牛莎莎

（中國有色金屬工業(yè)協(xié)會工業(yè)爐分會, 北京 100080）

近幾年，我國有色金屬行業(yè)隨著國家發(fā)展的需要和世界有色金屬價格的增長快速發(fā)展，各種有色金屬產(chǎn)量逐年增長。我國十種有色金屬近九年的產(chǎn)量（見表1）呈現(xiàn)逐年不斷增長的趨勢，2018年年產(chǎn)量為5687.9萬噸，同比增加6%。以金屬銅為例分析，2018年電解銅的年產(chǎn)量為902.9萬噸，同比增加8.0%，占全球總產(chǎn)量的1/3以上，其中絕大部分采用火法煉銅工藝。目前火法煉銅和濕法煉銅占全球原生銅產(chǎn)量的比例分別是80%和20%，火法煉銅仍是主要的煉銅工藝。鉛、鋅、鎳等有色金屬是現(xiàn)階段我國國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)原料，它們大多采用火法冶煉技術(shù)，可見火法冶煉在冶金工藝中的重要性。

如果說火法冶金是有色金屬工藝的半壁江山，那么有色金屬工業(yè)爐窯則是火法冶金的靈魂精粹，離開了它，便無法對物料或工件進行冶煉、焙燒、燒結(jié)、熔化、加熱等工序，更無法冶煉或熱處理出高品質(zhì)的金屬產(chǎn)品。有色金屬工業(yè)爐窯更是集傳熱學(xué)、燃燒學(xué)、流體力學(xué)等多學(xué)科技術(shù)為一體的復(fù)雜設(shè)備，與能源、信息、材料等緊密相關(guān)。

1 有色金屬工業(yè)爐窯的現(xiàn)狀分析

隨著行業(yè)的快速發(fā)展，冶金工藝技術(shù)不斷取得突破性進展，火法冶煉中的傳統(tǒng)工藝已幾乎全部淘汰，比如傳統(tǒng)煉銅中的鼓風爐、反射爐和電爐已被富氧閃速熔煉和富氧熔池熔煉技術(shù)取而代之；鉛的火法冶煉中傳統(tǒng)的鼓風爐處理高鉛渣技術(shù)已被市場淘汰，現(xiàn)階段底吹氧化爐、底吹還原爐、氧化爐煉鉛法和底吹氧化爐、側(cè)吹還原爐、煙化爐煉鉛法等發(fā)展為國內(nèi)市場的主流技術(shù)；鋅冶煉由原有的傳統(tǒng)工藝發(fā)展為密封鼓風爐技術(shù)等。現(xiàn)將一些先進的有色金屬冶煉設(shè)備和技術(shù)等做簡要闡述。

目前全球最先進的火法煉銅工藝根據(jù)技術(shù)特點可簡分為三大類：一是以芬蘭奧圖泰閃速爐為代表的閃速熔煉技術(shù)，有工藝成熟的奧圖泰閃速爐熔煉，清潔環(huán)保的“雙閃”工藝，以及直收率高，能耗更低、原料適應(yīng)性更強的金川合成爐；二是以原料不需深度干燥的艾薩爐和澳斯麥特爐為代表的艾薩爐熔池技術(shù)；三是底吹熔煉和底吹吹煉技術(shù)，原料不需要深度干燥且可以實現(xiàn)熔煉與吹煉“熱連接”[1]。

上述三類中的后兩類都屬于熔池熔煉技術(shù)，熔池熔煉爐具有流程短、備料工序簡單、冶煉強度大、爐床能力高、節(jié)能環(huán)保、爐渣易于得到貧化和機械煙塵低等一系列優(yōu)點，從而獲得了廣泛重視。富氧熔池熔煉有頂吹、側(cè)吹和中國恩菲開發(fā)的氧氣底吹熔煉，高富氧鼓風是這些先進的熔煉工藝的技術(shù)基礎(chǔ)[2]。熔池熔煉的爐型還有諾蘭達爐、艾薩爐、澳斯麥特爐、瓦紐科夫爐及三菱法熔煉爐等。

