铅锌冶金的用氧分析

仝一吉吉，董晓伟，包洪光

引言

我国是铅锌生产大国，2017年全国铅锌产量达1093.6万t，约占世界铅锌总产量的44%，铅、锌产量已经分别连续16年、26年位居世界第一。近10多年来，随着一系列新工艺、新设备在国内铅锌行业获得应用，我国铅锌冶金工业的技术及装备水平取得大幅提升，其突出表现之一，就是铅锌冶金过程越来越多地用到工业纯氧或富氧空气。铅锌冶金正朝着短流程、强化冶金、清洁冶金的方向发展，氧气的应用发挥了重要作用。

1　氧气在铅锌冶金中的作用

1.1　缩短冶金流程

铅冶金基本采用火法冶金工艺。传统铅冶金多为“烧结——还原熔炼”工艺，流程较长。世界上各种先进的直接炼铅工艺如闪速炼铅、氧气底吹炼铅、富氧侧吹炼铅、顶吹炼铅等，无不与使用氧气有关。通过氧气强化熔炼，实现含硫物料的自热氧化和热态氧化渣直接还原，高浓度SO2烟气通过二转二吸制酸工艺生产硫酸[1]。氧气技术的应用，取消了烧结工序，缩短了冶金流程，降低了物料的机械损失，减少了有价金属在生产流程中的周转时间。

锌冶金主要采用湿法冶金工艺。传统的“焙烧——浸出”锌冶金工艺要对硫化锌精矿进行焙烧脱硫，再将脱硫后的锌焙砂进行浸出。无论是锌焙砂的常规浸出还是热酸浸出，均需要较长的流程。而使用了氧气的氧压浸出工艺直接浸出硫化锌精矿，取消了沸腾焙烧工序，使生产流程大为缩短[2]。氧压浸出直接炼锌工艺还可进行氧压釜内除铁，实现了传统热酸浸出工艺的浸出、除铁两个工序的功能。

1.2　节能环保

铅的火法冶金过程由于使用工业纯氧或富氧，冶金过程所需的鼓风量大幅减少，进而减少了烟气量及烟气带走的热量，而烟气带走热一般占铅火法冶金热支出的30%～40%。热收入主要来自铅精矿中硫化物的反应热，通过热平衡计算分析，在使用工业纯氧或高浓度富氧的条件下，当炉料中硫化物和单质硫形态的总硫量达14%以上时，硫化铅精矿的直接熔炼即可达到热收入与热支出平衡，实现自热熔炼。

氧气使铅冶金的烟气量减少，烟气SO2浓度大幅提高，可采用更加环保的两转两吸制酸工艺，提高了硫的回收率。而且，烟气量的减少也使制酸尾气量减少，尾气SO2排放随之减少。彻底解决了传统“烧结——还原熔炼”铅冶金脱硫烟气制酸困难、低浓度SO2的环境污染问题。氧气的使用还减少了氮氧化物在铅火法冶金过程中的产生量，降低了烟气处理系统的脱硝负担。

氧压浸出直接炼锌工艺的环保效果更加显著，由于取消了沸腾焙烧工序，锌冶金过程不再有冶炼烟气产生，也就彻底解决了冶炼烟气的SO2的排放污染。

1.3　提高冶金强度

铅冶金过程由于使用氧气，熔炼热强度提高，炉子的床能力大幅提高。闪速炼铅反应塔内的氧化熔炼和造渣反应在气相中只需数秒完成，床能力可以达到60～70 t/(d·m2)。富氧侧吹等熔池熔炼通过富氧气流的强烈搅动，传质传热速度加快，反应剧烈，富氧侧吹炉床能力能达70～80 t/(d·m2)。闪速熔炼炉和富氧熔池熔炼炉的床能力远远超越传统的烧结脱硫设备，设备和车间配置更加紧凑。

氧压浸出炼锌的浸出强度比传统浸出的强度大幅提升，一段氧压浸出时间仅为1 h～1.5 h，即可获得98%的锌浸出率，达到了热酸浸出工艺经过三段浸出也难以实现的效果。

