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為世界貢獻中國綠色冶煉方案——記中國恩菲側吹浸沒燃燒熔池熔煉技術

說起有色礦冶行業的“國家隊”——中國恩菲工程技術有限公司(以下簡稱“中國恩菲”)的名號在有色金屬冶金行業算得上是如雷貫耳。作為世界500強中國五礦、中冶集團的骨干子企業,中國恩菲不僅著力打造有色礦冶國家隊,還在高技術高質量發展的道路上,爭當綠色環保排頭兵、新興產業創新者,致力于成為zui值得信賴的國際化工程綜合服務商及能源環境發展商。

中國五礦總經理、黨組副書記,中冶集團暨中國中冶董事長國文清指出,要用獨占鰲頭的核心技術,持續不斷的革新能力和無可替代的產業鏈整合優勢,承擔起引領行業向更高水平發展的國家責任。恩菲人這樣要求自己,也是這樣行動的。

65年來,一代又一代恩菲人薪火相傳,以創新為己任,為行業技術進步不懈努力著,其專有的氧氣底吹(SKS),側吹冶煉技術(SSC),無可爭議地擔當著行業技術領域“旗艦”的角色,引領著行業的高質量發展,這當中,側吹浸沒燃燒熔池熔煉技術更以其工藝先進、環境友好,成為行業公認的城市礦山處理首 選技術。

開發城市里的礦山

隨著我國工業化、城鎮化和消費的持續升級,廢鋼、廢有色金屬、廢棄電子產品、報廢汽車和機電設備等各種廢棄物每年以10%的平均速度增長,年產生量超過40億噸。很多廢棄物中既含鉛、汞、鎘等有毒有害物質,也含有價金屬如金、銀、鉑等,處置得當可變廢為寶,提煉一座優質的“城市礦產”。對于廢棄資源加以有效利用,可替代部分原生資源,減輕環境污染。2010年起,國家開展城市礦產示范基地建設,使再生資源的循環利用成為了新的經濟增長點。工業廢棄物處理行業對企業資質要求嚴格,且技術要求、行業壁壘、管理水平“三高”,由于目前大多采用落后技術,新技術尚處在模仿歐美技術的初級階段,導致國內工業處理能力低、利用率低,工業廢棄物及危廢處置能力嚴重不足,行業對自主技術需求十分迫切。

“騏驥一躍,不能十步;駑馬十駕,功在不舍。鍥而舍之,朽木不折;鍥而不舍,金石可鏤。”國家主席習近平要求我國廣大科技工作者,要敢于擔當、勇于超越、找準方向、扭住不放,牢固樹立敢為天下先的志向和信心,敢于走別人沒有走過的路,在攻堅克難中追求卓越,勇于創造引領世界潮流的科技成果。

中國恩菲在底吹煉、煉技術的創新研發應用方面,早已是行業的翹楚,“如何將深厚的技術積累進一步激發出來,是代代恩菲人不斷鉆研探索的問題。”恩菲人如是說。結合自身有色冶煉行業的經驗,中國恩菲開展了多項專長技術的革新和新技術研發,已形成工業廢棄物領域國內zui完整的技術體系,覆蓋火法冶金、濕法冶金、稀有金屬冶金和環境治理等多專業多學科領域,為我國工業廢棄物綠色清潔處置領域的規模化發展,提供了能與國際先進技術相媲美的技術支撐。這當中,有中國恩菲自主開發、具有自主知識產權的強化熔池熔煉冶金技術——側吹浸沒燃燒熔池熔煉技術(Side-Submerged Combustion Smelting Process,SSC技術)。

經過多年的實踐,SSC技術已發展為一種近似理想的熱技術系統。該技術是處理城市礦產廢舊鉛酸蓄電池、廢舊印刷電子線路板、二次鉛雜料、二次雜料、銻塵、錫精礦及錫中礦等不發熱物料zui 先進的冶煉工藝。未來,隨著有色行業有價金屬綜合回收需求的增加,以及側吹浸沒燃燒熔池熔煉工藝所具有的浸沒燃燒直接給熔體內部補熱、對不發熱物料熔化、還原以及爐渣貧化的獨特冶煉優點,有色冶煉企業對側吹熔池熔煉技術的需求會日益增強。同時,隨著近年來中國“一帶一路”建設和推進國際產能合作的推進,側吹浸沒燃燒技術逐步推向海外市場,為世界貢獻中國綠色冶煉方案。

