再生鉛反射爐熔煉過程重金屬排放規(guī)律及影響因素分析

文/ 沈陽環(huán)境科學研究院 張正潔 中國環(huán)境科學學會 朱忠軍

鉛污染問題已引起國內的極大關注，其污染控制技術及管理已經(jīng)擺在重要的位置。我國再生鉛行業(yè)是由個體企業(yè)、民營企業(yè)逐步發(fā)展起來的，目前個體企業(yè)、民營企業(yè)依然占有 80 %～90 % 的比重，而且80 %以上的再生鉛企業(yè)采用反射爐進行熔煉。早先個體企業(yè)、民營企業(yè)處于原始基本積累階段，技術力量、資金能力均有限，創(chuàng)新動力不足，對于鉛再生過程中污染過程及排放規(guī)律的研究鮮有涉及；而國內各大科研院所也很少去深入探討再生鉛過程中重金屬排放規(guī)律。其實，再生鉛冶煉與原生鉛冶煉有很大區(qū)別，一是原料不同；二是冶煉機理及過程不同；三是冶煉爐窯不同；四是污染控制技術及裝備有不同之處；五是單位能耗物耗差別更大；六是產品質量略有不同。因而，對再生鉛反射爐熔煉過程重金屬排放規(guī)律及影響因素開展研究確有必要。找出再生鉛反射爐冶煉過程重金屬排放特征，并對其影響因素進行分析，促使再生鉛企業(yè)從根本上認識鉛等重金屬污染及遷移規(guī)律，規(guī)范其生產行為，減少污染排放，從而有利于鉛再生過程中的環(huán)境保護行為，減少鉛等重金屬對人體健康和環(huán)境的危害。

一、反射爐熔煉過程鉛等重金屬排放規(guī)律研究

針對反射爐熔煉過程，找出傳統(tǒng)反射爐熔煉過程中鉛等重金屬的排放規(guī)律及其影響鉛等重金屬排放的因素，有利于加強對污染的有效控制，減少鉛等重金屬的排放。

1.生產操作及采樣

按以下過程進行生產操作及采樣：（1）首先按一定配比要求稱量主料和輔料，并計錄；（2）配料：把上述稱量的物料按分層堆放法混合均勻；（3）反射爐反應熔煉開始，標記初始熔煉時間，并分別給入氧氣(計錄氧氣初始數(shù))，天然氣(計錄天然氣初始數(shù))；（4）在布袋除塵器的入口及出口，煙囪的排放出口測定煙氣的流速、流量、粉塵的濃度及煙塵的成分，每爐測量至少3 個數(shù)據(jù)(熔煉開始時、熔煉穩(wěn)定時，靜爐后20min)。（5）觀察熔煉情況，待熔煉完畢后，標記熔煉時間，并停止給入氧氣(計錄氧氣的末數(shù))，天然氣(計錄天然氣的末數(shù))，靜爐一段時間(30～50min)。待金屬層與渣層分離完全后，準備扒渣；（6）扒渣：用扒渣機進行扒渣，使冶煉渣進入渣包，分別在初始、中間，終了階段，對冶煉渣進行取樣，化驗冶煉渣成分，待冶煉徹底冷卻后稱重，并計錄其重量。（7）出鉛：待扒渣完畢后，在出鉛口放出粗鉛，粗鉛進入鉛包，在出鉛過程中，分別在初始時間、中間時間、終了時間取樣，鑄成樣品錠，并標記送化驗分析，待鉛包鑄成粗鉛錠，并冷卻完全后稱重；（8）在熔煉過程中，測量熔煉車間煙氣的濃度及煙塵的成分；（9）研究熔煉過程鉛等重金屬分布及富集情況；（10）依次類推，按3～4 批次做鉛等重金屬分布及富集情況；對幾批次的實驗結果進行分析并探討，找出鉛、砷、鎘等重金屬的分布規(guī)律。

2.化驗及測試數(shù)據(jù)分析

分別針對冶煉渣成分、粗鉛成分進行測試，對布袋除塵器入口處煙氣、煙囪排空煙氣、車間無組織排放引起的煙氣進行采樣分析；根據(jù)上述生產操作及采樣分析、數(shù)據(jù)經(jīng)過整理后，得到反射爐冶煉過程中鉛等金屬的分布情況：鉛在粗鉛中的分布為95%～96.2%，在爐渣中分布為1.7%～2.2%，在煙塵中分布為2.0 %～3.0 %；而砷在粗鉛中的分布為79%～82%，在爐渣中分布為15.1%～17%，在煙塵中分布為1%～4.4%；鎘在粗鉛中的分布為1.5%～11.8%，在爐渣中分布為 7.3 %～11%，在煙塵中分布為 79 %～90.9 %；銻在粗鉛中的分布為 84.9%～96%，在爐渣中分布為3.0%～11.1 %，在煙塵中分布為1.0 %～4.1 %。以上結果表明，鉛有5%左右損失于爐渣與煙塵中；砷有20% 損失于爐渣與煙塵中；而鎘只有10 % 左右進入粗鉛，剩余90 % 的鎘進入煙塵與爐渣，其中大部分進入煙塵；銻大部分進入粗鉛內，只有5 %～15 % 損失在爐渣內。

