鉛鋅冶金的用氧分析

仝一吉吉，董曉偉，包洪光

引言

我國是鉛鋅生產(chǎn)大國，2017年全國鉛鋅產(chǎn)量達(dá)1093.6萬t，約占世界鉛鋅總產(chǎn)量的44%，鉛、鋅產(chǎn)量已經(jīng)分別連續(xù)16年、26年位居世界第一。近10多年來，隨著一系列新工藝、新設(shè)備在國內(nèi)鉛鋅行業(yè)獲得應(yīng)用，我國鉛鋅冶金工業(yè)的技術(shù)及裝備水平取得大幅提升，其突出表現(xiàn)之一，就是鉛鋅冶金過程越來越多地用到工業(yè)純氧或富氧空氣。鉛鋅冶金正朝著短流程、強(qiáng)化冶金、清潔冶金的方向發(fā)展，氧氣的應(yīng)用發(fā)揮了重要作用。

1　氧氣在鉛鋅冶金中的作用

1.1　縮短冶金流程

鉛冶金基本采用火法冶金工藝。傳統(tǒng)鉛冶金多為“燒結(jié)——還原熔煉”工藝，流程較長。世界上各種先進(jìn)的直接煉鉛工藝如閃速煉鉛、氧氣底吹煉鉛、富氧側(cè)吹煉鉛、頂吹煉鉛等，無不與使用氧氣有關(guān)。通過氧氣強(qiáng)化熔煉，實(shí)現(xiàn)含硫物料的自熱氧化和熱態(tài)氧化渣直接還原，高濃度SO2煙氣通過二轉(zhuǎn)二吸制酸工藝生產(chǎn)硫酸[1]。氧氣技術(shù)的應(yīng)用，取消了燒結(jié)工序，縮短了冶金流程，降低了物料的機(jī)械損失，減少了有價(jià)金屬在生產(chǎn)流程中的周轉(zhuǎn)時間。

鋅冶金主要采用濕法冶金工藝。傳統(tǒng)的“焙燒——浸出”鋅冶金工藝要對硫化鋅精礦進(jìn)行焙燒脫硫，再將脫硫后的鋅焙砂進(jìn)行浸出。無論是鋅焙砂的常規(guī)浸出還是熱酸浸出，均需要較長的流程。而使用了氧氣的氧壓浸出工藝直接浸出硫化鋅精礦，取消了沸騰焙燒工序，使生產(chǎn)流程大為縮短[2]。氧壓浸出直接煉鋅工藝還可進(jìn)行氧壓釜內(nèi)除鐵，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)熱酸浸出工藝的浸出、除鐵兩個工序的功能。

1.2　節(jié)能環(huán)保

鉛的火法冶金過程由于使用工業(yè)純氧或富氧，冶金過程所需的鼓風(fēng)量大幅減少，進(jìn)而減少了煙氣量及煙氣帶走的熱量，而煙氣帶走熱一般占鉛火法冶金熱支出的30%～40%。熱收入主要來自鉛精礦中硫化物的反應(yīng)熱，通過熱平衡計(jì)算分析，在使用工業(yè)純氧或高濃度富氧的條件下，當(dāng)爐料中硫化物和單質(zhì)硫形態(tài)的總硫量達(dá)14%以上時，硫化鉛精礦的直接熔煉即可達(dá)到熱收入與熱支出平衡，實(shí)現(xiàn)自熱熔煉。

氧氣使鉛冶金的煙氣量減少，煙氣SO2濃度大幅提高，可采用更加環(huán)保的兩轉(zhuǎn)兩吸制酸工藝，提高了硫的回收率。而且，煙氣量的減少也使制酸尾氣量減少，尾氣SO2排放隨之減少。徹底解決了傳統(tǒng)“燒結(jié)——還原熔煉”鉛冶金脫硫煙氣制酸困難、低濃度SO2的環(huán)境污染問題。氧氣的使用還減少了氮氧化物在鉛火法冶金過程中的產(chǎn)生量，降低了煙氣處理系統(tǒng)的脫硝負(fù)擔(dān)。

