1 概述
侧吹浸没燃烧熔池熔炼技术(SSL技术)是由中国恩菲工程技术有限公司开发的具有自主知识产权的一种强化熔池熔炼技术。该技术最初应用于利用侧吹炉替代鼓风炉还原液态高铅渣，并于2010年6月在河南济源工业化成功，同年荣获中国有色金属工业科技一等奖。
2010年开始，中国恩菲SSL技术开始进入商业化推广阶段，相继推广应用在驰宏会泽冶炼厂、湖南华信液态渣直接还原以及湖北金洋再生铅等项目。随着上述项目的成功投产及成功的工业化生产，SSL技术已经发展为成熟先进的熔池熔炼技术，当前正逐步推进其在有色行业，锌、铅、锑、锡、铜、镍等金属的氧化矿和二次物料处理领域的应用。
2 侧吹浸没燃烧熔池熔炼工艺
2.1 侧吹浸没燃烧熔池熔炼法原理
中国恩菲侧吹浸没燃烧熔池熔炼法是以多通道侧吹喷枪以亚音速向熔池内喷入富氧空气和燃料(天然气、发生炉煤气、粉煤)以激烈搅动熔体和直接燃烧向熔体补热为特征的。不同于其它类型侧吹炉仅适用于铜精矿冶炼和液态渣还原，中国恩菲SSL工艺物料适应广泛，特别适应于不发热物料的处理。当炉料加入熔炼区后，碳酸盐或硫酸盐物料立即随熔体的搅动散布于熔体之中，与周围熔体发生快速传热，进行炉料的加热、分解、熔化等过程。同时，侧吹喷枪喷入燃料又为物料提供热源。可知SSL炉系统为一个近似理想的热技术系统。
2.2 侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉结构
图1 中国恩菲侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉立面图
图2 中国恩菲侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉剖视图
侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉采用椭圆型炉型结构，放置混凝土条形基础上，由炉缸，炉身，炉顶构成;炉缸外围钢板，内衬耐火材料，在炉缸的一侧开有上渣口和下渣口，在炉缸最底部设有底排放口;炉身侧墙由铜水套内衬耐火砖构成，铜水套和钢水套采用循环水水冷保护。炉体两侧熔池区设置有多通道富氧空气与燃料侧吹喷枪，炉顶出烟口直接与锅炉膜式壁连接，锅炉上升烟道开设有三次风口，用于将再燃烧风鼓入烧掉产生的一氧化碳;炉顶设有若干加料口，在炉子另一侧设有虹吸井。
2.3 侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉的特点
2.3.1 工艺操作特点
(1)通过侧吹喷枪直接向熔体内部补热。燃料直接在熔体内燃烧，放出热量全部被熔体吸收，加热速度快，热量利用率高，可以快速有效调节熔池温度。
(2)可以通过燃料和氧气的相对量的调节，有效控制参与冶炼反应的氧气的氧势，熔池内部氧化和还原氛围可控，严格控制四氧化三铁的生成，杜绝泡沫渣、喷炉等不利炉况的发生。
从上可知，侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉工艺操作与其它类型侧吹炉采用铜水套直接挂渣喷嘴不进燃料有明显的区别。
后者存在的问题是：1)熔体温度不易维持，风口易产生炉结，需要频繁更换风口进行清理，影响正常生产;2)从风口吹入的氧气与熔体反应容易发生局部过氧化，而过氧化则会导致泡沫渣，严重时造成喷溅威胁安全生产;3)炉体由水套拼合而成，燃气或熔体容易从水套缝隙处溢出，操作环境较差;4)铜水套直接挂渣在工作时，通过水套的水冷作用使熔体在水套表面挂渣，但这种挂渣并不稳定，与所处理的物料的性质和操作控制有关，铜水套缺少保护可能造成损坏，将危及生产安全。
图3 铜水套直接挂渣侧吹炉立面
2.3.2 结构方面
(1)喷枪
