卡爾多爐煉鉛工藝的思考

董曉偉，何醒民

(長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南長沙 410011)

1 引言

我國為世界鉛生產大國，2012年鉛產量464.6萬t，目前鉛冶煉行業面臨的突出問題是:生產成本不斷提高;產能過剩壓力凸顯;重金屬污染治理形勢空前嚴峻。面對資源、環境和成本的三大挑戰，21世紀以來，我國鉛冶煉技術及裝備水平得到快速發展，各種煉鉛工藝在我國都有應用，如SKS法、艾薩-鼓風爐法、Kaldo法、富氧底吹(或側吹)-熱態渣直接還原法、Ausmelt三段法、kivcet法等，以上煉鉛工藝極大地提高了我國鉛冶煉技術裝備水平，創造了適合我國國情的高效節能環保低碳的鉛冶煉新技術。我國在引進消化吸收國外卡爾多爐煉鉛工藝生產中雖然出現了一些問題，但工廠整體狀況良好，能滿足生產要求，特別是在瑞典隆斯卡爾廠有同樣一臺卡爾多爐一直在煉鉛、煉銅及處理廢雜鉛、銅及軍工廢料，因此，對卡爾多爐煉鉛工藝進行全面思考，采用優化措施，完全能解決卡爾多爐煉鉛生產中的問題，卡爾多工藝是成熟可行的。

2 Kaldo法在國外的生產應用

瑞典波立登(Boliden)公司利用氧氣頂吹轉爐熔煉技術，開發了卡爾多(Kaldo)熔煉法用于有色金屬冶煉，可處理銅精礦、廢雜銅、廢鉛蓄電池、鉛精礦、鉛塵及陽極泥等物料，目前世界上有意大利、伊朗、波蘭、哈薩克斯坦、墨西哥、俄羅斯、美國、印度等國的多家冶煉廠采用不同規格的卡爾多爐處理不同物料。瑞典隆斯卡爾廠的卡爾多爐一直在煉鉛、煉銅及處理廢雜鉛、銅及軍工廢料，該廠的煙氣處理系統較為復雜，其特點是煙氣種類多，部分煙氣不連續。連續煙氣來自銅精礦沸騰爐、煉銅電爐，不連續煙氣來自銅轉爐及卡爾多爐，以上煙氣均進入混合塔，經凈化處理后，大約33%的煙氣進入SO2部分冷凝系統生產液體SO2，67%的煙氣進入制酸系統生產硫酸。SO2部分冷凝技術是一種常規的SO2濃縮技術，國外黃鐵礦沸騰焙燒制酸廠，廣泛抽取部分煙氣采用該技術來獲得合格的液體SO2產品，其余煙氣送制酸［1］。

3 Kaldo法在國內的生產應用

目前國內已引進了三套卡爾多爐裝置，一套用于鉛精礦冶煉，一套用于處理廢雜銅，另一套用于銅陽極泥處理，以下為卡爾多爐冶煉鉛精礦的生產應用情況。

3.1 工程概況

工程設計粗鉛5萬t/a、硫酸4.5萬t/a，從瑞典波立登公司引進卡爾多爐煉鉛及SO2部分冷凝技術，外方完成引進部分的基本設計并提供關鍵設備，如:卡爾多爐熔煉及SO2部分冷凝系統的全部自動化檢測控制儀表、精礦加料器、噴槍、卡爾多爐部件、可調文丘里、制冷壓縮機等，引進部分的主體設備由外方提供詳細設計國內制造，如卡爾多爐、箕斗提升機、水冷煙道、抬包車、SO2預冷器、SO2冷凝器、產品熱交換器、制冷劑冷凝器等，國內負責轉化及配套設施設計，引進部分工程的進口設備及部件占比例約為15%，其余85%設備及部件為國內制造，整個工程增加投資約為同等規模SKS法的3～5%，設備配置及裝備水平提高很多，主要增加投資內容為外方的技術訣竅費、進口設備及部件費用。

工程主要由以下部分組成:原料制備、卡爾多爐熔煉、煙氣凈化及SO2部分冷凝、制酸、氧氣站、循環水系統、變電站。

3.2 生產過程描述

原料制備主要由一、二段干燥窯組成，一段干燥窯主要干燥煙塵濾餅，當精礦水份＜10%時，直接進二段干燥，干燥后水份要求＜0.5%。

卡爾多爐冶煉硫化鉛精礦分為閃速熔煉和還原二個步驟，干燥好的精礦通過精礦加料器由噴槍噴入卡爾多爐內進行自熱閃速熔煉，返料、熔劑及焦碳由箕斗提升機加入爐中，卡爾多爐分別以加料、熔煉、倒渣出鉛三個位置工作，煙氣通過水冷煙道進入可調文丘里濕式降溫除塵，收集的煙塵泥漿送濃密機經壓濾機得煙塵濾餅返干燥。粗鉛注入抬包車中鉛包冷卻鑄錠，渣包用吊車傾倒造水碎渣。