二、反射爐熔煉鉛等排放影響因素分析

脫硫鉛膏熔煉過程主要是還原熔煉過程，而影響還原的主要影響因素是脫硫率、物料配比、熔煉溫度等。脫硫膏熔煉具有如下優(yōu)點：膏體熔煉溫度較低，可節(jié)省燃料；由于膏體含硫量低、熔煉率高，二氧化硫排放量較低；脫硫鉛膏熔煉渣僅為含硫鉛膏熔煉渣的 25%。脫硫率高，熔煉溫度較低，鉛等重金屬隨蒸氣揮發(fā)就少，在正常工況條件下，相應鉛等易揮發(fā)重金屬的排放量就小，反之，排放量就大。

一般物料配比是按鉛、鐵屑、Na2CO3和白煤的質量比為100:4:2:3，若鐵屑加入量過多，熔煉溫度高，相應鉛等易揮發(fā)重金屬排放得就多，若鐵屑加入不足，將導致渣型不合理，渣排放不易。若Na2CO3加入量過多，將會對爐床造成浸蝕，進而減少爐子的使用壽命，同時也會造成資源的浪費；若Na2CO3加入量過少，熔體流動性差，金屬與渣體不易分離，易造成渣含鉛量高；若鉛物料中配入過多的鉛塵，在熔煉過程中造成熔煉條件惡化，煙塵量大，自然鉛等重金屬排放量增加。

再生鉛企業(yè)反射爐熔煉一般控制熔煉溫度條件為：每爐 15 t 物料；每爐生產時間為 3.0～4.0 h；每爐產鉛量8.5～10.0 t；每爐需要加 900 kg 焦炭、450～750 kg 蘇打、1500 kg 廢鐵屑；鉛膏脫硫率為95%。合理熔煉溫度對于還原熔煉過程來說，很重要；而熔煉溫度與其他熔煉條件也存在連帶關系。若熔煉溫度低，鉛等易揮發(fā)重金屬排放就少，相反，熔煉溫度高，鉛等易揮發(fā)重金屬排放就多。

1.脫硫效果對鉛等重金屬排放影響分析

鉛膏脫硫率對熔煉溫度、渣率、重金屬排放等有重要影響，具體影響如何，還缺少理論依據(jù)，因此，在其他條件不變的熔煉條件下，控制不同的脫硫物料，進行單因素實驗，考察脫硫效果對鉛等重金屬排放的影響。現(xiàn)設計單因素實驗條件見表1。

在熔煉溫度1200 ℃～1300 ℃，鉛物料、鐵屑、Na2CO3和白煤物料配比為 100:6:2:3，不同脫硫條件下鉛膏熔煉過程鉛等重金屬分布情況見表2。

表1 脫硫率對鉛等重金屬排放單因素實驗方案

表2 不同脫硫條件下鉛膏熔煉過程鉛等重金屬分布情況一覽表

由表2 中鉛為例可知，脫硫率由0 至80 %，鉛金屬回收率由72.8 % 提高到 85.6 %，其冶煉渣占物料總量百分比由45 % 降到23 %；脫硫率由85 % 增至95 %，鉛金屬回收率由 90.4 % 提高到95.6 %，其冶煉渣占物料總量百分比由15 % 降到10 %，由此可見，脫硫率對熔煉影響很大。

2.不同因素對鉛、砷、鎘及銻排放影響大小順序研究

熔煉條件是決定鉛等易揮發(fā)金屬排放的重要因素，同時也決定了渣鉛排放水平，因此采用不同的熔煉條件，重金屬排放就會不同。熔煉的條件主要有脫硫率、熔煉溫度、物料配比、渣型、操作制度、熱源等。據(jù)文獻資料分析，其中脫硫率、熔煉溫度、物料配比對重金屬排放影響很大。因此，選擇脫硫率、熔煉溫度、物料配比進行單因素實驗，探討這些因素對鉛、砷、鎘及銻排放影響的大小。具體以反射爐熔煉單因素為例的設計方案見表3，物料配比為鉛物料、鐵屑、Na2CO3和白煤的質量比。由此方案得到不同熔煉條件下鉛等重金屬分布，情況見表4。

由表4 可知，反射爐熔煉影響鉛、銻排放的因素大小順序為：脫硫率＞物料配比＞熔煉溫度；影響砷、鎘排放的因素優(yōu)先順序為熔煉溫度＞物料配比＞脫硫率。

三、結論

通過對某再生鉛廠反射爐熔煉過程進行分析測試，尋找出反射爐熔煉過程中鉛、砷、銻、鎘等重金屬排放規(guī)律；并通過控制不同工況或反應條件，對影響鉛等重金屬排放的因素進行了系統(tǒng)分析，初步摸索出影響排放的優(yōu)先順序，其中影響鉛、銻排放的因素優(yōu)先順序為脫硫率＞物料配比＞熔煉溫度；而影響砷、鎘排放的因素大小順序為熔煉溫度＞物料配比＞脫硫率，這為今后如何有效地控制重金屬減排提供了基礎依據(jù)。

表3 反射爐熔煉單因素實驗的因素和水平表

表4 反射爐熔煉過程鉛等重金屬分布情況一覽表