锌的冶炼方法分为火法炼锌和湿法炼锌两大类。

湿法炼锌最早于1916年投入工业生产, 随着技术的发展和环保的要求, 湿法炼锌已是当今炼锌的主要方法, 其产量占世界锌产量的80%以上。湿法炼锌有常规湿法炼锌工艺、 热酸浸出炼锌工艺和硫化锌精矿氧压浸出工艺等。前2种工艺都需要进行焙烧, 使ZnS变成易被稀硫酸溶解的ZnO, 焙烧产出的氧化锌焙砂送湿法炼锌系统生产电锌。硫化锌精矿氧压浸出新工艺于1981年在加拿大开始投入工业生产, 因为取消了锌精矿的焙烧作业, 真正实现了全湿法工艺炼锌。

火法炼锌的方法有平罐炼锌、 竖罐炼锌、 电炉炼锌和铅锌密闭鼓风炉炼锌4种。平罐炼锌由于环境污染严重, 劳动条件差, 目前已基本淘汰。竖罐炼锌经过几十年的发展, 单罐受热面积由最初的40 m²提高到100 m², 热利用效率大大提高, 但是能耗偏高, 制约了其工艺的发展, 也逐步被其他方法所代替。电炉炼锌是于20世纪30年代出现的炼锌技术, 我国于20世纪80年代开始采用该工艺, 目前已有几十个小型工厂应用该方法, 但是其生产规模都较小, 一般产量为500~2500 t/a。

由于自然界中铅、 锌矿物共生现象较普遍, 尤其是有些矿物呈细粒嵌布状, 选矿分离困难且费用较高, 因此, 用一种工艺来同时生产铅、 锌已成为人们追求的目标。铅锌密闭鼓风炉熔炼法是火法炼锌中的一大改革。很久以前有人试图用直接加热法的鼓风炉炼锌, 但因鼓风炉炉气中CO₂和N₂含量高而锌蒸气低, 冷凝时又被CO₂重新氧化等难点而未获成功。英国帝国公司经历了近三十年的研究, 采用了高温炉顶(1000~1080℃)和铅雨冷凝器后, 才于1950年实现了小规模鼓风炉炼锌的工业生产。因此, 铅锌密闭鼓风炉炼锌又称帝国熔炼法(Imperial Smelting Process), 简称ISP法, 其发展和推广者主要是以Derek Temple博士为代表的英国铅、 锌联合会。该工艺是火法炼铅锌的重大技术发展, 突破了竖罐炼锌由间接蒸馏到直接还原熔炼的技术难题, 且由于铅锌密闭鼓风炉具有生产率高, 投资少, 综合回收好, 特别适于处理含有锌、 铅、 铜的复杂矿石, 因而引起了人们的重视。所以在20世纪60年代, ISP应用于工业生产后得到了迅速发展, 单台鼓风炉粗铅锌产量由最初的5万t/a提高到10~15万t/a, 锌产量曾经占当时世界锌总产量的12%左右。

1959年, 英国首先在斯温西锌厂建立了一座炉身面积为17.2 m²的标准型铅锌密闭鼓风炉, 年产粗铅锌5~7万t。

1968年, 英国阿旺茅斯铅锌冶炼厂兴建了一座27.2 m²的炉子, 设计能力为年产粗铅锌9万t。

韶关冶炼厂于20世纪60年代引进ISP工艺用于处理凡口铅锌矿, 1975年建成了我国第一座炉身面积为17.2 m²的标准型铅锌密闭鼓风炉, 设计能力为年产粗铅锌5万t。1996年韶关冶炼厂兴建了第二座炉身面积为17.2 m²的标准型铅锌密闭鼓风炉, 年设计能力为年产粗铅锌8.5万t。全世界曾建有14座铅锌密闭鼓风炉, 现有10座炉正在进行铅锌的生产。目前国内韶冶、 白银三冶、 陕西东岭和葫芦岛锌业公司共有五套ISP工艺铅锌生产系统; 国外共有钱德里亚(印度)、 柯普沙·米卡(罗马尼亚)、 米亚斯特茨克(波兰)、 八户和播磨(日本)五套ISP工艺生产系统。

铅锌密闭鼓风炉生产工艺(ISP工艺)可分为以下几个阶段:

