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为世界贡献中国绿色冶炼方案——记中国恩菲侧吹浸没燃烧熔池熔炼技术

  时间:2018-09-03

  说起有色矿冶行业的“国家队”——中国恩菲工程技术有限公司(以下简称“中国恩菲”)的名号在有色金属冶金行业算得上是如雷贯耳。作为世界500强中国五矿、中冶集团的骨干子企业,中国恩菲不仅着力打造有色矿冶国家队,还在高技术高质量发展的道路上,争当绿色环保排头兵、新兴产业创新者,致力于成为最值得信赖的国际化工程综合服务商及能源环境发展商。 

 

  中国五矿总经理、党组副书记,中冶集团暨中国中冶董事长国文清指出,要用独占鳌头的核心技术,持续不断的革新能力和无可替代的全产业链整合优势,承担起引领行业向更高水平发展的国家责任。恩菲人这样要求自己,也是这样行动的。 

  65年来,一代又一代恩菲人薪火相传,以创新为己任,为行业技术进步不懈努力着,其专有的氧气底吹(SKS),侧吹冶炼技术(SSC),无可争议地担当着行业技术领域“旗舰”的角色,引领着行业的高质量发展,这当中,侧吹浸没燃烧熔池熔炼技术更以其工艺先进、环境友好,成为行业公认的城市矿山处理首选技术。 

  开发城市里的矿山 

  随着我国工业化、城镇化和消费的持续升级,废钢、废有色金属、废弃电子产品、报废汽车和机电设备等各种废弃物每年以10%的平均速度增长,年产生量超过40亿吨。很多废弃物中既含铅、汞、镉等有毒有害物质,也含有价金属如金、银、铂等,处置得当可变废为宝,提炼一座优质的“城市矿产”。对于废弃资源加以有效利用,可替代部分原生资源,减轻环境污染。2010年起,国家开展城市矿产示范基地建设,使再生资源的循环利用成为了新的经济增长点。工业废弃物处理行业对企业资质要求严格,且技术要求、行业壁垒、管理水平“三高”,由于目前大多采用落后技术,新技术尚处在模仿欧美技术的初级阶段,导致国内工业处理能力低、利用率低,工业废弃物及危废处置能力严重不足,行业对自主技术需求十分迫切。 

  “骐骥一跃,不能十步;驽马十驾,功在不舍。锲而舍之,朽木不折;锲而不舍,金石可镂。”国家主席习近平要求我国广大科技工作者,要敢于担当、勇于超越、找准方向、扭住不放,牢固树立敢为天下先的志向和信心,敢于走别人没有走过的路,在攻坚克难中追求卓越,勇于创造引领世界潮流的科技成果。 

  中国恩菲在底吹炼铅、炼铜技术的创新研发应用方面,早已是行业的翘楚,“如何将深厚的技术积累进一步激发出来,是代代恩菲人不断钻研探索的问题。”恩菲人如是说。结合自身有色冶炼行业的经验,中国恩菲开展了多项专长技术的革新和新技术研发,已形成工业废弃物领域国内最完整的技术体系,覆盖火法冶金、湿法冶金、稀有金属冶金和环境治理等多专业多学科领域,为我国工业废弃物绿色清洁处置领域的规模化发展,提供了能与国际先进技术相媲美的技术支撑。这当中,有中国恩菲自主开发、具有自主知识产权的强化熔池熔炼冶金技术——侧吹浸没燃烧熔池熔炼技术(Side-Submerged Combustion Smelting Process,SSC技术)。 

