师世宏
（深圳市中金岭南有色金属股份有限公司韶关冶炼厂，广东 韶关 512024）
ISP又称帝国熔炼法，是密闭鼓风炉铅锌联合冶炼方法，主要原料为铅锌矿、经过浮选后的硫化铅精矿、硫化锌精矿以及铅锌混合精矿[1]。烧结工序是将硫化铅、锌精矿通过高温氧化焙烧成成分稳定且具有一定强度的烧结块。在铅、锌精矿供应极其紧张、主品位不断下降、杂质上升的的同时，烧结块的品位降低，ISP冶炼厂单位时间粗铅产量呈下降趋势、加工费却逐步上升，因此为了稳定结块率，配料过程不得不提高铅的配入比例，使得原料成本增加。
在有色金属冶炼过程中，用富氧代替空气，是强化生产、降低能耗、治理环境污染、提高技术水平、增加经济效益的重要技术措施。火法冶炼中硫化物的氧化过程主要包括硫化物精矿的焙烧或烧结，这些过程均需通过向加热的物料中鼓入空气来完成，因而利用富氧空气，能明显地强化冶炼过程[2]。因此，通过技术改造，采用富氧烧结工艺是提高烧结块产量、降低消耗、降低单位生产成本的重要措施之一[3]。本文重点介绍通过实验摸索出的在ISP烧结工艺中加入富氧后的最佳工艺操作模式。
在硫化物的氧化焙烧及烧结过程中，气流中氧气的浓度直接影响硫化物氧化的反应温度和反应速度。硫化物的氧化速度与反应放热速度成正比，如式（1）所列。
式中：v为氧化速度，mol/min；
Q为氧化反应的热效应，即每摩尔分子硫化物氧化的反应热，kJ/mol；
qB为硫化物氧化时，在单位时间内放出的热量，即放热速度，kJ/min。
当反应过程在动力学区域进行时，则满足公式（2）。
式中：k（O2）为系数；
n为反应级数；
c（O2）为气流中氧化剂（氧）的浓度，mol/L；
E为实验活化能，一般可视为与温度无关的常数，J/mol或kJ/mol；
R为摩尔气体常数，J/（mol·K）；
T为反应温度，K；
e为自然对数的底数。
当反应过程在扩散区域中进行时，则满足公式（3）。
式中：a为温度在T和T0时的炉气扩散系数比。
由上述公式可见，提高气相中的氧浓度c（O2），其放热速度qB相应提高，从而使得过程中的氧化速度v增加，这便是富氧能强化氧化反应过程的基本原理[3]。
在烧结机前半部，由于烧结机焙烧的氧化反应剧烈进行，烟气中SO2的浓度达到最高值，过程中产生的高温烟气通过料层的预热区、干燥区时，其热量被炉料吸收，直至烧结区发展到料层表面时，烟气的温度才达到最高值，从此可以看出，焙烧过程跟氧化反应剧烈程度有直接关系[4]。所以富氧从烧结机前半部进入，即对2号、3号工艺风机及4号风机的7号、8号支管进行供氧改造。在不改变原有主体工艺设备的情况下，新增设供氧主管线及4个分支管线，设置气动调节阀及富氧流量计，进行集中监测和控制。改造后的设备连接示意图如图1所示。
图1 设备连接示意图
通过试验研究，合理分配进入各支管的富氧流量，再配合风机开度调整风量，达到控制鼓风氧气浓度的目的，同时增加了鼓入烧结机空气中的氧含量，提高了烧结机的脱硫能力，降低了烧结块的残硫，改善了烧结块强度和孔隙度等质量指标[5]。
2.1 试验基础
试验基础指标：φ（O2）为85%~90%；
全开氧流量为1 500 m3/h；
压力为13 000~18 000 Pa。
2.2 富气烧结工艺烧结机供风制度
烧结供风风量以当前烧结生产风量为基准，即1号风机风量3 800~5 000 m3/h，2号风机风量9 500~12 500 m3/h，3号风机风量14 500~15 000 m3/h，4号风机风量22 000~24 000 m3/h，5号风机开度控制在65%~75%。实验期间，实验风量基本维持在这个风量范围，没有进行大的调整。
2.3 富氧烧结氧气分布调节
试验第1日：先给2号风机加富氧，加入流量230~300 m3/h。第2日：同时给2号、3号风机加富氧，加入流量730 m3/h；
中班开始同时给2号、3号、4号风机（4号风机只有7号、8号支管）加富氧，加入流量1 370 m3/h，在此过程中风机的风量不变。试验第1~2日氧气浓度分布如表1所示。
表1 第1~2日富氧烧结试验氧浓分布情况
试验第2周以后由于实现效果不明显，为提高2号风机氧气浓度，关了8号支管氧气供给，调小了7号支管氧气流量，氧气分布如表2所示。
表2 第2周后富氧烧结试验氧浓分布情况
试验第3周以后又调回到原来氧气分布。逐渐调小2号风机氧气分布，增加后面风机氧气量，氧气分布如表3所示。
表3 第3周后富氧烧结试验氧浓分布情况
