奧斯麥特富氧頂吹煉鉛工藝技術改造及煙氣凈化除塵

趙娜， 蘇艷蓉, 尤翔宇

(1.長沙有色冶金設計研究院有限公司，長沙 410007；2.湖南省環(huán)境保護科學研究院，長沙 410004）

鉛冶煉的工藝大致可以分為火法和濕法2種，目前，我國鉛冶煉技術主要為火法工藝.我國鉛冶煉技術的發(fā)展經歷了最早的“燒結機—鼓風爐熔煉”工藝，到后來引進國外的奧托昆普法、頂吹浸沒式熔池熔煉（ISA 或 Ausmelt）法、氧氣底吹（QSL）法、氧氣頂吹卡爾多爐法等煉鉛工藝，再到近些年國內獨立自主研發(fā)成功的“液態(tài)高鉛渣直接還原一步煉鉛（YGL）法”、“氧氣底吹氧化熔煉—氧氣底吹（側吹）還原熔煉法”、“氧氣頂吹氧化熔煉—氧氣側吹還原熔煉法”、“富氧側吹氧化熔煉—富氧側吹還原熔煉雙側吹法”等煉鉛工藝[1-7].以上國內獨立自主研發(fā)的直接煉鉛新工藝，充分利用了氧氣強化熔煉技術，生產效率高、能耗低、自動化水平高、勞動強度低、系統(tǒng)配置緊湊、節(jié)約用地、設備密閉性好、煙氣含硫濃度高，便于制酸，較好地解決了環(huán)境污染等問題[8-10].

以國內某公司鉛冶煉項目工程設計為實例，對公司原有“奧斯麥特（Ausmelt）富氧頂吹氧化+還原熔煉”煉鉛工藝進行技術改造，將原有的“一爐兩段”氧化、還原熔煉工藝改造為“兩爐兩段”氧化、還原熔煉工藝.與原有工藝流程、工藝特點進行對比分析，得出氧化、還原熔煉分爐進行的優(yōu)勢；同時闡述和總結了改造后新增的側吹還原爐煙氣凈化除塵工藝的設計、設備選型、生產運行狀況等.

1 原有鉛冶煉工藝流程

某公司原有鉛冶煉系統(tǒng)設計規(guī)模6萬t粗鉛、6萬t電鉛，主體工藝采用“奧斯麥特富氧頂吹+還原熔煉”一爐兩段周期作業(yè).鉛精礦經配料、制粒后由爐頂加入奧斯麥特富氧頂吹熔煉爐，經過氧化、還原、放渣3個階段的操作，產出粗鉛、還原渣和含硫煙氣.粗鉛經火法脫銅后，鑄成陽極板送電解精煉，產出鉛錠.還原渣經電熱前床渣鉛分離后，送煙化爐吹煉生產出氧化鋅煙塵，回收其中的鋅、鉛.頂吹熔煉爐產出的煙氣經余熱鍋爐回收余熱、靜電除塵器回收煙塵后送硫酸車間制酸.煙化爐產生的煙氣經表面冷卻器降溫、袋式除塵器回收煙塵后送尾氣處理.主要工藝流程如圖1所示.

圖1 原有鉛冶煉工藝流程Fig.1 Original lead smelting process

原有的“奧斯麥特富氧頂吹+還原熔煉”鉛冶煉生產工藝屬于直接煉鉛新工藝，具有生產效率高、熔煉強度大、熱利用率高、煙氣含硫濃度高，便于制酸，環(huán)境友好等優(yōu)點[11-13]，從理論和技術層面上講是完全可行的，但從生產操作層面來說，存在一定的難度和局限性.

1）間斷作業(yè)：氧化、還原熔煉2個過程在同一冶金爐內完成，實際操作分為加料、氧化、還原、放渣等階段，周期性間斷作業(yè)，限制了設備的冶煉能力.

2）能耗高：富氧頂吹爐和煙化爐的操作周期不一致，兩者之間需設有電熱前床，將頂吹爐產出的熔融液態(tài)渣保溫并送往煙化爐處理.電熱前床完全依靠電能加熱，能耗很高.

