TWI448557B - 鉛熔渣還原 - Google Patents

Description

鉛熔渣還原

本發明乃關於使用頂部浸入式噴槍注射以用於鉛熔渣還原的方法。

頂部浸入式噴槍(TSL)注射係在1970年代早期所發展。從此之後，該技術已變得被新設立的工廠所廣泛採用於多種非含鐵、含鐵與廢棄物質的處理上。

TSL技術係使用熔池熔煉系統，其中垂直懸吊的噴槍係使其底部尖端浸入包含於適當爐內的熔池的熔融熔渣層中。例如空氣或空氣與氧氣的處理氣體與燃料係經由噴槍以注射進熔渣內。燃料係在噴槍尖端處燃燒以將熱量提供給爐。注射可在熔渣內產生亂流且造成熔渣飛濺，以使熔渣徹底混合。處理氣體當其流過噴槍時的控制旋渦可充份地冷卻噴槍外部表面、以將飛濺至噴槍上的熔渣固化且形成熔渣層，其可在高度侵蝕的爐環境中保護噴槍。

TSL熔池熔煉系統係使用在熔渣內的硫化物、氧化物及/或金屬成分間的反應，或它們提供給熔池以作為進料，且在熔池內包含氧氣與氧化鐵。包括進料物質熔解、能量轉移、反應與主要燃燒的重要過程現象係全部在熔渣層中發生。由通過噴槍的浸入注射所造成的劇烈攪拌可確保反應能迅速發生且停留時間是短暫的。

此過程的氧化與還原程度可藉調整供應至噴槍且通過其中的燃料對氧氣比值、以及還原劑對進料比例以控制。爐亦能夠在從強烈氧化至強烈還原條件的條件範圍內操作。

TSL技術已用於在從約950℃至1200℃、較佳係範圍在1000℃至1100℃的溫度下將鉛濃縮物與次要進料加以熔煉，而直接產製粗鉛與富含鉛之熔渣，像是具有從30至50重量%鉛的熔渣。例如具有約98重量%鉛的粗鉛係在熔煉過程中定期從爐內取出以送至鉛精煉廠。殘留的熔渣係經由鉛還原操作以進一步回收鉛且產生可丟棄的低鉛熔渣。熔煉亦可製造鉛煙化產品、其可回送至隨後的熔煉循環以回收最多的鉛成粗鉛。

在某些情況下，使用TSL技術所製造的高鉛熔渣被送至鼓風爐以還原而進一步回收粗鉛。來自鼓風爐的熔渣然後係送至熔渣煙化爐以回收形式為煙氣的鋅。在其他情況下，高鉛熔渣藉TSL技術的進一步應用以進行還原與煙化階段。

在三階段的批次方法中，來自熔煉的高鉛熔渣的TSL處理乃使用與第一階段熔煉所使用者相同的反應器、以分別用於進行第二與第三階段的還原與煙化。在一替代方案中，高鉛熔渣係定期地從連續式TSL熔煉爐中取出且轉移至第二爐，以在其中對熔渣施以還原階段、以及視需要的煙化階段。在每種情況下，還原階段係在較熔煉階段所使用者為低的氧勢與像是約1250℃的較高溫度下操作。在還原階段中，鉛係以粗鉛的形式從熔渣中回收且係取出以用於下游精煉。來自還原階段的鉛煙化產品係循環回至熔煉階段以儘可能地將鉛回收成粗鉛。例如具有約5%鉛的所得低鉛熔渣可加以取出且分開地處理，或其可進行TSL煙化步驟以潔淨熔渣且儘可能地回收金屬。

TSL熔渣煙化階段係使用較還原階段者更強的還原爐環境。TSL操作的強烈溶池亂流與氣體動力係用於移除更多的殘留鉛與鋅以成為煙氣，留下適合棄置的例如像是具有約0.5重量%鉛與約3重量%鋅的熔渣。當鉛濃縮物被熔煉時，來自還原階段的熔渣通常係含有高含量的鋅，在此情況下，來自煙化階段的煙化產品係富含氧化鋅，其例如從約50至70重量%的鋅。此煙氣並不適合循環至熔煉階段，而是需要從系統中移除以單獨處理來回收鋅與鉛。

