湖南柿竹园铋冶炼改扩建工艺设计.pdf

第5 9 卷第3 期 2007 年8 月 有色金属 N o r d e r m u aM e t a l a V 0 1 ．5 9 ，N o ．3 A u g u s t2 0 0 7 湖南柿竹园铋冶炼改扩建工艺设计 周晓源1 ，张自军2 1 ．长沙有色冶金设计研究院，长沙4 1 0 0 11 ；2 ．湖南柿竹园有色金属有限责任公司，湖南郴州4 2 3 0 3 7 摘要介绍湖南柿竹园公司铋冶炼改扩建的工艺设计。相对经典的铋反射炉混合熔炼工艺。设计中在入炉原料制粒、出炉 烟气余热利用以及反射炉炉型等方面作了改进和创新。 关键词有色金属冶金；铋；反射炉混合熔炼；铋粗炼 中图分类号T F S l 7T F 8 0 3 ．1 1文献标识码A文章编号1 0 0 1 一0 2 1 l 2 ∞7 0 3 0 0 7 5 0 5 湖南柿竹园有色金属有限责任公司隶属于湖南 有色控股集团公司，为国有控股大型采、选、冶联合 企业。矿床资源以钨、钼、铋为主，伴生有铜、锡、铅、 锌等有色金属和萤石、石榴子石等非金属。矿床中 有矿石资源量3 ．6 亿t ，金属储量1 6 7 2 k t ，潜在资源 价值8 0 0 多亿元。在目前世界已发现的1 6 0 多种矿 物中，这里就有1 4 3 种，被中外地质界誉为“世界有 色金属博物馆”。2 0 0 6 年底公司2 0 0 0 t ／d 多金属 矿 山 选矿技术改造工程已建成投产运行，与矿山技改 配套的铋冶炼改扩建工程势在必行，通过本次铋冶炼 改扩建后，柿竹园公司高纯铋冶炼的生产规模将由 7 0 0 t ／a 扩大到1 2 0 0 t ／a ，堪称世界铋冶炼之首。 1工艺流程 1 ．1 炼铋原料 柿竹园公司铋冶炼厂改扩建工程所使用的炼铋 原料为所属矿山产出的铋精矿，化学成分见表1 。 表1 铋精矿成分绲 T a b l e1 C h e m i c a le o r a p o a i t i o no fB i s m u t hc o n c e n t r a t e 1 ．2 铋精矿的反射炉熔炼工艺流程 由于柿竹园公司铋精炼系统的生产规模目前已 超过1 2 0 0 t ／a 的规模，可与2 0 0 6 年的矿山技改工程 配套，因此铋粗炼是本次铋冶炼改扩建的重点。铋 粗炼常用的经典工艺有铋精矿反射炉熔炼、氧化渣 收疆日期2 0 0 7 0 3 2 8 作者简介周晓源 1 9 5 2 一 ．男，长沙市人。高级工程师，硕士生导 师，主要从事有色冶金工程设计等方面的工作； 联系人张自军 1 9 7 3 一 。男，湖南郴州市人。工程师，主要从事有 色冶金生产工艺技术等方面的工作。 转炉熔炼、浮渣碱性熔炼、浸出一沉淀湿法粗炼。根 据柿竹园矿石特点和长期的生产实践经验，铋粗炼 改扩建工程经反复论证，决定采用铋精矿反射炉熔 炼工艺，即铋精矿与还原剂煤粉、置换剂铁屑、熔剂 纯碱等配料混合后，加入反射炉混合熔炼，产出渣、 冰铜与粗铋L l - 2 J ，其原则工艺流程如图1 所示。 圈1 反射炉熔炼原则工艺流程 F i g ．1 F l o w s h e e to fs m e l t i n gw i t hr e 础e m t o r y 1 ．3 流程中的各个工序 工程设计所确定的铋粗炼工艺主要由粉煤制 备、原料制粒、反射炉混合熔炼、余热利用及烟气收 尘等工序组成，流程见图2 。 1 ．3 ．1 粉煤制备。粉煤制备工序作为铋反射炉熔 炼重要的辅助工序，为熔炼提供燃烧需要的燃料和 配料制粒所需的还原煤。主要工艺流程有铲运机上 煤一球磨机细磨 伴热风干燥 一旋风收尘一布袋收 尘一螺旋泵输送。外运来的烟煤由铲运机送至圆盘 给料机的贮料仓，再通过圆盘给料机连续均匀地给 料至钢球磨煤机进行细磨，同时通入来自反射炉熔 炼工序的热空气干燥碎煤，磨细的粉煤再经旋风收 尘器和布袋收尘器捕集至粉煤仓，最后通过螺旋泵 输送到炉前粉煤仓和制粒配料粉煤仓。 