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铅锌冶炼节能减排的研究与探讨
铅锌冶炼节能减排的研究与探讨
长沙有色冶金设计研究院 张乐如
【摘要】本文在阐述我国铅锌冶炼节能减排的现状基础上，论述了铅锌冶炼节能减排的影响因素，提出了铅锌冶炼节能减排有效措施。
1概述
随着世界气温变暖、温室效应日趋严重，环境状况的不断恶化，以及能源价格的迅猛上涨，节能减排已经引起世界各国的普遍关注。
铅锌冶炼属于高能耗高污染的行业，提高节能减排技术水平和管理水平犹为重要，节能减排水平将体现整个行业的技术水平，决定整个行业的生存发展命运。
由于世界发达国家对环境保护日益重视，铅锌冶炼生产受到环境保护政策约束日益增加，发达国家铅锌产量逐年减少，铅锌消费量却逐年增加，导致铅锌价格不断上涨。
我国铅锌冶炼行业抓住机遇，产能和产量迅速增长，成为世界第一大铅锌生产国。
2007年我国铅、锌产量分别为276万吨和371万吨，分别占世界铅、锌产量的34.1%和32.5%。
然而，我国铅锌冶炼行业技术装备水平并没有与其产能得到同步提高，高能耗高污染的状况没有得到根本改善。
不仅与世界铅锌冶炼行业有较大差距，与我国铜铝冶炼行业也有一定差距。
主要表现在产能集中度较差，企业数量多，技术水平不平衡，整体技术装备水平比较落后，自动化控制水平低。
2我国铅锌冶炼及其节能减排的现状
2.1铅冶炼
目前我国粗铅生产能力大约220万吨，烧结机烧结-鼓风炉熔炼工艺约为60万吨，氧气底吹熔炼-鼓风炉还原工艺约为70万吨，氧气顶吹熔炼-鼓风炉还原工艺约为8万吨，ISP工艺约为20万吨，卡尔多炉工艺约为5万吨，其余约60万吨则采用烧结锅或烧结盘烧结-鼓风炉熔炼工艺。
根据有色金属工业年鉴统计，过去10年我国铅冶炼综合能耗平均为660kg标准煤/t，粗铅冶炼焦耗413kg/t，电解铅的直流电耗平均为132kWh/t。
株冶、韶冶、豫光金铅等大型冶炼企业的炼铅能耗较低，约高出世界水平10%左右。
但是一些中小型冶炼企业的炼铅能耗较高。
铅冶炼主要采用火法冶炼，废水经过处理可以循环利用；火法冶炼渣经过水淬后属于一般固体废物，可以循环利用或安全堆放；主要污染是烟气污染。
目前烧结机烟气均采取一转一吸制酸工艺加尾气脱硫，或湿式制酸工艺，尾气可以达标排放。
氧气底吹熔炼、氧气顶吹熔炼、卡尔多炉工艺、ISP工艺烟气均采取两转两吸制酸工艺，尾气可以达标排放。
但是烧结锅或烧结盘烧结烟气由于SO2浓度低，无法制酸，
直接排放。
每年有40多万吨SO2直接排入大气，给大气环境造成严重污染。
2.2锌冶炼
我国锌冶炼产能和产量均达到380万吨/年，80%左右为湿法炼锌工艺，15%左右为ISP炼锌工艺，其余为落后的竖罐炼锌工艺。
过去10年我国湿法炼锌工艺平均综合能耗为2089kg标准煤/t，锌电积直流电耗平均为3229kWh/t。
ISP炼锌工艺平均综合能耗为2022kg标准煤/t。
10年来依靠技术进步，逐步淘汰落后的高能耗高污染竖罐炼锌工艺，能耗指标逐年下降。
一些大型炼锌企业如株冶、韶冶、葫芦岛、豫光金铅、西北冶炼厂等，其炼锌能耗接近世界先进水平。
世界湿法炼锌工艺在1900kg标准煤/t，锌电积直流电耗平均为3100～3200kWh/t。
株冶由于常规湿法炼锌高能耗，浸出渣采用高能耗的回转窑工艺，综合能耗为2100kg标准煤/t左右，其锌电积直流电耗平均为3100kWh/t左右，最低达到过2970kWh/t，属于世界非常先进的水平。
国外ISP炼锌工艺为1800kg标准煤/t，我国韶冶ISP炼锌工艺为1900kg标准煤/t，
接近世界水平。
