基夫賽特直接煉鉛技術的應用前景

賀菊香

(長沙有色冶金設計研究院有限公司,湖南長沙 410011)

基夫賽特直接煉鉛技術的應用前景

賀菊香

(長沙有色冶金設計研究院有限公司,湖南長沙 410011)

介紹了基夫賽特直接煉鉛技術的反應機理、核心設備、工藝特點及應用實例。通過對幾種直接煉鉛工藝的比較,認為基夫賽特直接煉鉛工藝能滿足日益嚴格的環保要求,原料適用性強,特別是在煉鉛的同時能搭配處理大量的鋅浸出渣,是適合大型鉛鋅聯合冶煉企業選擇的一種煉鉛工藝。

基夫賽特爐;直接煉鉛;反應機理;工藝特點;應用前景

鉛是發展國民經濟的重要基礎原料之一,世界礦產鉛的生產普遍采用傳統的燒結-鼓風爐熔煉流程,該法雖然工藝穩定、可靠,經濟效果尚好,但有能耗高、環保難達標、勞動條件差等缺點,已逐漸被新的直接煉鉛方法所取代。

從上世紀70年代開始,世界上許多國家致力于研究各種新的煉鉛方法。已實現工業化的直接煉鉛法有基夫賽特法(Kivcet)、QSL法、Kaldo法、頂吹熔煉法(ISA或Ausmelt)、水口山法(SKS)、富氧側吹直接煉鉛工藝;云南冶金集團也在進行新的直接煉鉛工藝試驗,但尚未見報道。

我國為了提高鉛冶煉的技術裝備水平,減少鉛冶煉造成的污染,也應用和開發了多種直接煉鉛法。西北鉛鋅冶煉廠引進QSL法專利技術,建成一套年產粗鉛5.2萬t的QSL爐,1992年投產,不久因故停產,1995年經多項整改后重新生產,又因故停產至今;2005年西部礦業建成一套年產粗鉛5萬t的Kaldo爐;2005年云南曲靖采用了 ISA爐+鼓風爐煉鉛,年產粗鉛8萬t;豫光金鉛和水口山等多家鉛廠采用了SKS爐+鼓風爐煉鉛,年產粗鉛8萬t;江西銅業和株冶引進了基夫賽特直接煉鉛技術,正在分別建設基夫賽特工廠,預計2011年年底建成投產。

隨著社會的前進和經濟的發展,礦產鉛鋅精礦供應越來越緊張,環保要求日趨嚴格。尋找合適的煉鉛方法,實現資源最大限度的利用,同時又實現節能和清潔生產,提升技術創新力,降低生產成本,滿足環保要求,已成為鉛鋅冶煉企業必須面對和尋求的目標。

生產實踐已證明,基夫賽特法煉鉛具有技術先進、可靠、高效、節能、環保、綜合回收好等特點,其原料適用性強,特別是在煉鉛的同時能搭配處理大量的鋅浸出渣,是適合鉛鋅聯合冶煉企業選擇的一種煉鉛工藝。本文從其反應機理、工藝特點、工廠實例、應用前景等進行分析和介紹。

1 基夫賽特直接煉鉛的反應機理

基夫賽特法煉鉛屬于閃速熔煉技術,它集氧化、還原、煙化三種冶金化學過程為一體。基本要點是利用工業純氧和電能,將含鉛的混合爐料進行閃速熔煉和氧化物碳熱還原來實現直接煉鉛。

在基夫賽特爐的反應塔內,由上到下完成氧化脫硫、熔煉造渣和焦濾層還原三個基本過程,主要反應有:

氧化反應:

還原反應:

氧化反應中(1)、(2)、(3)、(4)均是放熱反應。爐料在反應塔內呈懸浮狀態,通過傳熱、傳質和氣-固與氣-液等反應,完成氧化脫硫、熔煉造渣過程;熔融物中85%～90%的氧化鉛被灼熱的焦炭還原成液態金屬鉛。當混合爐料中含銅高時,可造冰銅。

當爐料中搭配有鋅冶煉的浸出渣時,則混合爐料中含Fe2O3成分會高,Fe2O3在1 300～1 400℃的高溫下會分解:

這兩個反應是吸熱反應,焦濾層除要還原PbO和Fe2O3外,還要還原Fe3O4,因此焦濾層要保持足夠的溫度,反應才能得以進行。

2 基夫賽特爐的構造

基夫賽特(Kivcet)法煉鉛的核心設備是基夫賽特爐,基夫賽特爐主要由銅水套、耐火材料、鋼結構等部分組成。

按照不同的功能基夫賽特爐可劃分為四個部分:一是帶氧焰噴嘴的反應塔,二是帶有焦炭過濾層的熔池,熔池由爐底、爐墻、爐頂、冷卻件、鋼結構框架構成,三是電熱區,四是豎煙道及余熱鍋爐。熔煉區和電熱區之間采用浸沒式銅水套將上部的煙氣隔開,下部的熔池是相互連通的。如圖1所示。

圖1 基夫賽特爐

反應塔頂安裝有氧料噴嘴,爐料和氧氣通過噴嘴噴入反應塔,在反應塔內進行氧化反應,爐料中的PbS被迅速氧化生成PbO,形成高溫熔融物,掉入熔煉區熔池,PbO通過漂浮在熔池上的焦炭過濾層時進行還原,形成液態金屬鉛;熔煉過程產生的含硫煙氣通過煙氣隔墻流向上升煙道,進入豎爐余熱鍋爐。電熱區的主要作用是將流入電熱區的熔體進行沉淀分離,并將部分金屬氧化物煙化揮發;電熱區頂部安裝有電極,電極插入渣層,為電熱區補充熱量;含鉛氧化物流入電熱區內進行進一步的還原反應;在電熱區,液態渣和液態鉛被定期放出,電熱區產生的煙氣進入電熱區余熱鍋爐,并在余熱鍋爐內進行二次燃燒。

基夫賽特爐是集氧化、還原、煙化三種冶金化學過程為一體的大型爐窯。

3 基夫賽特直接煉鉛的工藝特點

1.真正意義上的一步煉鉛。氧化脫硫和還原在一座爐內連續完成,可直接產出高品位(Pb 98.8%～99.1%)粗鉛。

2.原料適應性強。能冶煉含 Pb 20%～70%,硫13.5%～28%,銀100～8 000 g/t的鉛精礦或氧化礦,能搭配處理各種含鉛渣料、廢鉛蓄電池,特別是能搭配處理鋅冶煉產生的大量浸出渣,可節約基建投資,降低能耗,完全消除回轉窯處理浸出渣過程中產生低濃度SO2煙氣的污染問題。

3.金屬回收率高。鉛回收率＞98%,金銀入粗鉛率達99%以上,渣含鉛可達3%以下。

4.環保好。煙氣SO2濃度高,可直接制酸回收其SO2;爐子為固定爐床,密封性好,操作崗位環境良好。

5.能耗低。充分利用硫的反應熱,煙氣量小,帶走熱量少;煙塵率低,為投料量的5%～7%,直接返回爐內熔煉,返料少。其粗鉛能耗為350 kg標煤/t,滿足我國鉛冶煉能耗標準中限額準入值的水平。

6.爐體相對復雜。渣線以下及反應塔裝有大量銅水套,但爐壽可達3 a,銅水套壽命可達10 a以上。

7.原料準備相對熔池熔煉技術要求高些,但技術和設備常規、成熟、可靠。

4 基夫賽特直接煉鉛的應用實例

基夫賽特法是前蘇聯有色金屬科學研究院(現哈薩克斯坦東方有色金屬研究院)上世紀60年代開始研究開發的直接煉鉛技術,上世紀80年代應用于大型工業化生產。

其原則流程為:含鉛爐料→干燥→球磨→基夫賽特熔煉→粗鉛,含硫煙氣送制酸,爐渣則直接水淬或送煙化。

目前應用基夫賽特直接煉鉛技術的企業已有5個,分別介紹如下:

1.1986年在哈薩克斯坦烏斯季—卡緬諾哥爾斯克建成處理爐料340 t/d的基夫賽特煉鉛廠,1988年改擴建為400～500 t/d,各項技術經濟指標明顯改善。爐料主要成分見表1。