3）過程控制難度大：周期性間斷作業(yè)的操作節(jié)點需嚴格、精確控制，否則冶煉成本大幅增加.

4）煙氣系統(tǒng)SO2濃度波動范圍大，給后續(xù)制酸、尾氣處理工藝帶來不穩(wěn)定因素.

5）過程控制需精準，要求冶煉物料穩(wěn)定，無法同時處理原有鋅系統(tǒng)產生的渣料，嚴重制約了冶煉渣料的綜合處理.

2 技術改造鉛冶煉工藝流程

通過對某公司原有建設項目的實地考察、工程分析，結合當地的工業(yè)發(fā)展規(guī)劃、環(huán)境功能區(qū)劃要求，針對原有鉛冶煉工藝技術存在的問題，對原有生產系統(tǒng)進行全面技術升級改造.本技改項目在利用鉛精礦生產粗鉛的同時，搭配處理此公司原有鋅冶煉系統(tǒng)產出的全部料渣，形成了處理鉛精礦10萬t、硫渣浮選尾礦8萬t、浮選精礦熱濾渣3萬t的生產規(guī)模.本技改項目采用 “奧斯麥特富氧頂吹熔煉+側吹還原熔煉”的處理工藝，在原有頂吹爐的基礎上新增設一臺側吹還原爐，同時取消原有電熱前床，并改造原有的煙化爐，具體冶煉工藝流程如圖2所示.

圖2 技改冶煉工藝流程Fig.2 Technical reform process of smelting

鉛精礦、硫渣浮選尾礦、浮選精礦熱濾渣及熔劑等物料經配料后加入原有奧斯麥特富氧頂吹熔煉爐進行氧化熔煉，由于鉛精礦中同時加入了原有鋅系統(tǒng)產生的渣料，使得入爐物料含鉛品位較低，氧化熔煉過程不產生一次粗鉛.氧化熔煉產生的熔煉渣經溜槽自流到新增設的側吹還原爐進行還原熔煉，產出的粗鉛送原有粗鉛精煉系統(tǒng)進行精煉，還原渣經溜槽自流到改造后的煙化爐進行煙化吹煉，產出的次氧化鋅煙塵送原有次氧化鋅倉庫堆存，煙化爐渣經水碎后送原有水碎渣堆場堆存外售.富氧頂吹爐煙氣經余熱利用、收塵后送制酸；還原爐及煙化爐煙氣經余熱利用、收塵后送尾氣處理.富氧頂吹爐、還原爐收下的煙塵返回原有鉛精礦倉配料，煙化爐收下的次氧化鋅煙塵送原有次氧化鋅倉庫堆存.

技術改造后的“奧斯麥特富氧頂吹熔煉+側吹還原熔煉”處理工藝，將氧化、還原熔煉過程分兩爐進行，再配套改造后的煙化爐，形成“氧化爐—還原爐—煙化爐”呈階梯布置，3臺冶金爐獨立完成各自單一冶煉功能的鉛冶煉及渣處理工藝.跟原有的“奧斯麥特富氧頂吹+還原熔煉”一爐兩段工藝相比，技改工藝具有以下優(yōu)勢：

1）氧化、還原熔煉過程分別在2個爐子進行，對物料組成變化的適應性較強，生產運行穩(wěn)定、操作簡單、控制簡便、煙氣波動??；

2）新增設一臺側吹還原爐承接原有的奧斯麥特富氧頂吹與煙化爐，可取消電熱前床，降低能耗；

3）側吹爐采用高富氧，熔煉強度大，煙氣量小，能耗低，實現了粗鉛冶煉高鉛渣熱渣直接連續(xù)還原；

4）獨立生產運行的冶金爐，產出的煙氣量、含塵濃度、含硫濃度波動小，不影響后續(xù)的煙氣除塵凈化、制酸、尾氣處理系統(tǒng)；

5）可同時處理鉛精礦、鋅系統(tǒng)渣料，既充分利用了鉛冶煉裝置的生產能力，又發(fā)揮了鉛鋅聯合冶煉工藝的優(yōu)勢，加強了冶煉渣料的無害化處理，實現了資源的綜合回收利用.

