我國(guó)粗錫冶煉技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景

鄧兆磊， 楊亞峰

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038; 2.中國(guó)稀有稀土有限公司， 北京 100082)

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我國(guó)粗錫冶煉技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景

鄧兆磊1， 楊亞峰2

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038; 2.中國(guó)稀有稀土有限公司， 北京 100082)

簡(jiǎn)要介紹了我國(guó)粗錫冶煉的生產(chǎn)狀況和技術(shù)現(xiàn)狀，從錫行業(yè)準(zhǔn)入條件等國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)政策出發(fā)，通過能耗指標(biāo)、環(huán)保等多角度論證了幾項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用前景，指出開發(fā)我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的粗錫冶煉工藝尤為必要和迫切。

錫冶煉； 反射爐； 電爐； TSL技術(shù)； 技術(shù)現(xiàn)狀； 應(yīng)用前景

錫是中國(guó)十大有色金屬中資源最為緊缺的品種。長(zhǎng)期以來，中國(guó)每年需進(jìn)口大量錫及錫制品(含錫精礦)，同時(shí)執(zhí)行嚴(yán)格的精錫出口限制，包括10%的出口關(guān)稅以及出口配額的管制。

2013年，中國(guó)精錫產(chǎn)量158 503 t，占全球精錫產(chǎn)量的47%，已連續(xù)多年位居世界第一。中國(guó)的錫產(chǎn)業(yè)布局具有高度集中的特點(diǎn)，滇湘贛桂四省區(qū)的產(chǎn)量占到全國(guó)總產(chǎn)量的99%以上，詳見表1。

表1 2013年中國(guó)分省精錫產(chǎn)量 t

和產(chǎn)能的地域集中布局情況相似，主要的精錫產(chǎn)能也集中分布在幾家大企業(yè)。表2給出了國(guó)際錫研究會(huì)(ITRI)統(tǒng)計(jì)的2012年中國(guó)主要煉錫企業(yè)的生產(chǎn)狀況。

如統(tǒng)計(jì)口徑一致，這四家企業(yè)的產(chǎn)量占到2012年全國(guó)總產(chǎn)量的69.5%，其他30.5%的產(chǎn)量分布在數(shù)量眾多的中小企業(yè)。

表2 2012年中國(guó)主要企業(yè)精錫產(chǎn)量 t

1 粗錫冶煉技術(shù)現(xiàn)狀

錫被稱為史前金屬，具有非常悠久的冶煉歷史。從古法地坑爐煉錫，到反射爐、電爐，再到現(xiàn)代的富氧頂吹浸沒熔池熔煉(TSL)技術(shù)，錫冶煉工藝經(jīng)歷了幾次大的技術(shù)革新。圖1為錫冶煉技術(shù)發(fā)展示意圖。但與銅鉛鋅等重有色金屬冶煉工藝相比，粗錫冶煉仍存在行業(yè)整體技術(shù)裝備水平落后、技術(shù)品種相對(duì)單一、國(guó)內(nèi)自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)利用率不高等突出問題。國(guó)內(nèi)除云錫和華錫兩大國(guó)有企業(yè)集團(tuán)引進(jìn)了TSL技術(shù)外，其他生產(chǎn)企業(yè)均是以反射爐和電爐為主的生產(chǎn)工藝。

圖1 錫冶煉技術(shù)發(fā)展示意圖

1.1 反射爐冶煉

反射爐冶煉是一種非常古老的冶煉工藝，18世紀(jì)初在英國(guó)開始應(yīng)用于粗錫冶煉。在2000年以前，反射爐熔煉產(chǎn)出的錫占到世界錫總產(chǎn)量的近90%，中國(guó)絕大部分工廠也使用反射爐煉錫，但其產(chǎn)量?jī)H占到國(guó)內(nèi)總產(chǎn)量的約40%。