  经过多年的实践,SSC技术已发展为一种近似理想的热技术系统。该技术是处理城市矿产废旧铅酸蓄电池、废旧印刷电子线路板、二次铅杂料、二次锌杂料、锑尘、锡精矿及锡中矿等不发热物料最先进的冶炼工艺。未来,随着有色行业有价金属综合回收需求的增加,以及侧吹浸没燃烧熔池熔炼工艺所具有的浸没燃烧直接给熔体内部补热、对不发热物料熔化、还原以及炉渣贫化的独特冶炼优点,有色冶炼企业对侧吹熔池熔炼技术的需求会日益增强。同时,随着近年来中国“一带一路”建设和推进国际产能合作的推进,侧吹浸没燃烧技术逐步推向海外市场,为世界贡献中国绿色冶炼方案。 

  解密“最先进的技术” 

  侧吹浸没燃烧熔炼技术满足氧化、还原、吹炼、挥发等各类冶炼工艺的要求,并可采用不同的氧气浓度和喷吹燃料实现最佳的“冶金过程热平衡精确控制”。 

  该技术是从设于熔炼炉侧墙浸没熔池的喷枪,直接将富氧空气和燃料鼓入熔融熔体或炉渣中,加入熔池的物料由于受到鼓风的强烈搅动作用,快速浸没于熔体之中,完成物理化学反应的一种用于处理不发热物料的强化熔池熔炼技术。 

  总体来看,侧吹浸没燃烧熔炼工艺在以下方面的优势非常显著: 

  一是富氧浓度高、热利用率高,喷枪寿命长。侧吹浸没燃烧熔池熔炼工艺采用富氧熔炼,燃料及助燃气喷入熔池并燃烧,搅拌强度大,传质传热快,热利用率高,单位容积热强度大。熔炼炉产生的高温烟气经余热锅炉回收余热,产生的蒸汽可以得到充分利用。喷枪结构和布置的优化,提高了熔池搅动效率和反应速度,提高了其他的燃烧效率,喷枪使用寿命超过6个月,真正实现了生产自动化和改善职工劳动环境。 

  二是作业率高,年作业时间可以达到300天~330天。由于侧吹炉炉墙为二层结构形式,耐火材料能够起到隔热作用,减少炉子热损失,外层铜水套在炉墙上形成冷却层,使炉墙耐火材料始终在低温下工作。铜水套和内衬的结构有利于冷却和刮渣,大大延长了炉子的寿命。 

  三是安全性好。炉墙采用二层结构形式,内层为耐火砖砌体,外层为铜水套镶嵌耐火砖,能够形成保护,从而确保炉体安全。 

  四是烟尘率低、环保好。相比于其他富氧侧吹炉15%~20%的烟尘率,侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉避免了鼓动大量空气所造成的剧烈搅动,用于液态铅渣直接还原时烟尘率仅为7%。此外,该技术采用微负压操作,无烟气外逸;系统产生的烟尘密封输送返回熔炼配料,无铅尘弥散;熔炼炉放出口和热物料输送流槽均采用强化通风,有效防止有害气体扩散,满足岗位环境卫生标准要求。 

  五是有价金属综合回收率高、冶炼弃渣无害化。该工艺独特的炉体结构,使炉内各熔池相分离效率高。金属相位位于喷枪下层,基本处于静止层,对金属熔体和液态渣两相澄清效果非常好,可通过金属层的高度来调节分离效果。生产指标表明,侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉排出弃渣含铅低于2%,属于一般固体废弃物,可直接作为建筑辅材外卖,变废为宝。 

  应用侧吹浸没燃烧技术的诸多领域之中,采用连续熔化还原技术处理再生铅膏,是中国恩菲的一项针对城市矿产开发的技术创新,废铅蓄电池铅膏连续熔池熔炼技术针对再生铅膏等二次铅资源进行开发,低温、连续、高效、清洁。2015年,该技术成果整体达到国际领先水平,并荣获中国有色金属工业部级科技进步一等奖。这项技术有多神奇,下面的数据或许可以给你答案:铅回收率>98.5%;锑、锡回收率>95%;硫利用率>98.5%;弃渣含铅<2%,属一般固废;废水循环利用率>98.5%;冶炼废气排放量<1000Nm3/t,硫<50mg/Nm3,铅<0.2mg/Nm3;粒煤单耗169kg/t;天然气单耗50Nm3/t。 