解密“zui先進的技術”

側吹浸沒燃燒熔煉技術滿足氧化、還原、吹煉、揮發等各類冶煉工藝的要求,并可采用不同的氧氣濃度和噴吹燃料實現zui佳的“冶金過程熱平衡精 確控制”。

該技術是從設于熔煉爐側墻浸沒熔池的噴槍,直接將富氧空氣和燃料鼓入熔融熔體或爐渣中,加入熔池的物料由于受到鼓風的強烈攪動作用,快速浸沒于熔體之中,完成物理化學反應的一種用于處理不發熱物料的強化熔池熔煉技術。

總體來看,側吹浸沒燃燒熔煉工藝在以下方面的優勢非常顯著:

一是富氧濃度高、熱利用率高,噴槍壽命長。側吹浸沒燃燒熔池熔煉工藝采用富氧熔煉,燃料及助燃氣噴入熔池并燃燒,攪拌強度大,傳質傳熱快,熱利用率高,單位容積熱強度大。熔煉爐產生的高溫煙氣經余熱鍋爐回收余熱,產生的蒸汽可以得到充分利用。噴槍結構和布置的優化,提高了熔池攪動效率和反應速度,提高了其他的燃燒效率,噴槍使用壽命超過6個月,真正實現了生產自動化和改善職工勞動環境。

二是作業率高,年作業時間可以達到300天——330天。由于側吹爐爐墻為二層結構形式,耐火材料能夠起到隔熱作用,減少爐子熱損失,外層銅水套在爐墻上形成冷卻層,使爐墻耐火材料始終在低溫下工作。銅水套和內襯的結構有利于冷卻和刮渣,大大延長了爐子的壽命。

三是安全性好。爐墻采用二層結構形式,內層為耐火磚砌體,外層為銅水套鑲嵌耐火磚,能夠形成保護,從而確保爐體安全。

四是煙塵率低、環保好。相比于其他富氧側吹爐15%——20%的煙塵率,側吹浸沒燃燒熔池熔煉爐避免了鼓動大量空氣所造成的劇烈攪動,用于液態鉛渣直接還原時煙塵率僅為7%。此外,該技術采用微負壓操作,無煙氣外逸;系統產生的煙塵密封輸送返回熔煉配料,無鉛塵彌散;熔煉爐放出口和熱物料輸送流槽均采用強化通風,有效防止有害氣體擴散,滿足崗位環境衛生標準要求。

五是有價金屬綜合回收率高、冶煉棄渣無害化。該工藝獨特的爐體結構,使爐內各熔池相分離效率高。金屬相位位于噴槍下層,基本處于靜止層,對金屬熔體和液態渣兩相澄清效果非常好,可通過金屬層的高度來調節分離效果。生產指標表明,側吹浸沒燃燒熔池熔煉爐排出棄渣含鉛低于2%,屬于一般固體廢棄物,可直接作為建筑輔材外賣,變廢為寶。

應用側吹浸沒燃燒技術的諸多領域之中,采用連續熔化還原技術處理再生鉛膏,是中國恩菲的一項針對城市礦產開發的技術創新,廢鉛蓄電池鉛膏連續熔池熔煉技術針對再生鉛膏等二次鉛資源進行開發,低溫、連續、高效、清潔。2015年,該技術成果整體達到國際領先水平,并榮獲中國有色金屬工業部級科技進步一等獎。這項技術有多神奇,下面的數據或許可以給你答案:鉛回收率>98.5%;銻、錫回收率>95%;硫利用率>98.5%;棄渣含鉛<2%,屬一般固廢;廢水循環利用率>98.5%;冶煉廢氣排放量<1000Nm3/t,硫<50mg/Nm3,鉛<0.2mg/Nm3;粒煤單耗169kg/t;天然氣單耗50Nm3/t。

