艾萨炉喷煤炼铅工艺及生产实践

俞 兵， 马绍斌， 王小强

(云南驰宏锌锗股份有限公司， 云南 曲靖 655011)

艾萨炉熔炼能处理铜、铅、锌、锡等多种物料，但艾萨炉喷枪采用的燃料为柴油，存在成本高、燃烧区域不均匀等问题。为了解决柴油成本高的问题，提出会泽铅锌冶炼项目艾萨炉喷枪采用粉煤作为燃料的构想，并进行了生产实践。自从2014年初投产以来，实践表明艾萨炉喷煤炼铅工艺是成功的，特别是在成本控制和燃烧均匀上较柴油而言具有突出优点[1-2]。

我国是煤矿资源非常丰富的国家，采用廉价的煤代替柴油作为燃料，既可降低生产成本，克服生产所受能源的限制，还可以提高顶吹熔炼生产工艺的可控性和灵活性。

1 艾萨炉喷煤工艺介绍

1.1 炉型结构介绍

会泽艾萨炉是迄今为止全球第一座歪脖子喷吹粉煤炼铅的艾萨炉。艾萨炉为立式筒状结构，外部为钢壳，内衬耐火砖，炉壳总高11 522 mm，其中阻溅板以下7 333 mm为圆筒形(Φ4 650 mm，净空Φ3 598 mm)，阻溅板以上4 189 mm逐渐放大为撮箕形，炉底距铅口中心1 342 mm，炉底距渣口中心2 345 mm，渣口与铅口呈90°夹角。整个壳体焊接在裙座上，在裙座和下部基础之间通过预埋螺栓紧固，裙座上开有六个对称的通风孔有利于炉底散热，在裙座下方还设有一个事故溜槽，以防炉底烧通时熔渣能沿溜槽流走，减少事故的蔓延(基本不可能发生)，顶盖上设有喷枪口、加料口、保温烧嘴口及烟气出口。艾萨炉结构示意图如图1所示。

1.2 粉煤喷枪系统

粉煤喷枪内部有1根端压管和1根煤管，在端压帽后端装有旋流器，主要作用是改变富氧空气的流向，在喷枪出口形成高速旋转的空气流，使熔池得到充分的搅拌，确保反应充分进行、熔池温度均衡。喷枪实物如图2所示。

1.3 工艺流程

艾萨炉炼铅工序流程如图3所示。

1.4 艾萨炉喷煤炼铅工艺原理

艾萨炉炼铅实质是控制炉内的气氛，在喷枪工艺风的强烈搅拌下，使入炉的燃料(碎煤、粉煤)发生激烈的氧化反应，释放出大量的热，热能使入炉生料在融化同时，发生氧化、还原反应，产出部分粗铅和大量的富铅渣，产生的烟气通过收尘净化后送制酸。主要化学反应见式(1)～(6)[3]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

图1 会泽艾萨炉结构设计示意图

图2 喷枪实物图

1.5 艾萨炉喷煤熔炼特点

根据熔池熔炼相关理论，熔池熔炼是在气-液-固三相形成的卷流运动中进行物理化学反应的过程[4]。进入熔池的生料，在高温熔池内发生氧化脱硫与造渣反应。喷枪喷入的富氧空气和化学反应生成的气体对熔池起到强力搅拌的作用，强化了熔池熔炼的冶金过程。

根据艾萨炉水模拟研究，炉内熔体的熔池反应区域划分为四个区，结构示意如图4所示。

1)1区。1区位于喷枪出口处，属于燃烧氧化区，通过喷枪喷入的粉煤在此区域迅速燃烧，硫化铅精矿发生剧烈氧化反应，并放出大量的热，为主要反应区。

2)2区。2区属于次要反应区，加入炉内的炉料在高速旋转气流的搅拌下与熔体混合并向炉壁方向流动，炉料预热融化，并同一起扩散的氧发生少量氧化反应。

3)3区。3区属于循环流区，炉料以及喷入气体中的少量气泡从2区向下流动，形成回流循环，气泡中残留的氧与精矿和煤充分发生反应。在经过1区时，与大量气泡相遇，再次发生强烈的氧化造渣反应。