我国已经投产的湿法炼锌工艺都是锌精矿沸腾焙烧、焙砂浸出工艺。
我国主要采用常规法和黄钾铁矾法，只有温州冶炼厂采用针铁矿法。
湿法炼锌工艺的废气主要是沸腾焙烧的烟气和常规法浸出渣处理的回转窑烟气，沸腾焙烧的烟气经过收尘和制酸，尾气可以达标排放，不会给大气环境造成污染。
但是回转窑产生的低浓度SO2烟气，必须经过脱硫处理后才能达标排放。
主要污染来自废渣和废水，我国目前的黄钾铁矾渣和针铁矿渣均未经过处理，直接堆放。
黄钾铁矾渣和针铁矿渣属于危险固体废物，其中的重金属离子和硫酸根离子均可能随雨水流入地表，对当地水体造成污染。
常规法的浸出渣一般采用回转窑处理，产出窑渣属于一般固体废物，可以对此进行综合利用，分选出铁渣作为炼铁的原料，分选出废焦返回回转窑作为燃料。
湿法炼锌工艺的废水主要沸腾焙烧的烟气洗涤的污水和冶炼过程跑、冒、滴、漏产生废水，其中含有重金属离子和硫酸根离子，必须经过处理才能达标排放。
3铅锌冶炼节能减排的主要影响因素
3.1冶炼工艺影响
冶炼工艺是影响能耗的最重要因素。
在火法冶炼过程中，引入富氧或纯氧冶炼技术，实现精矿直接熔炼，使生产流程缩短，设备床能力大幅度提高，使冶炼过程的烟气量大幅度减少，烟气带走的热量也大幅度减少，消耗的动力也相应减少，单位产品能耗大幅度下降。
湿法冶炼工艺引入富氧直接浸出技术，硫化锌精矿不需经过沸腾焙烧,在氧气条件下直接浸出,不产生SO2烟气,硫转化元素硫,经过浮选和热滤得到含硫99.9%硫磺。
（1） 铅冶炼工艺对能耗的影响
目前世界用于工业生产的冶炼方法有基夫赛特法，QSL法、卡尔多炉法、氧气吹顶法-鼓风炉法、氧气底吹-鼓风炉法和烧结-鼓风炉法。
我国自行开发的氧气侧吹炼法，已完成工业化实验并获得成功，去年已用于铜冶炼的技术改造。
目前正在进行工业化应用设计工作。
上述6种已用工业化生产的冶炼工艺的共同特点是采用富氧或纯氧熔炼技术，前三种（基夫赛特法、QSL法、卡尔多法）为直接炼铅法，可在一台反应器内将含铅原料直接产出全部粗铅，能耗较低，综合能耗为350kg标煤/t左右。
氧气吹顶和氧气底吹都只能完成氧化熔炼，产出40%-45%的粗铅，然后将高铅渣铸块冷却后加入鼓风炉还原熔炼，产出二次粗铅，综合能耗为450kg标煤/t左右，烧结-鼓风炉法综合能耗也为450kg标煤/t左右。
现将几种炼铅工艺的消耗指标列表如下：
几种炼铅工艺综合能耗指标见表3-1。
表3-1 几种炼铅工艺综合能耗指标
项目
基夫赛特法
QSL法
卡尔多法
氧气顶吹-
鼓风炉法
氧气顶吹-
鼓风炉法
烧结机+
鼓风炉法
氧气（m3/t）
350
302
300
260
270
—
焦炭（kg/t）
92
—
50
350
350
350
粉煤（kg/t）
--
199
--
--
--
--
重油（kg/t）
—
—
14
--
—
—
电（kWh/t）
525
392
365
320
320
420
水（t/t）
22.6
21
21.5
24
21.6
22
余热发电（kWh/t）
-240
-260
—
-280
-280
—
合计（kgce/t）
346.4
316.1
388.1
462.4
466.1
510.2
从表上可见，凡需采用鼓风炉还原熔炼的方法能耗均高出许多。
其原因是在鼓风炉还原熔炼过程中需要消耗大量焦炭，按炉料计算，冶炼烧结块的焦率为11%-12%，冶炼高铅渣的焦率为16%-18%。
因此，烧结-鼓风炉法、氧气吹顶或氧气底吹-鼓风炉炼铅是能耗最高的炼铅方法，研究高铅渣直接还原取代鼓风炉还原是一种降低炼铅能耗的重要课题。
同时采用直接炼铅工艺将是降低炼铅能耗、消除炼铅污染的根本方向。
（2） 炼锌工艺对能耗的影响
目前火法炼锌工艺有ISP工艺、竖罐炼锌和电炉炼锌,