试验第6周前期出现问题，可能是因为烧结鼓风量和氧气量不匹配，应加强烧结机前端鼓风强度，加快氧化反应的速度。因此重新制定了烧结鼓风制度及富氧分布，2号风机和3号风机开度开到100%，7号和8号支管基本不开，若总管温度偏高，适当减小2号风机富氧开度，并打开7号支管，如表4所示。
表4 第6周富氧烧结试验氧浓分布情况
2.4 烧结配料方案及干精矿成分
ISP富氧烧结配料通过吊车进行堆式配料，抓比是吊车配料过程中精矿或杂料的抓斗数比。烧结配料情况如表5所示。
表5 烧结配料情况（抓比情况）调整表
使用表5各个配料方案配料后的干精矿成分如表6所示。
表6 干精矿成分表 %
2.5 试验过程
2.5.1 第一阶段
投入富氧以后，精矿投入量增加大约2 t/h左右，基本维持在38~42 t/h，杂料配入量维持在2~2.5抓，烧结结块率较前期有明显增加。车速维持在1.38 m/min左右，风量保持不变，风机风量和压力分布如表7所示。该阶段烧结机速度为1.38~1.41 m/min（中间有小幅度调整），料层厚度为440 mm。
表7 第一阶段风机风量和压力分布
该阶段存在的问题：烧结块w（S）较高，一般在1.0%~1.4%，烧结块夹杂、包裹现象较严重，部分块没有完全燃烧，鼓风炉况较差，炉压较大，生产蓝粉量大，结块率一般。
2.5.2 第二阶段
试验第3周，将烧结机车速由1.38 m/min降到1.24 m/min，氧浓度也做了调整，调小2号风机氧量，料层厚度降为400 mm，烧结块w（S）较高，达1.6%~1.7%，烧结4个班以后，烧结块w（S）逐步降低，维持在0.6%~1.1%。配料维持在配料1，杂料配入量2抓，精矿维持在38 t/h左右；
第4周以后，将配料调整到配料3，烧结精矿投入量逐步增加到40 t/h；
第5周除铅矿外维持配料4，因结块率差增加铅的配入比例，烧结精矿投入量逐步增加到42~43 t/h。最优化时风机风量和压力分布如表8所示。该阶段烧结机速度为1.24~1.38 m/min（中间有小幅度调整），料层厚度为400 mm。
表8 第二阶段风机风量和压力分布
该阶段存在的问题：结块率较差，烧结块w（S）还是偏高，一般在0.8%~1.2%。
2.5.3 第三阶段
第6周以后，增加鼓风强度，加快反应速度，提高料层增加蓄热能力，降低车速至1.17 m/min，确保烧结机脱硫能力，配料方面维持配料5，矿源不足时做了微调。精矿投入量由43 t/h增加到45 t/h，精矿投入量为43 t/h时阻力较大，加到45 t/h以后阻力逐步稳定，1号风机阻力维持在1 900~2 400 Pa，结块良好。最优化时风机风量和压力分布如表9所示。该阶段烧结机速度为1.17~1.24 m/min（中间有小幅度调整），料层厚度为440 mm。
表9 第三阶段风机风量和压力分布
2.6 试验分析
经过三个阶段的试验摸索，在富氧烧结工艺中采用提高烧结机前端鼓风氧气浓度、强鼓风、厚料层、低车速模式，解决了低硫混、杂矿烧结难、烧结矿残硫高、结块率低等问题。富氧前后风机参数如表10所示。
表10 富氧试验风量压力对比情况
富氧烧结增大了烧结过程的垂直烧结速度，提高了烧结过程的有效块率，降低了铅矿的配入，稳定了生产工艺，烧结块产量明显提高。质量方面，烧结块残硫量明显降低。富氧烧结对生产技术指标、工艺条件及质量指标的影响如表11、表12所示。
表11 富氧试验前后烧结工艺生产技术指标
表12 工艺条件及质量指标
1）实践证明，在ISP烧结工艺中应用富氧技术可以提高烟气SO2浓度，增强烧结机脱硫能力，提高烧结块产量，提高烧结工艺对原料的适应性，从而增加氧化物料等杂料的处理量，最终提高工厂经济效益。
2）通过富氧生产实践后，富氧鼓风使烧结机床层温度升高，有利于物料黏结及烧结物料脱硫，结块率得到明显提高，有效块率从试验前的15.98%左右提高至20%～22%，烧结块日产量从626 t/d提高至667 t/d，增幅10.7%。
3）通过富氧烧结试验，强化了焙烧效果，降低烧结配料铅矿的配入量，提高混合矿配入比例，烧结块w（Pb）降低到18.17%，较富氧前下降了2%左右，降低了工厂原料成本，提高了ISP工艺经济性能。
4）块残w（S）平均降低了0.1%左右，将硫最大限度地送往制酸系统回收利用，稳定了烧结工艺，减少了无组织超低排放，消除了环保事故隐患，取得了显著的社会效益。
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