采用側(cè)吹爐一爐兩段法處理煉銅煙灰浸出渣的新工藝

周 明，鄒小平

（1.銅陵有色金冠銅業(yè)分公司，安徽 銅陵 244000；2.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；3.東北大學(xué)，沈陽 110006）

銅冶煉煙灰經(jīng)過硫酸濕法浸出提取鋅、銅、銦等有價(jià)金屬后，絕大部分鉛、鉍等金屬以硫酸鹽、硫化物等多種形式進(jìn)入浸出渣中，浸出渣還含有一定含量的金、銀等金屬，主要成分如表1所示[1-2]。

表1 煉銅煙灰浸出渣主要成分

對(duì)于浸出渣的處理，傳統(tǒng)的工藝分為濕法和火法兩類[3]。濕法常規(guī)工藝包括氯化浸出+鐵置換生產(chǎn)海綿鉍、碳酸鈉轉(zhuǎn)化硫酸鉛為生產(chǎn)碳酸鉛，濕法工藝存在廢水產(chǎn)生量大、污水處理成本高等弊端，特別是如今很多新建項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)要求生產(chǎn)廢水閉路循環(huán)、零排放。火法常規(guī)工藝有反射爐和鼓風(fēng)爐還原熔煉法，反射爐用于處理浸出渣已經(jīng)被明令禁止，鼓風(fēng)爐還原熔煉雖暫未被國家明令禁止、列入淘汰落后工藝，但已屬于國家不鼓勵(lì)發(fā)展的工藝之一，而且鼓風(fēng)爐生產(chǎn)過程中要消耗大量高價(jià)值的焦炭，焦率高，綜合能耗高[4]。機(jī)械化、自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，環(huán)保效果差，漏風(fēng)率高，冶金強(qiáng)度較差，不適合于當(dāng)前逐步發(fā)展的富氧空氣冶煉[5]。浸出渣中的鉛大部分以硫酸鉛形式存在，在鼓風(fēng)爐高溫還原氣氛中，硫酸鉛被還原為硫化鉛，硫化鉛被置換還原劑鐵的還原度只有70%左右，導(dǎo)致鼓風(fēng)爐還原法處理浸出渣的生產(chǎn)過程中鉛的直收率較低，平均為65%左右，大量的鉛存在鉛冰銅中得不到有效回收。浸出渣中硫的含量約為9%，部分進(jìn)入煙氣中，因?yàn)闊煔庵卸趸蚝窟_(dá)不到要求而不能送至制酸，需加NaOH或CaO進(jìn)行脫硫才能達(dá)標(biāo)排放。目前，國內(nèi)有的煉鉛大省已明確規(guī)定禁止使用鼓風(fēng)爐煉鉛工藝，基于鼓風(fēng)爐還原熔煉法處理浸出渣存在以上缺點(diǎn)和不足，尋找一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、短流程的新工藝勢(shì)在必行。