4)4区。4区属于相对静止区，富集粗铅，有利于渣铅分离。

图3 艾萨炉炼铅工序流程图

艾萨炉喷枪喷入熔体的粉煤主要集中在1区，粉煤在1区高温、高氧势条件下发生剧烈的氧化反应，并放出热量；少量粉煤被喷入熔体带至2区和3区参与熔池反应。

由此可见，艾萨炉喷煤熔炼具有以下特点：喷枪喷入熔体的粉煤主要提供热量，并促进熔池的搅动进行传热传质；粉煤中的灰分几乎全部进入熔池并参与造渣；可通过灵活控制艾萨炉喷煤量来调控炉温；与燃油喷枪相比，喷煤熔炼更经济。

图4 艾萨炉水模拟熔池反应区域示意图

2 艾萨炉喷煤炼铅工艺优点

1)节能降耗，提高铅的直收率。使用廉价的粉煤替代柴油，不仅大幅降低生产成本，而且起到发热剂的作用，同时粉煤的喷入还增强了顶吹炉熔炼过程中的还原气氛，使大量的铅被还原产出粗铅，提高了顶吹炉熔炼铅的直收率。顶吹炉内的还原气氛可以通过喷煤大小来调节，可以实现在一台顶吹炉内完成氧化、还原及造渣几个过程，真正实现了硫化铅精矿直接炼铅的过程。

2)原料适应性强。用粉煤作为主要的燃料，使得艾萨炉炼铅工艺对原料的适应性更强，操作更为灵活，调整余地更大。自2014年1月份投产以来，从进行的各项试验可以看出艾萨炉不仅能处理铅精矿，而且还能处理各种含铅的低品位物料，对物料成分的波动影响不大。正在处理的低品位物料包括：含Pb30%～33%左右的烤铅渣，铅加锌品位15%～20%左右的铅锌共生氧化矿。通过不断的摸索调整各参数，艾萨炉烤铅渣处理量与锌系统烤铅渣的产量(年产55 000 t)基本达到平衡；通过10 d试验，低品位铅锌共生氧化矿(公司矿山开采，含钙20%～25%，物料成分复杂，一直无法处理)配入量为3t，不但节约了石灰石的成本，还回收了其中的有价金属。

3)工艺过程简单，流程短，熔炼速度快，生产率高。艾萨炉喷煤炼铅工艺备料过程简单，混合后的炉料从炉顶进入熔炼炉后，在熔池中完成全部炉料的脱水、熔化、氧化、还原和造渣反应，直接产出部分粗铅和富铅渣。与传统炼铅工艺相比，流程大大缩短。由于熔炼过程熔池剧烈搅动，熔体传热传质条件非常好，化学反应快，熔炼强度大，生产效率高。若再提高富氧浓度，生产能力还可增加。

4)硫利用率高，作业环境清洁，环境保护效果好。艾萨炉炼铅法为全密闭式生产，熔炼装置密闭性能好，烟气逸散少，作业环境清洁，而且，采用富氧

空气熔炼，硫化铅氧化脱硫彻底，烟气量小，烟气含SO2浓度高，可直接制酸，解决了传统烧结-鼓风炉炼铅工艺存在的环境污染问题，硫的总利用率高达98%以上。

5)操作简便，自动化程度高。富氧顶吹强化熔炼工艺进料系统、熔炼系统和公辅设施都采用DCS控制，设备先进，自动化程度高，操作简单。能通过DCS很方便地调整燃煤、空气、富氧浓度和燃油的比例，及时控制炉子内的反应，使冶炼过程在温度波动很小的状态下进行。

3 艾萨炉喷煤炼铅工艺生产实践情况

会泽艾萨炉从2014年1月份投产，通过三个月的工艺调整，至2014年3月份艾萨炉顺利通过公司达标达产验收，各项技术指标均达到同行领先水平[5]。

3.1 入炉物料成分

艾萨炉入炉主料的成分组成如表1所示。

表1 入炉主料成分 %

注：表中数据均为质量百分数。

主要辅料的成分及要求：碎煤，C 50%～70%，A 20%～25%，V≥15%，粒度小于10 mm；粉煤，粒度-200目比例>75%；石英石，SiO2含量>80%；石灰石，CaO含量>45%。

3.2 主要经济技术指标及节约成本

3.2.1 主要经济技术指标

根据艾萨炉生产统计，主要经济技术指标：一次产铅率，28.8%；烟尘率，11.2%；耗煤率，8.2%；炉床能力，60～65 t/m2·d；富铅渣含Pb，45%～55%；烟气SO2浓度，5%～8%；粗铅品位，Pb 96.5%～97.8%，Ag 1 500～3 000 g/t。