万方数据 7 6有色金属 第5 9 卷 图2 柿竹园铋冶炼工艺流程 F i g ．1 F l o w s h e e to fB is m e l t i n gi nS h i z h u y u a nS m e l t e r 1 ．3 ．2 粉料制粒。熔炼的物料如铋精矿和纯碱等 均为粉料，其磨矿 成粉 细度9 0 ％在一7 4 p r o 以上， 为避免加料过程中物料的飞扬损失和升温熔炼过程 中鼓风使部分原料带人烟气损失，提高熔炼直收率， 同时为了提高人炉物料在炉内的空隙率和加快热量 传递，对铋精矿、烟尘、纯碱、萤石粉和还原煤进行混 合制粒，用水玻璃做凝结剂。通过拖料电子皮带秤 准确计量后，经由混料皮带运送至螺带式混料机混 和均匀，混匀料通过螺旋输送机和斗式提升机送至 制粒前贮料仓，仓内混匀料通过圆盘给料机连续均 匀地给料至圆盘制粒机，并加入水玻璃溶液制粒成 球，成球后形成粒矿入炉。 1 ．3 ．3 反射炉熔炼。反射炉混合熔炼是铋粗炼的 核心，目的是从炼铋原料中提出尽可能多的铋，将炼 铋原料中的B i 2 0 3 和B i 2 ％还原、置换成金属铋，同 时使铁和脉石造渣而与铋分离。铋的熔炼过程主要 为进料一熔化 沉淀 一放渣一放铜锍一降温一放铋 几个步骤。反射炉的人炉料由制粒后的炼铋粒矿、 其他含铋物料、铁屑等组成。按配料要求将制粒后 的炼铋粒矿、同熔炼返回渣、精炼碱渣、碲渣、铁屑分 别计量后一起经由胶带输送机送入炉顶加料斗，分 批定量地加入反射炉内。粉煤由风力经烧嘴喷射进 入反射炉燃烧，将固态物料熔化。产出的炉渣、铜 锍、粗铋在炉内澄清分离后依次由反射炉出料口放 出。产出的烟气经换热器烟道、表面冷却器、布袋收 尘器冷却收尘后放空，收尘器所收烟尘返回制粒工 序处理。产出的炉渣又分为返回渣和稀渣两部分， 返回渣返炉前配料系统，稀渣送渣场堆存。产出的 铜锍送综合回收工序回收其中的有价金属。产出的 粗铋送铋精炼工序制备高纯铋。 1 ．3 ．4 余热利用及烟气收尘。反射炉出炉烟气经 砖烟道后经过水箱和空气预热器冷却回收余热，由 水箱产出的热水供厂区浴室作热水源，由空气预热 器产出的热空气作为反射炉熔炼二次风鼓入反射炉 燃烧室，换热降温后的烟气依次进表面冷却器、沉降 收尘器和布袋收尘器收尘净化，净化后的烟气通过 烟囱排空，捕集到的烟尘返回制粒配料工序。 2 主要技术经济指标及设备选型 2 ．1 主要技术经济指标 设计的主要技术经济指标见表2 ，这些指标均 参照了柿竹园铋冶炼厂现有1 0 m 2 反射炉的生产数 据。在改扩建后的实际生产过程中，由于炉型加大， 粉料制粒，余热返炉等因素的作用必将导致其技术 经济指标的变化，相关问题将在后面进行讨论。 表2 反射炉混合熔炼主要技术经济指标 T a b l e2T e c h n i c a l e c o n o m i c a lp 创薯n 跫雠o fm e d l e ya - n d t i v l g 2 ．2 主要处理设备 设计所选用的主要处理设备见表3 。 表3 主要处理设备 T a b l e3M a i ne q u i p m e r t _ t s 万方数据 第3 期周晓源等湖南柿竹园铋冶炼改扩建工艺设计 3 设计的主要改进与创新 3 ．1 反射炉大型化 反射炉是铋粗炼过程的关键设备，其结构与炼 铜、炼锡反射炉大体相似。我国经典的铋粗炼反射 炉熔池一般在1 0 z n 2 以内。柿竹园铋冶炼厂现有 1 0 m 2 反射炉两套，炉内燃烧室与熔池用火桥联结， 总产能为7 0 0 t ／a 粗铋。本次设计要求产能由7 0 0 t ／ a 扩大到1 2 0 0 t ／a ，有两套方案可选，即新建一套 3 0 m 2 反射炉，或者增建一套l O m 2 的反射炉。讨论 认为使用一套3 0 m 2 反射炉相对3 套1 0 m 2 反射炉 来说，单台炉炉膛加大，热稳定性好，产出产品的质 量更为稳定。一套3 0 m 2 的反射炉与3 套1 0 m 2 的 反射炉相比。