（热能工程专业论文）sks氧气底吹炉炼铅过程的热力学分析与节能研究.pdf

“ ll m a j o r ： s u p e r v i s o r ：墨墨q 鱼i 熊曼里! q 鱼墨墨q i 坌坠g i h 坠垒 s u b m i t t e dt o t h e f a c u l t yo f c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r m a y , 2 0 1 0 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a 原创性声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：拙 日期：坦年上月鲴 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：牲导师签名酶日期：业年月二竺日 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 氧气底吹炉是s k s 炼铅工艺必不可少的核心设备，采用s k s 法的 炼铅企业的节能工作必须以氧气底吹炉炼铅工序为重点来开展。因 此，对氧气底吹炉炼铅工序进行热力学分析，确定底吹炉系统用能薄 弱环节和能量损失原因、部位和大小，并据此提出节能策略，降低底 吹炉炼铅工序能耗，对铅生产的节能降耗具有重要意义。 本文剖析了s k s 氧气底吹炉炼铅过程的化学反应机理，并在热 力学原理和动力学原理的基础上，建立了冶金模型和热平衡分析模 型。利用生产数据，对s k s 氧气底吹炉进行热平衡计算，并对影响 底吹炉热效率的主要因素进行了讨论和分析。结果表明：在没有烟气 回收装置和余热利用设备时，底吹炉炼铅工序的热效率为3 4 5 9 ， 其中高铅渣热损失为9 8 7 1 4 6 m j h ，占总热损失的1 9 3 1 ；烟气热损 失为3 0 1 5 3 2 3 m j h ，占总热损失的5 8 9 7 。若采取措施减少该热损 失，可使底吹炉的热效率最多提高4 6 个百分点，若将这部分热量利 用，每小时最多节约1 3 6 6 k g c e t 。 根据底吹炉炼铅系统能量传递、转换和消耗机理，建立了系统的 炯分析模型，对s k s 氧气底吹炉炼铅系统进行了炯分析，获得了系 统：j ( 日 效率、炯损失等各项指标。炯分析结果表明：在没有烟气回收装 置和余热利用设备时，s k s 底吹炉的炯效率仅为2 5 2 8 ，排烟炯损 失、输出产品的物理火用和内部化学反应等不可逆炯损失造成了 7 4 7 2 的炯损失，炉子的节能潜力很大。s k s 氧气底吹炉总炯流量为 1 5 2 7 2 7 5 2m j h ，远远大于总热流量7 8 1 7 2 8 2 m j h ，这反映出炯流与 物质流的密切相关性，说明了炯平衡分析比热平衡分析更能反映s k s 氧气底吹炉的物质流和能量流的本质，炯效率更能反映炉子的能量利 用状况。在对底吹炉炼铅系统进行全面深入的炯分析基础上，提出了 加强s k s 氧气底吹炉高铅渣及烟气余能的回收利用等节能措施。 关键词s k s 炼铅法，底吹炉，热平衡分析，炯分析，节能 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eb o r o m b l o w i n gf u r n a c ei sa ni n d i s p e n s a b l ee q u i p m e n tt os k s l e a ds m e l t i n gp r o c e s s ，e n e r g y s a v i n gw o r ko ft h ee n t e r p r i s e sb yu s i n g s k sl e a d - s m e l t i n gp r o c e s sm u s tb ec a r r i e do u to nt h eb o r o m - b l o w i n g f u r n a c e t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n tt od e t e r m i n et h ew e a kl i n k si ne n e r g y u t i l i z a t i o na n de n e r g yl o s s e s r e a s o n s ，p o s i t i o n sa n dv a l u e sb ya p p l y i n g t h e r m o d y 7 n a m i ca n a l y s i s o nal e a d s m e l t i n gp r o c e s so ft