1.2 電爐冶煉

電爐煉錫于1934年首先在非洲原扎伊爾的馬諾諾煉錫廠使用，后在法國(guó)、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家推廣。由于電爐煉錫具有效率高、升溫快、氣量小等優(yōu)點(diǎn)，2000年左右及以后，我國(guó)越來越多的新建錫冶煉廠傾向于使用該工藝。

1.3 TSL技術(shù)

TSL技術(shù)于20世紀(jì)70年代由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)發(fā)明，并于1996年在秘魯建成了首個(gè)TSL錫冶煉廠，中國(guó)云錫和華錫的TSL生產(chǎn)線也分別于2002年和2013年建成投產(chǎn)。TSL技術(shù)被認(rèn)為是現(xiàn)今粗錫冶煉的最理想工藝。

2 錫行業(yè)產(chǎn)業(yè)政策

任何錫生產(chǎn)企業(yè)、新建或改擴(kuò)建錫冶煉項(xiàng)目都必須遵循相應(yīng)國(guó)家的法律法規(guī)要求。就目前而言，錫行業(yè)最直接相關(guān)的約束性產(chǎn)業(yè)政策有《錫行業(yè)準(zhǔn)入條件》和《錫冶煉企業(yè)單位產(chǎn)品能源消耗限額》，《錫銻汞工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》正處于征求意見階段，尚未正式頒布實(shí)施。

(1)《錫行業(yè)準(zhǔn)入條件》(國(guó)家發(fā)改委2006年第94號(hào)公告)部分條文摘錄如下：

項(xiàng)目投資中自有資金比例不得低于50%；

新建、改擴(kuò)建以礦產(chǎn)原料為主的錫冶煉項(xiàng)目年產(chǎn)錫錠(或粗錫)不得低于8 000 t；

粗煉向強(qiáng)化熔煉發(fā)展，采用氧氣頂吹爐或大型反射爐等先進(jìn)工藝，反射爐爐床面積不得低于25 m2；

錫金屬綜合回收率≥95%，單位產(chǎn)品綜合能耗≤2 400 kgce/t，有價(jià)金屬的綜合回收率≥80%；

二氧化硫排放低于960 mg/m3。

(2) 《錫冶煉企業(yè)單位產(chǎn)品能源消耗限額》(GB21348—2008)中現(xiàn)有錫冶煉企業(yè)單位產(chǎn)品能耗限額限定值見表3，新建錫冶煉企業(yè)單位產(chǎn)品能耗限額限定值見表4。

表3 現(xiàn)有錫冶煉企業(yè)單位產(chǎn)品能耗限額限定值

表4 新建錫冶煉企業(yè)單位產(chǎn)品能耗限額限定值

(3) 《錫銻汞工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》征求意見稿中大氣污染物排放濃度限值及監(jiān)控位置見表5。

2.1 粗鉛冶煉產(chǎn)業(yè)政策

粗鉛冶煉與粗錫冶煉類似，主要是金屬氧化物的還原熔煉。與錫冶煉同期出臺(tái)了鉛冶煉的幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，其中一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)或指標(biāo)顯示，鉛冶煉行業(yè)的整體水平要高于錫冶煉行業(yè)。

(1) 《鉛鋅行業(yè)準(zhǔn)入條件》國(guó)家發(fā)改委2007年第13號(hào)公告中要求：

單系列鉛冶煉能力必須達(dá)到5萬(wàn)t/a(不含5萬(wàn)t)以上；

粗鉛冶煉須采用先進(jìn)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的富氧底吹強(qiáng)化熔煉或者富氧頂吹強(qiáng)化熔煉等先進(jìn)