生产能力相似，然而其造价、设备维护 量、劳动定员等方面却相差甚远。 针对目前国内外炼铋反射炉都是1 0 m 2 左右的 原因设计也进行了分析，认为这主要是受生产能力 的限制，并非大炉型不适合炼铋，炼铋设备的大型化 应该有助于铋冶炼技术的发展。因此设计决定采用 3 0 m 2 的大炉型。 由于反射炉炉膛面积扩大，继续使用火桥烧块 煤的形式明显不合理，设计取消了炉内的火桥结构。 取消火桥，炉膛有效容积增加，反射炉熔炼强度也相 应增加。 ’ 3 ．2 反射炉燃煤方式 柿竹园铋冶炼厂目前所使用的燃料是大同块 煤。众所周知大同块煤是我国公认的优质煤，其发 热值接近标煤，即2 9 2 6 0 k J ／k g 。然而使用它存在着 采购难、价格贵、运输远等不尽人意的因素，一直困 扰着柿竹园铋冶炼厂。要解决这个问题就意味着要 采用其他煤种，采用其他煤种同时也涉及到采用其 他燃烧方式，提到设计议事日程的燃烧方式主要有 粉煤和发生煤气两种形式。讨论认为使用煤气，炉 内焰气的辐射能力较低，物料接受的热辐射少，熔化 速度慢，对煤质的要求高，而采用粉煤则其焰气明亮 耀眼，辐射能力较强，物料接受的热辐射多，熔化速 度快，对煤质的发热值和组成的要求明显低于发生 煤气。考虑到柿竹园铋冶炼厂首选的煤种是与柿竹 园近在咫尺的资兴煤，而其发热值只有2 2 6 1 0 k J ／ k g ，用它作发生煤气发热值可能偏低，而用其作粉煤 则基本可行。因此设计中采用粉煤燃烧来代替现有 的块煤燃烧。 3 ．3 粉料制粒 铋精矿炼铋的原料及其辅助材料大部分为粉 状，如铋精矿、烟尘、萤石粉、纯碱等。粉料直接人炉 熔炼势必会造成大量的烟尘，柿竹园铋冶炼厂目前 所采用的操作方式是焖炉，这种操作严重影响了反 射炉的床能力。对此设计对入炉粉料进行制粒处 理，用水玻璃作粘结剂将粉料粘结成粒经l O m m 左 右的粒矿入炉熔炼，从根本上增大反射炉的床能力。 此作法在炼铋工艺中虽然是初次试偿，但在其他金 属冶炼中，如铜精矿、锡精矿的反射炉熔炼过程中都 有良好生产实践，是成熟可靠工艺。 3 ．4 余热利用 在铋冶炼过程中熔炼反射炉是耗能大户，同时 也是热利用率较低的设备，铋熔炼过程中的排烟温 度在1 2 0 0 ℃左右，含有大量可回收的余热，而在此 以前的铋冶炼工艺中均未采取余热回收措施。针对 本项目进行的初步估算，反射炉烟气含余热约 1 2 ．5 M J ／h ，理论上可折合4 2 0 k g ／h 标煤。若将燃烧 粉煤的二次空气预热到5 0 0 ℃，则可回收有效热约 3 ．7 M J ／h ，理论上折合1 2 5 k g ／h 标煤。为了有效地 利用反射炉余热，在烟道上设置冷却水箱，利用水箱 底面与高温烟气接触产出热水作为车间浴室的热水 源，同时也可用来控制排烟的温度。随后的烟气选 用空气喷流式换热器将燃烧粉煤的二次空气预热到 4 0 0 ℃左右。经余热利用回收以后的烟气温度在 5 5 0 ℃左右，再经收尘后达标排放。 3 ．5 烟气收尘 。 为了保证铋冶炼的收尘效果，湖南柿竹园有色 金属有限责任公司与湖南有色金属劳动保护研究院 于2 0 0 6 年联合进行了专项研究，其研究成果作为本 项工程设计的依据。试验研究所提供的收尘工艺流 程为出炉烟气～淋水表面冷却器一空气表面冷却 器一多隔板沉降室一多状态清灰袋滤器一烟囱外 排。此流程的特点是二段冷却，二段收尘，能将 1 2 0 0 ℃左右的出炉高温烟气在进布袋收尘器前冷却 到1 2 0 ℃，总收尘效率在9 8 ％以上。其缺点是没有 考虑余热利用。设计从当前国家的节能政策出发对 该收尘流程作了如下修改出炉烟气一水箱冷却一 空气喷流式换热器换热一空气表面冷却器一多隔板 沉降室一多状态清灰袋滤器一烟囱外排。即用水箱 冷却和空气喷流式换热器取代了淋水表面冷却器， 这样的配置既保证了烟气的冷却和收尘效果又使余 热得到了利用，也是铋冶炼首次回收余热的尝试。 3 ．