2 新工藝思路

側(cè)吹爐作為一種強(qiáng)化熔池熔煉已被廣泛運(yùn)用于銅冶煉、鉛冶煉和貴金屬冶煉行業(yè)[6]。規(guī)模以上的鉛冶煉企業(yè)通常設(shè)置兩臺(tái)側(cè)吹爐，一臺(tái)作為氧化爐，將鉛精礦在側(cè)吹爐高溫強(qiáng)氧化氣氛中形成氧化鉛或硅酸鉛，并以融體狀態(tài)自流到另一臺(tái)側(cè)吹爐被還原為金屬鉛，硫在第一臺(tái)側(cè)吹爐也就是氧化爐中基本被脫除以高濃度SO2形式進(jìn)入煙氣送去制酸。國內(nèi)某企業(yè)每年產(chǎn)生浸出渣約60000 t，合理的配套設(shè)計(jì)應(yīng)為兩臺(tái)串聯(lián)側(cè)吹爐，一臺(tái)作氧化熔煉用，將浸出渣配加熔劑和粉煤加入爐內(nèi)經(jīng)高溫氧化熔煉成液態(tài)熔體，再自流至第二臺(tái)還原熔煉爐進(jìn)行還原，產(chǎn)出鉛鉍合金和爐渣。側(cè)吹爐被廣泛應(yīng)用以來，從熱交換的充分性和生產(chǎn)的穩(wěn)定性考慮，行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為處理浸出渣的側(cè)吹爐不能低于4.8 m2，如果該企業(yè)設(shè)置兩臺(tái)側(cè)吹爐，年只處理60000 t浸出渣，不處理其他物料，則側(cè)吹爐的閑置率將達(dá)50%，從設(shè)備的有效運(yùn)行率和投資的回報(bào)率角度考慮很不合算?；谏鲜鼍C合因素，該企業(yè)決定建設(shè)一臺(tái)4.8 m2側(cè)吹爐，風(fēng)口區(qū)面積為4.8m2，風(fēng)口數(shù)：氧化期10個(gè)，還原期10個(gè)。氧化熔煉、還原熔煉根據(jù)反應(yīng)進(jìn)程分布在一臺(tái)側(cè)吹爐內(nèi)進(jìn)行，俗稱一爐兩段側(cè)吹爐熔煉法[7]。

3 工藝描述

側(cè)吹爐熔煉原料主要為：經(jīng)過干燥窯干燥的浸出渣、返爐料；熔劑主要為石灰石和鐵礦石；燃料主要為粒煤。側(cè)吹爐熔煉所需要的進(jìn)出渣、返爐料、石灰石、鐵礦石、粒煤等物料經(jīng)抓斗式橋式起重機(jī)加入料倉備用，再經(jīng)過料倉下配套的電子皮帶秤計(jì)配料，通過匯料皮帶輸送至側(cè)吹爐主廠房內(nèi)的可逆加料皮帶從加料口加入側(cè)吹爐內(nèi)。側(cè)吹爐在工作期中，分三個(gè)階段進(jìn)行。

3.1 氧化熔煉階段

先將配好的爐料、煤、熔劑、經(jīng)皮帶輸送到主加料口加入爐內(nèi)，富氧空氣從下部風(fēng)口鼓入高溫熔融的渣層內(nèi)，滿足了煤燃燒及爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的必需條件，同時(shí)鼓入熔融渣層的富氧空氣，對(duì)熔渣強(qiáng)烈攪拌，爐內(nèi)溫度控制在1300℃左右，入爐料被熔化，進(jìn)出渣中的硫酸鉛被高溫分解，此時(shí)鉛、鉍等細(xì)小金屬粒相互碰撞而迅速長大，形成大的顆粒下沉，按不同的比重進(jìn)入爐缸分成兩層，上層為爐渣層，下層為鉛鉍合金層。主要的反應(yīng)化學(xué)式：

3.2 還原熔煉階段

氧化熔煉周期結(jié)束后，停止加料，只加煤和熔劑，改變爐內(nèi)氣氛成還原氣氛，開始鉛鉍的還原過程，貴金屬富集在鉛鉍合金液中，產(chǎn)出的鉛鉍合金從虹吸口自動(dòng)流出。主要反應(yīng)的化學(xué)式如下：

3.3 放渣階段

還原期結(jié)束后，打開放渣口，爐渣水淬后外售。三個(gè)階段的時(shí)間分配大約為120 min、60 min、30 min，一個(gè)完整周期為210 min。

設(shè)立在爐上的二次風(fēng)口向爐內(nèi)送入定量的二次風(fēng)（空氣或富氧空氣），使從熔體內(nèi)溢出的CO燃燒，而使在爐內(nèi)鼓泡、向上噴濺的熔渣被加熱回落爐內(nèi)，有效地降低了能耗，為了保證噴濺的熔渣中的金屬物不被再次氧化，二次燃燒根據(jù)爐內(nèi)的CO情況，定量的送風(fēng)使?fàn)t內(nèi)的CO保留了一定的量，沒有完全燃燒，保持了爐內(nèi)的還原氣氛。