表5 大氣污染物排放濃度限值及監(jiān)控位置

工藝；

粗鉛冶煉綜合能耗低于450 kgce/t；

鉛總回收率達(dá)到96.5%、粗鉛熔煉回收率大于97%；

總硫利用率大于95%、硫捕集率大于99%。

(2) 《鉛冶煉企業(yè)單位產(chǎn)品能源消耗限額》GB21348—2008：

新建鉛冶煉企業(yè)單位產(chǎn)品能耗限額準(zhǔn)入值：粗鉛工藝≤400 kgce/t；

新建鉛冶煉企業(yè)單位產(chǎn)品能耗限額先進(jìn)值：粗鉛工藝≤330 kgce/t；

(3) 《鉛、鋅工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB25466—2010：

現(xiàn)有企業(yè)大氣污染物排放濃度限值：二氧化硫960 mg/m3；

新建企業(yè)大氣污染物排放濃度限值：二氧化硫400 mg/m3。

2.2 產(chǎn)業(yè)政策比較

(1) 鉛冶煉較之錫冶煉更能夠體現(xiàn)大產(chǎn)能規(guī)模化的優(yōu)勢(shì)，錫冶煉限定產(chǎn)能不低于8 000 t，但需建設(shè)多臺(tái)反射爐或電爐，用于錫冶煉的TSL單系列產(chǎn)能均在15 000 t/年以上。

(3) 上述產(chǎn)業(yè)政策的發(fā)布均基于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)鉛、錫行業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀。近幾年來，鉛冶煉技術(shù)發(fā)展迅猛，液態(tài)鉛渣直接還原技術(shù)開發(fā)成功并得到快速推廣，實(shí)際的粗鉛單位產(chǎn)品綜合能耗水平已降至220 kgce/t，甚至200以內(nèi)。而錫冶煉行業(yè)多多少少照顧到了絕大部分生產(chǎn)企業(yè)使用反射爐、電爐工藝的事實(shí)，且TSL技術(shù)由于其昂貴的投資和技術(shù)費(fèi)用，以及其更適用于萬(wàn)噸規(guī)模以上的特點(diǎn)，并未得到廣泛推廣，故錫冶煉單位產(chǎn)品綜合能耗水平遠(yuǎn)高于鉛。

(4) 從鉛、錫冶煉的反應(yīng)實(shí)質(zhì)看，粗錫單位產(chǎn)品的煤耗約為粗鉛單位產(chǎn)品煤耗的2倍。

(5) 就鉛冶煉而言，通常情況下，煤耗占到能源消耗總量的約45%，其他約55%為電耗。錫冶煉(TSL技術(shù))煤耗占到能源消耗總量的約75%，其他約25%為電耗。按照現(xiàn)有粗鉛單位產(chǎn)品綜合能耗220 kgce/t計(jì)，粗錫單位產(chǎn)品綜合能耗應(yīng)為其1.5～2倍，即330～440 kgce/t。即使考慮到粗鉛冶煉硫化物放熱的情況，粗錫單位產(chǎn)品綜合能耗也應(yīng)大大小于現(xiàn)有900 kgce/t的準(zhǔn)入值。

(6) 冶煉工藝從很大程度上決定了有價(jià)金屬的回收率和環(huán)保水平，單就綜合回收率而言，鉛準(zhǔn)入條件中的數(shù)值(考慮煙化爐鉛的回收)比錫高出近3個(gè)百分點(diǎn)，且對(duì)于硫的利用率和捕集率有明確要求，錫準(zhǔn)入條件中僅明確了二氧化硫排放低于960 mg/m3，比《鉛、鋅工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》高出560 mg/m3。考慮到現(xiàn)有鉛廠二氧化硫排放普遍可以低于200 mg/m3，甚至100 mg/m3，錫行業(yè)的整體環(huán)保水平相比鉛行業(yè)仍比較落后。

3 技術(shù)應(yīng)用前景

3.1 反射爐工藝

反射爐用于粗錫冶煉已有近300年歷史，由于眾所周知的諸如能源利用率低、環(huán)保水平差、勞動(dòng)強(qiáng)度高等缺點(diǎn)，反射爐已在銅冶煉等行業(yè)被禁止使用，僅在錫、銻冶煉等行業(yè)仍在大量使用。反射爐工藝被其他更為先進(jìn)的冶煉工藝所替代是一種趨勢(shì)。