6 采用过滤清灰新技术 设计中采用了过滤清灰新技术。专项研究首先 对滤料的优化选择及空载阻力特性进行试验，主要 万方数据 有色金属第5 9 卷 考察过滤效率、容尘量、透气率及阻力、耐热性、粉尘 的剥落性、尺寸稳定性六个方面。随后进行了冷态 过滤清灰试验。最后根据试验结果确定采用“四状 态清灰”新技术，它的技术特点是能有效改善滤袋的 变形幅度，减小布袋在清灰时的损伤，提高清灰效 果，降低清灰后的剩余比阻力，保证袋式除尘器高效 低阻运行。过滤布袋则采用经试验所筛选的P P S 滤料复膜处理材质。除尘器同时配用实用新型专利 设备“用于反吹风滤袋除尘器的多状态清灰控 制阀” 专利号Z L0 222 3 2 0 2 ．8 。它的技术特点 是结构紧凑、简单、阀门开闭密封效果好，运行可靠、 平稳。 。 4炼铋过程的污染控制 项目建设所在地一一柿竹园铋冶炼厂是郴州市 的一个污染源，其环境容量非常有限，因此生产过程 的环境保护不容忽视。设计中采取了相关的措施， 以维持厂区附近地区的生态平衡。 4 ．1 废气 废气是柿竹园铋冶炼过程最大的污染源，包括 反射炉烟气和粉煤制备废气两部分。柿竹园铋反射 炉熔炼过程产出大量的含尘高温 1 2 0 0 ℃ 烟气，烟 气中的粉尘和s c h 是影响环境的主要因素。一般 认为在铋熔炼过程中炼铋原料中的硫与铁、铜反应 生成F e S 、C u 2 S 进入冰铜渣。不进入烟气。烟气中 的s c h 的来源主要是炼铋过程中所加入还原煤和 燃料煤带入的硫燃烧产生的，经收尘净化后s c h 的 排放量约1 5 k g ／h 煤含硫按1 ％计 ，烟气s c h 的排 放浓度8 0 0 m g ／m 3 。通过烟气的回收余热与收尘后 烟气粉尘的排放浓度1 1 7 m g ／m 3 ，粉尘排放量为 2 ．3 4 k g ／h 。烟气由4 0 m 排气筒排放，符合大气污染 物综合排放标准 G B l 6 2 9 7 1 9 9 6 。 粉煤制备过程不发生化学变化，产出的废气基 本不含S 0 2 ，它对大气的污染主要是粉尘。排出废 气粉尘含量1 1 0 m g ／m 3 ，排尘量2 0 k g ／h ，废气由由 4 0 m 排气筒排放，符合大气污染物综合排放标准 G B l 6 2 9 7 1 9 9 6 。 4 ．2 废水 铋冶炼过程的废水主要是设备冷却水和冲渣 水。由于设计的排渣工艺是采用放千渣的形式。没 有涉及到冲渣水，生产过程中只有设备冷却水。设 备冷却水基本不含有害物质，对环境的水系不会造 成污染。 4 ．3 废渣 铋粗炼过程中除了产出粗铋外还产出冰铜渣和 稀渣。冰铜渣的主要成分是铁、硫、铜，稀渣的主要 成分是钠、钙、硅等。冰铜渣送往综合回收工序，稀 渣送渣场堆放。原料中的主要有害元素是砷，在高 温熔炼过程中已被固化，因此堆放的稀渣对环境不 会造成危害。 5问题讨论 5 ．1 生产能力 表2 中的技术经济指标是参照柿竹园铋冶炼厂 现有1 0 m 2 反射炉的生产数据来确定的，由于反射 炉型加大，对入炉粉料进行了制粒，余热返炉等项措 旅的实施，技改后的技术经济指标肯定要有所提高。 例如对粉料进行制粒入炉，烟尘率可大大地下降，完 全可以免去其闷炉时间，其熔炼周期至少可缩短l ／ 3 ，由2 4 h 缩短为1 6 h ，其反射炉床能力也可相应增 加1 ／3 ，由1 ．0 5 t m 一2 d - 1 增加到1 ．5 1 t m - 2 d - 1 ‘ 生产能力也将由1 2 0 0 t ／a 增加蓟1 8 0 0 t ／a 以上。 5 ．2 余热利用 对反射炉产生的烟气采用热水箱和喷流式空气 预热器进行热交换分别产出热水和热风，进行了合 理的余热利用，但是对于反射炉产出的高温 液 固 体物料的余热却没有进行合适的利用。反射炉产出 粗铋、冰铜渣、稀渣温度均在1 0 0 0 ℃以上，粗铋因要 送铋精炼工序进行下一道工序的冶炼，采用自然冷 却是合理的，而冰铜渣则送综合回收工序进行水浸 来回收其有价金属，现行的水浸过程需加温以有助 于有价金属的提取，因此完全可以采用水萃的工艺 进行处理，使高温渣的显热得到充分的利用。