ISP工艺综合能耗为1900-2000kg标煤/t，竖罐炼锌为2400-2700kg标煤/t,电炉炼锌规模很小，能耗更高。
湿法炼锌的常规流程是硫化锌精矿采用沸腾炉低温酸化焙烧，焙砂采用中性和低酸浸出，焙砂中的铁酸锌不能在低温低酸的条件下浸出而进入浸出渣，浸出渣含锌20%左右，然后用火法将浸出渣中的锌挥发，产出次氧化锌，再用湿法回收其锌。
现在一般采用挥发窑挥发，能耗很高，每吨浸出渣要消耗0.5吨焦粉，导致每吨电锌能耗增加400～450kgce/t,这样常规法比其他的湿法炼锌能耗高出10%左右。
但是黄钾铁矾渣和针铁矿渣不处理堆存，将存在环境污染问题，也要求进行处理，世界普遍采用的处理方式是火法进行固化处理、水泥固化处理或深度填埋，如果采用火法进行固化处理能耗也会升高。
3.2生产规模的影响
一般来说，生产规模扩大了有利于单位能耗降低，有利于设备大型化，技术水平和自动化水平的提高，资源综合利用率的提高，这些均有助于单位产品能耗的降低。
统计数据表明，我国大型铅锌冶炼企业生产能耗明显好于中小企业，有的接近世界平均水平。
我国铅锌冶炼企业小规模仍占有较大比例，这是整个行业能耗偏高的原因之一。
3.3原料品位的影响
国外的能耗指标通常是按处理的物料量进行计算，这是比较科学的，有助于资源的综合利用，原料品位不会影响能耗评价指标。
但是我国是按产品计算能耗评价指标，对于处理含铅锌品位较低的原料或其他含铅锌废料，单位产品所需的物料量增加，单位产品的能耗指标将会增高，例如冶炼含铅50%以上的炉料，2吨炉料能产1吨铅，如果炉料含铅26%，就要4吨炉料才能产1吨铅，单位产品能耗可能增加1倍，因此按产品计算能耗评价指标是不太科学的，以此评价体系来考核能耗指标，将不利于低品味原料的利用和资源的综合回收，以及环境保护。
4．铅锌冶炼节能减排的主要措施
4.1发挥铅锌联合企业的优势
铅锌矿往往是伴生或共生矿，在选矿过程中很难将其完全分离。
只有ISP工艺是一种铅锌同时冶炼的火法冶炼工艺，在同一设备中产出粗铅和粗锌。
其它冶炼工艺都是铅、锌分开进行冶炼的。
铅精矿普遍采用火法冶炼工艺，在炼铅过程中锌进入炉渣，将炉渣烟化产生次氧化锌，可以作为炼锌的原料。
锌精矿80%采用湿法冶炼，炼锌过程中铅进入浸出渣，然后进行浮选产出铅-银渣，加入炼铅过程中回收其铅、银。
将湿法炼锌和火法炼铅结合得最好的应该是加拿大科明科公司的Trail冶炼厂，铅冶炼采用基夫赛特法，处理能力为1340t/d。
锌冶炼采用湿法炼锌，生产能力为30万吨/年，其中6.6万吨/年采用氧压浸出，其余采用沸腾焙烧，焙砂采用中性浸出和低酸浸出，浸出渣全部进基夫赛特炉进行固化处理，基夫赛特炉渣含锌16%～18%，采用烟化炉吹炼，使废渣含Zn<1.2%、Pb<0.5%。
消除了浸出渣的环境污染问题，并回收其中的铅、锌、银、铟、硫等有价元素。
在炼铅过程处理全部浸出渣，解决了回转窑处理浸出渣的高能耗和低浓度SO2烟气污染问题。
在炼铅过程搭配处理浸出渣，由于浸出渣中的硫大部分为硫酸盐，冶炼过程中发生吸热反应，当搭配比率过高，炉料中的可燃硫降低到一定水平时，就需要加入适量煤才能维持炉内热平衡。
但是与高能耗的回转窑处理工艺相比要低得多，包括炉渣烟化在内所增加的能耗最多不过回转窑所需的40%。
如果锌冶炼采用加压氧气直接浸出，得到的尾矿渣和硫化物滤渣所含的硫大部分为元素硫，可以在冶炼过程中氧化放热，不需另外补充燃料。
浸出渣中的硫进入铅冶炼烟气，制酸得到回收。
铅冶炼产出次氧化锌再返回湿法炼锌系统回收锌、铟等有价金属。
铅锌冶炼企业可以将铅锌冶炼过程互相渗透，减少渣处理环节，节约能源，减少烟气污染和废渣污染，更有效的进行资源的综合回收。