本發明係提供一種用於含鉛熔渣還原的改良方法。熔渣可以是從鉛來源物質的TSL熔煉所生成者，此來源例如鉛濃縮物、包括鉛酸電池的二次鉛來源以及回收含鉛金屬的至少其中之一。不過，本發明亦可以應用在來自其他來源的適當含鉛熔渣，其例如其他的熔浴熔煉過程。再者，雖然來自鉛濃縮物之TSL熔煉的熔渣的鉛含量可以在40至50重量%的範圍內，但具有較低或較高鉛含量的熔渣亦可用於本發明的方法中。的確就下限而言，鉛含量僅需在足夠保證還原熔渣而達到在熔渣中約5重量%的鉛含量的程度即可。

在經由高溫冶金途徑的傳統鉛處理已包括藉含碳物質與使用多種裝置類型的高鉛熔渣的還原。鉛鼓風爐典型上係使用比較昂貴的焦碳以作為含碳還原劑。例如TSL技術的現代熔池熔煉技術則係採用較便宜的含碳還原劑－煤。吾人已發現在使用TSL技術的熔渣還原中藉由使用替代還原劑、而非煤或其他含碳還原劑，則可得到意想不到的效益。

根據本發明，其係提供一種用於鉛熔渣還原的方法，其中該熔渣係經由底端浸泡在熔渣內的垂直懸吊噴槍的頂部浸入式噴槍注射含氧氣體與燃料，以在熔渣內產生其中燃料被燃燒的燃燒區，且產生亂流條件以藉注射氣體的冷卻效應所造成的凝固在噴槍的底部範圍上形成熔渣的塗覆物。TSL注射係在還原條件下使用硫化物質作為還原劑而進行，以將熔渣內的鉛還原成金屬鉛且藉此形成將被取出以作為粗鉛的熔融鉛相。

硫化物質可以是與藉鉛熔渣還原的鉛回收方法相容的任何含硫化物之物質。硫化物質可以是例如混合鉛/鋅/銀濃縮物的混合濃縮物、鉛或鋅濃縮物、硫化浮渣、黃鐵礦、或二或多個此等物質的混合物。硫化物質較佳係鉛濃縮物，例如在產生欲接受本發明的鉛熔渣還原的熔渣時所熔煉者。

本發明的方法可消除對含碳還原劑的使用需求。雖然少量的含碳還原劑是可容忍的，但此係非所欲的，因其會部份降低單獨使用硫化物質作為還原劑所得到的利益。同時，某些濃縮物會含有一部分例如石墨的含碳物質、且在該部分比例上的提高係並非理想的。

在消除對含碳還原劑的需求上，使用硫化物質作為還原劑可減少溫室氣體的排放。亦即，CO與CO₂ 的產生可本質上避免，不過少量的CO₂ 可能會產生至硫化物質含有像是碳酸鉛與石墨物質所包含氧化產物的程度。

使用硫化物質作為還原劑當然會造成SO₂ 的產生。不過，將可被瞭解的是，爐廢氣的SO₂ 含量將能夠被回收且用於例如硫酸的製造上。

如稍後於下文中說明，本發明亦具有進一步的實際利益。硫化物質還原劑的使用令人驚訝地可促成鉛與鋅的較佳分離，以得到更有效率的處理。再者當硫化物質含有鉛時，硫化物質還原劑在每個熔煉/還原循環上將可產生較高的鉛產量。

特別是藉著使用硫化鉛濃縮物以作為硫化物質還原劑，本發明的鉛熔渣還原方法將很適合使用以作為含鉛進料物質的TSL鉛濃縮物第一階段熔煉後跟隨的第二階段。此第二階段可以在不同於第一階段熔煉者所使用的爐的另外爐中進行。不過，在一個爐中進行二個階段(以及視需要的熔渣煙化的第三階段)將會有特別的效益。因此，為了達成在第一階段熔煉中所製造的足夠體積的熔渣，其係僅需：(i)在第一階段終止後仍持續而非停止硫化鉛濃縮物的飼入；且(ii)將注入含氧氣體的氧含量從第一階段中所使用的程度降低至適合用於第二階段中所需的較低氧勢的程度。

在第一階段中(無論是在與第二階段中所使用者相同或不同的爐)，其係使用氧氣作為驅動力以經由直接反應將硫化鉛轉化成鉛金屬：PbS＋O_2(g) → Pb_(l) ＋SO_2(g) (1)以及競爭反應：PbS＋3/2 O_2(g) → PbO_(l) ＋SO_2(g) (2) PbS → PbS_(g) (3) PbO_(l) → PbO_(g) (4) Pb_(l) → Pb_(g) (5)