3.2.2 节约成本计算

3.2.2.1 燃料消耗成本

1)同行艾萨炉喷枪(喷油)燃料成本。同行艾萨炉喷枪(喷油)燃料使用技术参数：每天熔炼7炉，每炉用油1 h，每小时喷油900 L，柴油价格8 500元/t；平均块煤消耗2.5 t/h，每炉加块煤2 h，块煤价格735元/t。柴油成本计算：每天的柴油消耗，7×1×900×0.85=5.36 t，约为4.56万元；每年的柴油成本(按330天算)，4.56×330=1 504.8万元。块煤成本计算：每天块煤消耗，2.5×2×7=35 t，约为2.6万元；每年块煤成本(按330天算)，2.6×330=858万元。每年燃料成本合计： 1 504.8+858=2 362.8万元。

2)会泽艾萨炉(喷煤)燃料成本。会泽艾萨炉(喷煤)燃料使用技术参数：每天熔炼7炉，平均喷煤速率1.7 t/h，粉煤价格800元/t；平均块煤消耗1.2 t/h，每炉加块煤2 h，块煤价格735元/t。粉煤成本计算：每天的粉煤消耗，1.7×24=40.8 t，约为3.3万元；每年粉煤成本(按330天算)，3.3×330=1 089万元。块煤成本计算：每天块煤消耗，1.2×2×7=16.8 t，约为1.2万元；每年块煤成本(按330天算)，1.2×330=396万元。每年燃料成本合计：1 089+396=1 485万元。

会泽艾萨炉(喷煤)一年的燃料成本比同行艾萨炉(喷油)的燃料成本节约：2 362.8-1 485=877.8万元。

3.2.2.2 喷枪维修成本

喷油的喷枪由于雾化效果较好，柴油基本在喷枪端部已全部燃烧，造成该区域温度相对偏高，喷枪的腐蚀较为严重，根据同行业的使用情况来看，喷油喷枪的平均使用寿命为2天左右，喷枪烧损1.5 m左右。喷煤喷枪虽然绝大部分的粉煤也是在喷枪端部燃烧，但仍有一部分未燃烧的粉煤进入熔池起还原剂作用，所以喷枪的腐蚀相对较轻，根据近5个月的运行情况来看，喷煤喷枪的平均使用寿命为4天左右，喷枪烧损1.5 m左右。喷枪的维修成本参数：喷枪管为310S不锈钢管，规格Φ 273 mm×11 mm，71.07 kg/m，72 000元/t，旋流器3 100元/个。

1)同行艾萨炉(喷油)喷枪的维修成本。管材消耗：1.5×30÷2×71.07×72 000÷1 000=11.5万元；旋流器消耗：3 100×30÷2=4.65万元；每年喷枪维修陈本为(按11个月算)：(11.5+4.65)×11=177.65万元。

2)会泽艾萨炉(喷煤)喷枪的维修成本。管材消耗：3.5×30÷4×71.07×72 000÷1 000=5.75万元；旋流器消耗：3 100×30÷4=2.3万元；每年喷枪维修陈本为(按11个月算)：(5.75+2.3)×11=88.55万元。

会泽艾萨炉(喷煤)喷枪比同行艾萨炉(喷油)喷枪的维修成本节约：177.65-88.55=89.1万元。

3.2.2.3 人工成本

同行业艾萨炉的人员配置每班至少17～18人，而艾萨炉由于自动化程度高，工人劳动强度低所以人员配置相对较少，每班仅配置12个人，比同行少5～6人，四个班则少20人。按照人均6万/年的工资算，则会泽艾萨炉(喷煤)每年比同行业艾萨炉(喷油)节约20人的工资支出，约为120万。

结合上述计算艾萨炉喷煤炼铅工艺每年比同行业节约成本为：877.8+89.1+120=1 086.9万元

4 结语

会泽冶炼厂艾萨炉是全球第一座采用喷煤炼铅的顶吹熔炼炉，该冶炼工艺自投产以来经过短短几个月时间就实现达标达产，各项经济技术指标均处于同行领先水平。此工艺成功实现了采用粉煤代替柴油作为燃料，而且对入炉物料适应性强，成功处理了该公司堆存的烤铅渣和低品位铅锌共生氧化矿，利用了资源，节约了成本，降低了劳动强度，值得推广。