建议 对反射炉排出渣进行水萃试验，研究水萃过程中有 价金属的走向及分布，以保证冶炼过程的余热能够 得到最大程度的利用。 5 ．3 环境保护 按目前所确定的燃料含硫 ≤1 ％ 来计算，柿竹 园铋冶炼工程排出烟气可达到国家的排放要求。然 而，这样一来柿竹园铋冶炼厂的燃煤将要受到煤种 含硫的制约。此外柿竹园铋冶炼厂周边的环境容量 有限，应尽可能地降低S 0 2 的排放。对此，设计预 留了湿式收尘的建设场地。当燃煤含硫较高或环境 容量要求迸一步降低s c h 的排放量时，可增设漩流 板塔之类的 碱水 湿式烟气净化装置，保证环境保 护的万无一失。 万方数据 第3 期周晓源等湖南柿竹园铋冶炼改扩建工艺设计 参考文献 [ 1 ] 汪立果．铋冶金[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 6 1 7 ． [ 2 ] ‘有色金属工程设计项目经理手册 编委会．有色金属工程设计项目经理手册[ M ] ．北京化学工业出版社工业装备与信 息工程出版中心。2 0 0 3 4 5 6 ． P r o c e s sD e s i g nf o rR e c o n s t r u c t i o na n dE x p a n s i o no fH u n a nS h i z h u y u a nB i s m u t hS m e l t e r Z H O UX i a o - y u a n1 ，Z H A N GZ i - j u n 2 1 ．C k n g s h aE n g i n e e r i n ga n dR e s e a r c hI n s t i t u t ef o rN o n f e r r o u sM e t a l l u r g i c a lI n d u s t r i e s ，C d m n g s h a4 1 0 0 11 ，C h i n a ； 2 ．H u n a nS h i z h u y u a nN o n f e r r o u sM e t a l sC o ．L t d ，C h e n z ／w u4 2 3 0 3 7 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t T h ep r o c e s sd e s i g nf o rr e c o n s t r u c t i o na n de x p a n s i o ne n g i n e e r i n go fH u n a nS h i z h u y u a nB i s m u t hS m e l t e ri s d e s c r i b e d ．T h ei m p r o v e m e n ta n dr e c r e a t i o nc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lr e v e r b e r a t e r ys m e l t i n gt e c h n o l o g ya l e c o n d u c t e d ，s u c h 弱i n p u tr a wm a t e r i a lp e l l e t i z a t i o n ，u t i l i z a t i o nf o rw a s t eh e a to fs m o k eo u to ff u r n a c e 。e t c ． K e y w o r d s n o n - f e r r o u sm e t a l l u r g y ；B i ；r e v e r b e r a t e r ys m e l t i n g ；b i s m u t hs m e l t i n g 上接第6 7 页，C o n t i n u e df r o mP ．