  此外,针对我国每年近150万吨的电子废弃物,中国恩菲结合国内技术现状及国外发展实际,提出了一种经济、安全、金属回收率高的废旧线路板回收工艺——废旧线路板破碎分选-侧吹浸没火法熔炼-冶炼烟气余热回收、骤冷出PCDD&PCDF-冶炼金属精炼分离技术,即SSC-WastePCB工艺。通过侧吹浸没燃烧绿色冶金技术的应用,将会逐步解决我国危废处置领域关键工艺流程绿色化程度不高的问题,做到了危废处理的减量化、无害化和资源化,并形成民族危废产业技术自主创新体系,将使我国废旧线路板的综合水平达到世界领先水平。 

  “国家队”的担当 

  随着时代的发展,传统的工艺已经难以为继。侧吹浸没燃烧熔炼技术的运用是在其他熔池熔炼技术工业化生产的基础上逐步发展起来的一种新型熔池熔炼工艺。中国恩菲开发设计的第一座将侧吹浸没燃烧熔炼技术应用于生产的工业炉是熔融富铅渣的还原熔炼炉,它是在我国实现了氧气底吹炼铅和富氧顶吹等熔池熔炼商业化生产的基础上和需求中应运而生的,示范厂工业化生产和技术指标的优越使得该项技术得到了较快的推广,改进的装置已推广到其他行业。 

  20世纪末,我国冶炼技术比较落后,随着产能的逐年增加和环保压力的日趋严重,尤其是铅冶炼一直采用传统的烧结-鼓风炉工艺,不仅能耗高,而且烧结烟气中二氧化硫浓度低,直接排放严重污染环境。传统工艺的装备虽历经技术改造,但最终未能实现技术的突破。当时铅锌领域的领军企业之中的豫光金铅烧结烟气采用非稳态制酸,而株冶公司烧结机引进托普索公司的WSA工艺制酸,但硫回收率都较低,且成本过高。除上述两家企业外,其余铅冶炼厂的烟气仍采用空气排放,低空二氧化硫、铅尘弥散,严重制约了我国铅冶炼行业的生存和发展。 

  为此,2000年初,原中国有色金属工业总公司铅锌局多次召开技术讨论会,提出了我国铅冶炼技术发展“治本”思路,即用氧气底吹或富氧顶吹技术改造我国传统的炼铅工艺。氧气底吹熔炼-鼓风炉还原炼铅即SKS冶炼工艺,通过一院(中国恩菲)三企业合作协议,在以往多次工业性试验的基础上完成了验证试验工作,为大规模工业化设计提供了技术支撑。经河南豫光金铅股份有限公司和池州两铅厂的建设、工程化装备的研发,2002年顺利实现了连续稳定的生产,从而迅速地在国内铅冶炼企业中得到了推广运用。紧接着,云南驰宏锌锗股份有限公司曲靖铅锌厂采用富氧顶吹浸没熔炼-鼓风炉还原炼铅工艺于2005年也实现了工业化生产,解决了烟气中硫的回收并明显改善了操作环境,克服了常见的烧结工艺危害,至此我国铅冶炼行业实现了熔池氧化熔炼取代传统的烧结工艺,步入了铅冶炼技术改造的新阶段。而上述两种铅冶炼工艺均采用高铅渣铸块、冷却、备料、进鼓风炉还原熔炼,尚存在熔融高铅渣的热量并未利用,鼓风炉需要消耗昂贵的焦炭,能耗高、成本高、过程弥散点也较多,不利于环境治理等缺点。 