h eo x y g e n b o a o m b l o w nf u r n a c e ，a n dt h e nt op r o p o s es o m ee n e r g ys a v i n gm e a s u r e s f o rr e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n i nt h ep a p e r t h ec h e m i c a lr e a c t i o nm e c h a n i s m so ft h eo x y g e n b o r o mb l o w nf u r n a c ea r ea n a l y z e d b a s e do nt h et h e r m o d v r n a m i ca n d d y n a m i cp r i n c i p l e s ，am e t a l l u r g i c a lm o d e la n dat h e r m a le q u i l i b r i u m m o d e lo ft h es y s t e ma r ee s t a b l i s h e d ，t h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n go nt h e t h e r m a le f f i c i e n c ya r ea n a l y e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：w i t h o u ta n yg a s r e c o v e r ya n dw a s t eh e a tu t i l i z a t i o ne q u i p m e n t ，t h et h e r m a le f f i c i e n c yo f t h eb o a o m - b l o w i n gf u r n a c ei s3 4 5 9 ，t h eh e a tl o s so fh i g hl e a ds l a gi s 9 8 71 4 6 m j h ，a c c o u n tf o r19 31 o ft h et o t a lh e a tl o s s ；t h eh e a tl o s so f f l u eg a si s3 0 1 5 3 2 3m j h ，a c c o u n tf o r5 8 9 7 o ft h et o t a lh e a tl o s s i f s o m em e a s u r e st or e d u c et h eh e a tl o s sa r et a k e n ，t h et h e r m a le f f i c i e n c y c a nb ei m p r o v e db y 4 6 p e r c e n t a g ep o i n t ；i fr e c y c l e st h eh e a tl o s s ，t h e s t a n d a r dc o a lc a nb es a v e db ya b o u t1 36 6 tp e rh o u r s e c o n d l y , ae x e r g ym o d e lo ft h es y s t e mi se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt o t h ee n e r g yt r a n s f e r , c o n v e r s i o na n dd i s s i p a t i o nm e c h a n i s m s o m ei n d i c e s ， s u c ha se x e r g ye f f i c i e n c ya n de x e r g yl o s se t c ，a r eo b m i n e dt h r o u g ht h e e x e r g ya n a l y s i s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee x e r g ye f f i c i e n c yo ft h es k s b o a o m b l o w nf u m a c ei so n l y2 5 2 8 i ft h e r ei sn oa n yg a sr e c o v e r ya n d w a s t eh e a tu t i l i z a t i o ne q u i p m e n t t h