6 7 T e c h n o l o g i c a lR e s e a r c ho naW u l f e n i t eA l k a l i n eL e a c h i n gi nG u i z o u W A N GS h e n g - d o n g ，j I A N GX u n x i o n g ，W A N GH a i - b e i 。F A NY a n q i n g 。Z H A N GB a n g - s h e n g ．W A N GY u - f a n g B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g M e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h el e a c h i n gp r o c e s so ft h ew u l f e n i t ef r o mam i n ei nG u i z h o ub yu s i n gt h es o d i u mh y d r o x i d ea sm e d i u mi s i n v e s t i g a t e d ，a n dt h ef a c t o r ss u c ha st e m p e r a t u r e ，r a t i oo fl i q u i dt os o l i d ，s o d i u mh y d r o x i d ec o n c e n t r a t i o n ，o r e p a r t i c l es i z e ，l e a c h i n gt i m eo nt h el e a c h i n gr a t eo fm o l y b d e n u ma n dl e a dared e t e r m i n e d ．T h eo p t i m a ll e a c h i n g t e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o nd e r i v e df r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si s7 6 ℃f o ro p e r a t i o nt e m p e r a t u r e ．2 1f o rr a t i oo f 1 i q u i dt os o l i d 。l hf o rl e a c h i n gt i m e 。9 0 9 ／Lf o rs o d i u mh y d r o x i d ec o n c e n t r a t i o na n d8 0 ．2 ％一0 ．0 7 4 m mf o ro r e p a r t i c l es i z e ．T h em o l y b d e n u ml e a c h i n gr a t ei su pt o9 4 ．2 1 ％a n dt h el e a dd i s s o l v i n gr a t ei so n l y1 4 ．7 1 ％u n d e r t h eo p t i m a lc o n d i t i o n ． K e y w o r d s m e t a U u r g i c a lt e c h n o l o g y ；w u L f e n i t e ；1 c a c h i n gw i t h8 0 d i u mh y d r o x i d e ；m o l y b d e n u ml e a c h i n g r a t e 万方数据