中国恩菲侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉喷枪则采用了一种多功能多通道喷枪或多层套管喷枪。该喷枪为浸没式喷枪，多通道或多层套管的结构形式，喷枪的一些通道喷入压缩空气或富氧的同时，另一些通道可以喷入燃料，燃料为粉煤或天然气。
侧吹喷枪为高速喷枪，根据火焰传播原理，当天然气或煤气传播速度大于火焰传播速度会形成脱火现象，当天然气或煤气传播速度小于火焰传播速度会形成回火现象，无论是脱火、回火都会对喷枪、炉衬寿命带来不利影响，喷枪流速至关重要。控制喷枪流速关键是稳定天然气或煤气、氧气供应压力。
侧吹浸没喷枪为中国恩菲自主专利。在已投产项目中，驰宏会泽冶炼厂液态渣侧吹还原炉(18m2)、济源金利液态渣侧吹还原炉(13m2)、湖南华信液态渣侧吹还原炉(18m2)以及湖北金洋处理再生铅膏连续熔化还原炉(32m2)喷枪均采用该类型喷枪。
(2)喷枪布置方式
侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉喷枪布置采用方式为对吹，可有效减缓喷枪对对面侧墙的冲刷，选择合理喷枪流速和工作压力，喷枪寿命可达半年以上。有些侧吹炉型的喷嘴或风口需每隔3-8小时一次频繁的进行风口堵口更换操作。
因此侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉免去了频繁的更换风口的操作，从而提高了自动化操作水平，减轻了工人劳动强度。
(3)炉缸
炉缸采用三层结构形式。
底层为黏土砖或高铝砖，中间层采用捣打料捣制成反拱，反拱上设置一到两层镁铬砖工作层。采用复合炉底结构后，可大大增加炉底寿命，有效保障了冶炼炉整体作业周期。目前生产实践已表明，该种炉底结构寿命已超两年，至今未损坏。
(4)炉墙
侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉是一种强化熔炼设备，冶炼过程中，温度可达1100-1250℃。使用单一的耐火砖是抵抗不了高温流体的冲刷与腐蚀。对侧墙耐火材料必须采取冷却措施，这对高冶炼强度的现代冶炼炉尤为重要。耐火材料及其冷却成为能否采用高富氧浓度、高投料量、和高温度操作的关键。
中国恩菲发明的侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉炉体，采用20-50mm厚的钢板围合而成，水套则通过高强螺栓安装在钢板内侧，水套内侧再镶嵌耐火砖。铜水套通过炉外横梁固定于炉壳内侧，中间设有隔热材料缓冲。炉体密封性好，从而避免了铜水套拼接造成接缝处频繁冒火，影响安全的风险。
熔池内与熔渣接触的耐火材料受到熔渣的侵蚀，这种侵蚀要持续直到耐火材料由于冷却而使其表面结成一层固体渣壳为止。此后，这一层渣壳就起到了保护耐火砖和铜水套的作用。实际生产中，最重要的是被冷却耐火砖受熔体侵蚀后的残余厚度，在炉子运行后期，该砖层的厚度还有100mm，形成稳定挂渣，并一直稳定在此，不再腐蚀。气相区炉墙为单一的镁铬砖砌筑。会泽冶炼厂液态渣侧吹还原炉炉墙寿命根据目前运行情况来看，从2013年11月投产到现在，持续生产已超过20个月，预期大修寿命可达两年以上。期间有过两次侧墙局部修补，每次耗时约2周，侧吹炉实际生产有效作业时间达330天，当铜水套加强水冷后，至少可连续生产一年以上，才需进行类似的修补。
(5)炉体框架结构
炉子的钢结构采用先进成熟的“约束构架”，避免了刚性约束结构无法自由膨胀的缺点。采用约束构架对炉体整体稳定性至关重要 。同时对炉体冷却效果也有着影响。侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉采用整体“约束构架”结构，保持炉体钢板整体膨胀均匀，可有效防止熔池熔炼时的炉体位移与晃动。
2.4 侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉配套系统