此外,針對我國每年近150萬噸的電子廢棄物,中國恩菲結合國內技術現狀及國外發展實際,提出了一種經濟、安全、金屬回收率高的廢舊線路板回收工藝——廢舊線路板破碎分選-側吹浸沒火法熔煉-冶煉煙氣余熱回收、驟冷出PCDD&PCDF-冶煉金屬精煉分離技術,即SSC-WastePCB工藝。通過側吹浸沒燃燒綠色冶金技術的應用,將會逐步解決我國危廢處置領域關鍵工藝流程綠色化程度不高的問題,做到了危廢處理的減量化、無害化和資源化,并形成民族危廢產業技術自主創新體系,將使我國廢舊線路板的綜合水平達到世 界 領先水平。

“國家隊”的擔當

隨著時代的發展,傳統的工藝已經難以為繼。側吹浸沒燃燒熔煉技術的運用是在其他熔池熔煉技術工業化生產的基礎上逐步發展起來的一種新型熔池熔煉工藝。中國恩菲開發設計的第 一座將側吹浸沒燃燒熔煉技術應用于生產的工業爐是熔融富鉛渣的還原熔煉爐,它是在我國實現了氧氣底吹煉鉛和富氧頂吹等熔池熔煉商業化生產的基礎上和需求中應運而生的,示范廠工業化生產和技術指標的優越使得該項技術得到了較快的推廣,改進的裝置已推廣到其他行業。

20世紀末,我國冶煉技術比較落后,隨著產能的逐年增加和環保壓力的日趨嚴重,尤其是鉛冶煉一直采用傳統的燒結-鼓風爐工藝,不僅能耗高,而且燒結煙氣中二氧化硫濃度低,直接排放嚴重污染環境。傳統工藝的裝備雖歷經技術改造,但zui終未能實現技術的突破。當時鉛鋅領域的領軍企業之中的豫光金鉛燒結煙氣采用非穩態制酸,而株冶公司燒結機引進托普索公司的WSA工藝制酸,但硫回收率都較低,且成本過高。除上述兩家企業外,其余鉛冶煉廠的煙氣仍采用空氣排放,低空二氧化硫、鉛塵彌散,嚴重制約了我國鉛冶煉行業的生存和發展。

為此,2000年初,原中國有色金屬工業總公司鉛鋅局多次召開技術討論會,提出了我國鉛冶煉技術發展“治本”思路,即用氧氣底吹或富氧頂吹技術改造我國傳統的煉鉛工藝。氧氣底吹熔煉-鼓風爐還原煉鉛即SKS冶煉工藝,通過一院(中國恩菲)三企業合作協議,在以往多次工業性試驗的基礎上完成了驗證試驗工作,為大規模工業化設計提供了技術支撐。經河南豫光金鉛股份有限公司和池州兩鉛廠的建設、工程化裝備的研發,2002年順利實現了連續穩定的生產,從而迅速地在國內鉛冶煉企業中得到了推廣運用。緊接著,云南馳宏鋅鍺股份有限公司曲靖鉛鋅廠采用富氧頂吹浸沒熔煉-鼓風爐還原煉鉛工藝于2005年也實現了工業化生產,解決了煙氣中硫的回收并明顯改善了操作環境,克服了常見的燒結工藝危害,至此我國鉛冶煉行業實現了熔池氧化熔煉取代傳統的燒結工藝,步入了鉛冶煉技術改造的新階段。而上述兩種鉛冶煉工藝均采用高鉛渣鑄塊、冷卻、備料、進鼓風爐還原熔煉,尚存在熔融高鉛渣的熱量并未利用,鼓風爐需要消耗昂貴的焦炭,能耗高、成本高、過程彌散點也較多,不利于環境治理等缺點。

