)選用耐磨耐高溫的陶瓷管。

3 生產(chǎn)實踐

3.1 延長噴槍壽命的實踐與探索

噴槍的使用壽命直接關(guān)系到生產(chǎn)作業(yè)率，要提高生產(chǎn)作業(yè)率，就必須延長噴槍的使用壽命，減少停爐換槍的時間。影響噴槍使用壽命的因素有：工藝條件、噴槍結(jié)構(gòu)及材質(zhì)等，因此，從以下方面入手：

(1)調(diào)節(jié)噴槍氧氣、氮氣、水、粉煤介質(zhì)間的壓力、輸送量，減少槍頭的燒損。

(2)在工藝條件穩(wěn)定的情況下，改變噴槍的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)。經(jīng)過摸索改進，目前還原爐噴槍最長使用壽命已達63 d。

3.2 克萊德噴煤系統(tǒng)的成功應(yīng)用

采用克萊德粉煤噴吹系統(tǒng)，其為過程可控制的連續(xù)噴吹系統(tǒng)。還原爐采用底部噴吹粉煤，噴吹壓力大，而煤粉噴吹系統(tǒng)在底吹熔煉還原爐中的應(yīng)用少，尚無成熟的經(jīng)驗可以借鑒。經(jīng)過實踐、摸索及改造，實現(xiàn)了煤粉噴吹系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定給煤，即在煤風(fēng)流量恒定下，煤粉噴吹量的設(shè)定值與實際值偏差小且無堵塞、斷流現(xiàn)象。

3.3 降低渣含鉛

還原爐渣含鉛高，將降低鉛的直收率，同時影響后續(xù)煙化爐所產(chǎn)氧化鋅的品質(zhì)。通過摸索，渣含鉛控制在1.5%～3%時最佳。若渣中的總鉛量超過3%且金屬鉛超過1%，熔池內(nèi)金屬和渣分離不徹底，此時需要適當(dāng)提高爐溫改善爐渣的流動性；當(dāng)渣中總鉛量超過3%且以氧化鉛形式存在的鉛超過2%，表明還原程度不夠，應(yīng)調(diào)整設(shè)定參數(shù)，增加煤粉噴吹量或降低氧氣量。

還原渣含鉛降低的同時，部分鋅也還原揮發(fā)進入煙塵，因此還原渣含鉛控制不能過低，否則煙塵含鋅升高，煙化爐氧化鋅回收率降低。因此，還原渣含鉛要綜合考慮，不能控制過低。

3.4 穩(wěn)定噴槍流量和壓力

原設(shè)計采用10支氧煤噴槍，目前只用7支就達到生產(chǎn)要求。噴槍為三層結(jié)構(gòu)，外層通冷卻軟化水，中層通氧氣，內(nèi)層通粉煤及輸送粉煤的氮氣。相關(guān)指標(biāo)的控制見表1。

表1 氧煤噴槍指標(biāo)控制

3.5 渣型控制

氧化爐產(chǎn)出的高鉛渣成分如表2所示。高鉛渣在還原爐處理，還原爐所產(chǎn)鉛渣的組成如表3所示。

表2 氧化爐產(chǎn)高鉛渣成分

表3 還原爐產(chǎn)鉛渣成分

從表3中看出，鉛渣含Pb小于2.5%、含SiO2大于24%，渣中FeO+SiO2+CaO+ZnO為82%～88%，其中FeO+CaO為45%～48%，渣成分控制較好，生產(chǎn)中即使渣含鋅高達15.48%，也沒有出現(xiàn)熔煉困難、渣粘度增大的現(xiàn)象，爐況穩(wěn)定正常。

3.6 能耗控制

2013年3月至2013年11月，粉煤底吹還原爐穩(wěn)定運行了8個月，期間控制噴煤量1 200～1 400 kg/h，噸鉛耗煤為70～95 kg，噸鉛耗塊煤為45 kg，成功實現(xiàn)了粉煤替代天然氣及部分焦炭，降低了能耗，終渣含鉛小于2.5%，鉛冶煉回收率大于97.5%，且指標(biāo)平穩(wěn)。目前國內(nèi)幾種鉛還原工藝主要指標(biāo)比較見表4所示。

表4 煉鉛工藝主要指標(biāo)對比

4 結(jié)語

20世紀(jì)末以來，發(fā)達國家力圖將高能耗、高排放和高污染的傳統(tǒng)原料工業(yè)轉(zhuǎn)移到發(fā)展中國家或不發(fā)達國家，其對這些產(chǎn)業(yè)的技術(shù)研發(fā)已缺乏熱情，這方面可供引進的先進方法和新技術(shù)越來越少。山東恒邦冶煉股份有限公司與中國恩菲工程有限公司聯(lián)合進行技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的粉煤底吹熔融直接還原煉鉛新技術(shù)，在鉛冶煉行業(yè)實現(xiàn)了重大技術(shù)突破。該項目投產(chǎn)后運行穩(wěn)定，技術(shù)指標(biāo)良好，為鉛冶煉行業(yè)發(fā)展做出了突出貢獻。

[1]王吉坤.鉛鋅冶煉生產(chǎn)技術(shù)手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2012.

[2]宋守恒.高鉛渣臥式還原爐的產(chǎn)業(yè)化設(shè)計[J].中國有色冶金,2011,(6):38-39.

[3]孫成余,趙中偉,楊偉，等.液態(tài)高鉛渣側(cè)吹還原分析[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2013,(16):5-7.

[4]聶春分.煙化熔煉過程中的燃料燃燒[J].湖南有色金屬,2002,18(4):14-15.

Applicationandpracticeofnewtechnologyofpulverizedcoalbottom-blowingreductionleadsmelting

QU Sheng-li, SU Guang-wen, ZHANG Wei

This article introduced the new process to product lead bullion by direct reduction liquid lead-rich slag using pulverized coal bottom-blowing smelting reduction technology. The industrial production results showed that the technology solved the problems that existed in traditional lead smelting, such as high energy consumption, environmental issues and regional energy restriction, achieving the objective of direct reduction of liquid lead-rich slag with pulverized coal injection technology.

lead-rich slag; direct reduction; reduction furnace; pulverized coal; bottom-blowing

曲勝利(1966—)，男，山東煙臺人，博士，高級工程師，長期從事冶金生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

TF812

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