4.2采用先进的铅锌冶炼工艺和技术
（1）铅冶炼采用基夫赛特法等直接炼铅方法。
这些方法节能耗效果十分明显，每吨粗铅可节能100kg标煤/t以上。
尤其是基夫赛特法对原料适应性最强，能在炼铅的同时，搭配处理大量锌浸出渣，利用硫化矿的自热，使处理浸出渣的能耗大幅度降低，而且可以消除浸出渣处理过程的低浓度SO2的环境污染。
（2）改造氧气顶吹-鼓风炉还原工艺和氧气底吹-鼓风炉还原工艺，研究高铅渣热渣直接还原技术，取消铸渣冷凝和鼓风炉还原工艺。
（3）我国开发氧气侧吹直接炼铅技术已经开始工业化应用，这是一种采用富氧熔池熔炼、热渣直接还原的炼铅技术，能耗低，能够搭配部分低品位含铅废料。
正在推广应用。
（4）锌冶炼推广采用氧气直接浸出的全湿法炼锌工艺，完全消除气型污染物的排放。
更多采用ISP工艺，降低炼锌能耗。
实行设备大型化，提高金属回收率和资源综合回收水平。
彻底淘汰能耗高的竖罐炼锌和电炉炼锌工艺。
（5）研究开发黄钾铁矾渣和针铁矿渣的无害化处理技术，如直接采用烟化炉连续吹炼，烟气并入铅熔炼烟气系统进行净化制酸。
4.3加强余热利用
ISP铅锌冶炼工艺已采用多项余热回收利用措施，烧结烟气预热烧结空气，密闭鼓风炉低热值煤气预热鼓风空气，烟化炉实现余热利用装置一体化设计产出蒸汽发电。
湿法炼锌沸腾焙烧炉均余热锅炉，回收余热加热溶液。
铅冶炼的氧气底吹或氧气顶吹炉均已采用余热利用。
烟化炉部分已采用余热利用。
但是余热利用仍有潜力可挖，特别是低温余热的利用还得到足够重视。
经常可以看到采用表面冷却器进行烟气冷却，这样不仅余热未得到回收，而且提高大气温度，加剧温室效应。
余热利用的一个关键问题是解决如何有效利用的问题，现在有的企业按照有关规定进行余热回收，采用余热锅炉生产蒸汽，但是蒸汽无处可用，直接排空。
实际上是可以找到用途的。
4.4二次资源的利用和产品深加工
西方发达国家再生铅占铅产量的50%左右，我国仅占30%左右。
再生资源的回收利用不仅能节省大量能源，还可以减少资源开发。
废除铅和废锌制品的回收利用外，其他含铅锌物料的回收利用同样重要，同样节约能源和资源。
提高产品深加工比率，可减少铅锌加工时熔化所消耗的能源，例如将锌锭直接加工成锌合金，或锌的粉体材料，将铅锭加工成铅钙合金或铅锑合金。
这样既可以节省能源，又可增加产品的附加值。
4.5建立科学的能耗考核标准
（1）建议按物料量计算能源单耗，而不是按产品量计算能源单耗。
有利于鼓励资源的综合利用。
（2）统一各种能源折合标准煤系数，不能采用所谓的当量系数折合标准煤，这样与实际能耗相差很远。
（3）统一考核指标所包括的范围，因为考核指标总是以主产品为考核对象，不体现副产品的指标，考核指标是否包括副产品生产过程的能耗相差很大。
如铅冶炼能耗是否包括烟气制酸、炉渣烟化、阳极泥处理和金银回收的能耗。
（4）结合环境保护统一考虑，例如铅冶炼过程中进行湿法炼锌浸出渣的固化处理，主要出于环境保护和资源综合回收的目的，对产品产量贡献很小，不能用产品产量进行衡量。
4．6提高铅锌冶炼自动化控制水平
通过计算机数学模型对整个生产系统实现在线控制和在线检测。
比如在火发冶炼过程中，当原料成分发生变化时，计算机可以根据原料成分的变化，调整物料配比、熔剂配比、燃料量和氧气量等各种参数，自动控制炉内温度、气氛、压力和渣型等指标。
同时也可以检测炉内温度、气氛、压力和渣型的数据来修正物料配比、熔剂配比、燃料量和氧气量等各种参数。
从而保证系统最经济最合理的运行状态，减少能耗和物耗，延长设备使用寿命。
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