表1 爐料主要成分

2.1986年意大利薩明公司購買該專利,在意大利撒丁島西南海岸的維斯麥港附近,于1987年2月建成了600 t/d基夫賽特煉鉛廠,在原專利技術基礎上作了許多改進,投產后各項技術經濟指標和自控水平均超過了原專利,實際產能達到了 10～12萬t/a,粗鉛產量取決于爐料含鉛量,但受硫酸系統生產能力的限制。爐料主要成分見表2。

表2 爐料主要成分

維斯麥港公司基夫賽特廠生產數據如下:

粗鉛產量:260～290 t/d。

開工率:＞96%。

鉛的直收率:88%～91%。

焦粉耗量:45～65 kg/t Pb(18～27 kg/t原料)。粉煤耗量:140～180 kg/t Pb(60～78 kg/t原料)。電極耗量:3.2～5.9 kg/t Pb(1.4～2.6 kg/t原料)。電能耗量:970～1 020 kWh/t Pb(410～450 kWh/t原料)。

余熱回收:0.43～0.53 t蒸汽/t原料。

氧氣耗量:410～530 m3/t Pb(170～210 m3/t原料)。耐火材料耗量:0.2～0.4 kg/t原料。

3.1996年年底加拿大科明科(Cominco)公司120 kt/a粗鉛的基夫賽特煉鉛廠在特雷爾廠(Trail)投產成功。特雷爾冶煉廠是一個鉛鋅聯合企業, 2006年生產粗鉛96.5 kt/a,電鋅295 kt/a,基夫賽特爐的爐料包括了鋅系統產出的全部浸出渣,浸出渣占到了爐料的45%～50%,鉛精礦占28%,廢蓄電池占5%,返料占10%,熔劑占10%。爐料主要成分見表3。

表3 爐料主要成分

處理量:1 350～1 470 t/d(設計值1 310 t/d)。

開工率:93%～96%。

鉛的直收率:88%～89%。

焦粉使用量:80～120 kg/t Pb(20～30 kg/t原料)。

粉煤使用量:320～360 kg/t Pb(80～90 kg/t原料)。

電極使用量:2.4～3.6 kg/t Pb(0.6～0.9 kg/t原料)。

電能耗量:540～840 kWh/t Pb(135～205 kWh/ t原料)。

氧氣耗量:600～680 m3/t Pb(150～170 m3/t原料)。

耐火材料消耗量:0.2～0.4 kg/t原料。

4.國內某公司鉛鋅冶煉及資源綜合利用工程,建設規模:100 kt/a粗鉛,屬于鉛鋅聯合企業及綜合回收建設項目,鉛冶煉項目搭配處理100 kt/a常規濕法煉鋅產生的全部浸出渣等,即鋅浸出渣約81 600 t/a,鉛渣約18 500 t/a;工程預計2011年年底投產,處理量:1 174 t/d(設計值)。爐料主要成分見表4。

表4 爐料主要成分

主要技術參數如下:

反應塔溫度:1 380～1 420℃。

電熱區溫度:約1 200℃。

渣層溫度:約1 300℃。

工業氧氣(98%)消耗:約11 380 m3/h。

變壓器功率:12 000 kVA,1臺。

5.國內某公司搭配鋅浸出渣基夫賽特直接煉鉛工程,建設規模:120 kt/a粗鉛,屬循環經濟建設項目,鉛冶煉項目搭配處理100 kt/a鋅常壓氧浸產生的含 Pb、Ag的硫尾礦渣約 96 000 t/a及硫渣約20 000 t/a等,預計于 2011年年底投產,處理量: 1 070 t/d。爐料主要成分見表5。

表5 爐料主要成分

該項目的基夫賽特爐主要技術參數與上述某公司類似,但出鉛、出渣方式有所不同。

5 幾種直接煉鉛工藝的比較

幾種直接煉鉛法的共同特點是利用氧氣冶煉技術,強化熔煉過程,硫化鉛直接熔煉,生產率高、自動化水平高、設備少、流程短,特別是能產出高濃度SO2煙氣便于制酸,從根源上解決了SO2煙氣污染問題。