et o t a le x e r g yl o s si n c l u d e se x e r g y l o s sc a u s e d b ye x h a u s ts m o k e ，p h y 7 s i c a le x e r g y l o s so ft h e o u t p u t p r o d u c t i o na n di n t e r n a le x e r g yl o s sd u et oi r r e v e r s i b i l i t yf a c t o r ss u c ha s c h e m i c a lr e a c t i o n ，e t c ，a c c o u n t sf o r7 4 7 2 t h et o t a le x e r g yf l o wo f 15 2 7 2 7 5 2m j hi sm u c hm o r et h a nt h et o t a lh e a tf l o wo f7 817 2 8 2m j h i i i 1 1 2 国内外铅工业现状3 1 1 3 国内外直接炼铅技术现状4 1 1 4 我国铅行业能源消费现状。7 1 2 能量系统的热力学分析研究现状8 1 2 1 热平衡分析方法8 1 2 2 熵分析方法9 1 2 3 炯分析方法9 1 2 4 其他能量分析方法1 1 1 3 本论文的研究任务及内容”1l 第二章s k s 炼铅法工艺流程及过程原理简介1 3 2 1s k s 炼铅法发展过程13 2 2s k s 炼铅法工艺流程及主要设备1 4 2 2 1 工艺流程1 4 2 2 2 主要设备l5 2 3s k s 炼铅法原理及特点1 6 2 3 1s k s 炼铅法原理1 6 2 3 2s k s 炼铅法特点1 7 2 3 3s k s 炼铅法与其它炼铅工艺的比较1 7 2 4 本章小结l8 第三章s k s 炼铅法氧气底吹炉炼铅过程的热平衡分析1 9 3 1 底吹炉氧化熔炼工艺过程1 9 3 1 1 物料的准备2 0 3 1 2 物料的熔化2 0 3 1 3 底吹炉内的化学反应2 0 3 1 4 各种物料的化学分析速率2 l 3 2 氧气底吹炉熔炼过程的热平衡分析2 l 中南大学硕士学位论文目录 3 2 1 实际生产数据处理2 l 3 2 2 底吹炉炼铅过程的冶金模型2 1 3 2 3 底吹炉炼铅过程的能量平衡模型2 5 3 2 4 氧气底吹熔炼过程热平衡计算结果分析3 2 3 3 资源效率分析3 4 3 4 本章小结3 6 第四章s k s 炼铅法氧气底吹炉炼铅过程的炯盼析3 7 4 1 炯分析方法概述3 7 4 1 1 炯和炯分析。3 7 4 1 2 系统的平衡基准3 8 4 1 3 炯和炯损失计算3 9 4 1 4 炯分析的评定准则4 2 4 2s k s 氧气底吹熔炼过程的炯分析模型4 3 4 3 氧气底吹熔炼过程的炯分析4 5 4 3 1 底吹炉炯收入项计算4 5 4 3 2 底吹炉炯支出项计算4 6 4 3 3 底吹炉炼铅工序炯评价5 0 4 3 4 氧气底吹熔炼过程炯平衡计算结果分析5 1 4 5 氧气底吹炉熔炼系统用能的综合分析5 3 4 6 本章小结5 5 第五章基于热力学分析的节能方向与策略5 6 5 1 底吹炉高铅渣余能的回收利用5 6 5 1 1 高铅渣能量的回收5 6 5 1 2 高铅渣能量的利用5 8 5 2 底吹炉烟气余能的回收利用5 8 5 3 本章小结5 9 第六章结论与建议6 0 6 1 本文主要工作6 0 6 2 关于下一步研究工作的建议6 l 参考文献6 2 附表6 6 致谢7 0 攻读学位期间主要研究成果一7 l 中南大学硕士学位论文 符号说明 主要符号表 时间，s 温度，k 体积流量，m 3 h 体积，m 3 质量，k g 热力学温度，k 环境温度，k 环境压力，p a 密度，k g m 3 直径，r n 功率，w 压力，p a 表面积，i n 2 定压比热容，j ( k g k ) 表面传热系数，w ( i n 2 k ) 热量，j 功，j 气体热值，j m 3 资源效率 烟气利用率， 高铅渣利用率 标准炯，j m o l 炯( 有效能) ，j 熵，j 焓，j 标准生成自由焓，j 物质的量，m o l 温度校正系数 热效率， 炯激率， 热力学常数，j ( m o l k ) 摩尔分数， 烬损失系数， p最s日船，疗f玎足 f 丁 u y 聊丁乃 p d p p 彳 印办q矽尽 ，死钆 代铅的生产主要以火法冶炼为主，湿法炼铅目前还处于试验阶段，由于湿法炼铅 只用于某些小规模铅矿的处理上和再生铅的生产上，它们基本上是用适当的溶剂 使精矿中的铅浸出与脉石等分离，然后从浸出液中提取铅。并且湿法炼铅在综合 回收金、银、秘、锑以及铜、锡等有价金属方面要比火法炼铅复杂，所以发展比 较缓慢。 