在此Pb－S－O系統中，鉛據報可成為金屬、熔渣或煙氣相之任一者。

在第二熔渣還原階段中，在熔渣內的氧化鉛係藉硫化物質還原劑以還原。對使用鉛濃縮物以作為硫化物質還原劑，下述反應式係用以描述包含在1200℃下的反應：2PbO_(熔渣) ＋PbS → 3Pb_(l) ＋SO_2(g) K＝26.7 (6) 2PbO_(熔渣) ＋PbS → 3Pb_(g) ＋SO_2(g) K＝1.2×10^－6 (7) 2ZnO_(熔渣) ＋PbS → Pb_(l) ＋2Zn_(l) ＋SO_2(g) K＝3.4×10^－7 (8) 2ZnO_(熔渣) ＋PbS → Pb_(l) ＋2Zn_(g) ＋SO_2(g) K＝4.5×10^－6 (9)

從反應式(6)至(9)可決定藉使用像是硫化鉛濃縮物的硫化鉛以進行還原，則平衡將偏向鉛變成熔融粗鉛相且鋅變成像是氧化鋅的熔渣。此可提昇鉛與鋅之間的分離，使鉛可在還原階段中移除，以儘可能使鋅保留在熔渣中而用於後續的煙化。吾人已發現對此熔渣還原階段的關鍵是在硫累積於粗鉛前，鉛可藉硫化鉛以從熔渣中還原出的程度。吾人已發現在爐尾氣內的二氧化硫含量開始減少前，熔渣內的鉛含量降至約5%鉛將是可達成的，亦即反應(6)將本質上降低或不再有作用。

為了使本發明可更容易被瞭解，現將參考所附之圖式。

圖1係顯示一適合使用於本發明、但以部分切開的方式顯示來揭露其內部的TSL爐10。爐10係具有用於容納含有熔渣、或具有熔渣之上層的熔融熔池14的圓筒形底部部份12。從底部12的上方範圍延伸，爐10係具有不對稱、截頭錐形的頂蓋部份16與高於部分16的排放煙道18。爐10的部分12與16典型上係具有襯以適當耐火材22的鋼製外殼20。

垂直懸吊的噴槍24係延伸至爐10中靠近部分12的軸附近。噴槍24係穿過頂蓋部份16，且能夠藉噴槍24的頂端與滑架(未示)連接以上升或下降。滑架係在引導結構(亦未示)上垂直移動。含氧氣體與適當燃料可經由噴槍24以注入熔池14內。此外，進料物質係能夠經由入口26飼入爐10以落入熔池14內。其係提供一裝置(未示)以本質上對噴槍24所通過的爐部分16的開口周圍與入口26加以密封。再者，爐10係維持在低於大氣壓下，以防止氣體未經由煙道18而離開爐10。

在示範配置中的噴槍24係含有一外部導管27、中間導管28與內部導管29的同心配置。外部導管27係終止於高於噴槍24的底部尖端以及高於熔池14的明顯距離處。導管28與29本質上係相同長度。提供中間導管28外部表面冷卻用的處理氣體係可經由導管30以供應至導管27與28間的環狀間隙。含氧氣體係可經由導管31以供應至導管28與29間的環狀間隙。燃料係可經由導管32以供應至導管29的內膛。雖未顯示，但在鄰近噴槍24底部尖端處的導管28與29間的空隙內可提供一漩渦產生裝置，以使含氧氣體形成螺旋流動且藉此提高該氣體與燃料在噴槍24尖端的混合。若燃料像是煤微粒的固體，則其可挾帶於載體氣體中。不過，燃料亦可以是適當的烴類氣體或液體。