为保证侧吹浸没燃烧熔池熔炼工艺的整体顺行，SSL炉配套有余热锅、高温布袋等收尘设施，以及烟气制酸或尾气脱硫系统，DCS控制系统。
余热锅炉
余热锅炉可根据客户需求按不同运行压力进行设计。蒸汽需要余热发电时，则配套余热锅炉以主产蒸汽为主，锅炉设置有垂直段和水平辐射段，锅炉出口控制在300-350℃;烟气量小不作发电之用，余热锅炉可只设计垂直段以节约投资，烟气出口控制在600℃，后接喷淋冷却器及布袋收尘器。
炉体安全运行监控系统
在炉底、铜水套表面，以及炉墙砖内部平均分布设置有若干温度测点。铜水套进出水管均设有流量计和温度计，上述温度、流量信号均进DCS控制系统，
3 工业化应用
3.1 工业化设计改进
工业化设计的重点在于如何解决侧吹浸没燃烧熔池熔炼工艺工业化生产装置的连续稳定运行，以保证生产指标的实现。针对该工艺复杂性和特殊性，对如下装置进行了工业化的研究和设计。
(1)侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉选择合适的喷枪间距、富氧和燃气喷吹压力和流量，以及喷枪套砖结构形式材质
(2)工业化生产的侧吹喷枪在结构上充分考虑了冷却措施，保护气体氮气的运用和枪芯可更换性。
3.2 应用实践
中国恩菲侧吹浸没燃烧熔池熔炼工艺主要领域：液态铅渣直接还原、铅膏等二次铅杂料的连续熔化还原、锌浸渣等二次锌杂料的处理、锑精矿及锑烟尘的熔炼还原以及其它氧化物料的处理。
(1)液态铅渣直接还原
液态铅渣还原技术是中国恩菲主导开发，金利参与试验开发，该技术获得有色金属协会科技一等奖，并已成功应用于湖南华信冶炼厂和驰宏锌锗会泽冶炼厂。
其中会泽侧吹还原炉在华信投产基础上进一步优化，于2013年12月投产，已持续生产达20个月。该技术荣获2014年度中国有色金属行业部级—优秀工程设计一等奖。
表1 液态渣侧吹还原炉生产技术参数
(2)硫酸铅渣或再生铅膏处理
采用连续熔化还原炉处理铅膏，该工艺为中国恩菲的专利技术。国内第一条用于处理未脱硫铅膏的连续熔化还原炉生产线于2012年在湖北金洋投产。 工艺流程如图4。
经过3年以来不断摸索与改进，已形成“铅膏连续熔化还原—烟气脱硫(制酸)—铅屑短窑低温熔化”低成本、节能环保的再生铅生产新工艺。目前处理未脱硫铅膏的冶炼工艺日臻完善，各项技术参数指标均达到了行业领先水平，具体指标如下。
表2 铅膏处理技术指标
图4 侧吹浸没燃烧熔池熔炼工艺处理再生铅硫酸铅膏工艺流程图
(3) 锌浸出渣的处理
锌浸渣处理工艺采用“侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉熔化+烟化”工艺。
图5 侧吹浸没燃烧熔池熔炼工艺处理锌浸出渣工艺流程图
侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉主要用途是熔化锌浸渣，由于铅锌渣中已经没有发热元素，熔化主要靠喷枪喷吹燃料补热。煤粉从侧吹喷枪直接喷入熔池，同时喷枪鼓入足够的氧气，保证喷入粉煤以及加入熔池的块煤完全燃烧，加速了熔池内传热传质过程，可达到快速熔化炉料的效果。侧吹喷枪采用富氧空气助燃，喷入炉内的富氧空气浓度可达40～65%。
侧吹炉熔化+烟化炉渣烟化渣处理工艺由1台侧吹炉和1台烟化炉组成，中间通过溜槽连接，熔化炉的炉渣经溜槽送至烟化炉。主要技术指标如表3，由于烟化炉处理热量已有丰富的生产实践经验，所以试验厂未设烟化炉，下表中熔渣为熔化渣。
表3 锌浸渣侧吹炉熔化阶段工业试验技术参数
(4)锑精矿的处理
目前锑精矿主要冶炼方法为传统鼓风炉挥发熔炼，存在低浓度二氧化硫低空污染，以及烟气余热无法回收等问题。
为解决鼓风炉存在的种种问题，中国恩菲提出一种处理锑精矿的新思路、新工艺供业主选择。采用侧吹浸没燃烧熔池熔炼工艺进行锑精矿的氧化挥发熔池熔炼。
(说明：当锑精矿原料含铅、贵金属时，锑冰铜应单独处理)
