一 概述

世界上第一座工业炼锌鼓风炉, 于1950年在英国成功投产后表明, 鼓风炉炼锌对原料适应性广, 可同时生产铅锌两种金属, 可用简单方法回收原料中之银。由于鼓风炉具有一系列当时湿法冶炼望尘莫及的优点, 引起了冶金投资者的兴趣。六十年代是鼓风炉发展黄金时代, 全世界有12个国家(公司), 购买专利, 11个厂先后投产。随科技进步逐渐证明鼓风炉炼锌并非完美无瑕, 尤其是湿法炼锌工艺日趋完善, 世界各国环境法规要求日益严格, 鼓风炉炼锌严重的环境问题、金属收率低、劳动条件差、难于实现自动化以及工艺本身固有缺陷, 使之确实无法与湿法冶金竞争, 锌铅分选技术不断提高, 不需生产铅锌混合矿的情况下, 采用鼓风炉炼铅锌是不合理的。目前全世界在运转的炼锌鼓风炉13座, 年产锌占全世界总产量的12%, 次于湿法名列第二。炼锌鼓风炉规格见表 1。

二 鼓风炉炼锌工艺

鼓风炉炼锌简称ISP, 是英国帝国公司50年代研制成功的专利。见图 1。

硫化铅锌精矿与返粉、石灰或石灰石混合制粒后送烧结机鼓风焙烧, 所产生的二氧化硫净化, 脱汞再送硫酸厂制酸, 烧结块经破碎筛分, 部分合格块送保温仓备用, 大部分作返粉, 破碎后返回烧结配料。经予热过的焦炭和热烧结块以及热风送入炉中熔炼, 烧结块中的氧化锌绝大部分被还原, 形成蒸气随炉气进入冷凝器, 经铅雨冷凝, 锌蒸气即溶入铅液, 冷却分离后得粗锌, 铅液重返冷凝器, 脱除锌蒸气的炉气含CO₁₈-22%、CO₂8-12%, 洗涤净化送用户使用, 其发热值500~650大卡/立方米；烧结块中的氧化铅熔炼时还原成金属铅, 绝大部分与脉石形成的炉渣一起进入炉缸, 部分铅挥发进入冷凝器, 铅与炉渣定期自炉缸放入前床进行铅锌分离。该工艺特性是:

1.铅锌同时熔炼  同一设备同时产出铅和锌, 铅是不需耗能的付产品, 确是创举。

2.适于处理各种废杂物料  可处理各种品级的铅锌精矿混合矿或铜铅锌混合精矿, 铜在熔炼过程进入铅中, 在铅精炼脱铜时给以回收。

炼锌鼓风炉还适于处理其他工厂所产含锌废料, 如镀锌厂锌灰及钢铁厂含锌烟尘以及ISP所产的二次物料。

炼锌鼓风能处理各种复杂矿是其得以生存的最大优点, 迄今为止, 某些无法进行有效分选的铅锌矿, 湿法炼锌仍无能为力给以利用, 对此ISP却可大显身手。

3.高温密封炉顶与热料热风  烧结块中之氧化锌熔炼时按下式反应:

过程为可逆, 其平衡常数随温度升高而增大。设进入冷凝器的炉气成分为Zn5%, CO10%, 和CO₂21%, 其再氧化温度为:

则T=1250⁰K或997℃此即上述炉气成分的再氧化开始温度, 炉气成分常波动在6-7% Zn、18-22% CO、8-12% CO₂范围, 为防止可逆反应发生, 炉顶温度一般维持在980-1050℃间。为达此目的, 必须向炉顶送入空气, 使炉气中之CO燃烧以获得维持炉顶高温所需的热量。

炉顶采用双料钟加料结构并在料钟之间通入空气使炉顶密封, 避免炉气外逸。

为避免炉料加入使炉顶温度激烈波动, 加入炉中的焦炭预热至800℃, 烧结块保温在400℃左右。

送入鼓风炉的空气预热至850℃以上以强化熔炼过程和提高焦炭的炭利用率。

4.铅雨喷溅冷凝  冷凝器用铅雨冷凝锌蒸气有下列优点:

① 铅雨冷凝能使锌从含量很少的锌蒸气和含大量二氧化碳的炉气中冷凝出来, 即使CO₂/CO的比值很高, 其冷凝效率仍很高。

② 铅比重大, 用小体积铅可获得较大的热容量和较高的冷凝效率。

③ 铅熔点低, 对锌的溶解度随温度升高而增大, 溶解入铅液中的锌, 当温度降低时, 又重新自铅液中析出, 由于铅锌比重差大而分成两层, 从而很容易使铅与锌分离。

④ 在操作温度下, 铅蒸汽压小挥发损失少。

⑤ 铅的比热和锌的溶解量, 足以平衡含有锌蒸汽的炉气冷凝时所放出的热量。

炉气入冷凝器温度约1000℃, 离开时约450℃这意味着每冷凝1克锌需放热1410卡, 在此条件下, 铅液比热为0.033, 入冷凝器的温度为450℃, 离开时约560℃, 上升110℃, 故通过冷凝器的每克铅液吸热3.63卡, 则1410/3.63=390, 即每冷凝一吨锌, 需循环铅液量约390吨, 实际上约400~420吨。

