卡尔多炉炼铅工艺的思考

董晓伟，何醒民

(长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南长沙 410011)

1 引言

我国为世界铅生产大国，2012年铅产量464.6万t，目前铅冶炼行业面临的突出问题是:生产成本不断提高;产能过剩压力凸显;重金属污染治理形势空前严峻。面对资源、环境和成本的三大挑战，21世纪以来，我国铅冶炼技术及装备水平得到快速发展，各种炼铅工艺在我国都有应用，如SKS法、艾萨-鼓风炉法、Kaldo法、富氧底吹(或侧吹)-热态渣直接还原法、Ausmelt三段法、kivcet法等，以上炼铅工艺极大地提高了我国铅冶炼技术装备水平，创造了适合我国国情的高效节能环保低碳的铅冶炼新技术。我国在引进消化吸收国外卡尔多炉炼铅工艺生产中虽然出现了一些问题，但工厂整体状况良好，能满足生产要求，特别是在瑞典隆斯卡尔厂有同样一台卡尔多炉一直在炼铅、炼铜及处理废杂铅、铜及军工废料，因此，对卡尔多炉炼铅工艺进行全面思考，采用优化措施，完全能解决卡尔多炉炼铅生产中的问题，卡尔多工艺是成熟可行的。

2 Kaldo法在国外的生产应用

瑞典波立登(Boliden)公司利用氧气顶吹转炉熔炼技术，开发了卡尔多(Kaldo)熔炼法用于有色金属冶炼，可处理铜精矿、废杂铜、废铅蓄电池、铅精矿、铅尘及阳极泥等物料，目前世界上有意大利、伊朗、波兰、哈萨克斯坦、墨西哥、俄罗斯、美国、印度等国的多家冶炼厂采用不同规格的卡尔多炉处理不同物料。瑞典隆斯卡尔厂的卡尔多炉一直在炼铅、炼铜及处理废杂铅、铜及军工废料，该厂的烟气处理系统较为复杂，其特点是烟气种类多，部分烟气不连续。连续烟气来自铜精矿沸腾炉、炼铜电炉，不连续烟气来自铜转炉及卡尔多炉，以上烟气均进入混合塔，经净化处理后，大约33%的烟气进入SO2部分冷凝系统生产液体SO2，67%的烟气进入制酸系统生产硫酸。SO2部分冷凝技术是一种常规的SO2浓缩技术，国外黄铁矿沸腾焙烧制酸厂，广泛抽取部分烟气采用该技术来获得合格的液体SO2产品，其余烟气送制酸［1］。

3 Kaldo法在国内的生产应用

目前国内已引进了三套卡尔多炉装置，一套用于铅精矿冶炼，一套用于处理废杂铜，另一套用于铜阳极泥处理，以下为卡尔多炉冶炼铅精矿的生产应用情况。

3.1 工程概况

工程设计粗铅5万t/a、硫酸4.5万t/a，从瑞典波立登公司引进卡尔多炉炼铅及SO2部分冷凝技术，外方完成引进部分的基本设计并提供关键设备，如:卡尔多炉熔炼及SO2部分冷凝系统的全部自动化检测控制仪表、精矿加料器、喷枪、卡尔多炉部件、可调文丘里、制冷压缩机等，引进部分的主体设备由外方提供详细设计国内制造，如卡尔多炉、箕斗提升机、水冷烟道、抬包车、SO2预冷器、SO2冷凝器、产品热交换器、制冷剂冷凝器等，国内负责转化及配套设施设计，引进部分工程的进口设备及部件占比例约为15%，其余85%设备及部件为国内制造，整个工程增加投资约为同等规模SKS法的3～5%，设备配置及装备水平提高很多，主要增加投资内容为外方的技术诀窍费、进口设备及部件费用。

工程主要由以下部分组成:原料制备、卡尔多炉熔炼、烟气净化及SO2部分冷凝、制酸、氧气站、循环水系统、变电站。

3.2 生产过程描述

原料制备主要由一、二段干燥窑组成，一段干燥窑主要干燥烟尘滤饼，当精矿水份＜10%时，直接进二段干燥，干燥后水份要求＜0.5%。

卡尔多炉冶炼硫化铅精矿分为闪速熔炼和还原二个步骤，干燥好的精矿通过精矿加料器由喷枪喷入卡尔多炉内进行自热闪速熔炼，返料、熔剂及焦碳由箕斗提升机加入炉中，卡尔多炉分别以加料、熔炼、倒渣出铅三个位置工作，烟气通过水冷烟道进入可调文丘里湿式降温除尘，收集的烟尘泥浆送浓密机经压滤机得烟尘滤饼返干燥。粗铅注入抬包车中铅包冷却铸锭，渣包用吊车倾倒造水碎渣。