图6 侧吹浸没燃烧熔池熔炼工艺处理锑精矿工艺流程图
由锑精矿的特殊性质可知：进行熔炼时锑精矿中硫化锑大部分挥发进入烟气收尘后段火柜进行氧化燃烧形成锑氧烟尘进行回收;落入熔池中的物料一部分造渣，一部分锑、铁与硫形成锑冰铜相。实际熔池中形成两相：上层为渣层，下层为锑冰铜层。由于锑冰铜熔点较高，如熔池内部补热不足则容易在炉缸底部形成炉结，影响正常操作。同时由于锑精矿中硫化锑大部分挥发进入气相，熔池氧料比控制至关重要。
通过侧吹喷枪直接向熔体内部补热，可以快速有效调节炉内熔池中锑冰铜的温度，避免风口区和炉缸区炉结的生成，由于恩菲侧吹浸没燃烧熔池炉墙镶嵌长寿命耐火砖层避免了锑冰铜对铜水套侵蚀的风险;而且可通过燃料和氧气相对量的调节，有效控制熔池内部氧化和还原氛围，严格控制四氧化三铁的生成，杜绝泡沫渣、喷炉等不利炉况的发生。
因此基于以上锑精矿挥发熔池熔炼的特殊性质，采用中国恩菲专利技术侧吹浸没燃烧熔池熔炼工艺处理锑精矿可实现锑、硫的高回收率，同时工程投资也较低，工业化成熟度较高，该技术具有非常广阔的发展前景。
(5)锡精矿、锡中矿的处理
目前国内的大中型的锡冶炼厂都采用的是电炉和顶吹炉进行粗锡的冶炼。
电炉高电耗和对锡原料含铁要求严格，以及单台电炉生产能力有限，限制了其推广应用。
顶吹炼锡工艺，目前国内有云锡、华锡等企业采用顶吹炉进行粗锡冶炼。从工艺角度讲，顶吹炉熔炼具有熔炼效率高、对物料适应性强、自动化水平高等优点。但顶吹炉富氧浓度28～30%，顶吹炉还原熔炼的煤耗在40-50%以上。而且由于顶吹喷枪的寿命小于3天，造成频繁换枪，作业率较低。另外引进该技术费用过高，建设投资大。
结合中国恩菲在侧吹浸没燃烧熔池熔炼方面的技术优势，以及相关工业生产实践，推荐粗锡冶炼采用 “高硫锡精矿的流态化焙烧+侧吹炉还原熔炼+烟化炉烟化”工艺流程，该技术是一项具有自有知识产权的粗锡冶炼工艺，简称侧吹炉炼锡工艺。该工艺具有锡、铅、铜、铋等有价金属回收率高，能耗低，系统密闭，低噪音，无粉尘、烟气等泄漏，生产环境好，自动化程度高等特点。
以生产规模为1万～2万t/a锡的顶吹工艺和侧吹工艺对比，顶吹炉设备总投资(含专利费、设计费等)约～4000万元，而采用中国恩菲自主专利侧吹炉的设备投资为顶吹炉的一半左右，具有较大的技术和成本优势。
(6)其它应用方向
目前中国恩菲已将侧吹浸没熔池熔炼炉应用范围逐步扩展，应用于阳极泥、铜浮渣、低品位共生铅锌氧化矿以及尾气脱硫石膏渣无害化处理等方面。
4 侧吹浸没燃烧熔池熔炼技术优势
(1)作业率高
年作业时间可达300～330天。侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉炉墙为二层结构形式。从内到外为耐火砖、铜水套。耐火材料起隔热作用，减少炉子的热损失。而外层铜水套在炉墙上形成了一个冷却强度很大的冷却层，使得炉墙耐火材料始终在低温下工作。铜水套和内衬砖的结构有利于冷却和挂渣，大大延长了炉子寿命。炉底为耐火砖，抗渣和铅冰铜侵蚀能力强，炉子整体大修周期两年以上。
(2)安全性好
炉墙采用二层结构形式，内层为耐火砖砌体，外层为铜水套镶嵌耐火砖，镶嵌的耐火砖有效保护了铜水套，从而确保了炉体安全。该炉炉体设有钢板外壳，炉体不易发生燃气泄露着火。
图7 侧吹浸没燃烧熔池熔炼工艺处理锡精矿、锡中矿工艺流程图
(3)热利用率高
侧吹浸没燃烧熔池熔炼工艺采用富氧熔炼，燃料及助燃气体喷入熔池内，在熔池内燃烧，搅拌强度大，传质传热快，热利用率高，单位容积热强度大。熔炼炉产生的高温烟气通过余热锅炉回收余热，产生的蒸汽可进行发电和送到其它蒸汽用点，余热得到充分利用。
该炉与其它采用铜水套直接挂渣的侧吹还原炉相比，具有保温效果好、炉子热损失低的优点。
(4)氧枪寿命长
喷枪结构和布置的优化，提高了熔池搅动效率和反应速率，提高了气体的燃烧效率。喷枪使用寿命达6个月以上。
(5)丰富的工程设计和生产实践经验