根据冶炼的基本原理，目前火法炼铅可分为以下几类： 1 1 1 1 氧化还原熔炼法 该法包括硫化铅精矿中的硫化铅及其它硫化物的高温氧化生成氧化物( 也可 能生成金属) 和氧化物还原得到金属的过程。如硫化铅在氧化熔炼时完成如下反 应【2 卅： 2 p b s + 3 0 2 = 2 p b o + 2 s 0 2 p b o + c o ( c ) = p b + c 0 2 ( c o ) p b s + 0 2 = p b + s 0 2 烧结焙烧鼓风炉还原熔炼是传统的氧化还原炼铅方法，目前世界上8 5 左右的铅矿是由此法生产的。氧化还原熔炼法是在烧结机上对硫化铅精矿进行高 温氧化脱硫，并将炉料熔结成烧结块，然后将烧结块与焦炭一起在鼓风炉内进行 还原熔炼得到粗铅。 1 1 1 2 反应熔炼法 反应熔炼是在适当温度和氧化气氛下，使铅精矿中部分p b s 氧化成p b o 及 p b s 0 4 后，立即与未氧化的p b s 相互反应而生成金属铅的过程。一部分p b o 也 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 与碳质还原剂反应生成金属铅。其基本反应【2 3 1 为： 2 p b s + 3 0 2 = 2 p b o + 2 s 0 2 p b s + 2 0 2 = p b s 0 4 2 p b o + p b s = 3 p b + s 0 2 p b s 0 4 + p b s = 2 p b + 2 s 0 2 p b o + c o ( c ) = p b + c 0 2 ( c o ) 硫化铅氧化为放热反应，所以，在实践中只需配入少量燃料作热源和还原剂 即可维持熔炼所需温度。反应熔炼在处理高品位铅矿时才能有较好的回收率。 s k s 炼铅法就属于反应熔炼法。 1 1 1 3 沉淀熔炼法 对硫亲和力大于铅的金属都可从硫化铅中将铅置换出来，沉淀熔炼就是基于 这一原理。常用的置换剂为金属铁，其反应1 2 , 3 】如下： p b s + f e = p b + f e s 因有部分p b s 与f e s 结合成p b s 3 f e s ( 铅冰铜) ，故上述反应进行是不彻 底的，因此铁只能从p b s 中取代出部分的铅。而且沉淀熔炼需加入过量的铁才 能达到较高的直收率，这时过量的铁会溶入铅冰铜中。因此，严格地说，在高温 ( 高于1 0 0 0 ) 下沉淀熔炼的反应为： 4 p b s - 6 4 f e = 3 p b + p b s 3 f e s + f e 1 1 1 4 加碱熔炼法 该法是将纯碱( 或烧碱) 和碳质燃料( 煤粒或焦炭粒) 与铅精矿充分混合后，在 反射炉或电炉中熔炼获得粗铅和铅冰铜的过程，其反应【5 1 为： 4 p b s + 2 n a 2 c 0 3 + c = 4 p b + 4 n a s + 3 c 0 2 p b s + n a 2 c 0 3 + c = p b + n a 2 s + c o + c 0 2 p b s + n a 2 c 0 3 + c o = p b + n a 2 s + 2 c 0 2 加碱熔炼法的熔炼温度为10 0 0 - - , 110 0 ( 2 ，粗铅富集了a u ，a g ，b i 等有价金 属，粗铅品位为9 8 n 9 8 5 ，回收率达9 8 4 。在工业生产中常将沉淀法与加碱 法联合使用，称为曹达铁屑炼铅法，其反应可表示为： 2 p b s + n a 2 c 0 3 + f e + 2 c = 2 p b + n a 2 s + f e s + c o 上述方法炼得的粗铅，经过电解精炼得到精铅。除氧化还原熔炼法外，其它 方法应用较少或基本没被采用。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 国内外铅工业现状 当今世界铅工业已向规模化、连续化、自动化、机械化、可持续化方面发展。 目前世界上约有6 0 多个国家生产精铅，其中许多国家生产的精铅为再生铅。1 9 9 4 年世界精铅产量为5 3 8 2 6 万吨，到2 0 0 7 年则增加到8 0 4 8 9 万吨。世界精铅生产 大国主要有美国、中国、德国、英国、墨西哥、日本、澳大利亚、加拿大及韩国， 年产量均在2 0 万吨以上，2 0 0 7 年中国和美国的精铅产量约占世界精铅产量的 5 0 5 3 1 6 1 。统观世界铅冶炼状况，新工艺和新技术的采用不如铜冶炼那样迅速， 世界年产6 0 0 多万吨铅，用新工艺生产的不足1 0 0 万吨，世界铅产量8 5 以上仍 然采用传统的烧结鼓风炉熔炼流程生产啊。 改革开放以来，我国经济进入了新一轮的快速增长时期，与铅消费密切相关 的汽车、建筑、能源、信息、电力、家电等行业保持着快速的增长，使得铅消费 量年增长1 0 t s , 9 1 左右。