1.4　提高原料适应性，强化综合回收效果

由于使用了氧气，铅冶金可以搭配更多低硫、低品位的含铅杂料如铅泥、铅渣等，提高了生产系统的原料适应性。而且，氧气的加入使火法冶金过程更容易实现对渣型的控制，意味着冶金过程可以适应更广范围的原料成分波动以及更少的熔剂添加量。

氧压浸出炼锌工艺对原料的适应性非常强，远超传统的“焙烧——浸出”工艺。而且，由于氧压浸出工艺的高浸出率，其对原料中的银、铅、铜、铟等伴生有价金属的综合回收效果非常好。

2　铅冶金用氧

2.1　采用氧气强化冶金的铅冶金工艺

（1）富氧侧吹炼铅

富氧侧吹炼铅是一种富氧强化熔池熔炼工艺。主体设备富氧侧吹炉由炉缸、炉身、炉顶及直升烟道组成。一般在炉身的熔池区炉体两侧第一层铜水套上开设风口，安装氧气喷嘴。富氧侧吹法炼铅工艺具有原料适应性强、物料制备简单、生产效率高、以煤代焦、设备密闭性好、操作环境好、烟气量小、熔铅分离彻底等优点，可实现连续加料、连续排渣[3]。富氧侧吹炼铅包括氧化熔炼和还原熔炼两个过程，目前国内已有10多家炼铅企业采用富氧侧吹进行还原熔炼，还原炉渣含铅可以降至2%以下。南方有色等企业采用富氧侧吹技术进行氧化熔炼的项目也已投产，运行效果良好。

（2）氧气底吹炼铅

氧气底吹炼铅的工艺过程为：原料加入圆形卧式反应器内，从反应器底部吹入氧气进行强化熔炼。氧气底吹炼铅生产工艺的最大特点是采用氧气强化熔炼技术、简化备料工序、缩短工艺流程[4]。与富氧侧吹不同的是，国内多将氧气底吹工艺用于氧化熔炼，个别企业在氧化熔炼、还原熔炼中均采用氧气底吹工艺。

（3）富氧顶吹炼铅

富氧顶吹炼铅工艺过程为：通过顶吹浸没喷枪向熔池渣层喷入富氧空气、燃料，调节富氧空气和燃料的用量并搅拌熔池，分别发生熔化、氧化、还原、造渣过程。其特点为：可在1台炉中分阶段实现氧化熔炼、还原熔炼、渣烟化，也可在2台炉内实现连续氧化、还原熔炼；对炉料制备系统要求不严，可处理铅精矿、含铅物料、烟尘[5]。

（4）闪速炼铅

闪速炼铅是在一台闪速炼铅炉内完成铅精矿焙烧、还原、锌挥发过程。其优点主要是：过程连续稳定，设备寿命长，烟气SO2含量高；烟尘率仅5%，金属和硫回收率达98%、95%，余热利用率高，能处理低铅高锌物料，可搭配处理锌系统浸出渣，可用于铅锌联合企业[6]。国内已有两条基夫赛特（kivcet）闪速炼铅生产线投产，生产状况良好。

2.2　铅冶金工艺的用氧情况

氧气的应用情况在不同的铅冶金工艺中有所不同，氧气浓度、氧气量、氧气压力与工艺操作条件息息相关。富氧侧吹、氧气底吹可使用高浓度富氧，而且富氧侧吹的氧气浓度调节范围很大。富氧顶吹由于而且熔池高度高，熔体对气流的阻力大，所以需要鼓入的富氧空气具有更大的搅动能量，因此需要更大的鼓气量、更低的氧浓。闪速熔炼的氧化反应是在气相中进行的，还原反应是静止的碳热反应和电热反应，反应过程不需要气体的搅动能，所以闪速炼铅采用氧气浓度95%以上的工业纯氧。

以10万t/a铅冶金规模为例，不同铅冶金工艺的用氧情况详见表1。

表1　不同铅冶金工艺的用氧情况

3　锌冶金用氧

3.1　采用氧气强化冶金的锌冶金工艺

（1）硫化锌精矿氧压浸出工艺

硫化锌锌矿氧压浸出工艺是一种直接浸出炼锌工艺，在直接浸出过程中，通过控制浸出过程的温度、酸度、氧压等操作条件，精矿中以硫化物形态存在的锌在酸和氧的作用下，转化为硫酸锌，进入溶液，浸出过程产出的硫酸锌溶液净化后进行电积得到金属锌；精矿中的硫在浸出过程中被氧化成单质硫进入渣中，可进一步生产硫磺。氧压浸出工艺的原料适应性广，无SO2烟气产生，综合回收效果好。

