趙娜， 蘇艷蓉, 尤翔宇

(1.長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，長沙 410007；2.湖南省環(huán)境保護科學(xué)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(shù)主要為火法工藝.我國鉛冶煉技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了最早的“燒結(jié)機—鼓風(fēng)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(nèi)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(cè)吹）還原熔煉法”、“氧氣頂吹氧化熔煉—氧氣側(cè)吹還原熔煉法”、“富氧側(cè)吹氧化熔煉—富氧側(cè)吹還原熔煉雙側(cè)吹法”等煉鉛工藝[1-7].以上國內(nèi)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(shù)，生產(chǎn)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(shè)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(nèi)某公司鉛冶煉項目工程設(shè)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(shù)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(jié)了改造后新增的側(cè)吹還原爐煙氣凈化除塵工藝的設(shè)計、設(shè)備選型、生產(chǎn)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(shè)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(jīng)配料、制粒后由爐頂加入奧斯麥特富氧頂吹熔煉爐，經(jīng)過氧化、還原、放渣3個階段的操作，產(chǎn)出粗鉛、還原渣和含硫煙氣.粗鉛經(jīng)火法脫銅后，鑄成陽極板送電解精煉，產(chǎn)出鉛錠.還原渣經(jīng)電熱前床渣鉛分離后，送煙化爐吹煉生產(chǎn)出氧化鋅煙塵，回收其中的鋅、鉛.頂吹熔煉爐產(chǎn)出的煙氣經(jīng)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(chǎn)生的煙氣經(jīng)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(chǎn)工藝屬于直接煉鉛新工藝，具有生產(chǎn)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(shù)層面上講是完全可行的，但從生產(chǎn)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(nèi)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(shè)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(shè)有電熱前床，將頂吹爐產(chǎn)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(chǎn)生的渣料，嚴重制約了冶煉渣料的綜合處理.

2 技術(shù)改造鉛冶煉工藝流程

通過對某公司原有建設(shè)項目的實地考察、工程分析，結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓I(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(shù)存在的問題，對原有生產(chǎn)系統(tǒng)進行全面技術(shù)升級改造.本技改項目在利用鉛精礦生產(chǎn)粗鉛的同時，搭配處理此公司原有鋅冶煉系統(tǒng)產(chǎn)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(chǎn)規(guī)模.本技改項目采用 “奧斯麥特富氧頂吹熔煉+側(cè)吹還原熔煉”的處理工藝，在原有頂吹爐的基礎(chǔ)上新增設(shè)一臺側(cè)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(jīng)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(chǎn)生的渣料，使得入爐物料含鉛品位較低，氧化熔煉過程不產(chǎn)生一次粗鉛.氧化熔煉產(chǎn)生的熔煉渣經(jīng)溜槽自流到新增設(shè)的側(cè)吹還原爐進行還原熔煉，產(chǎn)出的粗鉛送原有粗鉛精煉系統(tǒng)進行精煉，還原渣經(jīng)溜槽自流到改造后的煙化爐進行煙化吹煉，產(chǎn)出的次氧化鋅煙塵送原有次氧化鋅倉庫堆存，煙化爐渣經(jīng)水碎后送原有水碎渣堆場堆存外售.富氧頂吹爐煙氣經(jīng)余熱利用、收塵后送制酸；還原爐及煙化爐煙氣經(jīng)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(shù)改造后的“奧斯麥特富氧頂吹熔煉+側(cè)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(yīng)性較強，生產(chǎn)運行穩(wěn)定、操作簡單、控制簡便、煙氣波動小；

2）新增設(shè)一臺側(cè)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(cè)吹爐采用高富氧，熔煉強度大，煙氣量小，能耗低，實現(xiàn)了粗鉛冶煉高鉛渣熱渣直接連續(xù)還原；

4）獨立生產(chǎn)運行的冶金爐，產(chǎn)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(chǎn)能力，又發(fā)揮了鉛鋅聯(lián)合冶煉工藝的優(yōu)勢，加強了冶煉渣料的無害化處理，實現(xiàn)了資源的綜合回收利用.

表1為原有煉鉛工藝與技術(shù)改造煉鉛工藝的對比分析.

表1 原有煉鉛工藝與技術(shù)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(cè)吹還原爐煙氣特性及凈化除塵

技術(shù)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(cè)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(shè)備改造）.因此，僅對新建的側(cè)吹還原爐煙氣除塵凈化系統(tǒng)做以分析說明.

3.1 設(shè)計基礎(chǔ)依據(jù)

根據(jù)本技術(shù)改造工程項目建設(shè)規(guī)模要求及原料成分冶金計算，側(cè)吹還原爐余熱鍋爐出口煙氣參數(shù)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(dāng)?shù)卮髿鈮?3 400 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(jù)以上煙氣、煙塵參數(shù)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(nèi)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(shè)備對煙塵進行捕集.