消费的快速增长也带动了我国铅工业的迅速发展，产业 规模急速扩大，并且在2 0 0 7 年，我国精铅的产量达到2 7 5 3 万吨，居世界第一 位，成为全球主要的铅消费国和出1 2 1 国【l 】。图1 1 为2 0 0 1 年至2 0 0 7 年我国精铅 的年产量分布状况。 3 0 0 笛o 2 管 冬1 棚 l1 0 0 5 0 o 图1 - 12 0 0 1 - 2 0 0 7 年我国精铅年产量分布图 在科学发展观和国家产业政策的指导下，近几年，我国铅工业发展较快，资 源勘探取得成效，产品量持续增长，市场表现活跃，科技进步明显，节能减排成 绩显著，经济效益良好。我国铅工业发展特点集中体现在以下几点。 第一，矿山资源勘探取得成效。在铅工业年消耗数百万吨矿产资源的情况下， 近几年来查明的资源储量有所增加，初步改变了日益减少的局面。2 0 0 5 年，全 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 国共生产铅精矿含量为l1 4 万吨，消耗资源储量为1 8 0 万吨，估算勘探新增资源 储量为3 0 8 万吨t l o l 。有资料显示，通过近几年来完成的对资源总量的预测工作， 未探明的资源量比较可观，资源前景良好。 第二，再生铅行业发展较快。在国家大力推行循环经济政策支持和矿产原料 供应紧张条件下，中国再生铅行业发展较快。2 0 0 7 年再生铅产量已占到铅产量 的2 4 9 0 ，比上年提高3 8 个百分点【l o 】。 第三，经济效益提高，矿业表现突出。在国民经济对铅需求量日益增加的强 力带动下，产品价格大幅上升，导致我国铅工业整体效益良好，特别是矿业表现 突出。 第四，固定资产投资持续增长，矿山投资速度继续高于冶炼投资。区域经济 的发展，促使中国铅工业固定资产投资持续升高，同时，原料供应的紧张状态， 进一步提高开发矿业的积极性，用于矿山的投资速度明显高于冶炼业的投资。 第五，进出口贸易持续攀升。在国家控制“两高一资产品出口，鼓励增加 进口贸易政策指导下，中国铅进出口贸易连创新高。主要表现在：贸易总额和进、 出口额大幅上升；贸易逆差进一步扩大，铅精矿进口量2 0 0 7 年提高1 4 9 ，而 传统的可大量出口的未锻轧铅同期下降5 2 8 t 1 0 1 。 第六，科技进步明显，节能减排工作显著。继云南驰宏、西部矿业成功引进 艾萨法和卡尔多炉法后。由中国自主开发并投入生产，运转效果良好的氧气底吹 熔炼鼓风炉还原炼铅技术，目前已有6 条生产线投入生产并达到和超过设计 指标，正在设计和建设的还有l o 条。这些具有先进生产技术的铅冶炼能力已经 达到6 0 万吨以上。先进技术的采用，可从根本上解决中国铅冶炼长期存在的严 重环境污染问题，改变冶炼技术落后的局面。一批企业采用先进技术，在降低能 源消耗，减少二氧化硫等有害气体的排放方面取得了良好效果。 我国铅工业正面临着资源环境与行业发展的严峻挑战，只有通过优化产业结 构，加强环境保护，重视再生资源的回收利用，加大技术创新和科技开发的力度， 才能使我国铅产业持续高速发展。 1 1 3 国内外直接炼铅技术现状 铅的冶炼方法有两种，即火法和湿法，目前世界上以火法炼铅为主，湿法炼 铅至今仍处于试验阶段。火法炼铅基本上采用烧结鼓风炉还原熔炼流程，据 统计，世界上生产的粗铅，8 5 左右是采用该流程生产，大约1 0 的铅采用铅锌 密闭鼓风炉生产，其余5 是从硫化铅精矿直接熔炼得到【8 l 。 金属硫化物精矿不经焙烧或烧结焙烧直接生产出金属的熔炼方法称为直接 熔炼。硫化铅精矿直接熔炼方法可分为两类，一类是把精矿喷入灼热的炉膛空间， 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 在悬浮状态下进行氧化熔炼，然后在沉淀池进行还原和澄清分离，这种反应主要 发生在炉膛空间的熔炼方式称为闪速熔炼。另类是把精矿直接加入鼓风翻腾的 熔体中进行熔炼，这种熔炼主要发生在熔池内的熔炼方式称为熔池熔炼。 目前世界上直接炼铅技术主要有以下几种： 1 1 3 1 基夫赛特法( k i v c e t 炼铅法) 基夫赛特法是一种闪速熔炼的直接熔炼法，该法由前苏联全苏有色金属科学 研究院开发，2 0 世纪6 0 年代进行了实验研究，8 0 实现产业化生产，现已成为工 艺先进、技术成熟的直接炼铅法。这种方法的核心设备是基夫赛特炉，由带火焰 喷嘴的反应塔、填有焦炭过滤层的熔池、立式余热锅炉、铅锌氧化物的还原挥发 电热区组成。干燥后的炉料通过喷嘴与工业纯氧同时喷入反应塔内，炉料在塔内 完成硫化物的氧化反应，并使炉内的颗粒熔化，生成金属氧化物。金属铅滴在下 落过程中形成熔体，此熔体通过浮在熔池表面的焦炭过滤层时，其中大部分的氧 化铅被还原成金属铅而沉降到熔池底部。k i v c e t 炼铅法可处理各种不同品味的铅 精矿、铅银精矿，铅锌精矿和鼓风炉难以处理的硫酸盐残渣。