表1為原有煉鉛工藝與技術改造煉鉛工藝的對比分析.

表1 原有煉鉛工藝與技術改造煉鉛工藝的對比分析Table 1 Comparative analysis of the original process and the technological transformation process for lead smelting

3 側吹還原爐煙氣特性及凈化除塵

技術改造后，本項目的煙氣除塵凈化系統(tǒng)包括：①原有奧斯麥特富氧頂吹爐除塵系統(tǒng)1套；②新建側吹還原爐除塵系統(tǒng)1套；③原有煙化爐除塵系統(tǒng)1套（部分設備改造）.因此，僅對新建的側吹還原爐煙氣除塵凈化系統(tǒng)做以分析說明.

3.1 設計基礎依據

根據本技術改造工程項目建設規(guī)模要求及原料成分冶金計算，側吹還原爐余熱鍋爐出口煙氣參數如下：

煙氣量：17 000～21 000 m3/h（標況）；煙氣溫度：350～380 ℃；煙氣含塵：90～100 g/m3（標況）；煙氣含硫：1 413.05 t/a；余熱鍋爐出口煙氣壓力：-600～-800 Pa；當地大氣壓93 400 Pa.

煙氣主要成分見表2，煙塵主要成分見表3.

表2 還原爐余熱鍋爐出口煙氣主要成分Table 2 Main flue gas composition of reducing furnace waste heat boiler

表3 還原爐余熱鍋爐出口煙塵主要成分Table 3 Main smoke composition of reducing furnace waste heat boiler

3.2 除塵工藝的確定

根據以上煙氣、煙塵參數可知，還原爐余熱鍋爐出口煙氣、煙塵具有以下特性：

1）煙氣量大.還原爐余熱鍋爐出口煙氣量高達20 000 m3/h（標況）.

2）煙氣溫度高.還原爐爐膛內溫度高達1 100～1 300℃，爐體出口煙氣先進入余熱鍋爐進行余熱回收利用，將煙氣溫度降到380℃以下，再進入后續(xù)的除塵系統(tǒng).

3）煙氣含塵濃度高.還原爐余熱鍋爐出口煙氣含塵濃度高達100 g/m3（標況），因此需要高效的除塵設備對煙塵進行捕集.

4）煙氣含硫.側吹還原爐可以將原料中大部分的硫與金屬物料分離，硫以氣態(tài)的形式進入到煙氣中.

5）煙塵比電阻高.比電阻是煙塵的一個重要特性，也是選擇除塵器的關鍵因素，由于煙塵中PbO含量較高，因此煙塵的比電阻也較高.

本收塵工藝宜采用干法收塵，既可實現有價金屬的回收利用，又可避免濕法收塵帶來的廢水、廢渣難處理、環(huán)境污染等問題[8]；由于煙氣含塵濃度高，應選用電除塵器或袋式除塵器等高效除塵設備[14]，但煙塵比電阻高，電除塵器的除塵效率會受到高比電阻的影響，因此宜選用袋式除塵器；由于余熱鍋爐出口煙氣溫度為380℃以下，仍然超過濾袋的耐受溫度，因此高溫煙氣進入袋式除塵器之前需采取冷卻設備降溫.為了避免濾袋糊袋、黏結等現象，同時不增加處理的煙氣量，減輕后續(xù)處理設備的負擔，宜采用間接風冷的形式.

根據本工程項目煙氣、煙塵的特性、環(huán)保法律法規(guī)的要求、建設項目投資的實際情況，參考以往類似工程經驗，綜合以上分析，最終確定側吹還原爐煙氣凈化除塵工藝如下：

側吹還原爐余熱鍋爐出口煙氣→表面冷卻器→袋式除塵器→風機→尾氣處理

側吹還原爐出口煙氣經余熱鍋爐降溫回收余熱后進入收塵系統(tǒng)，收塵工藝采用“表面冷卻器+袋式除塵器”的流程，將煙氣冷卻降溫后捕集其中的煙塵，除塵后的煙氣經風機送尾氣處理系統(tǒng)，表面冷卻器及袋式除塵器收下的煙塵經埋刮板輸送機返回原有鉛精礦倉配料，重新進入冶金熔煉系統(tǒng)循環(huán)利用.