4）煙氣含硫.側(cè)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(guān)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(xiàn)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(yīng)選用電除塵器或袋式除塵器等高效除塵設(shè)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?zé)煔膺M入袋式除塵器之前需采取冷卻設(shè)備降溫.為了避免濾袋糊袋、黏結(jié)等現(xiàn)象，同時不增加處理的煙氣量，減輕后續(xù)處理設(shè)備的負擔(dān)，宜采用間接風(fēng)冷的形式.

根據(jù)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(shè)項目投資的實際情況，參考以往類似工程經(jīng)驗，綜合以上分析，最終確定側(cè)吹還原爐煙氣凈化除塵工藝如下：

側(cè)吹還原爐余熱鍋爐出口煙氣→表面冷卻器→袋式除塵器→風(fēng)機→尾氣處理

側(cè)吹還原爐出口煙氣經(jīng)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(jīng)風(fēng)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(jīng)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(shè)備選型

3.3.1 表面冷卻器

冶煉煙氣冷卻是將煙氣調(diào)節(jié)到某一較低溫度范圍，以適應(yīng)后續(xù)收塵設(shè)備和風(fēng)機的要求.煙氣冷卻方法根據(jù)煙氣與冷卻介質(zhì)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(zhì)，冷卻介質(zhì)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(fēng)冷卻2種.間接冷卻是煙氣不與冷卻介質(zhì)直接接觸，一般不改變煙氣的性質(zhì)，熱交換方式主要為對流和輻射.間接冷卻設(shè)備主要有自然風(fēng)冷、強制風(fēng)冷、表面淋水冷卻等形式.

表面冷卻器屬于自然風(fēng)冷，是利用常溫空氣自然對流來冷卻管道內(nèi)流動的高溫?zé)煔鈁19].表面冷區(qū)器設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、管道集中、占地面積小、出灰集中、沒有運動構(gòu)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(dǎo)熱系數(shù)相對較小，鋼材耗量相對較多，阻力較大.

本側(cè)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(chǎn)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(zhì)，同時兼顧項目場地空間位置、建設(shè)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(jù)入口煙氣參數(shù)，本設(shè)計選用2臺冷卻面積F=600 m2的表面冷卻器 （設(shè)備的開啟臺數(shù)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(zhì)全部選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，單臺設(shè)備的上部為直徑550 mm、并聯(lián)數(shù)4、串聯(lián)數(shù)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(shè)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(shè)清灰孔，以便人工清灰.灰斗側(cè)面裝設(shè)倉壁振動器，并開設(shè)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(shù)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(yīng)性強、可處理高比電阻粉塵和高濃度粉塵、處理風(fēng)量范圍廣、結(jié)構(gòu)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(jié)露，設(shè)備阻力較高，一般為900～1 500 Pa[20].

根據(jù)煙氣參數(shù)，本設(shè)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(zhì)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(jié)構(gòu).工作時，含塵煙氣由進風(fēng)道進入灰斗，粗塵粒直接落入灰斗底部，細塵粒隨煙氣轉(zhuǎn)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(fēng)道，經(jīng)排風(fēng)機送至下一工序.清灰過程是先切斷該室的凈氣出口風(fēng)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(shè)計，密封性好、漏風(fēng)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(jīng)濟效益好.

4 生產(chǎn)運行狀況

本技術(shù)改造項目已建設(shè)完成正式投產(chǎn)運行，目前生產(chǎn)運行狀況穩(wěn)定良好，部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)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(chǎn)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(chǎn)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(shè)備測試數(shù)據(jù)Table 5 Test data of bag filter equipment

5 結(jié) 論

針對國內(nèi)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(shù)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(shù)改造工藝生產(chǎn)實踐證明：

1）氧化、還原熔煉分爐進行，對物料組成變化適應(yīng)性較強，生產(chǎn)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(shè)一套側(cè)吹還原爐，取消原有電熱前床.側(cè)吹爐采用高富氧，熔煉強度大，煙氣量小，能耗低，實現(xiàn)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(chǎn)能力，又發(fā)揮了鉛鋅聯(lián)合冶煉工藝的優(yōu)勢，加強了冶煉渣料的無害化處理，實現(xiàn)了資源的綜合回收利用.

4）此技改工藝的建設(shè)生產(chǎn)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(chǎn)生的各種渣料提供了較好的技術(shù)支撐和生產(chǎn)應(yīng)用實例.符合國家發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、冶煉廢渣無害化處理、資源綜合回收利用的產(chǎn)業(yè)政策.