以100 kg含Sn49%、Fe15%的錫精礦為計(jì)算基礎(chǔ)，得到其熱平衡見表6，其近83.6%的總熱量是無效的。

表6 反射爐還原熔煉熱平衡

*還原煤可燃成分和過量碳燃燒熱

計(jì)算得生產(chǎn)1 t粗錫所需的無煙煤量為340 kg(26 061 kJ/kg)，所需的煙煤量為950 kg(23 272 kJ/kg)，折算成標(biāo)煤為1 057 kg，不計(jì)其他消耗，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了熔煉工序工藝能耗850 kgce/t的限值，且熔煉得到的粗錫品位僅有80%左右。

由于反射爐傳熱量的80%～90%為輻射傳熱，其熱利用率僅為20%～30%，且其還原氣氛較難控制、煙氣量居高不下、錫直收率低，很難再進(jìn)一步降低其煤耗。又由于其裝備水平造成的環(huán)保水平差、勞動(dòng)強(qiáng)度高等突出問題，該工藝已很難再有生存空間。

增加網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的操作培訓(xùn)，讓老師了解網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的所有功能，不僅要講解網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的上傳方法，還要重點(diǎn)講授網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的師生互動(dòng)操作，由于培訓(xùn)時(shí)間有限，老師不一定能馬上掌握，老師在教學(xué)中操作時(shí)會(huì)遇到具體問題，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的客服應(yīng)能及時(shí)協(xié)助老師解決。

3.2 電爐工藝

電爐煉錫具有效率高、煙氣量小、升溫快、還原氣氛強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合處理高錫低鐵物料，但需控制入爐物料含水在2%以下。

某工廠使用1 400 kVA的電爐處理含Sn>65%的高錫低鐵錫精礦，熱利用率在50%左右，其熱平衡分布見表7。

表7 電爐還原熔煉熱平衡

粗略計(jì)算其生產(chǎn)1 t粗錫所消耗的電量為1 800 kW·h，消耗的焦炭量為180 kg，折算成標(biāo)煤為396 kg，不計(jì)其他消耗，顯示了電爐煉錫在處理高錫低鐵物料方面的優(yōu)勢(shì)。

如入爐物料含鐵過高，由于電爐內(nèi)過強(qiáng)的還原性氣氛，大量鐵被還原，形成比例高達(dá)30%以上的乙錫，造成能耗大幅升高，甚至有可能因?yàn)殍F大量沉積爐底而使生產(chǎn)中斷，或造成重大損失。

此外，電爐煙氣中含有40%左右的CO，是生產(chǎn)過程中非常大的安全隱患。

電爐工藝非常適合冶煉高錫低鐵物料，如能提高裝備水平和自動(dòng)化水平，采取完備的安全生產(chǎn)措施，則電爐工藝本身將更趨完善。但考慮到處理原料品質(zhì)的限制，和現(xiàn)今錫精礦品位降低和雜質(zhì)含量增高的現(xiàn)實(shí)，電爐工藝將很難得到廣泛推廣。

3.3 TSL技術(shù)

富氧強(qiáng)化熔池熔煉技術(shù)是火法冶煉技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，TSL技術(shù)即是其中的代表之一。1996年首座TSL煉錫廠建成投產(chǎn)。2002年世界上最大的TSL煉錫廠在云錫公司建成投產(chǎn)，初期爐壽較短，且工藝過程尚不完善。經(jīng)不懈努力，改變了其生產(chǎn)作業(yè)制度，推動(dòng)TSL技術(shù)在錫冶煉領(lǐng)域進(jìn)入了富氧熔煉時(shí)代，創(chuàng)新了中國(guó)特有的頂吹煉錫技術(shù)。