表1 我國十種有色金屬近幾年的產(chǎn)量

世界最大的澳斯麥特爐在我國大冶有色金屬有限責任公司冶煉廠，采用頂吹富氧頂吹熔煉技術(shù)，取代原有的反射爐貧化工藝。澳斯麥特爐是賽羅爐和艾薩爐結(jié)合體的技術(shù)改進版，通過大量的技術(shù)創(chuàng)新，在熔體-爐料-氣體之間形成強烈的攪拌，不僅使得熔池的質(zhì)量、熱量傳遞和化學(xué)反應(yīng)速率大大強化，而且使熔池上方的金屬蒸氣和碳致顆粒充分燃燒，反應(yīng)熱效率提高的同時煙氣性質(zhì)大大改善[3]。

近些年我國鉛冶煉不斷引進國外先進技術(shù)，充分結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)設(shè)備優(yōu)缺點，將各爐型完美嫁接，獨樹一幟，形成具有我國獨特的多爐、連續(xù)、清潔化生產(chǎn)的創(chuàng)新技術(shù)，如雙底吹、底吹+側(cè)吹煉鉛技術(shù)等。這些新工藝逐步實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，能耗減少，有部分工藝采用天然氣等清潔能源，改變了傳統(tǒng)冶鉛間斷生產(chǎn)和采用大量燃煤作為還原劑的局面，煙氣排放大大地減少，綠色環(huán)保[4]。

有色金屬爐窯燃燒技術(shù)市場發(fā)展迅速，各種新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。國內(nèi)燃燒技術(shù)快速發(fā)展，富氧燃燒技術(shù)、蓄熱燃燒技術(shù)、燃燒替代及余熱利用、高溫空氣低氧燃燒技術(shù)等創(chuàng)新技術(shù)。德國林德集團發(fā)明了一種低溫純氧燃燒技術(shù)（LTOF）應(yīng)用于銅鋁等有色金屬冶煉、熔鑄和熱處理，通過稀釋燒嘴前部氧氣濃度，減緩燃燒反應(yīng)的效率，產(chǎn)生一個較低的火焰溫度，實現(xiàn)了與空氣-燃料燃燒火焰接近的火焰溫度。這種火焰特性可消除局部熱斑，均勻爐膛溫度，提高金屬回收率，降低煙氣排放量和燃料消耗。瑞典stena鋁回收廠23t可傾動旋轉(zhuǎn)爐采用此技術(shù)改造后，鋁回收率增加2%～3%，能耗降低40%，熔鹽使用消耗減少70%。該技術(shù)在全球20個國家，擁有超過130個鋁熔煉爐應(yīng)用[5]。

雖然目前工業(yè)爐的發(fā)展取得了許多突破性的成果，但目前仍存在諸多問題，如結(jié)構(gòu)性矛盾依然突出，行業(yè)的環(huán)境保護壓力不斷加大等，未來如何發(fā)展，仍是一個值得深思的問題。

2 工業(yè)爐窯的未來發(fā)展

我國工業(yè)爐窯年總能耗達2.6億噸標煤，屬于能耗大戶，約占全國總能耗的25%，僅次于熱力發(fā)電的能耗，位居第二位[6]。我國近些年節(jié)能減排的治理力度逐步加大，早在“十一五計劃”中就將工業(yè)爐作為十大重點節(jié)能工程之一；“十二五計劃”繼續(xù)貫徹執(zhí)行降耗20%的目標；“十三五規(guī)劃”更是加大了環(huán)保的力度，環(huán)境保護制度更加嚴格，有色金屬工業(yè)發(fā)展主要目標見表2，表中綠色發(fā)展大氣、水、土壤相關(guān)的指標要求提高，生態(tài)保護與生態(tài)環(huán)境管理要求不斷提高。

環(huán)保的嚴格要求，意味著對技術(shù)和生產(chǎn)控制的要求不斷提升，未來的發(fā)展是必將是經(jīng)濟、資源、環(huán)境協(xié)同發(fā)展的過程。