卡爾多爐為間斷作業，煙氣中SO2濃度波動很大，在0～16%之間變化，氧化階段煙氣SO2高約16%，在還原階段或者出渣出鉛階段SO2濃度很低，甚至為零，用SO2部分冷凝系統就是把濃度變化的SO2煙氣變成濃度相對穩定的SO2煙氣，以供制酸使用，為此，設定一個SO2濃度值，當煙氣中SO2濃度值高于設定值時，多余的SO2則被冷凝下來，當煙氣中SO2濃度低于設定值時，液體SO2儲罐就自動釋放SO2補充到干燥塔內，使進入轉化工序的煙氣SO2濃度達到要求值［2］。

降溫除塵后的煙氣進入冷卻塔、電除霧及干燥塔進行凈化，深度除酸霧及水份凈化后的煙氣進入SO2預冷器換熱，然后進入 SO2冷凝器產出液體SO2，制冷劑采用R410A，經SO2冷凝器氣化的制冷劑經壓縮機壓縮后進入產品熱交換器，然后進入制冷劑冷凝器冷卻成液體R410A循環使用。凈化后的煙氣采用二轉二吸制酸。

3.3 生產指標

中方、外方專家在生產期間，對卡爾多爐煉鉛及SO2部分冷凝系統進行了一周時間的性能測試，測試結果滿足合同給定的關于產量、質量及環境要求的所有性能保證，數據見表1。

表1 卡爾多爐煉鉛及SO2部分冷凝系統生產性能測試

3.4 工藝技術特點

(1)對原料的適應性強，卡爾多爐不但可以處理不同品位的鉛精礦，而且可以在不改變任何設備的條件下，改煉廢雜銅等其它物料。

(2)工藝過程簡單，加料、氧化、還原和排渣放鉛均在一個空間內完成，屬一步煉鉛工藝。

(3)設備簡單，卡爾多爐結構緊湊，密封性好，可滿足嚴格的環保要求，排出的煙氣經處理后可制酸。

(4)SO2部分冷凝系統采用深冷法，其原理是利用制冷劑換熱，將煙氣溫度冷卻到SO2露點溫度以下，使氧化段煙氣中多余的SO2冷凝為液體SO2，在還原段再將液體SO2返回制酸煙氣。壓縮機用于壓縮氣化的制冷劑后再冷凝成液體制冷劑循環使用，由于還原段煙氣SO2濃度很低，此時壓縮機為空載運行，整個過程僅壓縮機消耗一些電能。

(5)投資省，經濟效益好，規模可大可小，易于操作。

4 卡爾多爐煉鉛的問題

4.1 設備故障

引進設備性能良好，如:精礦加料器、可調文丘里、制冷壓縮機、全套自動化檢測控制儀表等，生產實踐證明這些引進設備能滿足生產要求，但同時也存在精礦加料器給料速度不穩定，計量系統有待完善，SO2濃度分析儀不準確等問題。卡爾多工廠的原料制備、煙氣凈化及SO2部分冷凝、制酸、氧氣站等，設備故障率較低，主要設備故障還是集中在卡爾多爐熔煉［3］。

(1)噴槍及噴頭

外方提供的噴槍及噴頭為易損件，生產中發生噴槍漏水及噴頭燒損，現已國產化，性價比已超過國外產品。

(2)卡爾多爐部件

外方提供的卡爾多爐部件，如:萬向軸、回轉輪、止推輪、回轉減速機、彈性元件等，現已國產化。

(3)水冷煙道

由于受熔渣沖刷腐蝕作用，使得煙道耐火層脫落，重新澆注耐火材料。

(4)爐體耐火磚

國產耐火磚使用壽命均較短，采用大連生產的奧美磚使用壽命長，生產數據:爐口磚160爐，渣線磚260爐，爐身磚350爐，爐底磚525爐，完全能滿足生產要求。

(5)文丘里風機

文丘里風機為國產設備，其工作條件惡劣，煙氣中含塵及水分高，介質有稀酸腐蝕作用，風機總體運行效果是可行的，但風量達不到設計值，為維持生產，只能調大可調文丘里喉管開度，導致煙氣凈化效果差。

(6)SO2冷凝器

SO2冷凝器被鉛塵污染堵塞，分析原因是文丘里風機能力不夠，可調文丘里喉管開度加大，造成煙氣凈化效果差，未凈化的鉛塵帶入了SO2部分冷凝系統。

(7)自動檢測控制系統

引進部分的自動化檢測控制程度高，點多面廣，程序復雜，雖然整個系統硬件及軟件運行正常，但隨著時間的推移，自動化檢測控制系統需要加強日常維護。

4.2 工藝問題

(1)作業率低

由于卡爾多爐熔煉設備故障及操作原因，致使生產能力達不到設計值，但工廠的水、電、氣消耗，設備維護，財務費用均要發生，而造成生產成本高，因此提高卡爾多爐設備運轉率將是降低生產成本的重要因素，先達產才能達標，而國內另外兩套分別用于處理廢雜銅及銅陽極泥的卡爾多爐都在正常運行，企業間有相互交流學習的平臺，這對完善國內卡爾多爐技術及設備具有積極作用。