由于k i v c e t 炼铅 法对原料有广泛的适应性，能以较低的费用回收原料中的有价金属，并可以满足 日益严格的环境保护要求【l 。 1 1 3 2q s l 法 q s l 法，即氧气底吹熔池熔炼法。q s l 法是根据发明人p e q u e n e a u 、 r s c h u h m a n n 两位教授和工艺开发者l u r g r i 公司名字的第一字母命名的。q s l 法与传统炼铅工艺相比省去了烧结工序，故具有流程短、热利用率高、烟气中 s 0 2 浓度高、硫利用率高，并且能比较好的解决环保问题等优势。q s l 法的核心 设备是q s l 熔炼炉。反应器炉型为卧式圆形，断面沿长轴线是非等径的，氧化 区直径大，还原区直径小，炉体倾斜o 5 ，反应器沿长轴线可旋转9 0 度。炉内 根据反应气氛要求分为氧化段和还原段，两区之间设置了下方留有孔洞的隔墙， 孔洞用于渣铅反向流动。q s l 法的特点是：原料适应性强，对入炉物料的粒度 和水分要求不严；氧气首先与铅液接触，对降低粗铅含硫有利；渣含铅较高。目 前世界上共有三座q s l 法炼铅工厂，除白银公司西北铅锌冶炼厂外，还有德国 s t o l b e r g 和韩国o n s a n 厂，这两个工厂采用q s l 技术产生了巨大的经济效益，而 且都成为本国处理废蓄电池等含铅废料的中心，产生了巨大的环境效益【1 2 】在 我国，西北铅锌冶炼厂首先购买了q s l 炼铅技术，并建成了一座年产5 0 k t 的炼 铅厂，虽然已经过三次试生产，但一些技术设备等问题仍然有待完善。 1 1 3 3 卡尔多( t b r c ) 法 瑞典b o l i d e n 金属公司的k a l d o 技术是氧气冶金在项吹转炉上的一种应用。 k a l d o 转炉首先是为钢铁工业研制的，1 9 7 9 年建成了第一台用于有色金属熔炼的 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 工厂。1 9 8 1 1 9 8 2 年完成了各种不同铅精矿的熔炼试验，使氧气顶吹k a l d o 转炉 ( t o pb l o w nr o t a r yc o n v e r t e r ，简称t b r c ) 炼铅技术获得工业应用【l3 1 。卡尔多炉 炼铅法的加料、氧化、还原和排渣均在一个相对较小的空间中完成，吹炼分为氧 化与还原两个过程，在一台k a l d o 转炉中周期的进行1 1 4 】。卡尔多炉具有广泛的原 料适应性，对处理含硫低的物料尤其合适。但是k a l d o 转炉吹炼的作业是周期性 的，熔炼过程为间断性作业，烟气量与烟气成分均不稳定，在熔炼过程中要抽出 一部分烟气压缩，使二氧化硫气体转变为液态二氧化硫，在还原过程中又将液态 二氧化硫送去制酸，以保证工艺顺利进行。 1 1 3 4 艾萨法( i s a 法) 艾萨法是由澳大利亚芒特艾萨矿业公司和澳洲熔炼公司共同在澳洲熔炼公 司浸没熔炼法的基础上开发出来的。它是一种能处理铜、铅、锌、锡、铁阳极泥 等多种物料的方法。艾萨法熔炼工艺由两台炉子组成，精矿在第一台炉子被氧化， 形成的熔体通过溜槽送到第二台炉子里，在第二台炉子内将氧化铅还原成金属 铅，然后将形成的渣和金属铅分别排到炉外。这个方法的特点是能够处理湿料， 因此，备料系统可以实现无尘作业。还原炉具有除去有害元素的能力，可以把砷、 锑、镉等的含量降到很低的水平，这样得到的炉渣无污染危险，能用来做填充料 或建材。目前除在澳大利亚的芒特艾萨矿业公司使用外，澳洲熔炼公司和欧洲 金属公司于1 9 9 5 年共同在法国制造了一套年处理量为1 0 0 0 t 的半工业性试验炉。 经过试验，双方又于19 9 6 年在德国n o r d e n h a m 建成了一套年处理量为1 2 万吨 的工业炉，取代了该公司原有的烧结焙烧鼓风炉熔炼工艺【”】。非洲纳米比 亚楚布梅公司也在澳洲熔炼公司的帮助下，于1 9 9 6 年在楚布梅建成并投产了一 套年处理量为1 2 万吨的艾萨炉。 1 1 3 5 奥托昆普法 奥托昆普法是一种闪速熔炼法，由芬兰的奥托昆普公司开发。奥托昆普法与 基夫赛特法相似，是将混合好的炉料以悬浮状态通过立式反应室自上而下，连续 地完成氧化和熔化工艺过程。整个工艺分干燥、闪速熔炼、炉渣净化和烟气处理 等几个部分。奥托昆普炉的体积较小，密闭性好，可避免铅和硫对工作环境的污 染【1 6 1 。采用奥托昆普法，可将所有的过程，包括炉渣贫化都放在一个设备中进 行。粗铅的产率较高，而炉渣的产率较少，炉内的温度较低，能处理湿的物料。 1 1 3 6s k s 炼铅法( 水口山法) 氧气底吹鼓风炉还原炼铅工艺( s k s 法) 是我国在水口山炼铅技术基础 上，将先进的熔池熔炼现代技术与创新后的鼓风炉还原工艺的结合，成功开发的 具有自主知识产权的氧气底吹熔炼鼓风炉还原炼铅新工艺。