艾薩爐噴煤煉鉛工藝及生產(chǎn)實(shí)踐

俞 兵， 馬紹斌， 王小強(qiáng)

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司， 云南 曲靖 655011)

艾薩爐熔煉能處理銅、鉛、鋅、錫等多種物料，但艾薩爐噴槍采用的燃料為柴油，存在成本高、燃燒區(qū)域不均勻等問(wèn)題。為了解決柴油成本高的問(wèn)題，提出會(huì)澤鉛鋅冶煉項(xiàng)目艾薩爐噴槍采用粉煤作為燃料的構(gòu)想，并進(jìn)行了生產(chǎn)實(shí)踐。自從2014年初投產(chǎn)以來(lái)，實(shí)踐表明艾薩爐噴煤煉鉛工藝是成功的，特別是在成本控制和燃燒均勻上較柴油而言具有突出優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

我國(guó)是煤礦資源非常豐富的國(guó)家，采用廉價(jià)的煤代替柴油作為燃料，既可降低生產(chǎn)成本，克服生產(chǎn)所受能源的限制，還可以提高頂吹熔煉生產(chǎn)工藝的可控性和靈活性。

1 艾薩爐噴煤工藝介紹

1.1 爐型結(jié)構(gòu)介紹

會(huì)澤艾薩爐是迄今為止全球第一座歪脖子噴吹粉煤煉鉛的艾薩爐。艾薩爐為立式筒狀結(jié)構(gòu)，外部為鋼殼，內(nèi)襯耐火磚，爐殼總高11 522 mm，其中阻濺板以下7 333 mm為圓筒形(Φ4 650 mm，凈空Φ3 598 mm)，阻濺板以上4 189 mm逐漸放大為撮箕形，爐底距鉛口中心1 342 mm，爐底距渣口中心2 345 mm，渣口與鉛口呈90°夾角。整個(gè)殼體焊接在裙座上，在裙座和下部基礎(chǔ)之間通過(guò)預(yù)埋螺栓緊固，裙座上開(kāi)有六個(gè)對(duì)稱(chēng)的通風(fēng)孔有利于爐底散熱，在裙座下方還設(shè)有一個(gè)事故溜槽，以防爐底燒通時(shí)熔渣能沿溜槽流走，減少事故的蔓延(基本不可能發(fā)生)，頂蓋上設(shè)有噴槍口、加料口、保溫?zé)炜诩盁煔獬隹?。艾薩爐結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 粉煤噴槍系統(tǒng)

粉煤噴槍內(nèi)部有1根端壓管和1根煤管，在端壓帽后端裝有旋流器，主要作用是改變富氧空氣的流向，在噴槍出口形成高速旋轉(zhuǎn)的空氣流，使熔池得到充分的攪拌，確保反應(yīng)充分進(jìn)行、熔池溫度均衡。噴槍實(shí)物如圖2所示。

1.3 工藝流程

艾薩爐煉鉛工序流程如圖3所示。

1.4 艾薩爐噴煤煉鉛工藝原理

艾薩爐煉鉛實(shí)質(zhì)是控制爐內(nèi)的氣氛，在噴槍工藝風(fēng)的強(qiáng)烈攪拌下，使入爐的燃料(碎煤、粉煤)發(fā)生激烈的氧化反應(yīng)，釋放出大量的熱，熱能使入爐生料在融化同時(shí)，發(fā)生氧化、還原反應(yīng)，產(chǎn)出部分粗鉛和大量的富鉛渣，產(chǎn)生的煙氣通過(guò)收塵凈化后送制酸。主要化學(xué)反應(yīng)見(jiàn)式(1)～(6)[3]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

圖1 會(huì)澤艾薩爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

圖2 噴槍實(shí)物圖

1.5 艾薩爐噴煤熔煉特點(diǎn)

根據(jù)熔池熔煉相關(guān)理論，熔池熔煉是在氣-液-固三相形成的卷流運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程[4]。進(jìn)入熔池的生料，在高溫熔池內(nèi)發(fā)生氧化脫硫與造渣反應(yīng)。噴槍噴入的富氧空氣和化學(xué)反應(yīng)生成的氣體對(duì)熔池起到強(qiáng)力攪拌的作用，強(qiáng)化了熔池熔煉的冶金過(guò)程。