在爐10開俥時，噴槍24係降低至其底部尖端高於起始靜止熔池14的位置。藉著經由導管31的含氧氣體以及經由導管32的燃料的供應，噴槍24係藉點燃從噴槍底部尖端所噴出的含氧氣體與燃料的生成混合物以燃燒。經由噴槍所供應用於此燃料燃燒的物質係以高速供應，其會造成非常強的噴射以及熔池14內的熔渣的飛濺。位於導管27下端下方的導管28的外部表面將被覆蓋以熔融熔渣，其將藉含氧氣體對導管28的冷卻而凝固以形成防護塗層34(見放大插圖A)。若未於事前開始，則可開始經由導管30的冷卻氣體流動，以藉從導管27的下端所噴出的該氣體來進一步冷卻導管28。然後將噴槍24降低以使其底部尖端浸入熔渣中，以在熔渣中提供進行中的浸入注射與燃料燃燒。頂部浸入式注射會在熔渣內產生實質上的亂流以致於熔渣飛濺將持續，且可達成進入熔渣的進料與之劇烈混合。爐然後係在可使所需的高溫冶金處理可以進行的情況。在該處理過程中，冷卻氣體可經由導管30供應至導管27與28間的空隙，以進入高於熔池14上的氣體空間36。冷卻氣體將進一步有助於導管28外部表面的冷卻以及固態熔渣塗層34的維護。冷卻氣體亦可以是例如氮氣的非氧化氣體，或其可以是例如空氣的含氧氣體。

現回至圖2，所顯示的流程係示範藉TSL技術以從鉛來源物質中回收鉛的三階段方法。該方法係具有熔煉階段、緊跟著是還原階段且最後是煙化階段。在第一個熔煉階段中，例如鉛濃縮物的鉛來源物質係在像是圖1中所示的爐10的TSL爐中加以熔煉。在TSL爐中，其係將來源物質與助熔物質飼入熔渣熔池中，且藉含氧氣體與燃料的頂部浸入式噴槍注射以熔煉，而在熔渣內產生亂流以及燃料與含氧氣混合物的燃燒。

在熔煉階段中，鉛來源物質係連同鉛循環物流一起飼入。這些物流係包括來自熔煉以及來自還原階段的富含鉛之煙氣、以及來自煙化階段的富含鋅的煙氣分離處理的鉛殘留物。不過，除了鉛濃縮物外，鉛來源物質亦可以包括包含鉛酸電池及/或回收含鉛金屬的二次鉛來源。熔煉階段係在稍微氧化的條件下進行，溫度範圍係在950℃至1200℃、較佳係1000℃至1100℃，其係取決於熔渣化學性以及來源物質的等級。

除了富含鉛的煙氣外，熔煉階段會產生粗鉛、以及具有像是氧化鉛的高鉛含量的熔渣。因此，熔煉係在形成熔渣的助熔物之存在下進行。循環物流有助於使進料物流的鉛含量最大化，且因此提高傳達至粗鉛的鉛量。

粗鉛係定期地從爐中取出且送至精煉。將富含鉛的煙氣加以收集且循環回至熔煉階段。當熔煉爐達到滿載時，將具有例如約30至50重量%鉛的高鉛熔渣取出。不過，熔渣可以停留在用於熔煉的爐中，以在取出前於還原階段中促成鉛的進一步回收，或是較佳係仍在熔融狀態下輸送至如圖1中所示的第二TSL爐中，以在其中進行還原階段。

還原階段係包括藉頂部浸入式注射以將包含於來自熔煉階段的高鉛熔渣內的鉛加以回收。為此，藉還原劑煤的加入以及特別是氧氣對燃料比值的噴槍注射條件的控制，以在爐中維持一還原條件。該條件將造成氧化鉛還原成金屬鉛以製造粗鉛，且留下具有例如約5%鉛的較低鉛含量的熔渣。由於熔渣液化溫度提高所致，在熔渣內的較低鉛含量將需要在例如範圍為1200℃至1250℃的較高溫度下進行熔渣還原。

還原階段的產物是粗鉛、富含鉛的煙氣以及含有例如約5%鉛與本質上較高含量鋅的熔渣。將粗鉛取出且送至精煉。富含鉛的煙氣係加以收集且循環回至熔煉階段以儘可能直接回收鉛成粗鉛。高鋅熔渣若未從爐中取出、儲存且分開處理，則將留在還原階段TSL爐中，或輸送至另一個TSL或其他的爐以用於金屬有價物的最終回收。

煙化階段係將最後的金屬有價物回收成氧化物，且製造適合處置或例如使用作為建築材料、熔渣水泥或道路建材的熔渣。為了回收金屬有價物，此方法操作溫度係提高至約1300℃。還原劑煤的供應係從先前的還原階段持續且加入熔渣中，以產生更強烈的還原熔池條件。加煤速率係加以控制以產生例如約10^－8 大氣壓的足夠低的氧勢，以促進揮發性鉛與鋅的煙化。這些金屬然後係在熔池上氧化，且所生成的煙氣係在與爐相關的氣體處理系統中收集。用於鉛與鋅蒸汽氧化的氧氣可藉經由如圖1中所示的噴槍24例子中的導管27的用於頂部浸入式注射的噴槍以供應至爐。不過，氧氣或者亦可藉替代裝置以供應至熔池上方。