某工廠處理含Sn43.2%、Fe14%的錫精礦，使用TSL技術(shù)熔煉段+還原段的作業(yè)制度，其熱平衡分布見表8、表9。

表8 TSL熔煉段熱平衡 %

表9 TSL還原段熱平衡 %

TSL技術(shù)的熱利用率在30%以上，如考慮到煙氣中的大量潛熱被結(jié)構(gòu)先進(jìn)的余熱鍋爐回收生產(chǎn)蒸汽，可用于余熱發(fā)電，則其實(shí)際熱利用率應(yīng)高一些。通常情況下，煙氣中的熱量最終轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)換效率為15%～25%，故TSL技術(shù)的熱利用率在40%左右。計(jì)算該廠的綜合能耗為1 717 kgce/t，遠(yuǎn)低于GB21348中2 100 kgce/t的限額先進(jìn)值。如除去煉前處理、精煉和煉渣工序的能耗，則其熔煉工序的綜合能耗為709 kgce/t。

TSL技術(shù)具有熔煉效率高、強(qiáng)度大、物料適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)保好、自動(dòng)化水平高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在行業(yè)內(nèi)推廣。但如本文第一節(jié)所述，我國(guó)錫冶煉企業(yè)眾多，但大多規(guī)模較小，實(shí)力不強(qiáng)，對(duì)于動(dòng)則幾百萬(wàn)美元的技術(shù)轉(zhuǎn)讓費(fèi)和工藝包費(fèi)用，以及整體偏高的投資，恐難以負(fù)擔(dān)。較高的自動(dòng)化控制水平要求更高的人員素質(zhì)，這對(duì)于我國(guó)大多數(shù)錫冶煉企業(yè)都是一個(gè)挑戰(zhàn)。

4 結(jié)論

中國(guó)是世界上最大的錫生產(chǎn)國(guó)，錫產(chǎn)能布局具有地域高度集中的特性，且主要分布在幾大生產(chǎn)企業(yè)，其他數(shù)量眾多的中小企業(yè)產(chǎn)能僅占30.5%。

錫行業(yè)的整體技術(shù)裝備水平不高，我國(guó)目前常用的粗錫冶煉工藝有：反射爐工藝、電爐工藝和TSL技術(shù)。反射爐工藝已處于被淘汰的邊緣，很難有生存空間；電爐工藝在處理高錫低鐵錫精礦時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯，但仍需加強(qiáng)自動(dòng)化水平和安全生產(chǎn)措施建設(shè)，受處理原料品質(zhì)的限制其很難廣泛推廣；TSL技術(shù)是現(xiàn)今最先進(jìn)的粗錫冶煉工藝，尤其適合萬(wàn)噸規(guī)模以上的大型企業(yè)，其推廣受投資和技術(shù)費(fèi)用高昂的影響，結(jié)合我國(guó)錫冶煉企業(yè)產(chǎn)能集中、數(shù)量眾多的現(xiàn)狀，將遇到一定的困難。

由此看來，開發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的粗錫冶煉工藝尤為必要和迫切，我國(guó)絕大多數(shù)使用反射爐和電爐的錫冶煉廠必須使用更為先進(jìn)的工藝進(jìn)行改造，方能滿足國(guó)家環(huán)保、節(jié)能等方面的要求，贏得生存空間。

[1] 黃位森.錫[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2000.

[2] 北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院等.重有色金屬冶煉設(shè)計(jì)手冊(cè)錫銻汞貴金屬卷[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

Status and development prospects of crude tin smelting process in China

DENG Zhao-lei, YANG Ya-feng

The production condition and technology status of crude tin smelting in China was briefly introduced in this paper. Based on industrial policies like access conditions for tin industry, promoted application trend of several technologies was demonstrated from such points of view as their consumption indicators and environmental performances. The paper also pointed out that it is of great necessity and urgency to develop new tin smelting process with Chinese intellectual property.

tin smelting; reverberatory; electric furnace; TSL technology; technology status; application prospect.

鄧兆磊(1984—)，男，山東梁山人，本科，工程師，主要從事重有色金屬冶煉設(shè)計(jì)和管理工作。

2014-- 06-- 30

TF814

B

1672-- 6103(2015)02-- 0034-- 05