根據(jù)艾薩爐水模擬研究，爐內(nèi)熔體的熔池反應(yīng)區(qū)域劃分為四個(gè)區(qū)，結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

1)1區(qū)。1區(qū)位于噴槍出口處，屬于燃燒氧化區(qū)，通過(guò)噴槍噴入的粉煤在此區(qū)域迅速燃燒，硫化鉛精礦發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)，并放出大量的熱，為主要反應(yīng)區(qū)。

2)2區(qū)。2區(qū)屬于次要反應(yīng)區(qū)，加入爐內(nèi)的爐料在高速旋轉(zhuǎn)氣流的攪拌下與熔體混合并向爐壁方向流動(dòng)，爐料預(yù)熱融化，并同一起擴(kuò)散的氧發(fā)生少量氧化反應(yīng)。

3)3區(qū)。3區(qū)屬于循環(huán)流區(qū)，爐料以及噴入氣體中的少量氣泡從2區(qū)向下流動(dòng)，形成回流循環(huán)，氣泡中殘留的氧與精礦和煤充分發(fā)生反應(yīng)。在經(jīng)過(guò)1區(qū)時(shí)，與大量氣泡相遇，再次發(fā)生強(qiáng)烈的氧化造渣反應(yīng)。

4)4區(qū)。4區(qū)屬于相對(duì)靜止區(qū)，富集粗鉛，有利于渣鉛分離。

圖3 艾薩爐煉鉛工序流程圖

艾薩爐噴槍噴入熔體的粉煤主要集中在1區(qū)，粉煤在1區(qū)高溫、高氧勢(shì)條件下發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，并放出熱量；少量粉煤被噴入熔體帶至2區(qū)和3區(qū)參與熔池反應(yīng)。

由此可見(jiàn)，艾薩爐噴煤熔煉具有以下特點(diǎn)：噴槍噴入熔體的粉煤主要提供熱量，并促進(jìn)熔池的攪動(dòng)進(jìn)行傳熱傳質(zhì)；粉煤中的灰分幾乎全部進(jìn)入熔池并參與造渣；可通過(guò)靈活控制艾薩爐噴煤量來(lái)調(diào)控爐溫；與燃油噴槍相比，噴煤熔煉更經(jīng)濟(jì)。

圖4 艾薩爐水模擬熔池反應(yīng)區(qū)域示意圖

2 艾薩爐噴煤煉鉛工藝優(yōu)點(diǎn)

1)節(jié)能降耗，提高鉛的直收率。使用廉價(jià)的粉煤替代柴油，不僅大幅降低生產(chǎn)成本，而且起到發(fā)熱劑的作用，同時(shí)粉煤的噴入還增強(qiáng)了頂吹爐熔煉過(guò)程中的還原氣氛，使大量的鉛被還原產(chǎn)出粗鉛，提高了頂吹爐熔煉鉛的直收率。頂吹爐內(nèi)的還原氣氛可以通過(guò)噴煤大小來(lái)調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)在一臺(tái)頂吹爐內(nèi)完成氧化、還原及造渣幾個(gè)過(guò)程，真正實(shí)現(xiàn)了硫化鉛精礦直接煉鉛的過(guò)程。

2)原料適應(yīng)性強(qiáng)。用粉煤作為主要的燃料，使得艾薩爐煉鉛工藝對(duì)原料的適應(yīng)性更強(qiáng)，操作更為靈活，調(diào)整余地更大。自2014年1月份投產(chǎn)以來(lái)，從進(jìn)行的各項(xiàng)試驗(yàn)可以看出艾薩爐不僅能處理鉛精礦，而且還能處理各種含鉛的低品位物料，對(duì)物料成分的波動(dòng)影響不大。正在處理的低品位物料包括：含Pb30%～33%左右的烤鉛渣，鉛加鋅品位15%～20%左右的鉛鋅共生氧化礦。通過(guò)不斷的摸索調(diào)整各參數(shù)，艾薩爐烤鉛渣處理量與鋅系統(tǒng)烤鉛渣的產(chǎn)量(年產(chǎn)55 000 t)基本達(dá)到平衡；通過(guò)10 d試驗(yàn)，低品位鉛鋅共生氧化礦(公司礦山開(kāi)采，含鈣20%～25%，物料成分復(fù)雜，一直無(wú)法處理)配入量為3t，不但節(jié)約了石灰石的成本，還回收了其中的有價(jià)金屬。