(2)中間物料多

中間物料主要由三部分組成:煙塵濾餅是在氧化階段從水冷煙道隨煙氣一起帶到可調文丘里洗滌，沉降及過濾后得到的煙塵，煙塵率11～15%;煙道渣是在氧化階段從水冷煙道流出的高溫氧化鉛熔體，流出率8%;富鉛渣是凝固粘結在鉛包壁上的渣，粘結率5%。

對于中間物料多的原因，外方認為一是原料含銅高，建議含銅高物料應單獨集中處理;二是文丘里風機能力不夠，影響工藝操作條件控制。建議更換或改造文丘里風機。

(3)液體SO2冷凝能力不夠

由于液體SO2冷凝能力不夠，在氧化階段煙氣中SO2濃度偏高，而在還原階段向煙氣補充的液體SO2量偏小，造成煙氣中SO2濃度不穩定。

5 卡爾多爐煉鉛的優化措施建議

5.1 提高作業率

加強人員培訓，提高操作水平及設備維護能力，提高作業率大于90%，使卡爾多工廠正常運行。

5.2 卡爾多爐處理低品位雜礦

利用卡爾多爐能處理其它冶煉方法不能處理的低品位雜礦特點，雖然降低了鉛產量，但考慮原料價格以及低品位雜礦富集的有價金屬，具有綜合經濟效益的優勢。

5.3 增加煙化爐處理卡爾多爐渣

卡爾多爐產出的中間物料產率在20～25%，與富氧底吹-熱態渣直接還原法的氧化段和還原段產出的煙塵率相當(20～25%)，除Kaldo法及Ausmelt三段法外，其它煉鉛工藝方法的渣處理都采用煙化爐(或Ausmelt爐)，煙化爐還原揮發可以降低渣含鉛，同時將鋅還原揮發到煙塵中回收，更重要的是可以減小煉鉛還原段的壓力，煙化爐可對較高含鉛的渣作進一步還原處理，大大減少中間物料，因此，增加一臺煙化爐處理卡爾多爐渣是必要的。

5.4 卡爾多爐搭配處理鋅氧浸渣及中浸渣

回轉窯處理中浸渣存在能耗大，大氣量低濃度SO2煙氣需處理的問題，其生產成本已占鋅生產成本的40%以上，采用卡爾多爐搭配處理鋅氧浸渣及中浸渣，利用鋅氧浸渣中硫代煤或焦，可節省能源40%以上，因為只有氧化階段，沒有還原階段，不需SO2部分冷凝系統，煙氣可連續制酸，熱渣采用煙化爐還原揮發鋅進煙塵回收。

6 幾種煉鉛工藝的比較

幾種煉鉛工藝的比較見表2。

表2 不同煉鉛工藝結果詳情

從表2可知，幾種煉鉛工藝的總鉛回收率及總硫回收率相差不大，但SKS法總硫回收率偏低，主要原因是鑄渣機冷卻及鼓風爐還原熔煉外逸部分SO2煙氣。SKS法綜合能耗高主要是冷料進鼓風爐造成焦率高的原因，而Ausmelt三段法與Kaldo法，由于煙氣SO2濃度不穩定，分別采用有機胺吸收-解析及SO2部分冷凝系統送制酸，制酸要多消耗一些蒸汽或電能，造成綜合能耗偏高，但這二種煉鉛工藝的氧化、還原或煙化都在一個爐子完成，操作簡便，而富氧底吹-熱態渣直接還原的氧化、還原、煙化在三個爐子中完成，任何一個爐子出故障都得影響其它爐子生產，操作復雜，而韓國QSL爐的氧化還原都在一個爐子中完成，富氧底吹-熱態渣直接還原法又會回到QSL法。

7 結語

國內引進的卡爾多爐煉鉛工藝基本上是瑞典隆斯卡爾廠卡爾多爐的翻版，國外工廠已有多年生產實踐經驗，技術設備先進、成熟可靠，完全可以解決國內卡爾多爐煉鉛生產中的問題，卡爾多工藝是成熟可行的，為一種節能環保的清潔生產工藝。

［1］舒見義.卡爾多爐煉鉛工藝在國外的生產應用［J］.工程設計與研究，2006，(121):14-16.

［2］舒春桃.SO2部分冷凝系統的設計［J］.工程設計與研究，2006，(121):27-30.

［3］劉軍，盛玉永.卡爾多爐煉鉛設備運行及整改實踐［J］.工程設計與研究，2007，(122):23-25.

［4］王建銘.氧氣底吹熔煉-鼓風爐還原煉鉛的新進展［M］.中國首屆熔池熔煉技術及裝備專題研討會，2007，4.

［5］山東恒邦冶煉股份有限公司·恒邦“雙底吹”煉鉛法工藝優勢［M］.全國第十二屆鉛鋅冶金學術年會，長沙:2013，5.

［6］宋興誠.“一爐三段”直接煉鉛工藝技術開發及產業化應用［J］.全國第十二屆鉛鋅冶金學術年會，長沙:2013，5.

［7］張樂如.現代鉛冶金［M］.中南大學出版社，2013，130-161.