3.3 主要除塵設備選型

3.3.1 表面冷卻器

冶煉煙氣冷卻是將煙氣調節(jié)到某一較低溫度范圍，以適應后續(xù)收塵設備和風機的要求.煙氣冷卻方法根據煙氣與冷卻介質的接觸與否分為直接冷卻和間接冷卻2大類[15-18].直接冷卻是往熱煙氣中加入冷卻介質，冷卻介質與熱煙氣直接接觸，進行熱交換，從而降低煙氣的溫度，有色冶煉廠常用的直接冷卻方式有噴霧冷卻和吸風冷卻2種.間接冷卻是煙氣不與冷卻介質直接接觸，一般不改變煙氣的性質，熱交換方式主要為對流和輻射.間接冷卻設備主要有自然風冷、強制風冷、表面淋水冷卻等形式.

表面冷卻器屬于自然風冷，是利用常溫空氣自然對流來冷卻管道內流動的高溫煙氣[19].表面冷區(qū)器設備結構簡單、管道集中、占地面積小、出灰集中、沒有運動構件、投資省、維護方便、使用壽命長、處理煙氣溫度高達600℃、多用于袋式收塵的煙氣冷卻，但導熱系數相對較小，鋼材耗量相對較多，阻力較大.

本側吹還原爐余熱鍋爐出口煙氣最大值21000m3/h（標況），煙氣溫度約為380℃，降溫產生的余熱不滿足回收利用的條件，考慮到不能改變煙氣量及煙氣性質，同時兼顧項目場地空間位置、建設成本、以及項目所在地天氣氣候等因素，選用表面冷卻器即可滿足降溫要求.根據入口煙氣參數，本設計選用2臺冷卻面積F=600 m2的表面冷卻器 （設備的開啟臺數隨季節(jié)溫度而變化），將煙氣溫度由380℃降至180℃以下.表面冷卻器材質全部選用優(yōu)質碳素結構鋼，單臺設備的上部為直徑550 mm、并聯數4、串聯數4、有效高度12 m的倒U型管，下部為4個灰斗，煙氣的進、出口設置在灰斗的上部.為了避免U型管上部積灰，將管上部做成180°的尖角彎頭，頂部設清灰孔，以便人工清灰.灰斗側面裝設倉壁振動器，并開設清理孔，方便定期清灰使用.3.3.2 袋式除塵器

袋式除塵器是采用過濾技術將粉塵與潔凈氣體進行分離[14].袋式除塵器屬于高效除塵，尤其對于細微粉塵的過濾效率高達98%～99%，適應性強、可處理高比電阻粉塵和高濃度粉塵、處理風量范圍廣、結構簡單、操作方便、占地面積小、最高工作溫度一般不超過260℃，不宜處理含油、含水和高濕度的煙氣，否則易使濾袋污染、阻塞或結露，設備阻力較高，一般為900～1 500 Pa[20].

根據煙氣參數，本設計選用一臺LCM340型長袋脈沖袋式除塵器，過濾面積F=1 700 m2，單排五室，濾袋尺寸?130 mm×6 000 mm.袋式除塵器入口煙氣溫度較高180～200℃，粉塵粒度較細、濃度較高90～100 g/m3（標況）、黏性較大，因此，選取過濾速率≤0.5 m/min，濾袋材質選用氟美斯覆膜防靜電.