爐三次風(fēng)口從設(shè)置在爐上或者上升煙道的三次風(fēng)口送入爐內(nèi)，使?fàn)t內(nèi)經(jīng)二次燃燒有意保留的CO和其他化合物完全燃燒，并保留煙氣中有一定的過剩氧量，以防止CO在煙道內(nèi)燃燒爆炸及減少CO對(duì)環(huán)境造成污染，產(chǎn)出的煙氣從排煙口排出經(jīng)直升煙道進(jìn)入余熱鍋爐。

還原期粗鉛鉍合金經(jīng)虹吸口流出經(jīng)溜槽流入熔鉛鍋中，進(jìn)一步精煉脫銅。停爐時(shí)從爐渣放出口放出爐內(nèi)全部爐渣，從安全口排出全部熔體。

側(cè)吹爐冶煉煙氣在氧化期、還原期成分不穩(wěn)定，氧化期和還原期煙氣含SO2濃度分別為約13%（氧化期）、0.4%（還原期），SO2濃度變化范圍很大，氧化熔煉期工藝煙氣經(jīng)余熱鍋爐、表面冷卻器降溫至小于150℃后，送布袋收塵器除塵，除塵尾氣送毗鄰銅冶煉廠煙氣制酸工藝煙氣混合后經(jīng)兩級(jí)動(dòng)力波洗滌—兩級(jí)電除霧—兩轉(zhuǎn)兩吸生產(chǎn)硫酸，制酸尾氣采用離子液吸收脫硫工藝進(jìn)一步凈化后排空。還原熔煉期產(chǎn)出的煙氣經(jīng)布袋收塵后，采用雙堿法尾氣凈化后達(dá)標(biāo)排放。

側(cè)吹爐的爐身由銅質(zhì)水套圍成矩形，銅水套工作面上形成的冷凝爐渣層抵御爐渣的沖刷和腐蝕，側(cè)吹爐的鼓風(fēng)工作壓力較低，在0.08～0.10 MPa，風(fēng)口無需氮?dú)獗Ｗo(hù)。側(cè)吹爐由三層銅質(zhì)冷卻水套和一層鋼制水套內(nèi)襯耐火材料圍成，橫截面呈矩形，自下而上，爐子分為爐缸、爐身、爐頂三部分。爐缸用鎂鉻磚砌于鋼板焊接而成的鋼槽內(nèi)，爐底呈倒拱形，爐缸上沿鋪水平鋼板支承爐身下層水套。爐缸的作用是使渣、液體金屬合金分層，并通過虹吸道分別排出。側(cè)吹爐冶煉主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表2所示。

表2 側(cè)吹爐冶煉主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

4 結(jié)語

側(cè)吹爐工藝已廣泛應(yīng)用在規(guī)模以上的銅冶煉、鉛冶煉、貴金屬項(xiàng)目上，因其原料適應(yīng)性廣、投資費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)也被很多企業(yè)作為首選工藝之一。我國某企業(yè)選擇側(cè)吹爐工藝處理銅煙灰進(jìn)出渣，并采取一爐兩段間斷熔煉法，對(duì)于其所擁有的原料數(shù)量而言是適宜的，環(huán)?？刂菩Ч?、鉛直收率較傳統(tǒng)工藝高、生產(chǎn)成本較低，一爐兩段處理浸出渣在國際冶煉界暫未見公開報(bào)道，該為國際冶煉界第一例，值得推廣。據(jù)了解，我國湖南郴州某著名鉍生產(chǎn)企業(yè)也建設(shè)并投產(chǎn)運(yùn)行了一臺(tái)一爐兩段工藝的側(cè)吹爐，其風(fēng)口面積只有3.6 m2，投產(chǎn)一年多以來，生產(chǎn)一直穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)較理想。3.6 m2更低的風(fēng)口面積，能保證良好的熱交換和爐內(nèi)液體良好的流動(dòng)性，進(jìn)一步拓展了側(cè)吹爐的工藝適用面，值得行業(yè)內(nèi)好好探討和總結(jié)。