CN101736165A - 旋涡柱喷嘴、旋涡柱熔炼设备和旋涡柱熔炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋涡柱喷嘴，所述旋涡柱喷嘴包括：喷嘴主体；加料管，所述加料管穿过所述气室并延伸至所述喷口部，用于供给精矿；设置在所述喷嘴主体上的供氧部；其中所述喷口部内形成有旋涡导向部，用于使氧气和精矿的混合物以旋涡柱的形式向下运动。此外，本发明公开了一种旋涡柱熔炼设备及方法。由于气流呈旋涡状的轨迹向下运动，化学反应行程及时间得到显著延长，允许降低必要的反应塔高度，减少散热损失和工厂投资，同时显著减轻颗粒对砌体的冲刷，减少了维护费用。进一步地，根据本发明的旋涡柱熔炼整个工艺流程短、操作连续，且整个生产过程全密闭、减少了热量的损失，此外，本发明的旋涡柱熔炼方法安全性良好且不会对环境造成污染。

Description

旋涡柱喷嘴、旋涡柱熔炼设备和旋涡柱熔炼方法

技术领域

本发明涉及有色冶金，具体而言，本发明涉及的旋涡柱喷嘴、旋涡柱熔炼设备和旋涡柱熔炼方法，特别是用于熔炼硫化铅精矿。

背景技术

铅是一种重要的基础工业原材料，传统的铅冶炼工艺被称为“烧结-鼓风炉法”，硫化铅精矿需要在单独的烧结车间中进行，同时为了获得合适的烧结块，需要大量的返料，降低了铅冶炼的生产效率。进一步地，在脱硫形成烧结块的烧结过程中，烧结烟气的SO₂浓度较低，硫的回收利用存在难度，且鼓风炉熔炼需要较昂贵的冶金焦炭，这就增加了生产粗铅的成本。因此，传统的烧结-鼓风炉法对环境造成严重污染并消耗巨大的能量。

为改进传统的烧结-鼓风炉法所存在的缺点，德国鲁奇公司于七十年代开发直接炼铅的新工艺氧气底吹法(QSL)法，现有德国Stolberg冶炼厂和韩国Onsan冶炼厂的QSL炉采用该方法进行铅的生产。QSL法的特点在于，所需要的设备体积小、可直接得到粗铅，但是，烟尘率较高，通常达到20％左右。且进一步地，经过QSL法处理的炉渣中的铅含量较高。由此，QSL法的生产效果不甚理想。

前苏联全苏有色金属研究院于80年代开发了一种直接炼铅工艺“基夫赛特法”(Kivcet method)。该方法已有多个厂家实现了工业化生产，是一种各项指标先进、技术成熟可靠的炼铅新工艺。但是基夫赛特法的缺点在于，反应炉呈四方型，炉体本身体积巨大，制造成本很高。进一步地，反应炉中还需要设置用于进行还原反应的电极，该电极消耗了巨大的电能。进一步地，基夫赛特法单位产品投资大。

此外，在现有的铅熔炼技术中，为了得到足够高的铅回收率，通常需要对炉中反应产生的炉渣进行二次炉渣净化。这就需要增加额外的处理设备，从而增加了处理成本并增加了工艺复杂性。

发明内容

基于上述，本发明需要提供一种铅的熔炼设备和方法，所述设备和方法能够降低生产成本、提高粗铅的生产率，同时能够极大地降低的设备维护费用。

进一步地，本发明需要提供一种铅的熔炼设备和方法，所述铅的熔炼设备和方法可以降低生产能耗。

进一步地，本发明需要提供一种铅的熔炼设备和方法，所述铅的熔炼设备和方法可以减少对环境的污染、对环境友好。

进一步地，本发明需要提供一种铅的熔炼设备和方法，所述铅的熔炼设备和方法可以在同一熔炼设备中完成对炉渣中的铅的回收，提高铅的回收率，降低生产成本和简化生产工艺。

此外，本发明需要提供一种旋涡柱喷嘴，从而铅精矿和氧气的混合物等可以通过所述喷嘴以旋涡的方式送入到所述熔炼设备，并使得铅精矿和氧气可以更加充分地混合，从而提高熔炼的生产效率。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种旋涡柱喷嘴，所述旋涡柱喷嘴包括：喷嘴主体，所述喷嘴主体的内部限定有气室和位于所述气室下部的喷口部；加料管，所述加料管穿过所述气室并延伸至所述喷口部，用于供给精矿；设置在所述喷嘴主体上的供氧部，用于将氧气供给到所述气室中；其中所述喷口部内形成有旋涡导向部，用于使氧气和精矿的混合物以旋涡柱的形式向下运动。