氧壓浸出直接煉鋅工藝的環(huán)保效果更加顯著，由于取消了沸騰焙燒工序，鋅冶金過程不再有冶煉煙氣產(chǎn)生，也就徹底解決了冶煉煙氣的SO2的排放污染。

1.3　提高冶金強(qiáng)度

鉛冶金過程由于使用氧氣，熔煉熱強(qiáng)度提高，爐子的床能力大幅提高。閃速煉鉛反應(yīng)塔內(nèi)的氧化熔煉和造渣反應(yīng)在氣相中只需數(shù)秒完成，床能力可以達(dá)到60～70 t/(d·m2)。富氧側(cè)吹等熔池熔煉通過富氧氣流的強(qiáng)烈攪動，傳質(zhì)傳熱速度加快，反應(yīng)劇烈，富氧側(cè)吹爐床能力能達(dá)70～80 t/(d·m2)。閃速熔煉爐和富氧熔池熔煉爐的床能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)的燒結(jié)脫硫設(shè)備，設(shè)備和車間配置更加緊湊。

氧壓浸出煉鋅的浸出強(qiáng)度比傳統(tǒng)浸出的強(qiáng)度大幅提升，一段氧壓浸出時間僅為1 h～1.5 h，即可獲得98%的鋅浸出率，達(dá)到了熱酸浸出工藝經(jīng)過三段浸出也難以實(shí)現(xiàn)的效果。

1.4　提高原料適應(yīng)性，強(qiáng)化綜合回收效果

由于使用了氧氣，鉛冶金可以搭配更多低硫、低品位的含鉛雜料如鉛泥、鉛渣等，提高了生產(chǎn)系統(tǒng)的原料適應(yīng)性。而且，氧氣的加入使火法冶金過程更容易實(shí)現(xiàn)對渣型的控制，意味著冶金過程可以適應(yīng)更廣范圍的原料成分波動以及更少的熔劑添加量。

氧壓浸出煉鋅工藝對原料的適應(yīng)性非常強(qiáng)，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的“焙燒——浸出”工藝。而且，由于氧壓浸出工藝的高浸出率，其對原料中的銀、鉛、銅、銦等伴生有價(jià)金屬的綜合回收效果非常好。

2　鉛冶金用氧

2.1　采用氧氣強(qiáng)化冶金的鉛冶金工藝

（1）富氧側(cè)吹煉鉛

富氧側(cè)吹煉鉛是一種富氧強(qiáng)化熔池熔煉工藝。主體設(shè)備富氧側(cè)吹爐由爐缸、爐身、爐頂及直升煙道組成。一般在爐身的熔池區(qū)爐體兩側(cè)第一層銅水套上開設(shè)風(fēng)口，安裝氧氣噴嘴。富氧側(cè)吹法煉鉛工藝具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、物料制備簡單、生產(chǎn)效率高、以煤代焦、設(shè)備密閉性好、操作環(huán)境好、煙氣量小、熔鉛分離徹底等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)加料、連續(xù)排渣[3]。富氧側(cè)吹煉鉛包括氧化熔煉和還原熔煉兩個過程，目前國內(nèi)已有10多家煉鉛企業(yè)采用富氧側(cè)吹進(jìn)行還原熔煉，還原爐渣含鉛可以降至2%以下。南方有色等企業(yè)采用富氧側(cè)吹技術(shù)進(jìn)行氧化熔煉的項(xiàng)目也已投產(chǎn)，運(yùn)行效果良好。

（2）氧氣底吹煉鉛

氧氣底吹煉鉛的工藝過程為：原料加入圓形臥式反應(yīng)器內(nèi)，從反應(yīng)器底部吹入氧氣進(jìn)行強(qiáng)化熔煉。氧氣底吹煉鉛生產(chǎn)工藝的最大特點(diǎn)是采用氧氣強(qiáng)化熔煉技術(shù)、簡化備料工序、縮短工藝流程[4]。與富氧側(cè)吹不同的是，國內(nèi)多將氧氣底吹工藝用于氧化熔煉，個別企業(yè)在氧化熔煉、還原熔煉中均采用氧氣底吹工藝。