3)工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，流程短，熔煉速度快，生產(chǎn)率高。艾薩爐噴煤煉鉛工藝備料過(guò)程簡(jiǎn)單，混合后的爐料從爐頂進(jìn)入熔煉爐后，在熔池中完成全部爐料的脫水、熔化、氧化、還原和造渣反應(yīng)，直接產(chǎn)出部分粗鉛和富鉛渣。與傳統(tǒng)煉鉛工藝相比，流程大大縮短。由于熔煉過(guò)程熔池劇烈攪動(dòng)，熔體傳熱傳質(zhì)條件非常好，化學(xué)反應(yīng)快，熔煉強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率高。若再提高富氧濃度，生產(chǎn)能力還可增加。

4)硫利用率高，作業(yè)環(huán)境清潔，環(huán)境保護(hù)效果好。艾薩爐煉鉛法為全密閉式生產(chǎn)，熔煉裝置密閉性能好，煙氣逸散少，作業(yè)環(huán)境清潔，而且，采用富氧

空氣熔煉，硫化鉛氧化脫硫徹底，煙氣量小，煙氣含SO2濃度高，可直接制酸，解決了傳統(tǒng)燒結(jié)-鼓風(fēng)爐煉鉛工藝存在的環(huán)境污染問(wèn)題，硫的總利用率高達(dá)98%以上。

5)操作簡(jiǎn)便，自動(dòng)化程度高。富氧頂吹強(qiáng)化熔煉工藝進(jìn)料系統(tǒng)、熔煉系統(tǒng)和公輔設(shè)施都采用DCS控制，設(shè)備先進(jìn)，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單。能通過(guò)DCS很方便地調(diào)整燃煤、空氣、富氧濃度和燃油的比例，及時(shí)控制爐子內(nèi)的反應(yīng)，使冶煉過(guò)程在溫度波動(dòng)很小的狀態(tài)下進(jìn)行。

3 艾薩爐噴煤煉鉛工藝生產(chǎn)實(shí)踐情況

會(huì)澤艾薩爐從2014年1月份投產(chǎn)，通過(guò)三個(gè)月的工藝調(diào)整，至2014年3月份艾薩爐順利通過(guò)公司達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)驗(yàn)收，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到同行領(lǐng)先水平[5]。

3.1 入爐物料成分

艾薩爐入爐主料的成分組成如表1所示。

表1 入爐主料成分 %

注：表中數(shù)據(jù)均為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

主要輔料的成分及要求：碎煤，C 50%～70%，A 20%～25%，V≥15%，粒度小于10 mm；粉煤，粒度-200目比例>75%；石英石，SiO2含量>80%；石灰石，CaO含量>45%。

3.2 主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)及節(jié)約成本

3.2.1 主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)艾薩爐生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)：一次產(chǎn)鉛率，28.8%；煙塵率，11.2%；耗煤率，8.2%；爐床能力，60～65 t/m2·d；富鉛渣含Pb，45%～55%；煙氣SO2濃度，5%～8%；粗鉛品位，Pb 96.5%～97.8%，Ag 1 500～3 000 g/t。

3.2.2 節(jié)約成本計(jì)算

3.2.2.1 燃料消耗成本

1)同行艾薩爐噴槍(噴油)燃料成本。同行艾薩爐噴槍(噴油)燃料使用技術(shù)參數(shù)：每天熔煉7爐，每爐用油1 h，每小時(shí)噴油900 L，柴油價(jià)格8 500元/t；平均塊煤消耗2.5 t/h，每爐加塊煤2 h，塊煤價(jià)格735元/t。柴油成本計(jì)算：每天的柴油消耗，7×1×900×0.85=5.36 t，約為4.56萬(wàn)元；每年的柴油成本(按330天算)，4.56×330=1 504.8萬(wàn)元。塊煤成本計(jì)算：每天塊煤消耗，2.5×2×7=35 t，約為2.6萬(wàn)元；每年塊煤成本(按330天算)，2.6×330=858萬(wàn)元。每年燃料成本合計(jì)： 1 504.8+858=2 362.8萬(wàn)元。