根据本发明的一方面，所述旋涡导向部为形成在喷口部内壁上的导向肋，所述导向肋与所述喷口部的内壁形成预定的倾斜角度。

根据本发明的一方面，所述导向肋的横截面的倾斜边可以为直线型或者曲线型。所述曲线型可以为弧线形、螺旋线形或者渐开线形。

在上述的技术方案中，由于根据本发明的旋涡柱喷嘴使得铅精矿和氧气的混合物呈旋涡状的轨迹向下运动，化学反应行程及时间得到显著延长。

根据本发明的一方面，所述喷口部可单独地形成。

由此，由于所述喷口部可单独形成，从而在使用的过程中，如果发生喷口部损坏或导向肋的设计需要调整，可以直接替换掉所述喷口部，而不用替换整个喷嘴，从而降低了制造成本，方便维护。

根据本发明的另外一方面，提供了一种旋涡柱熔炼设备，包括：反应塔；如上所述的旋涡柱喷嘴，所述旋涡柱喷嘴设置在所述反应塔的顶部；沉淀池，所述沉淀池设置在反应塔的下部，用于容纳从反应塔中反应后落下的熔体；以及烟道，所述烟道与所述反应塔、沉淀池连通，用于排出反应塔中所产生的烟气。

在上述的技术方案中，由于根据本发明的旋涡柱熔炼设备使得铅精矿和氧气的混合物呈旋涡状的轨迹向下运动，显著延长了化学反应行程及时间，从而使得为反应所必需的反应塔高度得以降低，并减少了散热损失和降低了工厂的初始投资。

此外，由于铅精矿和氧气的混合物呈旋涡状的轨迹向下运动而减轻了对反应塔侧壁的撞击，从而减轻了精矿和氧气的混合物颗粒对反应塔的内壁造成严重的侵蚀和冲刷，这就极大地降低了后续的维护成本。

根据本发明的另外一方面，该旋涡柱熔炼设备进一步包括：分隔件，所述分隔件设置在沉淀池内，用于将沉淀池分成第一部分和第二部分，所述第一部分和第二部分通过分隔件下部的开口连通。

根据本发明的另外一方面，所述沉淀池中进一步设置有：还原剂供给装置，用于将还原剂(例如碳质还原剂)添加到第二部分内。

根据本发明的另外一方面，所述沉淀池中可以进一步设置有：氧化剂供给装置，用于将氧化剂添加到第二部分内。

根据本发明的另外一方面，进一步包括插入沉淀池的第二部分中的还原电极。

根据本发明的另外一方面，所述的旋涡柱熔炼设备可以进一步包括：硫化剂供给装置，用于向反应塔和/或者沉淀池中供给交互反应所需的硫化剂。

此外，由于在本发明中，铅精矿的粗铅生产和炉渣的脱铅处理在同一旋涡柱熔炼设备中一次进行，从而使得整个工艺流程更短，操作连续，提高了产率。进一步地，在现有的工艺中炉渣中的铅含量达到10％，这就需要将炉渣单独运输到另一电炉中进行电炉贫化，以降低其中的铅含量。而在本发明中，由于利用旋涡柱熔炼设备以及在同一设备中在落下的熔体分成渣层和粗铅层后向熔体中添加碳质还原剂，以便碳质还原剂与渣层中的氧化铅发生反应，从而使得炉渣中的含铅量降低到5％以下，从而节省了工艺流程，降低了生产成本，且整个工艺的能耗降低。经过在沉淀池中对炉渣进行还原处理之后，所述炉渣可以被直接排放。

根据本发明的另外一方面，所述反应塔、所述沉淀池和所述烟道形成为一体的结构。

进一步地，由于反应塔、所述沉淀池和所述烟道形成为一体的结构，从而使得整个生产过程全密封，操作安全，并降低了热量的损失。

进一步地，根据本发明的又一方面，提供了一种铅精矿的旋涡柱熔炼方法，包括下述步骤：将干燥的铅精矿与氧气混合以旋涡柱的形式喷入反应塔中；以及使混合的铅精矿和氧气在反应塔中以旋涡形式向下运动的同时发生化学反应以产生熔体和烟气。

进一步地，根据本发明的又一方面，在熔体分成渣层和粗铅层后向熔体中添加碳质还原剂，以便碳质还原剂与渣层中残余的氧化铅、硫化铅发生交互反应。

进一步地，根据本发明的又一方面，在熔体分成渣层和粗铅层后向熔体中添加硫化剂，以便与渣层中残余的氧化铅发生交互反应。

从上述的技术方案可见，由于铅精矿与氧气混合以旋涡柱的形式喷入反应塔中，从而显著延长了化学反应行程及时间，同时使得为反应所必需的反应塔高度得以降低，并减少了散热损失和降低了工厂的初始投资。此外，添加碳质还原剂使得铅精矿的粗铅生产和炉渣的脱铅处理同时进行，从而使得整个工艺流程更短，操作连续，提高了产率。此外，该方法降低了能耗，节省了能量，并极大地减少了对环境的污染。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的旋涡柱熔炼设备的结构示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的旋涡柱喷嘴的示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的旋涡柱喷嘴沿着图2的A-A所取的截面图；