中國恩菲為完善SKS工藝,提出了開發液態高鉛渣直接還原技術取代鑄塊鼓風爐還原工藝,新技術得到了國家支持并確定為國家“十二五”期間重大產業技術開發項目,撥付了專項資金予以支持。該課題的研發進一步達到了節能降耗、改善環境,實現低碳、低能耗、短流程的煉鉛工藝,提高了我國煉鉛的整體水平。側吹技術在應用于熔煉高鉛渣直接還原工藝的前期,中國恩菲也曾對鋅浸出渣還原熔煉進行相關技術工作研究,這些工作經歷和成果對側吹浸沒燃燒熔煉的技術發展起到了很好的奠定作用。

不積跬步,無以至千里。在創新工藝的道路上,恩菲人以“國家隊”的擔當,深入一線、精誠合作,用身體力行詮釋了“國家隊”的使命感,一步一個腳印地開創了側吹浸沒燃燒熔煉技術的新天地。

為世界貢獻中國綠色冶煉方案

“核心技術要取得突破,就要有決心、恒心、重心。”什么是核心技術?習總書記指出:“一是基礎技術、通用技術。二是非對稱技術、‘殺 手锏’技術。三是前沿技術、顛覆性技術。”恩菲人深知創新驅動發展的要義,也正因此成就了側吹浸沒燃燒熔池熔煉技術發展的三部曲:

第 一部,2004年,中國恩菲高級專家、全國冶煉大師、全國勞動模范王忠實首次提出側吹浸沒燃燒熔池熔煉技術并持續研發。2009年,中國恩菲在濟源金利液態鉛渣側吹還原爐工業試驗成功。同年在馳宏鋅鍺股份公司會澤者海老廠和四川什邡分別開展側吹處理鋅浸渣和側吹揮發煉磷的工業試驗。

第二部,2013年液態鉛渣側吹還原爐分別在湖南有色金屬有限公司和馳宏會澤項目投產成功。中國國內第 一條用于處理未脫硫鉛膏的SSC爐(60000t/a)試驗示范生產線于2012年在湖北省金洋公司投產。

第三部,中國國內第二條SSC爐(100000t/a)工業生產線于2016年9月在河南豫光金鉛公司投產。zui新一條即第三條SSC爐(100000t/a)工業生產線于2017年8月在湖北金洋公司投產。

這樣的三部曲,如同國家隊隊員得勝歸來高奏的凱歌,擎起了中國恩菲創新發展的大旗,更彰顯了獨占鰲頭的技術的卓越。在此過程中,恩菲人用實際行動,踐行著習總書記對自主創新舉措的論述:第 一,在科學研究投入上集中力量辦大事。第二,積極推動核心技術成果轉化。第三,推動強強聯合、協同攻關。

技術的主要研發人、恩菲研究院創新發展部主任陳學剛介紹,金利公司第 一臺側吹爐示范性生產后,采用富氧側吹還原熔融高鉛渣煉鉛的方法很快在國內得到了推廣運用。中國恩菲在會澤鉛廠搬遷工程中采用該項技術取代高鉛渣鑄塊鼓風爐還原煉鉛工藝。會澤工程于2013年12月投產,僅用6個月的時間就超過了設計能力,各項指標均優于設計指標,采用富氧濃度50%,產鉛由設計值130t/d達到180t/d,綜合能耗由設計值230kg煤/t粗鉛降至183kg煤/t粗鉛(未扣除蒸氣熱能)。由于熱效率高,余熱鍋爐蒸汽產量也由設計值的11t/h降至7t/h,渣含鉛由設計值的3.5%降至2%以下,煙塵率由設計值的8%降至6%,以上生產數據均為項目總包考核驗收值。目前,該工程已進行了4年的生產實踐,噴槍、磚的壽命達到了7——10個月之間的良好紀錄。