  中国恩菲为完善SKS工艺,提出了开发液态高铅渣直接还原技术取代铸块鼓风炉还原工艺,新技术得到了国家支持并确定为国家“十二五”期间重大产业技术开发项目,拨付了专项资金予以支持。该课题的研发进一步达到了节能降耗、改善环境,实现低碳、低能耗、短流程的炼铅工艺,提高了我国炼铅的整体水平。侧吹技术在应用于熔炼高铅渣直接还原工艺的前期,中国恩菲也曾对锌浸出渣还原熔炼进行相关技术工作研究,这些工作经历和成果对侧吹浸没燃烧熔炼的技术发展起到了很好的奠定作用。 

  不积跬步,无以至千里。在创新工艺的道路上,恩菲人以“国家队”的担当,深入一线、精诚合作,用身体力行诠释了“国家队”的使命感,一步一个脚印地开创了侧吹浸没燃烧熔炼技术的新天地。 

  为世界贡献中国绿色冶炼方案 

  “核心技术要取得突破,就要有决心、恒心、重心。”什么是核心技术?习总书记指出:“一是基础技术、通用技术。二是非对称技术、‘杀手锏’技术。三是前沿技术、颠覆性技术。”恩菲人深知创新驱动发展的要义,也正因此成就了侧吹浸没燃烧熔池熔炼技术发展的三部曲: 

  第一部,2004年,中国恩菲高级专家、全国冶炼大师、全国劳动模范王忠实首次提出侧吹浸没燃烧熔池熔炼技术并持续研发。2009年,中国恩菲在济源金利液态铅渣侧吹还原炉工业试验成功。同年在驰宏锌锗股份公司会泽者海老厂和四川什邡分别开展侧吹处理锌浸渣和侧吹挥发炼磷的工业试验。 

  第二部,2013年液态铅渣侧吹还原炉分别在湖南有色金属有限公司和驰宏会泽项目投产成功。中国国内第一条用于处理未脱硫铅膏的SSC炉(60000t/a)试验示范生产线于2012年在湖北省金洋公司投产。 

  第三部,中国国内第二条SSC炉(100000t/a)工业生产线于2016年9月在河南豫光金铅公司投产。最新一条即第三条SSC炉(100000t/a)工业生产线于2017年8月在湖北金洋公司投产。 

  这样的三部曲,如同国家队队员得胜归来高奏的凯歌,擎起了中国恩菲创新发展的大旗,更彰显了独占鳌头的技术的卓越。在此过程中,恩菲人用实际行动,践行着习总书记对自主创新举措的论述:第一,在科学研究投入上集中力量办大事。第二,积极推动核心技术成果转化。第三,推动强强联合、协同攻关。 

  技术的主要研发人、恩菲研究院创新发展部主任陈学刚介绍,金利公司第一台侧吹炉示范性生产后,采用富氧侧吹还原熔融高铅渣炼铅的方法很快在国内得到了推广运用。中国恩菲在会泽铅厂搬迁工程中采用该项技术取代高铅渣铸块鼓风炉还原炼铅工艺。会泽工程于2013年12月投产,仅用6个月的时间就超过了设计能力,各项指标均优于设计指标,采用富氧浓度50%,产铅由设计值130t/d达到180t/d,综合能耗由设计值230kg煤/t粗铅降至183kg煤/t粗铅(未扣除蒸气热能)。由于热效率高,余热锅炉蒸汽产量也由设计值的11t/h降至7t/h,渣含铅由设计值的3.5%降至2%以下,烟尘率由设计值的8%降至6%,以上生产数据均为项目总包考核验收值。目前,该工程已进行了4年的生产实践,喷枪、砖的寿命达到了7~10个月之间的良好纪录。 