5.高钙炉渣  一般炼铅炉渣其CaO/SiO₂比约0.52, 而炼锌鼓风炉渣之CaO/SiO₂在0.8~1.5间, 这种渣型熔点高, 锌挥发率高, 渣含锌低, 但焦炭耗量大。

三 鼓风炉炼锌的成就

20多年来, ISP由于采取了一系列措施, 使鼓风炉的产量几乎成倍增长, 原标准炉(炉身最大断面17.2米²)设计年产铅锌5万吨, 目前, 最高已达11万吨(见表 1), 这是一个极其重要的成就, 此外, 对工艺过程积极治理废气、废水, 改善环境, 从而在严峻的环境下得以生存, 是ISP的另一成就。下列技术成就是鼓风炉产量成倍增长的基本条件:

1.烧结块质量得到提高  经长期研究, 发现由针状ZnO, 铁尖晶石(ZnO、Fe₂O₃)和黄长石(2CaO、ZnO、2SiO₂)组成的高熔点结晶点阵的烧结块, 在炉身上部不软化、熔化或还原, 一直要到风口区才发生上述变化；而基本结构为硅酸盐组成的低熔点晶格网路的烧结块, 在炉身上部开始软化、熔化, 使炉子结瘤, 气流分布不匀, 产量降低。这一成就为给鼓风炉提供优质烧结块创造了条件。

2.提高了预热空气温度  过去ISP多用金属同流换热器预热空气, 其最高预热温度仅750℃, 目前普遍用考贝式热风炉, 风温可达900℃以上。由于风温提高, 使过程强化, 炉子产量大幅度提高, 炭利用率亦随之提高。

3.喷淋炉壳的应用  原设计炉体, 风口区为冷却水套, 这种袋置冷却不均匀, 炉体容易结瘤变形, 一旦水套泄漏, 必须休风处理, 近年来大部分ISP厂已改用喷淋炉壳冷却, 炉体结构简化, 冷却均匀, 结瘤比率减少, 鼓风炉作业率相应提高。

4.采用团矿技术  由于鼓风炉处理能力提高, 原有烧结机生产能力已不能满足鼓风炉的需要, 于是部分ISP厂发展了团矿技术, 将生产过程所产浮渣、兰粉、烟尘等二次物料以及其他工业废料如镀锌厂锌灰、钢铁厂含锌烟尘等经压团, 直接加入鼓风炉溶炼, 减少物料在烧结系统往复循环, 是弥补烧结机能力不足的有效措施, 进一步增强了鼓风炉处理杂料的优势。

5.干燥预热空气  近年来日本八户已将鼓入炉中的预热空气用氯化锂给予干燥, 使入炉水份减少, 炉况改善, 冷凝器浮渣相应减少, 节焦约3%, 锌的冷凝效率有所提高, 对南方潮湿气候尤有明显效益。

6.二次能源回收  鼓风炉所产低热值煤气, 一般仅用于烧热风炉和焦炭预热器, 利用率仅75~80%, 其余放空或燃烧后放空, 既浪费资源又污染环境, 日本八户已利用剩余部分煤气烧锅炉发电, 部分ISP厂正在研究利用此技术。

冷凝分离系统的冷却流槽原为水套结构, 冷却效率低, 不便检修, 后普遍采用浸没式冷却器, 日本八户已用锅炉片取代浸没式冷却管, 这种装置, 利用低熔点合金吸收热量, 使流入锅炉片中之冷却水产生蒸汽和热水, 然后汽水分离, 分离出的汽体约200℃, 经过热器升至400℃后送涡轮机发电。鼓风炉产生的二次能源进一步得到利用。

7.原料综合利用  在ISP各厂十分重视原料的综合利用, 因为其经济效益相当可观, 但综合回收受环境法规限制。目前除普遍生产铅、锌、硫酸、镉、银和金外(金的回收率不能令人满意, 人们认为可能与黄渣的形成有关), 原料中其他伴生元素如汞、铜、锡、锑、铋、铟、铊、硒和碲等都有较完善的回收工艺。回收水平与各国的技术水平有关, 赞比亚的卡布仅回收铅锌其余均未利用, 甚至大量SO₂烟气直按放空。表 2为西德杜伊斯堡厂的综合利用情况。

四 展望

ISP体系为了完善工艺过程, 强化生产, 降低成本, 改善环境, 正在积极地研究, 项目包括垂直喷射转子, 新型冷凝器结构, 焦粉成型——型焦, 富氧空气烧结和熔炼以及期望以沸腾焙烧制团取代烧结工艺等。一旦这些项目研究成功、对ISP的生存与发展将起重要作用。

ISP最大的优点是特别适合处理难于分选的铅锌或铜铅锌精矿及工业含锌废料, 是其目前赖以生存的基础。不过近年来由于选矿分选技术的发展, 这一优势正在逐渐削弱。环境问题是ISP发展的另一主要制约因素。因此, 至目前为止, 在80年代尚无新厂建设。在未来, ISP所产锌量, 在世界锌总产量中所占比重将会逐渐减少。