图4A、4B为沿着旋涡柱喷嘴的喷口部的周向方向的部分展开视图，其中显示了导向肋的横截面形状；

图5是根据本发明的一个实施例的沉淀池沿着图1的B-B的横截面示意图；以及

图6显示了根据本发明的一个实施例的硫化铅精矿的旋涡熔炼法的示意流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下面将详细描述根据本发明的冶炼方法。在铅精矿的冶金熔炼过程中，反应速度取决于气相、液相、固相两相之间的传热与传质效果。因此，为了获得迅速而完全的反应，所述物料必须充分地悬浮在反应气体之中。因此在本发明中采用了粉状铅精矿用于熔炼铅。

旋涡柱熔炼是将物料加入到反应塔空间中、籍由外部热或者自身的反应热，在悬浮的状态下进行熔炼。旋涡柱熔炼法在不同程度上以自热熔炼为基础，即利用铅精矿中的硫化物氧化的反应热来熔化反应产物。需要说明的是，在熔炼的过程中，需要视硫化物氧化量来确定是否补充额外的热量，以满足熔炼过程中的热量要求。

需要说明的是，在下述中，本发明使用铅精矿特别是硫化铅精矿来描述与本发明的旋涡柱熔炼相关的喷嘴、设备和方法，但是这只是出于示例的目的，而不是为了限制本发明的保护范围。普通技术人员显然可以在阅读本发明的上述技术方案之后，将根据本发明的喷嘴、设备和方法应用到冶炼其他金属的工艺中。

下面将参照附图1来详细描述根据本发明的一个实施例的旋涡柱熔炼设备100，其中图1是根据本发明的一个实施例的旋涡柱熔炼设备的结构示意图。在该旋涡柱熔炼设备100中，包括：反应塔2；旋涡柱喷嘴1，所述旋涡柱喷嘴1设置在所述反应塔2的顶部；沉淀池3，所述沉淀池3设置在反应塔2的下部，用于容纳从反应塔2中反应后落下的熔体；以及烟道4，所述烟道4与所述反应塔2、沉淀池3连通，用于排出反应塔2中所产生的烟气10。需要说明的是，在所述旋涡柱喷嘴1和烟道4的数目可以根据具体工艺要求而设定为单个或多个，从而提高铅的冶炼效率。

下面将参照图2、3来详细描述根据本发明的一个实施例的旋涡柱喷嘴1的详细结构。其中，图2是根据本发明的一个实施例的旋涡柱喷嘴的示意图；图3是根据本发明的一个实施例的旋涡柱喷嘴沿着图2的A-A所取的截面图。

如图2所示，在根据本发明的一个实施例的旋涡柱喷嘴1中，所述旋涡柱喷嘴1包括：喷嘴主体101，所述喷嘴主体101的内部限定有气室102和位于所述气室下部的喷口部103；加料管104，所述加料管104穿过所述气室102并延伸至所述喷口部103，用于供给精矿、例如硫化铅精矿；设置在所述喷嘴主体101上的供氧部105，用于将氧气供给到所述气室102中；其中所述喷口部103内形成有旋涡导向部106(如图3中所示)，用于使氧气和精矿、例如铅精矿的混合物以旋涡柱的形式向下运动。在所述旋涡导向部106处，落下的精矿和气室中的氧气在喷口部处得以充分混合，且由于所述旋涡导向部106的作用使得所混合的精矿和氧气的混合物能够在反应塔2中形成旋涡柱。

所述供氧部105可以为形成在所述喷嘴主体101上的供氧口，这样可以将供氧装置连接到所述供氧部105以进行供给反应所需的氧气。需要说明的是，所述供氧口的位置可以根据工艺要求进行改动，而不限于本发明附图中所示的方式和位置。

此外，所述喷口部103可独立于喷嘴主体101而单独地形成。由此，在所述喷口部103出现损坏的情况下，可以用新的喷口部103进行替换，以降低生产成本。当然，在所述喷口部103出现损坏的情况下，也可以用新的旋涡柱喷嘴来进行替换。

在根据本发明的一个实施例中，所述旋涡导向部可以为形成在喷口部103的内壁上的导向肋106，所述导向肋106与所述喷口部的内壁形成预定的倾斜角度。根据本发明的一方面，所述导向肋的横截面的倾斜边可以为直线型或者曲线型。所述曲线型可以为弧线形、螺旋线形或者渐开线形。即，该旋涡柱喷嘴1沿喷口部103的内侧设置了多个具有一定倾斜角度、高度和长度的导向肋，从而使得通常垂直向下运动的高速混合物流发生一定程度的旋转。

下面将结合图4进一步地说明根据本发明的导向肋。图4为沿着旋涡柱喷嘴的喷口部的周向方向的部分展开视图，其中显示了导向肋的横截面形状。在图4A中，所述导向肋的横截面的倾斜边1061可以为直线型或者曲线型。所述直线相对于所述喷口部103的底部形成预定的角度。可选地，所述导向肋的横截面的倾斜边1061也可以为曲线型，如图4B中所示。根据本发明的一个实施例，所述曲线型可以为弧线形、螺旋线形或者渐开线形。此外，所述曲线型也可以为任何其他线型，只要该导向肋的横截面能够使得所述混合物形成旋涡柱即可。由此，使得通常垂直向下运动的高速混合物流发生一定程度的旋转，并能够在反应塔2的下降过程中形成旋涡柱。