（3）富氧頂吹煉鉛

富氧頂吹煉鉛工藝過程為：通過頂吹浸沒噴槍向熔池渣層噴入富氧空氣、燃料，調(diào)節(jié)富氧空氣和燃料的用量并攪拌熔池，分別發(fā)生熔化、氧化、還原、造渣過程。其特點(diǎn)為：可在1臺爐中分階段實(shí)現(xiàn)氧化熔煉、還原熔煉、渣煙化，也可在2臺爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)氧化、還原熔煉；對爐料制備系統(tǒng)要求不嚴(yán)，可處理鉛精礦、含鉛物料、煙塵[5]。

（4）閃速煉鉛

閃速煉鉛是在一臺閃速煉鉛爐內(nèi)完成鉛精礦焙燒、還原、鋅揮發(fā)過程。其優(yōu)點(diǎn)主要是：過程連續(xù)穩(wěn)定，設(shè)備壽命長，煙氣SO2含量高；煙塵率僅5%，金屬和硫回收率達(dá)98%、95%，余熱利用率高，能處理低鉛高鋅物料，可搭配處理鋅系統(tǒng)浸出渣，可用于鉛鋅聯(lián)合企業(yè)[6]。國內(nèi)已有兩條基夫賽特（kivcet）閃速煉鉛生產(chǎn)線投產(chǎn)，生產(chǎn)狀況良好。

2.2　鉛冶金工藝的用氧情況

氧氣的應(yīng)用情況在不同的鉛冶金工藝中有所不同，氧氣濃度、氧氣量、氧氣壓力與工藝操作條件息息相關(guān)。富氧側(cè)吹、氧氣底吹可使用高濃度富氧，而且富氧側(cè)吹的氧氣濃度調(diào)節(jié)范圍很大。富氧頂吹由于而且熔池高度高，熔體對氣流的阻力大，所以需要鼓入的富氧空氣具有更大的攪動能量，因此需要更大的鼓氣量、更低的氧濃。閃速熔煉的氧化反應(yīng)是在氣相中進(jìn)行的，還原反應(yīng)是靜止的碳熱反應(yīng)和電熱反應(yīng)，反應(yīng)過程不需要?dú)怏w的攪動能，所以閃速煉鉛采用氧氣濃度95%以上的工業(yè)純氧。

以10萬t/a鉛冶金規(guī)模為例，不同鉛冶金工藝的用氧情況詳見表1。

表1　不同鉛冶金工藝的用氧情況

3　鋅冶金用氧

3.1　采用氧氣強(qiáng)化冶金的鋅冶金工藝

（1）硫化鋅精礦氧壓浸出工藝

硫化鋅鋅礦氧壓浸出工藝是一種直接浸出煉鋅工藝，在直接浸出過程中，通過控制浸出過程的溫度、酸度、氧壓等操作條件，精礦中以硫化物形態(tài)存在的鋅在酸和氧的作用下，轉(zhuǎn)化為硫酸鋅，進(jìn)入溶液，浸出過程產(chǎn)出的硫酸鋅溶液凈化后進(jìn)行電積得到金屬鋅；精礦中的硫在浸出過程中被氧化成單質(zhì)硫進(jìn)入渣中，可進(jìn)一步生產(chǎn)硫磺。氧壓浸出工藝的原料適應(yīng)性廣，無SO2煙氣產(chǎn)生，綜合回收效果好。

（2）硫化鋅精礦常壓氧浸工藝

常壓氧浸的基本反應(yīng)過程也是基于把氧氣作為強(qiáng)氧化劑的機(jī)理，只是浸出設(shè)備為常壓，浸出壓力低，浸出時間長達(dá)24 h[7]。常壓浸出渣中的硫也為單質(zhì)硫，但沒有生產(chǎn)硫磺產(chǎn)品的工業(yè)實(shí)踐。