圖3所說明的方法中，在廣義的整體形式上係類似於參考圖2所描述者。因此，圖3的描述將限制於差異事項。主要與重要的差異是還原階段係根據本發明以進行。

還原階段再次地需要在TSL爐中藉還原劑的添加以及特別是氧氣對燃料比值的噴槍注射條件的控制，以維持一還原條件。不過，其並非使用例如煤的含碳還原劑，而是將像是在前文中所詳細說明、且較佳係硫化鉛濃縮物的硫化物質飼入熔池中，且藉前文中所詳細說明的反應式(6)至(9)的反應以將熔渣內的氧化鉛加以還原。

因此，若還原階段係在與用於單獨含硫化鉛濃縮物的鉛來源物質的熔煉階段者所用相同的TSL爐中，則硫化鉛的飼入係能夠在此二個連續階段期間內持續。二階段間的轉變並非藉來源物質飼入的停止與不同還原劑物質飼入TSL爐的開始以標示(如在圖2的方法中、於鉛來源物質飼入停止後的還原劑煤飼入的開始)。而是該轉變係藉飼入來源物質的持續以及在未加入含碳還原劑下改變條件、以使硫化鉛來源物質並未如熔煉階段中般被氧化以提高熔渣的鉛含量，而是在還原階段中的來源物質會將熔渣內的氧化鉛還原成本質上會傳遞至粗鉛的金屬鉛以標示。在條件方面的改變係藉停止用於硫化物熔煉反應的氧氣的添加、以及降低藉頂部浸入式注射所供應的氧氣對燃料比值以達成。同時，燃料添加速率係提高以將熔池溫度從950℃提升至1200℃，在熔煉階段較佳係在1000℃至1100℃的範圍中、至還原階段的1200℃至1250℃的範圍中。

圖3的還原階段相對於圖2者的該階段可藉在還原階段中實質上避免例如煤的含碳還原劑的添加，且因此在整個三階段中較不依賴含碳還原劑而降低溫室氣體的排放。因此，在還原階段的二氧化碳產生可本質上降低，且僅發生在鉛濃縮物的任何碳含量與燃料燃燒所決定的範圍內。此外，同樣在圖3的整個方法中，鉛與鋅的良好分離將允許更有效率的處理，同時進料的較低稀釋可產生鉛的較高直接回收。此外，使用硫化鉛作為還原劑可造成二氧化硫的產生，且在尾氣中的硫可用於監測反應式(6)至(9)的反應進展。再者，於根據本發明的還原階段中所產生的較低進程二氧化硫尾氣若不需要直接傳遞至製酸廠，則可加以處理以回收二氧化硫。

已發現在圖3的還原階段中，於硫在粗鉛中累積至無法接受的程度前，熔渣內的鉛含量將可降低至適當的程度。因此，例如在尾氣內的二氧化硫含量開始減少、亦即反應式(6)的反應已停止有作用前，熔渣內的鉛含量可以至少降低至約5%。

藉在三階段方法的還原階段中使用本發明的方法，則在所有三階段中使用單一TSL爐對於年總噸數少者將是適當的。不過，由於循環的程度，此操作將需要足夠的容納能力以合併在熔渣還原階段中所製造的煙氣、以及在熔渣煙化階段中所製造的煙氣。

二爐操作對中等尺寸裝置是適當的。在圖4所示的實例中，TSL爐A係用於熔煉階段、而TSL爐B則係用於還原與煙化階段。在此組態中，爐A可以操作在連續的熔煉模式下與鉛的連續移除，以及當爐容量已滿時定期地取出熔渣。從爐A所取出的熔渣係轉移至爐B以在此以批次操作的方式進行熔渣還原階段。當批次操作已完成且所生成之粗鉛已取出後，煙化階段的最終熔渣潔淨將以在爐B中的第二批次操作的方式開始。