卡尔多炉为间断作业，烟气中SO2浓度波动很大，在0～16%之间变化，氧化阶段烟气SO2高约16%，在还原阶段或者出渣出铅阶段SO2浓度很低，甚至为零，用SO2部分冷凝系统就是把浓度变化的SO2烟气变成浓度相对稳定的SO2烟气，以供制酸使用，为此，设定一个SO2浓度值，当烟气中SO2浓度值高于设定值时，多余的SO2则被冷凝下来，当烟气中SO2浓度低于设定值时，液体SO2储罐就自动释放SO2补充到干燥塔内，使进入转化工序的烟气SO2浓度达到要求值［2］。

降温除尘后的烟气进入冷却塔、电除雾及干燥塔进行净化，深度除酸雾及水份净化后的烟气进入SO2预冷器换热，然后进入 SO2冷凝器产出液体SO2，制冷剂采用R410A，经SO2冷凝器气化的制冷剂经压缩机压缩后进入产品热交换器，然后进入制冷剂冷凝器冷却成液体R410A循环使用。净化后的烟气采用二转二吸制酸。

3.3 生产指标

中方、外方专家在生产期间，对卡尔多炉炼铅及SO2部分冷凝系统进行了一周时间的性能测试，测试结果满足合同给定的关于产量、质量及环境要求的所有性能保证，数据见表1。

表1 卡尔多炉炼铅及SO2部分冷凝系统生产性能测试

3.4 工艺技术特点

(1)对原料的适应性强，卡尔多炉不但可以处理不同品位的铅精矿，而且可以在不改变任何设备的条件下，改炼废杂铜等其它物料。

(2)工艺过程简单，加料、氧化、还原和排渣放铅均在一个空间内完成，属一步炼铅工艺。

(3)设备简单，卡尔多炉结构紧凑，密封性好，可满足严格的环保要求，排出的烟气经处理后可制酸。

(4)SO2部分冷凝系统采用深冷法，其原理是利用制冷剂换热，将烟气温度冷却到SO2露点温度以下，使氧化段烟气中多余的SO2冷凝为液体SO2，在还原段再将液体SO2返回制酸烟气。压缩机用于压缩气化的制冷剂后再冷凝成液体制冷剂循环使用，由于还原段烟气SO2浓度很低，此时压缩机为空载运行，整个过程仅压缩机消耗一些电能。

(5)投资省，经济效益好，规模可大可小，易于操作。

4 卡尔多炉炼铅的问题

4.1 设备故障

引进设备性能良好，如:精矿加料器、可调文丘里、制冷压缩机、全套自动化检测控制仪表等，生产实践证明这些引进设备能满足生产要求，但同时也存在精矿加料器给料速度不稳定，计量系统有待完善，SO2浓度分析仪不准确等问题。卡尔多工厂的原料制备、烟气净化及SO2部分冷凝、制酸、氧气站等，设备故障率较低，主要设备故障还是集中在卡尔多炉熔炼［3］。

(1)喷枪及喷头

外方提供的喷枪及喷头为易损件，生产中发生喷枪漏水及喷头烧损，现已国产化，性价比已超过国外产品。

(2)卡尔多炉部件

外方提供的卡尔多炉部件，如:万向轴、回转轮、止推轮、回转减速机、弹性元件等，现已国产化。

(3)水冷烟道

由于受熔渣冲刷腐蚀作用，使得烟道耐火层脱落，重新浇注耐火材料。

(4)炉体耐火砖

国产耐火砖使用寿命均较短，采用大连生产的奥美砖使用寿命长，生产数据:炉口砖160炉，渣线砖260炉，炉身砖350炉，炉底砖525炉，完全能满足生产要求。

(5)文丘里风机

文丘里风机为国产设备，其工作条件恶劣，烟气中含尘及水分高，介质有稀酸腐蚀作用，风机总体运行效果是可行的，但风量达不到设计值，为维持生产，只能调大可调文丘里喉管开度，导致烟气净化效果差。

(6)SO2冷凝器

SO2冷凝器被铅尘污染堵塞，分析原因是文丘里风机能力不够，可调文丘里喉管开度加大，造成烟气净化效果差，未净化的铅尘带入了SO2部分冷凝系统。

(7)自动检测控制系统

引进部分的自动化检测控制程度高，点多面广，程序复杂，虽然整个系统硬件及软件运行正常，但随着时间的推移，自动化检测控制系统需要加强日常维护。

4.2 工艺问题

(1)作业率低

由于卡尔多炉熔炼设备故障及操作原因，致使生产能力达不到设计值，但工厂的水、电、气消耗，设备维护，财务费用均要发生，而造成生产成本高，因此提高卡尔多炉设备运转率将是降低生产成本的重要因素，先达产才能达标，而国内另外两套分别用于处理废杂铜及铜阳极泥的卡尔多炉都在正常运行，企业间有相互交流学习的平台，这对完善国内卡尔多炉技术及设备具有积极作用。