此外，根据本发明的另一实施例，该导向肋设计的角度、高度和长度可以在一定的范围内进行调节。且所述导向肋的设计数目也可以根据需要进行变化，此时反应塔内的混合物流股的旋转图数也相应发生变化，精矿化学反应的停留时间和行程长度也随之相应变化。

进一步地，根据本发明的一个实施例，所述导向肋被形成为倾斜设置的直肋片，或者所述导向肋被形成为具有渐开线轮廓的肋片。需要说明的是，所述导向肋片可以设计成任何使得精矿和氧气的混合物以旋涡柱的形式往下运动的肋片结构，因此，上述肋片的结构只是出于示例的目的，而不是为了限制本发明的保护范围。

由于根据本发明的旋涡柱喷嘴使得铅精矿和氧气的混合物呈旋涡状的轨迹向下运动，化学反应行程及时间得到显著延长。

进一步地，在利用根据本发明的一个实施例的旋涡柱喷嘴1中，与传统的熔池熔炼方法相比，设置在喷嘴旁的鼓风机的鼓风压力仅为5～20kPa，这大约是熔池熔炼的鼓风压力的1/10，由此鼓风机的能耗也降低大约10倍。

此外，所述加料管104可以进一步供给辅助燃料，例如柴油或者粉煤等。根据铅精矿的品位的不同，特别是所述精矿中所包含的S、Fe的含量的不同，在铅精矿和氧气的反应过程中，由于反应塔2的炉壁造成的热量损失等所造成的热量损失，需要向铅精矿和氧气的混合物中加入一定的辅助燃料，以补充所需的额外的热。进一步地，所述加料管104中进一步设置有混合件107，用于充分混合精矿和氧气。

根据本发明的一个实施例，所述加料管104内可以设置有充分混合精矿和氧气的锥形混合件107。根据本发明的一个实施例，所述混合件107为伸入所述加料管104中的细长管，所述细长管的下端形成有锥形部108，从而落下的硫化铅精矿可以通过所述锥形部108分散开，从而加大与所述氧气以及其他辅助燃料的混合程度，使得反应更加充分。

为了观察喷嘴中的铅精矿和氧气的混合程度以及清除旋涡柱喷嘴中可能聚积的矿垢，所述喷口部103的侧壁上形成有对着所述加料管104的下端的检查口109。所述检查口109在通常的使用情况下，可以进行密闭。在需要检查所述喷嘴的情况下，可以进行打开，以方便维护操作。

进一步地，为了进一步地加强所述铅精矿和通过所述供氧部105所供给的氧气的混合度，所述加料管104的位于气室102中的部分上形成有孔110。这样，当供给铅精矿时，氧气通过所述孔110可以与所述精矿进行预混合。

需要说明的是，所述旋涡柱喷嘴1设置在反应塔2的顶部上，如图1中所示。在根据本发明的一个实施例中，所述旋涡柱喷嘴1设置在所述反应塔2的顶部的中央，由此通过所述旋涡柱喷嘴1所供给的精矿和氧气的混合物可以在反应塔2内形成中心旋涡柱，从而与反应塔2的周壁保持大致相同的距离，从而对所述反应塔2的侧壁的腐蚀和冲刷减轻。

下面将接着参照图1来描述根据本发明的一个实施例的旋涡柱熔炼设备100。由于利用了前述的旋涡柱喷嘴1，从而使得铅精矿和氧气的混合物呈旋涡状的轨迹向下运动，这样所述混合物的化学反应行程及时间得到显著延长。这带来了另外一项优点。即，为反应所必需的反应塔2的高度得以降低。进一步地，由于反应塔2的高度被降低，从而使得通过所述炉壁的热量损耗大大减少。此外，这还进一步地降低了建设成本。

进一步地，由于铅精矿和氧气的混合物呈旋涡状的轨迹向下运动，所以铅精矿和氧气的混合物与反应塔的侧壁撞击程度减轻，且所述混合物在沿着所述反应塔2的径向方向上形成预定的旋涡形的反应区，从而使得该旋涡柱熔炼设备的反应塔2中所产生的旋涡柱高温反应区和反应塔的侧壁之间形成减弱的粒子梯度、氧气密度梯度和温度梯度，这就极大地减轻了高温粒子和气体对塔壁的冲刷和腐蚀，从而使得塔壁得到良好的保护，并极大地降低了后续的维护成本。

在根据本发明的一个实施例中，所述反应塔2的横截面可以为圆形。需要说明的是，该反应塔2的横截面可以为任何其他任何合适的形状。

在将铅精矿通过旋涡柱喷嘴1加入到反应塔2中进行反应之前，所述铅精矿需要进行干燥，并将铅精矿的含水量控制在0.5％以下。需要说明的是，铅精矿需要干燥到一定程度，否则导致熔炼反应不完全。