2.1 集約化，結(jié)構(gòu)化發(fā)展

國家工信部《銅冶煉行業(yè)規(guī)范條件（征求意見稿）》中明確提出利用銅精礦的銅冶煉企業(yè)單系列冶煉能力須在10萬噸/年及以上，利用含銅二次資源為原料的銅冶煉企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不得低于5萬噸/年，不斷推進銅冶煉行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革。我國電解鋁行業(yè)存在產(chǎn)業(yè)集中度低，企業(yè)實力弱，行業(yè)缺乏競爭力等問題，電解鋁等相關(guān)高端深加工產(chǎn)品短缺，部分冶煉及低端加工產(chǎn)能過剩。鉛冶煉行業(yè)存在規(guī)模小、綜合回收水平差、工藝設(shè)備較低等問題。

表2 “十三五”時期有色金屬工業(yè)發(fā)展主要目標

成本、生態(tài)環(huán)境等要素的約束促使行業(yè)進行結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變。國家鼓勵有色金屬企業(yè)充分發(fā)揮市場機制，開展行業(yè)內(nèi)上、下游及跨行業(yè)聯(lián)合重組，提高產(chǎn)業(yè)集中度，加強業(yè)務(wù)整合、流程再造，構(gòu)建上、下游一體化完整產(chǎn)業(yè)鏈，增強企業(yè)實力和競爭力。隨著行業(yè)整合腳步的加快和集中度的加大，未來行業(yè)向著集約化的方向轉(zhuǎn)變，這樣既可以改變裝備水平低、綜合利用率低的問題，又可以確保企業(yè)規(guī)模并提升裝置水平，為資源利用率的提升奠定基礎(chǔ)。

2.2 多金屬、再生金屬資源綜合利用

隨著有色行業(yè)高質(zhì)量高品位的精礦減少，復(fù)雜的多金屬精礦增加，多種金屬的回收利用，再生金屬的循環(huán)利用，不斷提高資源綜合利用水平已成為一種發(fā)展趨勢。國內(nèi)銅、鋁、鎳等重要礦產(chǎn)原料部分來自于進口，受資源出口國政策變化和法律約束等因素影響較大，面臨許多不確定因素，市場風險抵御能力不足，資源的稀缺性越來越明顯。國家鼓勵“城市礦產(chǎn)”、進口再生資源等高值再生產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。支持廢雜銅、廢舊易拉罐等為原料生產(chǎn)高值加工產(chǎn)品；支持含鉛、含銅、含鋅二次資源及黃金尾礦、氰化尾渣等固體廢棄物的回收利用；支持窯渣回收設(shè)施、余熱回收、尾氣脫硫系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保技術(shù)在二次鋅資源企業(yè)推廣等。充分發(fā)揮現(xiàn)有多種資源的優(yōu)勢，提高資源的多種金屬回收率將是一個發(fā)展趨勢，更是新的利潤增長點。

2.3 節(jié)能減排，設(shè)備技術(shù)改革，綠色環(huán)?？沙掷m(xù)

國家對環(huán)保的治理力度不斷加大，由多個國家機關(guān)和政府部門共同發(fā)布的《京津冀及周邊地區(qū)2018-2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》中，明確要求嚴控“兩高”行業(yè)，全面排查工業(yè)爐窯，開展拉網(wǎng)式排查，深化工業(yè)污染治理，按照“淘汰一批，替代一批，治理一批”的原則，推進重點行業(yè)設(shè)備升級改造，工業(yè)爐窯結(jié)構(gòu)升級和污染減排，并加快清潔能源替代[7]。

傳統(tǒng)的冶煉工藝生產(chǎn)環(huán)境相對較差，對職業(yè)健康安全和行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展均產(chǎn)生不利影響。如何提高設(shè)備的節(jié)能指數(shù)，如何減少污染物的排放等需求，是技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵點。比如使用新型生物燃料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的煤、石油等燃料，降低能耗，降低環(huán)境污染[8]。