（3）熱酸浸出——赤鐵礦除鐵工藝

“熱酸浸出——赤鐵礦除鐵工藝”屬于一種“焙燒——浸出”工藝。在高溫（200℃）、高壓（1.8～2.0 MPa）的操作條件，通入氧氣，使溶液中的Fe2+氧化成Fe3+并以赤鐵礦（Fe2O3）形式沉淀，達(dá)到除鐵目的。赤鐵礦渣含鐵可達(dá)54%以上，渣量少，可實(shí)現(xiàn)鐵渣資源化。

（4）熱酸浸出——針鐵礦除鐵工藝

“熱酸浸出——針鐵礦除鐵工藝”也屬于“焙燒——浸出”工藝。在常壓下，當(dāng)溶液pH為3～5時，保證溶液中一定量的Fe3+(＜1 g/L)，用氧氣或空氣緩慢將Fe2+氧化成Fe3+，鐵以針鐵礦（FeOOH）形式沉淀。其優(yōu)勢是在Fe2+氧化沉鐵之前，可采用置換法、中和法富集銦等稀有金屬，有利于綜合回收。

3.2　鋅冶金工藝的用氧情況

氧壓浸出需要高純濃度的氧氣，氧含量一般要求大于98%，生產(chǎn)中一般采用可獲得高純度工業(yè)氧氣的深冷法制氧工藝進(jìn)行供氧[8]。常壓氧浸需要氧氣濃度90%以上，由于在常壓容器中進(jìn)行浸出，氧氣的利用率低，總需氧量比氧壓浸出多。氧氣在赤鐵礦除鐵及針鐵礦除鐵工藝中的作用是為了將溶液的Fe2+氧化成Fe3+，用氧量較小。

以10萬t/a鋅冶金規(guī)模為例，不同鋅冶金工藝的用氧情況詳見表2。

表2　不同鋅冶金工藝的用氧情況

4　結(jié)語

（1）近10多年來，氧氣的應(yīng)用在國內(nèi)鉛鋅冶金中發(fā)展迅速，徹底改變了傳統(tǒng)鉛鋅冶金方式。由于氧氣冶金的各種優(yōu)勢，氧氣技術(shù)在鉛鋅冶金行業(yè)的推廣前景十分廣闊。

（2）不同的鉛鋅冶金工藝有不同的用氧特點(diǎn)，鉛鋅聯(lián)合冶金的用氧情況更加復(fù)雜。制氧裝置應(yīng)針對冶金工藝的用氧特點(diǎn)進(jìn)行選擇，有時需要將不同類型的制氧裝置進(jìn)行優(yōu)化組合。

（3）與鋼鐵冶金相比，氧氣技術(shù)在國內(nèi)鉛鋅行業(yè)的應(yīng)用時間較短，氧氣用量也較小。但基于我國鉛鋅產(chǎn)量占全世界產(chǎn)量將近一半的巨大生產(chǎn)規(guī)模，以及越來越嚴(yán)格的節(jié)能環(huán)保要求，氧氣在鉛鋅冶金行業(yè)轉(zhuǎn)型升級中的作用值得關(guān)注。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張樂如.現(xiàn)代鉛冶金[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2013：28-30．

[2]仝一吉吉.鋅氧壓浸出工藝的應(yīng)用及推廣[J].礦冶，2011，20(04)：94-97.

[3]劉軍，劉燕庭.富氧側(cè)吹直接煉鉛工藝研究與應(yīng)用[J].中國有色冶金，2013，42(01)：34-36，39.

[4]姚建明，李東波.氧氣底吹工藝處理復(fù)雜鉛物料的生產(chǎn)實(shí)踐[J].中國有色冶金，2015，44(02)：30-33.

[5]顧鶴林，宋興誠，蘭旭，皇甫智偉.頂吹爐一爐三段一步煉鉛工藝技術(shù)及生產(chǎn)實(shí)踐[J].中國有色冶金，2013，42(01)：37-39.

[6]賀菊香.基夫賽特直接煉鉛技術(shù)的應(yīng)用前景[J].湖南有色金屬，2011，27(06)：20-23+67.

[7]李若貴.常壓富氧直接浸出煉鋅[J].中國有色冶金，2009(03)：12-15，21.

[8]劉漢釗，王華金，楊書春.變壓吸附制氧法與深冷法的比較[J].冶金動力，2003(02)：26-29.