下面将简单描述在将铅精矿和氧气以及其他辅助燃料进行混合之后在反应塔2中所发生的化学反应。

在温度高达1200-1400℃的反应塔中，所混合的铅精矿和氧气主要发生如下化学反应：

PbS+O₂→Pb+SO₂↑         (1)

2PbS+3O₂→2PbO+2SO₂↑    (2)

2PbO+PbS→3Pb+SO₂↑。    (3)

2PbO+C→2Pb+CO₂↑        (4)

在反应塔2中，经干燥的粉状硫化铅精矿与氧气一起由旋涡柱喷嘴1喷入到高温的反应塔2中，并呈飘浮状态，由于熔炼过程充分利用了精矿颗粒巨大比表面积的特点，形成了极为优越的化学动力学条件，从而使得整个化学反应得到了强化，并可于瞬间完成熔炼的主要过程。

这样，由于在本发明的铅精矿的熔炼过程中，铅精矿与氧气充分混合之后加入到反应塔内并立刻开始着火燃烧，从而舍弃了传统的硫化铅精矿的烧结工艺，即不需要对硫化铅精矿进行烧结，同时也不需要加入大量的返料，从而提高了生产效率。

同时，有一部分硫化铅按照化学式(2)进行反应产生氧化铅进入炉渣，这就需要进一步对反应所产生的炉渣按反应式(4)进行还原处理，以尽量减少炉渣中的铅含量。

此外，炉渣中残余的氧化铅与添加的硫化剂(比如硫化铅精矿等)进行交互反应，以进一步降低渣含铅。连续生成的粗铅和含铅低的炉渣，澄清分层之后可以被分别排出(这将在下面进行详细描述)。

下面将参照图5来详细相信描述根据本发明的一个实施例的沉淀池3的结构。其中，图5是根据本发明的一个实施例的沉淀池3沿着图1的B-B的横截面示意图。

所述沉淀池3具有拱形顶部31、与所述拱形顶部31连接的侧壁32以及与所述侧壁32连接的底部33。从反应塔2中反应之后所落下的熔体被容纳在所述沉淀池3中。进一步地，所述旋涡柱熔炼设备100的沉淀池3中进一步设置有分隔件35，所述分隔件35设置在沉淀池3内，用于将沉淀池3分成第一部分和第二部分，所述第一部分和第二部分通过分隔件35下部的开口34连通。在根据本发明的一个实施例中，所述分隔件35为分隔墙，需要说明的是，普通技术人员可以用本领域任何已知的分隔件来将所述沉淀池3分隔成两部分。从而，通过所述分隔件，可以将沉淀池中的化学反应物理地分成两个反应空间，以方便工艺上进一步进行处理的需要，这将在下面进行详细描述。

所述沉淀池3中可以进一步设置有：还原剂供给装置，用于将还原剂添加到沉淀池内，以让还原剂通过还原反应在沉淀池中将熔体中的氧化铅进一步还原成粗铅和含铅量低的炉渣。第一部分加入块状还原剂，第二部分的还原剂供给装置为设置在沉淀池的侧壁上的还原剂喷射器36。在根据本发明的一个实施例中，根据工艺需要，所述还原剂可以为固体、液体或者气体还原剂。例如，在冶炼铅精矿的情况下，所述还原剂可以为块状焦炭及煤粉等；在冶炼其他精矿的情况下，所述还原剂可以为液化石油气或者氨气等。

在根据本发明的一个实施例中，在由反应塔2中，可以发生精矿与氧气的氧化反应，例如上述的公式(1)-(3)中的反应。在所述精矿为铅精矿的情况下，在沉淀池中，在所述熔体分别形成渣层和粗铅层之后，旋涡柱熔炼设备100中可以进一步设置有硫化剂供给装置(未示出)。通过所述硫化剂供给装置可以向反应塔2或者沉淀池中添加硫化剂。上述的还原剂、硫化剂和渣层中残余的氧化铅进一步发生还原反应和交互反应，从而生成粗铅含铅量低的炉渣。

在根据本发明的另外一个实施例中，所述旋涡柱熔炼设备必要时可以进一步包括插入沉淀池的第二部分中的还原电极(未示出)。所述还原电极例如为碳电极，从而，相似地，在通电之后，所述碳电极与炉渣层中的氧化铅发生还原反应。

需要说明的是，根据所冶炼的精矿的不同，例如在铜精矿的情况下，第二部分中可以发生氧化反应。例如，在利用本发明的旋涡柱熔炼设备冶炼铜的情况下，所述熔体在沉淀池2中分层形成炉渣层和冰铜层之后，将例如氧气的氧化剂供给到所述冰铜层，从而可以通过氧化反应得到粗铜。所述沉淀池中可以进一步地设置有氧化剂供给装置，用于将例如氧气的氧化剂添加到第二部分内。