綜合運用每一個先進的方法，大膽創(chuàng)新，與時俱進，才能讓工業(yè)爐未來之路越走越寬。

國內(nèi)的許多有色金屬冶煉企業(yè)不斷集思廣益，結(jié)合現(xiàn)有的工藝進行技術(shù)創(chuàng)新和改造，取得顯著效果。葫蘆島有色金屬集團有限公司對銅冶煉系統(tǒng)進行改造，對原有的四臺轉(zhuǎn)爐尺寸加大，相應(yīng)配套的余熱鍋爐系統(tǒng)和制酸系統(tǒng)的能力不斷增加，通過進行高壓變頻技術(shù)改造，電能消耗不斷減低，設(shè)備的操作和控制均有很大的改善[9]。

能耗的控制不但直接決定了投資回報率，而且對于降低提升處理效率具有促進作用。企業(yè)在不斷進行節(jié)能環(huán)保技術(shù)改造的過程中，不斷改善作業(yè)環(huán)境，而且降低了生產(chǎn)成本，實現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2.4 連續(xù)化生產(chǎn)，智能化控制

連續(xù)性生產(chǎn)，能夠有效提升爐子間的連接工作，實現(xiàn)熱態(tài)物料的整體化管理，不但解決了傳統(tǒng)的火法冶煉技術(shù)間斷、大量的生產(chǎn)時間被耽誤等問題，而且降低生產(chǎn)成本、保障生產(chǎn)安全。我國在銅、鋁、鉛、鋅等冶煉領(lǐng)域和銅、鋁等深加工智能需求不斷加大，需開拓思維、與時俱進，提高企業(yè)快速高效低成本滿足用戶需求的能力。

中國恩菲工程技術(shù)有限公司在有色冶金智能化控制方面走在行業(yè)前列，自主研發(fā)的銅冶煉氧氣底吹連續(xù)煉銅工藝，在底吹熔煉的基礎(chǔ)上開發(fā)新的連吹工藝和設(shè)備，實現(xiàn)火法煉銅造锍熔煉和冰銅吹煉的連續(xù)化生產(chǎn)。底吹煉鉛技術(shù)打造了氧氣底吹熔煉-液態(tài)渣直接還原-強化揮發(fā)的三連爐短流程工藝，已投產(chǎn)7家以上企業(yè)。側(cè)吹浸沒燃燒熔池熔煉技術(shù)應(yīng)用在廢鉛酸蓄電池回收鉛方面，實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，具有熔化速度快、操作環(huán)境好等優(yōu)點。白銀公司采用中國恩菲工程技術(shù)有限公司最新開發(fā)的世界上最大的152m2鋅冶煉新型流態(tài)化焙燒爐工藝，鋅焙砂殘硫率更低，煙塵夾帶率更低，噸鋅成本更低，爐體使用壽命更長[10]。

行業(yè)內(nèi)許多企業(yè)也不斷加大了智能化系統(tǒng)方面的投入和運用，我國貴溪冶煉廠引進全套的計算機自控系統(tǒng)，通過對加料量、燃料消耗、空氣消耗、入爐空氣及排煙量、爐膛溫度等各項參數(shù)的監(jiān)控，優(yōu)化生產(chǎn)狀態(tài)，熱能得到充分的利用[11]。

隨著連續(xù)化生產(chǎn)和智能化控制水平的提升，企業(yè)的成本和收益優(yōu)勢也會不斷體現(xiàn)，未來是技術(shù)的競爭，也是成本的競爭。

3 總結(jié)

（1）有色金屬爐窯在我國金屬冶煉中占據(jù)著關(guān)鍵的地位，不可或缺。隨著國家政策的引導(dǎo)和行業(yè)整合的腳步，爐窯行業(yè)未來不斷向著集約化、規(guī)?；⒔Y(jié)構(gòu)化方向發(fā)展。

（2）工業(yè)爐的技術(shù)在節(jié)能環(huán)保方面的要求提升，未來需要不斷進行技術(shù)改進和開拓創(chuàng)新，向著經(jīng)濟效益好，能源消耗低，環(huán)境污染少的方向持續(xù)突破。

（3）資源緊缺將使得提高能源綜合利用效率變的越來越重要，可再生資源利用、產(chǎn)品和副產(chǎn)品的多樣化回收設(shè)備需求量不斷增加。

（4）降低成本并實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)與智能化控制是一種必然的發(fā)展趨勢。