2)會(huì)澤艾薩爐(噴煤)燃料成本。會(huì)澤艾薩爐(噴煤)燃料使用技術(shù)參數(shù)：每天熔煉7爐，平均噴煤速率1.7 t/h，粉煤價(jià)格800元/t；平均塊煤消耗1.2 t/h，每爐加塊煤2 h，塊煤價(jià)格735元/t。粉煤成本計(jì)算：每天的粉煤消耗，1.7×24=40.8 t，約為3.3萬(wàn)元；每年粉煤成本(按330天算)，3.3×330=1 089萬(wàn)元。塊煤成本計(jì)算：每天塊煤消耗，1.2×2×7=16.8 t，約為1.2萬(wàn)元；每年塊煤成本(按330天算)，1.2×330=396萬(wàn)元。每年燃料成本合計(jì)：1 089+396=1 485萬(wàn)元。

會(huì)澤艾薩爐(噴煤)一年的燃料成本比同行艾薩爐(噴油)的燃料成本節(jié)約：2 362.8-1 485=877.8萬(wàn)元。

3.2.2.2 噴槍維修成本

噴油的噴槍由于霧化效果較好，柴油基本在噴槍端部已全部燃燒，造成該區(qū)域溫度相對(duì)偏高，噴槍的腐蝕較為嚴(yán)重，根據(jù)同行業(yè)的使用情況來(lái)看，噴油噴槍的平均使用壽命為2天左右，噴槍燒損1.5 m左右。噴煤噴槍雖然絕大部分的粉煤也是在噴槍端部燃燒，但仍有一部分未燃燒的粉煤進(jìn)入熔池起還原劑作用，所以噴槍的腐蝕相對(duì)較輕，根據(jù)近5個(gè)月的運(yùn)行情況來(lái)看，噴煤噴槍的平均使用壽命為4天左右，噴槍燒損1.5 m左右。噴槍的維修成本參數(shù)：噴槍管為310S不銹鋼管，規(guī)格Φ 273 mm×11 mm，71.07 kg/m，72 000元/t，旋流器3 100元/個(gè)。

1)同行艾薩爐(噴油)噴槍的維修成本。管材消耗：1.5×30÷2×71.07×72 000÷1 000=11.5萬(wàn)元；旋流器消耗：3 100×30÷2=4.65萬(wàn)元；每年噴槍維修陳本為(按11個(gè)月算)：(11.5+4.65)×11=177.65萬(wàn)元。

2)會(huì)澤艾薩爐(噴煤)噴槍的維修成本。管材消耗：3.5×30÷4×71.07×72 000÷1 000=5.75萬(wàn)元；旋流器消耗：3 100×30÷4=2.3萬(wàn)元；每年噴槍維修陳本為(按11個(gè)月算)：(5.75+2.3)×11=88.55萬(wàn)元。

會(huì)澤艾薩爐(噴煤)噴槍比同行艾薩爐(噴油)噴槍的維修成本節(jié)約：177.65-88.55=89.1萬(wàn)元。

3.2.2.3 人工成本

同行業(yè)艾薩爐的人員配置每班至少17～18人，而艾薩爐由于自動(dòng)化程度高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低所以人員配置相對(duì)較少，每班僅配置12個(gè)人，比同行少5～6人，四個(gè)班則少20人。按照人均6萬(wàn)/年的工資算，則會(huì)澤艾薩爐(噴煤)每年比同行業(yè)艾薩爐(噴油)節(jié)約20人的工資支出，約為120萬(wàn)。

結(jié)合上述計(jì)算艾薩爐噴煤煉鉛工藝每年比同行業(yè)節(jié)約成本為：877.8+89.1+120=1 086.9萬(wàn)元

4 結(jié)語(yǔ)

會(huì)澤冶煉廠艾薩爐是全球第一座采用噴煤煉鉛的頂吹熔煉爐，該冶煉工藝自投產(chǎn)以來(lái)經(jīng)過(guò)短短幾個(gè)月時(shí)間就實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)均處于同行領(lǐng)先水平。此工藝成功實(shí)現(xiàn)了采用粉煤代替柴油作為燃料，而且對(duì)入爐物料適應(yīng)性強(qiáng)，成功處理了該公司堆存的烤鉛渣和低品位鉛鋅共生氧化礦，利用了資源，節(jié)約了成本，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，值得推廣。