  项目团队也积极寻找着产业合作伙伴。2010年,湖北金洋冶金股份有限公司原采用反射炉间断处理废铅酸蓄电池铅膏及铅屑工艺,由于环境保护的要求,提出了希望用短流程连续熔炼处理拆解铅膏。中国恩菲推荐富氧侧吹技术可达到连续熔炼铅膏的目的,双方签订了合作开发技术协议,进行了工业生产装置的试验工作,待试验工作完成后即转入示范性生产。该项目经过2011年设计,2012年建成,2013年开始试验。试验过程中对工况、渣型、连续化操作制度以及炉子局部结构均进行了调整,通过摸索积累了较多的经验。2014年下半年转入示范性生产,2015年通过行业协会组织的专家评审,完成了课题的研究验收,对各项示范生产指标进行了评估,专家建议尽快推广运用于解决再生铅行业铅膏处理的落后状况。与此同时,该项目获得中国有色金属工业科技进步一等奖。同年,豫光金铅集团决定采用该项目技术单独处理12万t/a铅膏和部分栅板,采用一台15.6m2侧吹浸没燃烧炉,喷枪与金洋一样,采用天然气和富氧,炉型根据金洋的经验做了一些修改,增加了制粒系统,同时也考虑天然气改为粉煤进行相关试验研究。2016年9月投产,进行试产过程中,操作熔炼段采用了较高的氧势,各项技术经济指标优于金洋,产出的粗铅质量较好,渣含硫量为0.3%,渣含铅量小于2%;投料(干基)18.6t/h,粒煤1.9t/h,天然气550m2/h,铅膏处理量(干基)372t/d,产铅量260t/d,第一炉期喷枪、砖寿命为5个月,喷枪寿命大于5个月。 

  2017年,中国恩菲又与骆驼集团新疆再生资源有限公司签订了16万吨废旧铅酸蓄电池项目总承包合同。目前,该项目已进入施工图设计阶段。 

  同时,中国恩菲在锑冶炼方面也取得突破性进展,与广西河池市生富冶炼有限责任公司签订了采用氧气底吹和侧吹浸没燃烧技术的“底吹熔炼-侧吹熔融还原-富氧挥发”连续炼锑1.5万t/a锑冶炼项目的设计和总包合同,目前项目正在建设中,预计2019年初投产。 

  2018年,中国恩菲侧吹浸没燃烧技术持续在危废领域扩大应用及市场影响力,先后签订肇庆市飞南金属有限公司10万吨/年含铜二次资源综合利用项目工程设计合同、云南驰宏锌锗股份公司会冶锌浸出渣处理环保节能技改工程设计及供货合同、云南驰宏资源综合利用有限公司160kt/a废旧铅酸电池无害化综合回收项目设计及供货合同、白银西北铅锌冶炼厂锌渣综合回收及无害化处理项目工程设计合同、株冶搬迁铅精炼及稀贵综合回收项目等。 

  日日行,不怕千万里;常常做,不怕千万事。国文清同志要求子企业要坚持科技创新,抢占科技制高点,保持不用扬鞭自奋蹄的动力,重点解决核心技术走向市场问题,把具有自主知识产权的核心专利技术搭载到装备上,快速转化为高端产品群,快速进入市场,整体工程、核心技术、核心装备要形成规模和品牌,真正实现中冶先进技术、先进管理、先进装备的深度融合。为了把侧吹浸没燃烧技术延伸到更多的产业中,使之符合时代的需求,恩菲人持续提升技术水平,近期研发团队已经开始了第二代侧吹浸没燃烧熔炼技术的研发,以进一步拓展在黑色金属、高熔点金属氧化物料还原熔炼领域的应用。 

  近年来,我国侧吹浸没燃烧熔炼技术迅速广泛的工业应用情况表明,侧吹浸没燃烧熔炼技术具有独特优势和旺盛的生命力,侧吹冶炼装置将继续向多功能化、炉体大型化、高床能率化、长寿命化进行优化和提升。同时,侧吹浸没燃烧冶炼技术已显示出巨大的技术先进性和发展潜力,特别是未来在城市矿山、固体废弃物领域的资源化和无害化处理的巨大需求,说明该技术大发展的时代已经来临。而中国恩菲已然走在了时代的前列,由中国恩菲擎起的创新绿色发展的大旗,在有色冶金技术大发展的时代中一定会站在世界之巅熠熠生辉。