驰宏会泽、济源金利、湖南华信和湖北金洋项目整体工程设计均由中国恩菲完成。
湖北金洋连续熔化还原炉已积累了近3年的宝贵生产经验，对于单独处理硫酸铅膏时，炉内硫酸铅的行为以及炉况的掌握有成熟的操作技术制度和丰富的实践。
特别是驰宏会泽冶炼厂已积累了丰富的侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉处理冷料(氧化矿、酸浸渣)和热料的生产实践经验。
(6)烟尘率低
侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉烟尘率低。用于液态铅渣直接还原时，烟尘率一般7%，而其它如瓦纽科夫类型富氧侧吹炉，烟尘率较高，达15～20%。究其原因为熔池鼓入大量的富氧空气，烟气量大，熔池搅动过于剧烈，造成被烟气带走的烟尘过多，烟尘率较高。
(7)环保好
侧吹浸没燃烧熔池熔炼工艺采用微负压操作，无烟气外逸;系统产生的铅烟尘均密封输送返回熔炼配料，无铅尘弥散;熔炼炉放出口和热物料输送流槽均采用强化通风，有效防止铅蒸汽扩散，满足岗位环境卫生标准要求。
(8)铅、锑、硫等综合回收率高。
该工艺独特的炉体结构，使的炉内各熔池相分离效率高。金属相位于喷枪下层，基本处于静止层，对金属熔体和液态渣两相澄清效果非常好，可通过金属层的高度来调节分离效果。已有生产厂指标表明，侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉排出弃渣含铅低于1.5%。
5 结论
经过近5年的实践和改进，中国恩菲侧吹浸没燃烧熔池熔炼技术(SSL技术)已发展为一种近似理想的热技术系统。侧吹浸没式燃烧熔池熔炼技术正日趋完善，其在处理工艺、炉体结构等方面都在不断地改进应用，是一种可靠、稳定的新型熔池熔炼方法。
工业化生产表明该工艺在技术和成本方面有其出众的优势。
技术优势：炉料准备简单，可处理各种复杂成分的炉料;床能率高;燃料和还原剂既可以是煤也可以是天然气。通过调整燃料、还原剂与空气、氧气的比例来灵活控制炉内氧化还原气氛。该侧吹浸没式燃烧熔池熔炼炉既可作熔炼设备，也可作炉渣贫化或烟化设备，特别擅长处理各种氧化物原料。炉体密封性好，车间环保条件好，自动化水平高，操作比较简单，炉型结构紧凑。
成本优势：与其它直接处理复杂物料的冶炼方法比，比如Ausmelt、ISA等其它方法比，采用侧吹浸没燃烧熔池熔炼技术具有自主知识产权，不需要引进技术和昂贵的关键设备，设备全部为国产化，建设投资可大为降低。同时该技术属于当前最为先进的熔池熔炼技术，运行成本和技术指标均达到国内国外领先水平。
总之，从侧吹浸没式燃烧熔池熔炼工艺成熟的工业生产实践，以及技术经济指标的先进性等方面考察，该工艺具有工厂建设投资省、金属回收率高、产品成本低、资源综合利用水平高、综合能耗低、作业环境优良等优点。而且该技术是处理液态铅渣、冶炼渣贫化处理、二次铅杂料、二次锌杂料、锑精矿、锑氧尘、锡精矿及锡中矿等不发热物料最先进的冶炼工艺，为我国有色冶炼相关领域工艺技术升级的首选技术，具有广阔的应用前景。
欢迎对此感兴趣的业主与中国恩菲工程技术有限公司联系，“ENFI”愿向客户提供最先进的技术和最优质的服务。
声明：
“侧吹浸没燃烧熔池熔炼工艺的开发和应用” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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编辑：中冶有色技术网
来源：中国恩菲工程技术有限公司
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2024年04月24日 ~ 26日 
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