在上述所描述的实施例中，铅精矿的粗铅生产和炉渣的脱铅处理在同一旋涡柱熔炼设备中一次进行，从而使得整个工艺流程更短，操作连续，提高了铅的产率和设备的运行效率。

进一步地，在现有的工艺中炉渣中的铅含量达到10％，这就需要将炉渣单独运输到另一电炉中进行电炉贫化，以降低其中的铅含量。而在本发明中，由于利用旋涡柱熔炼设备以及在同一设备中添加碳质还原剂和硫化剂等，而使得炉渣中的含铅量降低到5％以下，从而缩短了工艺流程，降低了能耗和生产成本。经过在沉淀池中对炉渣进行还原处理之后，所述炉渣可以被直接排放。

此外，沉淀池2的底部设有放铅口12、放渣口11，放渣口12位置高于放铅口11，这是由于粗铅的密度大于炉渣的密度，在熔体在沉淀池2中停留一段时间分层之后，形成粗铅层和漂浮在粗铅层之上的炉渣层。

铅精矿与氧气反应所产生的烟气可以通过所述烟道4进入余热锅炉(未示出)。烟气中除了SO₂及燃烧所产生的其他气体外，还残余少量的铅组分，由于其蒸汽压力很高，因此大部分呈气体状态。余热锅炉由辐射区和对流区所形成，所产生的烟气首先进入辐射区，所述辐射区可以为沿着壁敷设管子的空室，烟气由此可以迅速冷却到700℃左右。然后被处理的烟气进入对流区，所述对流区由管束形成，烟气经过所述对流区之后得到进一步冷却，例如冷却至300～350℃。辐射区的烟尘用空气或者蒸汽喷枪进行清除。最后冷却后的烟气可以由静电收尘器进一步进行处理。

进一步地，所述反应塔2、所述沉淀池3和所述烟道4形成为一体的结构。这就使得整个生产过程全密封，操作安全，并降低了热量的损失。此外，装有喷嘴5的反应塔1、沉淀池2和烟道6构成一个密闭的整体。由此，使得根据本发明的一个实施例的旋涡柱熔炼设备的设备主体密闭，从而不可能泄漏烟气并造成粉尘与二氧化硫的低空污染。此外，该一体形成的结构的优点还在于不需要经常性更换部件的作业，从而使得整个设备的维护成本非常低，且操作人员的劳动条件好。

从上述的描述可见，本发明克服了常规装置的不足，提供了一种节能、环境友好、资源高效利用和安全生产的先进的快速冶金设备。

下面将结合图6来详细描述根据本发明的旋涡柱熔炼方法。在根据本发明的一个实施例的旋涡柱熔炼方法中，包括下述步骤：将干燥的精矿与氧气混合以中心旋转旋涡柱的形式喷入反应塔2中；以及反应塔2的温度保持为使混合的精矿和氧气在反应塔2中以中心旋转旋涡柱形式向下运动的同时发生化学反应，以产生熔体和烟气。

由于根据本发明的旋涡柱熔炼方法使得铅精矿和氧气的混合物呈旋涡状的轨迹向下运动，显著延长了化学反应行程及时间，从而使得为反应所必需的反应塔高度得以降低，并减少了散热损失和降低了工厂的初始投资。此外，由于铅精矿和氧气的混合物呈旋涡状的轨迹向下运动而减轻了对侧壁的撞击，从而减轻了精矿和氧气的混合物颗粒对反应塔的内部造成严重的侵蚀和冲刷，这就极大地降低了后续的维护成本。

下面将以硫化铅精矿作为所述精矿的示例来详细描述根据本发明的一个实施例的旋涡柱熔炼方法。为了示例性说明根据本发明的旋涡柱熔炼方法，所述铅精矿可以选择为具有如下组分的硫化铅精矿：

Pb 40～60％；S 15～20％；Zn 3～8％；Cu 0.2～0.8％；Fe 10～20％。硫化铅精矿在干燥前含水为8％，干燥后含水不超过0.5％。

首先，在将铅精矿通过旋涡柱喷嘴1加入到反应塔2中进行反应之前，所述铅精矿需要在例如蒸汽干燥机等的干燥装置中进行干燥，并将铅精矿的含水量控制在0.5％以下。需要说明的是，铅精矿需要干燥到一定程度，否则导致熔炼反应不完全。

其次，经干燥的粉状硫化铅精矿与氧气一起由旋涡柱喷嘴1喷入到所述旋涡柱熔炼设备100的高温反应塔2中，并呈飘浮状态，由于熔炼过程充分利用了精矿颗粒巨大比表面积的特点，形成了极为优越的化学动力学条件，反应得到了强化，可于瞬间完成熔炼的主要过程，生成的熔体飘落在反应塔下方的沉淀池3中。