该工艺特点是利 用氧气底吹炉氧化替代烧结工艺，彻底解决了原烧结过程中二氧化硫及铅尘严重 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 污染环境的难题，底吹炉产出的高铅渣用创新后的鼓风炉还原，有效抑制了低沸 点铅物的挥发，克服了其它炼铅新工艺普遍存在的烟尘率高，返尘量大的缺点， 且具有金属回收率高等许多优点。该工艺在安徽池州、豫光金铅集团成功地应用， 为解决铅冶炼方法中存在的低浓度二氧化硫烟气回收开辟了一条新路。 1 1 4 我国铅行业能源消费现状 1 1 4 1 铅工业能源消费总量增长迅速 1 9 9 6 2 0 0 5 年全国能源生产量增加了5 5 3 8 ，年平均增长速度是4 8 6 ， 消费量增加了6 0 7 2 ，年平均增长速度是5 2 4 。而铅锌工业总能源消耗从1 9 9 6 年5 1 4 万吨标煤上升到2 0 0 5 年的1 0 6 7 万吨标煤，增加了一倍，年平均增长速度 7 4 5 ，超过全国能源生产增长速度2 5 9 个百分点，超过全国能源消费增长速度 2 2 1 个百分点【用。我国铅锌工业能源消耗的增长速度远远超过国家能源生产的 增长速度。 1 1 4 2 铅生产的综合能耗居高不下 从表1 1 中可以看到l o 年来铅生产的综合能耗不但没有下降，反而从1 9 9 6 年的1 5 9 1 吨标煤吨铅，上升到1 6 3 5 吨标煤吨铅，主要原因是5 0 0 多家小铅锌 矿山规模小，工艺设备落后，造成矿产铅综合能耗大幅上升。铅冶炼的综合能耗， 从1 9 9 6 年的o 8 3 1 吨标煤，下降到0 6 5 4 吨标煤，下降了2 1 2 9 ，但是与国外 最先进的烧结鼓风炉炼铅法的综合能耗o 3 吨标煤吨铅相比，仍有巨大的节能 空间【1 7 1 。 表1 11 9 9 6 2 0 0 5 年铅单位产品能耗表( 吨标煤吨铅) 车纷 趴 1 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 l2 0 0 2 2 0 0 32 0 0 42 0 0 5 综合能耗 1 5 9 l1 5 7 61 6 3 1 1 6 5 91 5 1 31 6 7 21 6 4 11 6 1 01 6 3 51 6 3 5 矿产 0 7 60 7 2 20 7 5 5 0 8 3 50 7 5 11 0 0 41 0 3 41 0 0 31 0 0 21 0 0 1 冶炼0 8 31 0 8 5 40 8 7 6 0 8 2 40 7 6 20 6 6 80 6 0 70 6 0 70 6 3 30 6 5 4 1 1 4 3 铅能源消耗费用在生产成本中大幅上升 我国劳动力成本占生产成本的比例比较小，在有色金属行业中，原材料费用 占4 5 左右，能源费用占3 0 左右，由于能源价格上涨，仅2 0 0 5 年与2 0 0 1 年 相比，能源价格综合指数就上升了5 7 。铅锌企业能源消费在生产成本中有了较 大幅度的上升( 见表1 2 ) 。2 0 0 5 年与2 0 0 1 年相比，铅锌消耗的主要能源材料，原 煤价格上涨了9 8 7 2 ，洗精煤价格上涨了1 3 9 5 1 ，焦炭价格上涨了1 2 5 2 9 ， 7 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 十五期间，铅锌能源成本上升一倍多。就全国来说，能源消耗降低l ，就可以 增收经济效益1 0 0 亿元【1 7 1 。节约能源消耗对铅锌行业提高经济效益有重要意义。 表i - 22 0 0 1 2 0 0 5 年主要燃料平均价格表( 元吨，r , 千瓦时，) 1 2 能量系统的热力学分析研究现状 热力学第一定律，即能量守恒定律指出：能量既不能创造，也不能消失，只 能从一种形式的能量转化为另一种形式的能量；热力学第二定律指出：不可能把 输入的全部热量都转化为功。也就是说，能量的转换过程无论如何都会有能量的 损失。科学的分析和评价过程的能耗状况是实现工业生产过程节能降耗的基础。 能量系统的热力学分析的基础方法包括热平衡分析、熵分析、炯分析和其他能量 分析方法【1 8 1 。 1 2 1 热平衡分析方法 热平衡分析法的特点是仅依据热力学第一定律( 即从能量的数量出发) ，以 热效率为基本准则分析、评价能量有效利用状况，揭示能量传递和转换过程中的 “数量关系，它是最早出现的能量系统分析方法。热平衡分析法是在卡诺和克 劳修斯奠定的基础上形成的，这类方法的特点是利用系统热量平衡概念来分析和 完善所分析的系统，进行各项技术、经济指标计算，并以此来评估能量系统的完 善程度，人们常称之为“热力学第一定律分析法 ，也叫“能平衡计算方法 l l g 。 