在圖4中，對於每一個TSL爐A與B的參考編號係指示與圖1所顯示之爐10者相同的特性。對爐B而言，"還原劑"可以是用於鉛回收的熔渣還原的第一批次操作的硫化鉛濃縮物，以及用於鋅回收的熔渣煙化的第二批次操作的含碳還原劑(較佳係煤)。連續程序係藉實線顯示，而批次方法程序則藉虛線以顯示。

具有藉圖4所說明的配置的三階段的操作過程將可藉前述描述以瞭解。不過，圖4亦說明適當的尾氣處理。對爐A而言，尾氣係送至冷卻單元40以在其中吸取熱能。來自單元40的氣體係送至單元42以移除微粒而潔淨以收集富含鉛的煙氣。在單元42後，將氣體送至單元44以在其中捕捉硫。最後，將氣體送至煙囪46以排放。對爐B而言，對來自熔渣還原階段的尾氣處理係以實線顯示，而對煙化階段者則係以虛線顯示。在每種情況下，尾氣係在單元50中冷卻且在單元52中潔淨。富含鉛的煙氣係在熔渣藉硫化鉛濃縮物還原過程中以從單元52中回收，而富含鋅的煙氣則係在熔渣煙化階段過程中從單元52中回收。在熔渣還原階段中，氣體係從單元52送至單元44以捕捉硫、且然後送至煙囪46。不過，在煙化階段中，來自單元52的氣體因其本質上不含二氧化硫而可直接送至煙囪46。

從單元42與52所回收的富含鉛的煙氣係循環回至爐A。

一替代的二爐系統係如圖5中所顯示者。在此實例中，熔煉與還原階段兩者係在爐A中進行、且爐B係用於煙化階段中的鋅移除。使用圖5系統的整體操作將可從圖4系統者的描述以輕易瞭解。其之進一步描述因此將限制於圖5之系統與圖4者之不同事項。

在圖5中，熔煉階段與熔渣還原階段係以連續的批次操作於爐A中進行。在熔渣還原階段結束時從爐A所取出的熔渣係輸送至爐B以藉煙化階段以進行最後的熔渣潔淨。在熔煉階段中，將硫化鉛濃縮物(具有二次物、回收物、循環物)與助熔物飼入爐A中且加以熔煉。在熔煉階段結束時，將採用對熔渣還原的改變。對此，硫化鉛濃縮物與助熔物的飼入將持續，但二次物、回收物與循環物將停止。此外，注射氣體的氧氣含量將加以調整以達成熔渣還原階段中所需的較低氧勢。在熔煉與熔渣還原階段每一者的過程中，尾氣係送至冷卻單元40且然後送至單元42以潔淨且移除微粒子，以收集各個富含鉛的煙氣。對熔煉與還原階段的每一者，氣體然後係送至單元44以捕捉硫、且然後送至煙囪46。在熔渣煙化階段過程中，尾氣係送至單元50以冷卻、然後送至單元52以回收富含鋅的煙氣，且然後在不需硫捕捉下送至煙囪46。

在熔煉階段中藉單元42所回收的富含鉛的煙氣、以及在熔渣還原階段過程中藉單元42所回收的富含鉛的煙氣係循環回至爐A中的另一個熔煉階段。

對大規模的裝置，可採用使用三個TSL爐的三爐組態。三階段中的每一者係能夠在各自的爐中連續進行。液態熔渣係經由堰口與流槽以連續地從熔煉階段爐流至熔渣還原階段爐，且同樣地從後者之爐流至煙化階段爐。粗鉛係從熔煉與熔渣還原爐中移除。來自煙化爐的最終棄置熔渣可以經由堰口連續取出以處置。

關於圖6，其係顯示在使用視窗版5.1的HSC化學(從網址為www.sge.com的SGE軟體公司所得到的化學反應與平衡軟體)的平衡條件下，如圖2至5每一者中所說明的方法的熔煉階段中的鉛之理論分佈。圖6中的數據係對一給定的熔煉爐與一種特定的硫化鉛濃縮物的典型條件組。圖6係顯示在這些條件下，鉛於熔渣、粗鉛與煙氣間的重量百分比分佈，其係相對於以每噸濃縮物的以標準立方米所表示的噴槍注射含氧氣體的體積(在給定的氧氣含量下)來作圖。