在温度高达1200-1400℃的高温的反应塔内，粉状硫化铅精矿与氧气呈旋涡柱状的轨迹向下运动。并按一定的氧化率完成硫化铅的氧化过程，生成的熔体飘落在反应塔2下方的沉淀池3中。在根据本发明的一个实施例中，可以控制氧气的供给量，以控制铅精矿的氧化率，以保留部分硫化铅，从而与氧化铅发生交互反应。例如将硫化铅的氧化率控制到60％-80％，由此剩余的硫化铅可以与氧化铅发生交互反应。当然，普通技术人员也可以通过控制氧气的输入量而将该硫化铅的氧化率控制在另外的区间范围中，以符合特定的工艺要求。

进一步地，根据铅精矿的品位的不同，特别是所述精矿中所包含的S、Fe的含量的不同，在铅精矿和氧气的反应过程中，由于反应塔2的炉壁造成的热量损失等所造成的热量损失，需要向铅精矿和氧气的混合物中加入一定的辅助燃料，以补充所需的额外的热。

由于铅精矿和氧气的混合物呈中心旋涡柱状的轨迹向下运动，所以铅精矿和氧气的混合物减轻了对侧壁的撞击，且所述混合物在沿着所述反应塔2的径向方向上形成预定的环形的反应区，从而使得该旋涡柱熔炼设备的反应塔2中所产生的旋涡柱高温反应区和反应塔的侧壁之间形成减弱的粒子梯度、氧气密度梯度和温度梯度，这就极大地减轻了高温粒子和气体对塔壁的冲刷和腐蚀，从而使得塔壁得到良好的保护，并极大地降低了后续的维护成本。

根据本发明的一个实施例，在熔炼铅精矿的情况下，随着在落下的熔体分成渣层和粗铅层后(例如在落到沉淀池2中之后分层)，向熔体中添加碳质还原剂，以便碳质还原剂与渣层中的氧化铅发生反应，所述碳质还原剂可以为块状，块状的碳质还原剂容易与渣层中的氧化铅发生反应。由此通过碳质还原剂与氧化铅还原反应，进一步地，可以向熔体中加入硫化剂，用于与渣层中残余的氧化铅发生交互反应。通过上述反应，在根据本发明的一个实施例中，炉渣中的含铅量可以降低到5％以下。含铅低的炉渣可以直接丢弃，或做工业上的进一步处理。所产生的烟气经烟道进入余热锅炉，最后送回收硫的装置，如图6中所示。

在上述的方法中，所述反应塔2的横截面可以为圆形。需要说明的是，该反应塔2的横截面可以为任何其他任何合适的形状，只要这样的反应塔2的横截面符合实际生产的需要即可。

下面以中国云南某厂实验型铅冶炼炉(年产粗铅3万吨/年)为示例来描述上述旋涡熔炼技术的应用，所述实验型铅冶炼炉使用的铅精矿成份如下：

Pb 50％，S 18％，Zn 3％，Cu 0.5％，Fe 15％，Ag 3000g/t。

具体工艺步骤如下：

(1)将干燥前含水8％，干燥后含水0.3％的粉状硫化铅精矿与送风含氧90％，送风温度25℃的氧气一起由旋涡喷嘴1喷入一个高温的反应塔2中，旋涡炉反应塔内径3.0m，高度6.5m。控制氧气的输入量，使得硫化铅的理论氧化率为67％，完成硫化铅的氧化过程，生成的熔体飘落在反应塔2下方的沉淀池3中；并在沉淀池中设有硫化剂添加装置和还原剂添加装置。

(2)再通过氧化铅与硫化铅的交互反应以及还原反应，连续生成粗铅98％和炉渣；银富集在粗铅中，银的回收率97％；

(3)粗铅和炉渣在沉淀池3中澄清分层后分别从放铅口4、放渣口5排出，炉渣含铅4％，并可以被丢弃；

(4)烟气含二氧化硫20％。经烟道6进入余热锅炉，最后送回收硫的装置。

从上述的实验结果显示，利用根据本发明的实施例的上述旋涡柱熔炼设备和旋涡柱熔炼方法，不仅获得粗铅的工艺流程快、而且由于根据本发明的旋涡柱熔炼设备使得铅精矿和氧气的混合物呈旋涡状的轨迹向下运动，显著延长了化学反应行程及时间，从而使得为反应所必需的反应塔高度得以降低，并减少了散热损失和降低了工厂的初始投资。

此外，由于铅精矿和氧气的混合物呈旋涡状的轨迹向下运动而减轻了对炉壁的冲刷，而减轻了精矿和氧气的混合物颗粒对反应塔的内部造成严重的侵蚀和冲刷，这就极大地降低了后续的维护成本。此外，由于在本发明中，铅精矿的粗铅生产和炉渣的脱铅处理在同一旋涡柱熔炼设备中一次进行，从而使得整个工艺流程更短，操作连续，提高了效率。