下面從原料的適應性、單位產品綜合能耗、主金屬回收率及裝置的使用壽命及開工率幾個方面,對幾種直接煉鉛方法進行比較。

表6 幾種煉鉛工藝綜合能耗指標

5.1 原料的適應性

生產實踐證明,基夫賽特法對原料的適應性最好,能搭配處理各種低品位的含鉛物料,特別是能搭配處理大量鋅廠浸出渣,如意大利 KSS廠和加拿大Trail廠。富氧頂吹浸沒熔煉法和 Kaldo法沒有搭配處理鋅浸出渣煉鉛的報導;QSL法不能處理浸出渣,加拿大科明科最初用QSL爐,由于加入部分浸出渣引起工藝過程混亂,這是該公司改用基夫賽特法原因之一,韓國溫山冶煉廠的鋅浸出渣用Ausmelt爐另外處理,不進QSL爐;水口山法也無處理大量鋅浸出渣的實踐;富氧側吹法未作過這方面的試驗。

5.2 單位產品綜合能耗

幾種煉鉛工藝綜合能耗指標見表6。

從表6可見,凡需采用鼓風爐還原熔煉的方法能耗均高,因為鼓風爐需要大量冶金塊焦,熔融熱態高鉛渣須冷卻鑄塊后再加入鼓風爐再重新加熱熔化;煙塵率也偏高,都在15%～20%左右,煙塵在流程中循環,也需消耗能源。基夫賽特法粗鉛綜合能耗低于我國鉛冶煉能耗標準中的限額準入值。

5.3 金屬回收率

幾種煉鉛方法的金屬回收率見表7。

表7 幾種煉鉛方法的金屬回收率 %

從表7可見,幾種方法金屬回收率都很好,其中基夫賽特法的最好。

5.4 裝置的使用壽命及開工率

基夫賽特裝置的爐壽可達3 a,一年的開工率大于95%。而Kaldo、QSL、富氧頂吹浸沒熔煉法、水口山等裝置壽命一般為3～9個月不等,一年開工率為60%～85%。因此,基夫賽特法煉鉛的運行成本相對較低。

綜合來說基夫賽特法是其中最佳方法,是一種高效、節能、環保的煉鉛工藝。

6 基夫賽特直接煉鉛的應用前景

濕法煉鋅不論是采用常規法,還是先進的直接浸出技術,都會產生大量的鋅浸出渣,常規法的鋅浸出渣采用威爾茲回轉窯處理,存在能耗高,低濃度SO2的污染等問題。生產實踐已證明,基夫賽特法在煉鉛的同時能搭配處理大量鋅浸出渣,從根源上解決了鉛鋅冶煉企業重要的環境污染問題,鋅冶煉廠不用建單獨的回轉窯來處理鋅浸出渣,且渣中的金、銀等進入粗鉛中得到回收。基夫賽特直接煉鉛工藝在我國成功實施,將提高我國鉛冶煉技術和裝備水平,對鉛鋅聯合企業的資源綜合利用和節能環保具有積極的示范意義,將具有良好的市場應用前景。

21世紀的環保要求更為嚴格,進行技術創新,節能降耗,降低生產成本,增加經濟效益,滿足環保要求等是企業所追求的目標。基夫賽特直接煉鉛工藝能滿足這一挑戰的要求,為鉛冶煉行業提供了一種環保、節能、運行成本較低、先進的、真正意義上的直接煉鉛方法。可以預見將來會有更多的鉛鋅聯合企業會采用基夫賽特直接煉鉛技術,在煉鉛的同時搭配處理掉其鋅系統產出的鋅浸出渣,打造鉛鋅聯合綠色的現代化冶金工廠。

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The Application Prospect of KIVCET Direct Lead Smelting

HE Ju-xiang
(Changsha Engineering and Research Institute Ltd.of Nonferrous Metallurgy,Changsha410011,China)

This paper introduces the reaction mechanism,hard core equipment,process characteristics and application examples of the KIVCET direct lead smelting technology.Through the comparison of several direct lead smelting process,consider KIVCET direct lead smelting process can meet the increasingly stringent environmental requirements,raw materials and strong practicability,especially in lead smelting and can match the processing of large amounts of zinc leaching residue,which is suitable for lead-zinc joint enterprise to choose a lead smelting process.

KIVCET;direct lead smelting;reaction mechanism;process characteristics;application prospect

TF812

A

1003-5540(2011)06-0020-04

賀菊香(1968-),女,高級工程師,主要從事有色金屬冶金工程咨詢和設計工作。

2011-11-02