(2)中间物料多

中间物料主要由三部分组成:烟尘滤饼是在氧化阶段从水冷烟道随烟气一起带到可调文丘里洗涤，沉降及过滤后得到的烟尘，烟尘率11～15%;烟道渣是在氧化阶段从水冷烟道流出的高温氧化铅熔体，流出率8%;富铅渣是凝固粘结在铅包壁上的渣，粘结率5%。

对于中间物料多的原因，外方认为一是原料含铜高，建议含铜高物料应单独集中处理;二是文丘里风机能力不够，影响工艺操作条件控制。建议更换或改造文丘里风机。

(3)液体SO2冷凝能力不够

由于液体SO2冷凝能力不够，在氧化阶段烟气中SO2浓度偏高，而在还原阶段向烟气补充的液体SO2量偏小，造成烟气中SO2浓度不稳定。

5 卡尔多炉炼铅的优化措施建议

5.1 提高作业率

加强人员培训，提高操作水平及设备维护能力，提高作业率大于90%，使卡尔多工厂正常运行。

5.2 卡尔多炉处理低品位杂矿

利用卡尔多炉能处理其它冶炼方法不能处理的低品位杂矿特点，虽然降低了铅产量，但考虑原料价格以及低品位杂矿富集的有价金属，具有综合经济效益的优势。

5.3 增加烟化炉处理卡尔多炉渣

卡尔多炉产出的中间物料产率在20～25%，与富氧底吹-热态渣直接还原法的氧化段和还原段产出的烟尘率相当(20～25%)，除Kaldo法及Ausmelt三段法外，其它炼铅工艺方法的渣处理都采用烟化炉(或Ausmelt炉)，烟化炉还原挥发可以降低渣含铅，同时将锌还原挥发到烟尘中回收，更重要的是可以减小炼铅还原段的压力，烟化炉可对较高含铅的渣作进一步还原处理，大大减少中间物料，因此，增加一台烟化炉处理卡尔多炉渣是必要的。

5.4 卡尔多炉搭配处理锌氧浸渣及中浸渣

回转窑处理中浸渣存在能耗大，大气量低浓度SO2烟气需处理的问题，其生产成本已占锌生产成本的40%以上，采用卡尔多炉搭配处理锌氧浸渣及中浸渣，利用锌氧浸渣中硫代煤或焦，可节省能源40%以上，因为只有氧化阶段，没有还原阶段，不需SO2部分冷凝系统，烟气可连续制酸，热渣采用烟化炉还原挥发锌进烟尘回收。

6 几种炼铅工艺的比较

几种炼铅工艺的比较见表2。

表2 不同炼铅工艺结果详情

从表2可知，几种炼铅工艺的总铅回收率及总硫回收率相差不大，但SKS法总硫回收率偏低，主要原因是铸渣机冷却及鼓风炉还原熔炼外逸部分SO2烟气。SKS法综合能耗高主要是冷料进鼓风炉造成焦率高的原因，而Ausmelt三段法与Kaldo法，由于烟气SO2浓度不稳定，分别采用有机胺吸收-解析及SO2部分冷凝系统送制酸，制酸要多消耗一些蒸汽或电能，造成综合能耗偏高，但这二种炼铅工艺的氧化、还原或烟化都在一个炉子完成，操作简便，而富氧底吹-热态渣直接还原的氧化、还原、烟化在三个炉子中完成，任何一个炉子出故障都得影响其它炉子生产，操作复杂，而韩国QSL炉的氧化还原都在一个炉子中完成，富氧底吹-热态渣直接还原法又会回到QSL法。

7 结语

国内引进的卡尔多炉炼铅工艺基本上是瑞典隆斯卡尔厂卡尔多炉的翻版，国外工厂已有多年生产实践经验，技术设备先进、成熟可靠，完全可以解决国内卡尔多炉炼铅生产中的问题，卡尔多工艺是成熟可行的，为一种节能环保的清洁生产工艺。

［1］舒见义.卡尔多炉炼铅工艺在国外的生产应用［J］.工程设计与研究，2006，(121):14-16.

［2］舒春桃.SO2部分冷凝系统的设计［J］.工程设计与研究，2006，(121):27-30.

［3］刘军，盛玉永.卡尔多炉炼铅设备运行及整改实践［J］.工程设计与研究，2007，(122):23-25.

［4］王建铭.氧气底吹熔炼-鼓风炉还原炼铅的新进展［M］.中国首届熔池熔炼技术及装备专题研讨会，2007，4.

［5］山东恒邦冶炼股份有限公司·恒邦“双底吹”炼铅法工艺优势［M］.全国第十二届铅锌冶金学术年会，长沙:2013，5.

［6］宋兴诚.“一炉三段”直接炼铅工艺技术开发及产业化应用［J］.全国第十二届铅锌冶金学术年会，长沙:2013，5.

［7］张乐如.现代铅冶金［M］.中南大学出版社，2013，130-161.