圖6係顯示該熔煉階段對噴槍注射含氧氣體量是敏感的。在說明的例子中，每噸濃縮物有50 Nm³ 的差異將意謂65%至70%間的直接鉛金屬回收差異。

圖6所說明的平衡情況係假設熔渣、鉛來源物質與頂部浸入式注射的含氧氣體本質上可完全混合。雖然該注射可在熔渣內達成高度的亂流，不過熔池並未如模型所預測般平衡。其係由多個因素所促成，包括：(a)注射氣體僅與熔渣總體積的一小部份接觸，且氧氣在該體積內各處的轉移係依賴Fe^2＋ /Fe^3＋ 氧化還原偶以將氧氣從注射氣體轉移至位於熔渣內的熔融鉛來源物質中。

(b)已發現相對於該尖端下的混合，在噴槍尖端上可達成較快速的混合。在該尖端上的熔渣本質上可例如在約2分鐘內達成完全混合，然而在尖端下的混合則可能需要高達約20分鐘。

(c)若硫化鉛濃縮物與助熔物質係如所願加以混合或攪和，則當攪和物落入熔池且加熱後，對固體而言在其分散於熔渣中且熔化前，其將有機會可彼此反應。固體在與含氧氣體接觸前，將會與從溼氣所放出以及藉熔煉反應所產生的氣體接觸。結果，鉛損失至煙氣的比例可能會低於於平衡條件下者。

(d)硫化鉛濃縮物可以是相當地變化不定，包括任何的石墨碳含量。在熔煉過程中大量的氧氣需求可能是此碳來源所造成。例如佔約4至10重量%的鉛來源物質內的石墨碳含量的變化可影響此方法關於氧氣最適化控制的能力。

不過儘管有這些因素，圖6係熔煉階段內的鉛在熔渣、粗鉛與煙氣間的一般分佈程度的指示。於此階段內直接鉛回收係能夠例如在約65至70%下最適化。藉著在還原階段中使用例如硫化鉛濃縮物的硫化物質以作為還原劑，則在整個三階段方法內的鉛回收係能夠穩定於約95%下，其係可與基於使用例如煤的含碳還原劑所實施的習知技藝者相比擬。殘留的5%鉛係藉煙化階段中所製造富含鋅的煙氣內的鉛以及從該階段所棄置熔渣內的鉛損失以說明。

圖7係顯示在還原階段中使用例如硫化鉛濃縮物的硫化物質以作為還原劑的效用與益處。圖7係顯示在單一TSL爐中所進行的三階段方法的連續熔煉、還原與煙化階段過程中的連續時間間隔後，於熔渣中的鉛與鋅的重量百分比的控制圖。

在圖7所說明的方法的還原階段期間內，藉著使用在此實例中為硫化鉛濃縮物的硫化物質以作為添加至熔渣內的鋅量的還原劑，可發現熔渣內的鉛含量將迅速地下降。此在鉛與鋅傳達上的差異、亦即鉛將回收成粗鉛而熔渣本質上將保有且進一步容納鋅，將發生至較於還原階段中使用含碳還原劑者更為顯著的較大程度。對在還原階段中所製造富含鉛的煙氣以及在煙化階段中所製造富含鋅的煙氣，此可造成鉛與鋅的較佳分離。

最後，可以瞭解的是各種不同的變更、修改及/或添加可在不偏離本發明精神或範圍下，引入前文中所描述部份之架構與配置內。此一修改的實例可以經由使用像是混合濃縮物、硫化浮渣、黃鐵礦的其他含硫化物物質以作為還原劑。

10．．．TSL爐

12．．．圓筒形底部部份

14．．．熔融熔池

16．．．頂蓋部份

18．．．排放煙道

20．．．鋼製外殼

22．．．耐火材

24．．．噴槍

26．．．入口

27．．．外部導管

28．．．中間導管

29．．．內部導管

30．．．導管

31．．．導管

32．．．導管

34．．．防護塗層

36．．．氣體空間

40．．．冷卻單元

42．．．潔淨單元

44．．．捕捉單元

46．．．煙囪

50．．．冷卻單元

52．．．潔淨單元

圖1是說明適合使用於本發明中的TSL爐的部分切開後的透視圖；圖2係顯示用於硫化鉛濃縮物的TSL鉛回收的習知技藝的三階段方法的流程；圖3係顯示用於硫化鉛濃縮物的TSL鉛回收的根據本發明的三階段方法的流程；圖4是對應於圖3之方法的多爐方法的概略流程；圖5係顯示圖4者之替代流程。