目前，我国在很多领域中仍沿袭着使用热平衡分析方法，但需指出这类方法是有 缺点的，其最突出的缺点就是该分析方法只考虑能的数量而忽视其质量，因而在 系统分析中不能发现各种不可逆性造成的损失。 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 2 熵分析方法 熵分析方法基于热力学第二定律，通过对系统进行熵平衡计算，分析出系统 熵产的大小、分布及其影响因素，确定熵产与不可逆损失的关系，作为评价过程 不完善性与改进过程的依据。熵分析法较明显的不足之处是熵的概念比较抽象， 其物理意义是表征物系由有序到无序的转化程度【2 0 1 。熵本身不能揭示能量的“品 质 变化，且因其并不是一种能量，无法反映能量的“数量 变化，因此也无法 用它来评价能量的使用价值，不便用统一的尺度来考察各类用能系统或设备的完 善度以及能源利用的充分程度。现代节能方式常要求把能量的使用价值和经济价 值联系在一起，对于这种要求，熵分析法也无法满足，而且熵值难以计算和理解， 因此，熵分析方法尽管出现较早，但并未广泛应用。 1 2 3 炯分析方法 考察一个过程的能量利用是否合理，仅用热力学第一定律进行能量衡算，确 定能量在数量上的利用率，不能全面的评价能量的利用情况。因为能量不仅仅有 数量的大小，还有品质的高低。热力学第二定律揭示了能量转换的方向、条件和 限度，数量相同而形式不同的能量，其有用程度是不同的。因此为了度量能量的 可用程度，应以能量的做功能力，即以“炯”作为判断标准。炯也被称之为“有 效能 或“有用能”，英文中称之为e x e r g y ，a v a i l a b i l 时或a v a i l a b l e e n e 玛y 等【2 1 1 。 在能量系统中变化和消耗的只是输入能量中的炯，即可用能，正是由于炯的损耗 推动了过程的进行。 ( 1 ) 炯分析 炯是相对于某计算基准的理论可用能。炯分析方法考虑了不可逆过程引起的 能量贬值( 品质下降) ，能够综合反映能量“数量 和“品质 的变化，深刻揭 示能量转化的实质。炯分析方法在定性分析系统或装置中炯的转换、传递和损失 的情况后，以确定的环境模型为基准，按照炯的定义，采用热力学计算方法，直 接计算出物质流或能量流在某个状态下的炯值，然后建立系统或装置的炯平衡方 程，进而可以算出各种过程以及由若干过程组成的子系统的炯损失大小、部位， 以及炯效率、热力学完善程度等准侧，从而揭示系统或装置中炯损失的最大环节 和部位，对系统各环节的用能情况作出科学深入评价，指出过程用能改进的潜力 和方向。 ( 2 ) 炯分析研究进展 随着炯分析法研究的系统深入的发展，其应用领域亦不断拓广。国外，c o s t a 等【2 2 】研究了基于炯理论的钢厂生命周期清单，对采用传统流程、半常规流程和新 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 型短流程等三种工艺流程的钢厂的能流和物流进行了9 f 8 核算，计算并比较了它们 的炯损和炯效率，为原料、产品和废料的能耗评价提供了一种综合方法；m a u j o 等j 对生产高纯度氯乙烯的精馏系统进行了煳分析，得到了各环节的炯效率，并 借助流程仿真软件a s p e n 讨论了设备的节能改造方法；n a 诧y 掣2 4 】使用热经济学 方法研究比较了多种流程作业方式的多效蒸发器系统和多效蒸发一多级闪蒸蒸发 器系统的单位产品最小成本，从而确定了最佳流程方式。国内，华贲等1 2 睨7 1 较 早地对炼油工艺、石油馏分等过程进行了炯分析，并据此对设备和装置进行了节 能改进；郑艳梅等【2 8 】将炯分析用于氯化铵回收三效降膜蒸发工序；郑宏飞等1 2 9 1 利用炯分析模型对横管降膜蒸发多效回热型太阳能海水淡化装置进行性能分析， 找到了降低炯损失、提高炯效率的关键因素；蔡九菊等【3 叩l 】将炯分析用于钢铁冶 金，并论述了利用炯分析相关效率指标的局限性，提出了评价热工装备完善性和 过程系统用能合理性的统一判据；孙振清等【3 2 】应用炯理论分析了钢铁生产对环境 的影响。在能量系统炯分析研究基础上发展起来的能级分析法，为解决供能与用 能两个方面能量品质的合理匹配提供了有力的工具【3 3 】；华贲等【3 4 】从能量在过程 系统中的作用和追踪其变化线索入手，提出了三环节能量平衡和炯经济结构模 型，为化工1 3 5 】、钢铁冶金【3 6 1 等流程工业过程的能耗分析提供了思路。 ( 3 ) 炯分析与热平衡分析比较 表1 - 3 热分析与太硐分析的对比 热分析与炯分析的对e t 3 7 1 见表1 3 。热分析法是依据不同质的能量在数量上 的平衡，只考虑了能量的利用和能量的直接“外部损失 ，在计算投入装置或设 备的总能量中有多少被利用( 即收益) ，有多少直接转移到环境中损失掉时，比 较直观和容易理解，易于操作。但热平衡分析没有考虑到由于在设备发生不可逆 1 0 中南大学硕士学位论文第一章绪论 过程时