（2）硫化锌精矿常压氧浸工艺

常压氧浸的基本反应过程也是基于把氧气作为强氧化剂的机理，只是浸出设备为常压，浸出压力低，浸出时间长达24 h[7]。常压浸出渣中的硫也为单质硫，但没有生产硫磺产品的工业实践。

（3）热酸浸出——赤铁矿除铁工艺

“热酸浸出——赤铁矿除铁工艺”属于一种“焙烧——浸出”工艺。在高温（200℃）、高压（1.8～2.0 MPa）的操作条件，通入氧气，使溶液中的Fe2+氧化成Fe3+并以赤铁矿（Fe2O3）形式沉淀，达到除铁目的。赤铁矿渣含铁可达54%以上，渣量少，可实现铁渣资源化。

（4）热酸浸出——针铁矿除铁工艺

“热酸浸出——针铁矿除铁工艺”也属于“焙烧——浸出”工艺。在常压下，当溶液pH为3～5时，保证溶液中一定量的Fe3+(＜1 g/L)，用氧气或空气缓慢将Fe2+氧化成Fe3+，铁以针铁矿（FeOOH）形式沉淀。其优势是在Fe2+氧化沉铁之前，可采用置换法、中和法富集铟等稀有金属，有利于综合回收。

3.2　锌冶金工艺的用氧情况

氧压浸出需要高纯浓度的氧气，氧含量一般要求大于98%，生产中一般采用可获得高纯度工业氧气的深冷法制氧工艺进行供氧[8]。常压氧浸需要氧气浓度90%以上，由于在常压容器中进行浸出，氧气的利用率低，总需氧量比氧压浸出多。氧气在赤铁矿除铁及针铁矿除铁工艺中的作用是为了将溶液的Fe2+氧化成Fe3+，用氧量较小。

以10万t/a锌冶金规模为例，不同锌冶金工艺的用氧情况详见表2。

表2　不同锌冶金工艺的用氧情况

4　结语

（1）近10多年来，氧气的应用在国内铅锌冶金中发展迅速，彻底改变了传统铅锌冶金方式。由于氧气冶金的各种优势，氧气技术在铅锌冶金行业的推广前景十分广阔。

（2）不同的铅锌冶金工艺有不同的用氧特点，铅锌联合冶金的用氧情况更加复杂。制氧装置应针对冶金工艺的用氧特点进行选择，有时需要将不同类型的制氧装置进行优化组合。

（3）与钢铁冶金相比，氧气技术在国内铅锌行业的应用时间较短，氧气用量也较小。但基于我国铅锌产量占全世界产量将近一半的巨大生产规模，以及越来越严格的节能环保要求，氧气在铅锌冶金行业转型升级中的作用值得关注。

[参考文献]

[1]张乐如.现代铅冶金[M].长沙：中南大学出版社，2013：28-30．

[2]仝一吉吉.锌氧压浸出工艺的应用及推广[J].矿冶，2011，20(04)：94-97.

[3]刘军，刘燕庭.富氧侧吹直接炼铅工艺研究与应用[J].中国有色冶金，2013，42(01)：34-36，39.

[4]姚建明，李东波.氧气底吹工艺处理复杂铅物料的生产实践[J].中国有色冶金，2015，44(02)：30-33.

[5]顾鹤林，宋兴诚，兰旭，皇甫智伟.顶吹炉一炉三段一步炼铅工艺技术及生产实践[J].中国有色冶金，2013，42(01)：37-39.

[6]贺菊香.基夫赛特直接炼铅技术的应用前景[J].湖南有色金属，2011，27(06)：20-23+67.

[7]李若贵.常压富氧直接浸出炼锌[J].中国有色冶金，2009(03)：12-15，21.

[8]刘汉钊，王华金，杨书春.变压吸附制氧法与深冷法的比较[J].冶金动力，2003(02)：26-29.