圖6係顯示在藉圖2至5中之每一者所說明的第一階段方法所用的平衡條件下，鉛於熔渣、金屬和煙氣間的理論分佈；且圖7係說明在對應於圖3之流程的根據本發明方法中的典型操作下對鉛與鋅的控制圖。

10．．．TSL爐

12．．．圓筒形底部部份

14．．．熔融熔池

16．．．頂蓋部份

18．．．排放煙道

20．．．鋼製外殼

22．．．耐火材

24．．．噴槍

26．．．入口

27．．．外部導管

28．．．中間導管

29．．．內部導管

30．．．導管

31．．．導管

32．．．導管

34．．．防護塗層

36．．．氣體空間

Claims (17)

1. 一種用於鉛熔渣還原的方法，其中該熔渣係經由底端浸泡在熔渣內的垂直懸吊的噴槍，而接受含氧氣體與燃料的頂部浸入式噴槍注射，以在熔渣內產生燃料被燃燒的燃燒區，且產生亂流條件以藉注射氣體的冷卻效應所造成的凝固在噴槍的底部範圍上形成熔渣的塗覆物，且其中頂部浸入式噴槍注射係在還原條件下使用硫化物質作為還原劑而進行，以將熔渣內的鉛還原成金屬鉛且藉此形成將被取出以作為粗鉛的熔融鉛相，其中該硫化物質係從混合濃縮物所選出。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該硫化物質是鉛濃縮物。
3. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中該方法本質上係在不需使用含碳還原劑下進行。
4. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中該方法係在除了存在於硫化物質內的含碳物質外、不需使用含碳還原劑下進行。
5. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中係使用硫化鉛濃縮物以作為硫化物質還原劑。
6. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中該方法係以跟隨在含鉛進料物質的頂部浸入式噴槍鉛濃縮物第一階段熔煉後的第二階段方式進行，以製造鉛產物與含鉛熔渣，且在第一階段中所製造的熔渣係用於第二階段的含鉛熔渣。
7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中送入第一階段的含鉛進料物質係以下至少之一者：鉛濃縮物、包括鉛酸電池以及回收含鉛金屬的二次鉛來源。
8. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該等階段係在個別的頂部浸入式噴槍爐中進行。
9. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該等階段係以批次的方式在單一頂部浸入式噴槍爐中進行。
10. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該第二階段之後係跟隨著第三的熔渣煙化階段。
11. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該第二階段之後係跟隨著在與第二階段者相同的爐中進行的第三的熔渣煙化階段。
12. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該第二階段之後係跟隨著在第二頂部浸入式噴槍爐中進行的第三的熔渣煙化階段。
13. 如申請專利範圍第9項之方法，其中為了達成在第一階段熔煉中製造足夠體積的熔渣，從第一至第二階段的變化係進行如下：(i)在第一階段終止後持續硫化鉛濃縮物的飼入；且(ii)將注入含氧氣體的氧含量從第一階段中所使用的程度降低至適合用於第二階段中所需的較低氧勢的程度。
14. 如申請專利範圍第6項之方法，其中係進行第一階段以藉此使用氧氣作為驅動力，以經由以下直接反應將硫化鉛轉化成鉛金屬： PbS+O_2(g) → Pb₍₁₎ +SO_2(g) (1)以及競爭反應：PbS+3/2 O_2(g) → PbO₍₁₎ +SO_2(g) (2) PbS → PbS_(g) (3) PbO₍₁₎ → PbO_(g) (4)與Pb₍₁₎ → Pb_(g) (5)。
15. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該第二階段係在會造成熔渣內的氧化鉛藉使用鉛濃縮物作為硫化物質還原劑所還原的溫度下進行，藉此在該溫度下所包括的反應為：2PbO_(熔渣) +PbS → 3Pb₍₁₎ +SO_2(g) K=26.7 (6) 2PbO_(熔渣) +PbS → 3Pb_(g) +SO_2(g) K=1.2×10^-6 (7) 2ZnO_(熔渣) +PbS → Pb₍₁₎ +2Zn₍₁₎ +SO_2(g) K=3.4×10^-7 (8) 2ZnO_(熔渣) +PbS → Pb₍₁₎ +2Zn_(g) +SO_2(g) K=4.5×10^-6 (9)。
16. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該第二階段係在範圍從1200℃至1250℃的溫度下進行。
17. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該第一階段係在範圍從950℃至1200℃的溫度下進行。