进一步地，由于利用旋涡柱熔炼设备以及在同一设备中添加碳质还原剂和硫化剂而使得炉渣中的含铅量降低到5％以下，从而缩短了工艺流程，降低了能耗和生产成本。经过在沉淀池中对炉渣进行还原处理之后，所述炉渣可以被直接排放。进一步地，由于反应塔、所述沉淀池和所述烟道形成为一体的结构，从而使得整个生产过程全密封，操作安全，并降低了热量的损失。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (25)

1.一种旋涡柱喷嘴，所述旋涡柱喷嘴包括：

喷嘴主体，所述喷嘴主体的内部限定有气室和位于所述气室下部的喷口部；

加料管，所述加料管穿过所述气室并延伸至所述喷口部，用于供给精矿；

设置在所述喷嘴主体上的供氧部，用于将氧气供给到所述气室中；其中

所述喷口部内形成有旋涡导向部，用于使氧气和精矿的混合物以旋涡柱的形式向下运动。

2.根据权利要求1所述的旋涡柱喷嘴，其中所述加料管进一步用于供给辅助燃料。

3.根据权利要求2所述的旋涡柱喷嘴，其中所述加料管的下部设置有锥形混合件，用于充分混合精矿和氧气。

4.根据权利要求1所述的旋涡柱喷嘴，其中所述加料管的位于气室中的部分上形成有孔。

5.根据权利要求1所述的旋涡柱喷嘴，其中所述旋涡导向部为形成在喷口部内壁上的导向肋，所述导向肋与所述喷口部的内壁形成预定的倾斜角度。

6.根据权利要求5所述的旋涡柱喷嘴，其中所述导向肋的横截面的倾斜边为直线型或者曲线型。

7.根据权利要求1所述的旋涡柱喷嘴，其中所述喷口部可单独地形成。

8.一种旋涡柱熔炼设备，包括：

反应塔；

如权利要求1-7中任一所述的旋涡柱喷嘴，所述旋涡柱喷嘴设置在所述反应塔的顶部；

沉淀池，所述沉淀池设置在反应塔的下部，用于容纳从反应塔中反应后落下的熔体；以及

烟道，所述烟道与所述反应塔、沉淀池连通，用于排出反应塔中所产生的烟气。

9.根据权利要求8中所述的旋涡柱熔炼设备，其中所述旋涡柱喷嘴设置在所述反应塔的顶部中央。

10.根据权利要求8中所述的旋涡柱熔炼设备，其中所述烟道为多个。

11.根据权利要求8中所述的旋涡柱熔炼设备，其中所述反应塔的横截面为圆形或者方形。

12.根据权利要求8中所述的旋涡柱熔炼设备，进一步包括：

分隔件，所述分隔件设置在沉淀池内，用于将沉淀池分成第一部分和第二部分，所述第一部分和第二部分通过分隔件下部的开口连通。

13.根据权利要求12中所述的旋涡柱熔炼设备，其中所述沉淀池中进一步设置有：

还原剂供给装置，用于将还原剂添加到第二部分内。

14.根据权利要求13中所述的旋涡柱熔炼设备，其中所述还原剂供给装置为设置在沉淀池的侧壁上的还原剂喷射器。

15.根据权利要求13中所述的旋涡柱熔炼设备，其中所述还原剂为固体、液体或者气体还原剂。

16.根据权利要求13中所述的旋涡柱熔炼设备，进一步包括：插入沉淀池的第二部分中的还原电极。

17.根据权利要求13中所述的旋涡柱熔炼设备，其中所述反应塔、所述沉淀池和所述烟道形成为一体的结构。

18.根据权利要求12中所述的旋涡柱熔炼设备，其中所述沉淀池中进一步设置有：

氧化剂供给装置，用于将氧化剂添加到第二部分内。

19.根据权利要求8中所述的旋涡柱熔炼设备，进一步包括：

硫化剂供给装置，用于向反应塔和/或者沉淀池中供给交互反应所需的硫化剂。

20.一种旋涡柱熔炼方法，包括下述步骤：

将干燥的精矿与氧气混合以旋涡柱的形式喷入反应塔中；以及

反应塔的温度保持为使混合的精矿和氧气在反应塔中以中心旋转旋涡柱形式向下运动的同时发生化学反应，以产生熔体和烟气。

21.根据权利要求20所述的旋涡柱熔炼方法，其中所述精矿为铅精矿。

22.根据权利要求21所述的旋涡柱熔炼方法，进一步包括：

在落下的熔体分成渣层和粗铅层后向熔体中添加碳质还原剂，以便碳质还原剂与渣层中的氧化铅发生反应。

23.根据权利要求21所述的旋涡柱熔炼方法，其中铅精矿的含水量在0.5％以下。

24.根据权利要求21所述的旋涡柱熔炼方法，进一步包括：

控制氧气的供给量，以控制铅精矿的氧化率，以保留部分硫化铅，从而与氧化铅发生交互反应。

25.根据权利要求21所述的旋涡柱熔炼方法，进一步包括：

在熔体分成渣层和粗铅层后向熔体中添加硫化剂，以便与渣层中残余的氧化铅发生交互反应。

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