(1)铅锌硫化精矿、 氧化物料和熔剂的烧结与脱硫。

(2)烧结焙烧过程产生的SO₂烟气经净化后送去生产硫酸。

(3)烧结块和其他含Pb、 Zn的团块配入焦炭, 加入鼓风炉中进行热风熔炼。

(4)从鼓风炉下部放出粗铅和炉渣, 在电热前床中分离。

(5)从鼓风炉顶部溢出的含锌炉气经炉喉引入铅雨冷凝器中, 锌蒸气被铅雨捕集、 吸收, 含锌铅液由铅泵抽出, 经冷却分离后产出粗锌。

(6)产出的粗锌与粗铅经进一步精炼, 得到符合国家标准的产品锌锭和铅锭。

ISP工艺最大的特点是在密闭鼓风炉熔炼过程中同时产出粗铅和粗锌, 对原料的适应性广泛, 机械化、 自动化程度相对较高, 能源利用较合理, 资源综合回收较好。经过几十年发展, 在世界ISP俱乐部成员的共同努力下, 世界各ISP厂家在生产中不断改进、 强化冶炼过程, 规模不断增大, 密闭鼓风炉炉身面积由最初标准型17.2 m²增大至目前最大的28 m², 并将冷凝器相应扩大, 炉顶加料装置及其他附属设备进行相应改进, 粗铅锌产量由最初的5万t/a提高到目前的15万t/a, 规模不断扩大, 在产能增长的同时, 单耗及成本进一步降低。同时通过新技术、 新材料的应用, 如打炉结机应用、 富氧烧结及熔炼、 烧结机和光辊破碎机的改进等, 进一步提高了烧结料层厚度, 延长了鼓风炉系统的清扫周期, 提高了各ISP厂的作业时间, 增加了粗铅锌产量, 进一步降低了生产成本, 推动了ISP技术进步。

在目前资源利用被足够重视, 原料价格不断上涨的情况下, ISP工艺的潜在优势越来越明显。二次物料的利用符合节约资源和清洁生产的要求, 这也是ISP工艺优势所在, 使用二次物料, 有利于降低原料成本, 增加产量, 保护环境, 提高金属回收率。该工艺对二次物料的处理, 首先是解决自身工艺流程中所产出的氧化物料, 如蓝粉、 浮渣、 次氧化锌、 各收尘烟灰等, 同时也可以处理含Pb、 Zn的威尔兹氧化物、 钢厂烟灰、 电弧炉灰、 锌中浸渣、 铅银残渣、 热镀锌灰等。另外阿旺茅斯、 八户、 杜依斯堡、 柯克·克里克厂先后发展了冷、 热压团技术, 即将氧化物料与黏结剂压成团块直接加入鼓风炉进行还原熔炼, 还有部分厂家研究了风口喷吹泵池浮渣技术, 这些技术都取得了一定效果。

能源是国民经济发展的物质基础, 合理利用能源、 节约和降低能耗是我国一项重要国策。近年来, 各ISP厂家在降低能耗方面做了大量工作: 扩大产量降低单耗、 提高鼓风炉热风温度降低焦炭单耗、 冷却流槽余热发电、 利用低热值煤气发电、 烟化炉与锅炉一体化、 烧结机烟罩余热的利用、 精馏塔采用新型塔盘、 提高水循环利用率、 变频器的使用等, 大大降低了ISP工艺能耗。

从ISP工艺应用于工业生产铅锌以来, 各ISP冶炼厂都非常重视环境治理, 将环境污染降低到最低限度, 废气、 废水、 废渣均做到了达标排放, 满足了日益严格的环境保护要求。近年来在环境保护方面所做的主要工作有: SO₂烟气制酸工艺由一转一吸改造为两转两吸、 烧结机机头增加烟气脱硫装置、 机尾烟气的全返回、 鼓风炉及烟化炉渣水淬和鼓风炉炉顶烟气采用电收尘处理、 污水采用纳滤工艺深度处理回用等, 通过这些措施的落实, 进一步促进了ISP厂的环境保护工作。

ISP工艺优势体现在可以处理其他工艺无法处理的铅锌混合精矿和二次氧化物料等方面, 降低了生产成本, 提高了资源综合利用水平, 促进循环经济的发展。

本书由张伟健主编, 钟勇、 曾令成副主编, 参与编写的人员还有周长青、 曾平生、 戴孟良、 黄大霜、 江新辉、 王起愈、 徐克华、 岳德宇、 张建立、 欧晓富、 欧耀彬、 杨林平、 刘吴盛、 熊建军、 袁贵有、 吴成春、 李昭、 石怀涛、 韦战辉、 赵兴伟。

本书适用于锌冶炼企业的工人、 技术人员和管理人员, 也可供大、 中专院校、 职业培训学校的教师和学生以及相关研究、 设计人员参考。

有色金属是重要的基础原材料, 广泛应用于电力、 交通、 建筑、 机械、 电子信息、 航空航天和国防军工等领域, 在保障国民经济建设和社会发展等方面发挥了不可或缺的作用。

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康义

2009年3月