項目團隊也積極尋找著產業合作伙伴。2010年,湖北金洋冶金股份有限公司原采用反射爐間斷處理廢鉛酸蓄電池鉛膏及鉛屑工藝,由于環境保護的要求,提出了希望用短流程連續熔煉處理拆解鉛膏。中國恩菲推薦富氧側吹技術可達到連續熔煉鉛膏的目的,雙方簽訂了合作開發技術協議,進行了工業生產裝置的試驗工作,待試驗工作完成后即轉入示范性生產。該項目經過2011年設計,2012年建成,2013年開始試驗。試驗過程中對工況、渣型、連續化操作制度以及爐子局部結構均進行了調整,通過摸索積累了較多的經驗。2014年下半年轉入示范性生產,2015年通過行業協會組 織的專家評審,完成了課題的研究驗收,對各項示范生產指標進行了評估,專家建議盡快推廣運用于解決再生鉛行業鉛膏處理的落后狀況。與此同時,該項目獲得中國有色金屬工業科技進步一等獎。同年,豫光金鉛集團決定采用該項目技術單獨處理12萬t/a鉛膏和部分柵板,采用一臺15.6m2側吹浸沒燃燒爐,噴槍與金洋一樣,采用天然氣和富氧,爐型根據金洋的經驗做了一些修改,增加了制粒系統,同時也考慮天然氣改為粉煤進行相關試驗研究。2016年9月投產,進行試產過程中,操作熔煉段采用了較高的氧勢,各項技術經濟指標優于金洋,產出的粗鉛質量較好,渣含硫量為0.3%,渣含鉛量小于2%;投料(干基)18.6t/h,粒煤1.9t/h,天然氣550m2/h,鉛膏處理量(干基)372t/d,產鉛量260t/d,第 一爐期噴槍、磚壽命為5個月,噴槍壽命大于5個月。

2017年,中國恩菲又與駱駝集團新疆再生資源有限公司簽訂了16萬噸廢舊鉛酸蓄電池項目總承包合同。目前,該項目已進入施工圖設計階段。

同時,中國恩菲在銻冶煉方面也取得突破性進展,與廣西河池市生富冶煉有限責任公司簽訂了采用氧氣底吹和側吹浸沒燃燒技術的“底吹熔煉-側吹熔融還原-富氧揮發”連續煉銻1.5萬t/a銻冶煉項目的設計和總包合同,目前項目正在建設中,預計2019年初投產。

2018年,中國恩菲側吹浸沒燃燒技術持續在危廢領域擴大應用及市場影響力,先后簽訂肇慶市飛南金屬有限公司10萬噸/年含銅二次資源綜合利用項目工程設計合同、云南馳宏鋅鍺股份公司會冶鋅浸出渣處理環保節能技改工程設計及供貨合同、云南馳宏資源綜合利用有限公司160kt/a廢舊鉛酸電池無害化綜合回收項目設計及供貨合同、白銀西北鉛鋅冶煉廠鋅渣綜合回收及無害化處理項目工程設計合同、株冶搬遷鉛精煉及稀貴綜合回收項目等。

日日行,不怕千萬里;常常做,不怕千萬事。國文清同志要求子企業要堅持科技創新,搶占科技制高點,保持不用揚鞭自奮蹄的動力,重點解決核心技術走向市場問題,把具有自主知識產權的核心專利技術搭載到裝備上,快速轉化為高端產品群,快速進入市場,整體工程、核心技術、核心裝備要形成規模和品牌,真正實現中冶先進技術、先進管理、先進裝備的深度融合。為了把側吹浸沒燃燒技術延伸到更多的產業中,使之符合時代的需求,恩菲人持續提升技術水平,近期研發團隊已經開始了第二代側吹浸沒燃燒熔煉技術的研發,以進一步拓展在黑色金屬、高熔點金屬氧化物料還原熔煉領域的應用。

近年來,我國側吹浸沒燃燒熔煉技術迅速廣泛的工業應用情況表明,側吹浸沒燃燒熔煉技術具有獨特優勢和旺盛的生命力,側吹冶煉裝置將繼續向多功能化、爐體大型化、高床能率化、長壽命化進行優化和提升。同時,側吹浸沒燃燒冶煉技術已顯示出巨大的技術先進性和發展潛力,特別是未來在城市礦山、固體廢棄物領域的資源化和無害化處理的巨大需求,說明該技術大發展的時代已經來臨。而中國恩菲已然走在了時代的前列,由中國恩菲擎起的創新綠色發展的大旗,在有色冶金技術大發展的時代中一定會站在世界之巔熠熠生輝。

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