LCM340型袋式除塵器由灰斗、上箱體、中箱體、下箱體等部分組成，上、中、下箱體為分室結構.工作時，含塵煙氣由進風道進入灰斗，粗塵粒直接落入灰斗底部，細塵粒隨煙氣轉折向上進入中、下箱體，粉塵積附在濾袋外表面，過濾后的煙氣進入上箱體至凈氣集合管排風道，經排風機送至下一工序.清灰過程是先切斷該室的凈氣出口風道，使該室的布袋處于無煙氣通過的狀態(tài)，然后開啟脈沖閥用壓縮空氣進行噴吹清灰，保證粉塵落入底部灰斗，避免了粉塵在濾袋上的二次附著，使濾袋清灰徹底.LCM340型袋式除塵器具有以下特點：

1）濾袋加長，單位體積過濾面積增加，減少了鋼材耗量，節(jié)約了占地面積；

2）綜合了分室反吹和脈沖清灰的優(yōu)點，既可保證分室離線清灰、檢修換袋，又提高了壓縮空氣的噴吹清灰的能力；

3）更換布袋時從上部抽出骨架，臟袋落入下部灰斗，由人孔處取出，改善了換袋操作條件；

4）濾袋口袋采用彈性漲圈，密封性好、牢固可靠.濾袋龍骨采用多角形，減少了袋與龍骨的摩擦，延長了濾袋的壽命，又便于卸袋；

5）箱體采用氣密性設計，密封性好、漏風率??；

6）除塵效率高、排放濃度低、粉塵二次附著少、清灰徹底、能耗少、運行穩(wěn)定可靠、經濟效益好.

4 生產運行狀況

本技術改造項目已建設完成正式投產運行，目前生產運行狀況穩(wěn)定良好，部分生產數據如表4、表5所列.可以看出：

1）原有鋅系統(tǒng)料渣的加入，使得富氧頂吹爐入爐物料鉛品位降低，產品中不含一次粗鉛，只有高鉛渣；

2）還原熔煉使得鉛、渣很好地分離，粗鉛的品位高達95%，為后面的火法精煉、電解精煉工序提供了比較好的物料；

3）煙化爐對還原渣進行了再次貧化，回收了金屬鉛、鋅，使得棄渣中鉛、鋅的含量分別低于0.5%、2%，即回收了有價金屬資源，又無害化處理了冶煉廢渣；

4）不同熔煉過程得到的產品（粗鉛、次氧化鋅）捕集了部分銅、銀等貴金屬，貴金屬可在后面工序得到回收利用.

表4 技改工藝各熔煉過程物料的主要成分含量均值/%Table 4 Content of main ingredient in the materials during the process of technological transformation/%

表5 袋式除塵器設備測試數據Table 5 Test data of bag filter equipment

5 結 論

針對國內某公司原有“奧斯麥特（Ausmelt）富氧頂吹氧化+還原”煉鉛工藝進行技術改造，將“一爐兩段”氧化、還原熔煉工藝，改造為“兩爐兩段”氧化、還原熔煉工藝.此外，在處理原有鉛精礦的同時，搭配處理某公司原有鋅系統(tǒng)的渣料.技術改造工藝生產實踐證明：

1）氧化、還原熔煉分爐進行，對物料組成變化適應性較強，生產運行穩(wěn)定、操作簡單、控制簡便、煙氣波動小，有利于后續(xù)煙氣除塵凈化、制酸、尾氣處理系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行.

2）新增設一套側吹還原爐，取消原有電熱前床.側吹爐采用高富氧，熔煉強度大，煙氣量小，能耗低，實現了粗鉛冶煉高鉛渣熱渣直接連續(xù)還原.

3）可同時處理鉛精礦和鋅系統(tǒng)的全部渣料，既充分利用了鉛冶煉裝置的生產能力，又發(fā)揮了鉛鋅聯合冶煉工藝的優(yōu)勢，加強了冶煉渣料的無害化處理，實現了資源的綜合回收利用.

4）此技改工藝的建設生產運行為鉛精礦搭配處理低品位鉛膏、鉛泥物料以及鋅系統(tǒng)產生的各種渣料提供了較好的技術支撐和生產應用實例.符合國家發(fā)展循環(huán)經濟、冶煉廢渣無害化處理、資源綜合回收利用的產業(yè)政策.