SKS炼铅物质流变化对能耗的影响

王洪才^{1, 2}，时章明^{1, 3}，沈浩¹，陈通¹，姜信杰¹

(1. 中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 中南大学 流程工业节能湖南省重点实验室，湖南 长沙，410083；

3. 中南大学 湖南节能评价技术研究中心，湖南 长沙，410083)

摘要：构建SKS炼铅生产流程的基准物质流图，以某SKS炼铅法企业生产数据为依据，分别绘制该企业生产流程的实际物质流图和基准物质流图，并分析含铅物料在实际生产流程中偏离基准物质流图时对铅能耗的影响。从物质流和工序的角度分析可知：增大外加物质流、减小循环物质流和排放物质流会降低铅能耗，而且越是靠后的工序发生以上3种物质流对铅能耗的影响越大。

关键词：SKS炼铅；物质流；基准物质流图；实际物质流图；铅能耗

中图分类号：TF062        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)07-2850-05

Influences of material flow in SKS lead smelting process on its energy consumption

WANG Hong-cai^{1, 2}, SHI Zhang-ming^{1, 3}, SHEN Hao¹, CHEN Tong¹, JIANG Xin-jie¹

(1. School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Hunan Key Laboratory of Energy Conservation in Process Industry, Central South University, Changsha 410083, China;

3. Hunan Research Center of Energy-saving Evaluation Technology, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The standard material flow diagram of SKS lead smelting process was founded. On the basis of the data of a SKS lead smelting process enterprise, the real material flow diagram of this enterprise was figured out and the standard material flow diagram was established accordingly, and the impact of energy consumption of crude lead was analyzed when the materials deviated from the standard material flow diagram in the real material flow diagram. The analysis of material and process shows that, with the plus material flow increasing, and the cycle material flow and the emission material flow reducing, the energy consumption of crude lead reduces. Furthermore, three kinds of material flow occur in the latter process, and the impact energy consumption of crude lead is higher.

Key words: SKS lead smelting process; material flow; standard material flow diagram; real material flow diagram; energy consumption of crude lead
 

目前，国内外学者己经开发出了多种系统节能的研究方法^[1-3]，并将其广泛应用于生产实践，取得了巨大的节能、经济效益。Markland^[4]采用系统优化的方法研究钢铁企业的能源最优分配问题；Doering^[5]研究了能源转换工厂的最优能源转换加工方案；陆钟武  等^[6-12]采用e-p分析法和基准物质流图分析法，先后对多家国内钢铁企业及氧化铝生产企业的能耗现状进行了分析、诊断，并提出合理的节能对策，为这些企业的节能降耗工作做出了重要的贡献。系统节能的研究方法虽然在国内钢铁、氧化铝等工业生产过程中得到高度的关注和应用，但在有色冶金炉窑特别是炼铅工序中应用研究的很少^[13]。铅冶炼行业是典型的传统高耗能行业，将系统节能的研究方法应用于此，有利于对铅能耗进行详细的剖析，便于分析铅冶炼行业今后的节能方向和途径。SKS炼铅法(即水口山炼铅法)为氧气底吹熔炼—鼓风炉还原炼铅工艺，其核心是将氧化和还原分别在不同的熔炼炉中进行反应。该方法在国内已有较多的应用，国外一些国家也采用此法进行铜、铅等金属的冶炼^[14-15]。本文作者采用基准物质流图法对SKS炼铅生产流程进行系统分析，有利于研究生产过程中各种物质流变化对铅能耗的影响，为进一步降低SKS炼铅法的铅能耗提供帮助^[16]。

1  基准物质流图和实际物质流图

1.1  基准物质流图的建立

为了分析SKS炼铅生产流程中物质流对能耗的影响，根据SKS炼铅法工艺流程和基准物质流图的概念，构建了“全封闭单行道”式的铅生产流程物质流图：

① 全流程中含Pb物料的唯一流向是从上游工序流向下游工序。

② 在流程的中途，没有含Pb物料的输入和输出。

能够满足以上2个条件，并以1 t Pb为最终产品的物质流图，定义为SKS炼铅生产流程的基准物质流图，如图1所示。

图1中每个圆圈代表一道工序，圆圈上方所标的m₁，m₂，m₃和m₄是各工序物料中含Pb元素的质量，在基准物质流图中，只在最后一道工序产出Pb，即m₄=1；圆圈下方所标的e₀₁，e₀₂，e₀₃和e₀₄是各工序的基准工序能耗；图中箭头表示含Pb物料的流向，在每个箭头旁边的1/m₁，1/m₂，1/m₃是各工序的实物产量与Pb产量的质量比，称其为基准折合比，并记作P_0i。
 

图1  SKS炼铅生产流程的基准物质流图

Fig.1  Standard material flow diagram for SKS lead smelting

根据基准物质流图，可求得该流程中1 t Pb的基准能耗E₀：

        (1)

式中：E₀为1 t Pb的基准能耗；e_0i为第i道工序的基准工序能耗；m_i为第i道工序物料中含Pb的质量。

式(1)是同各种物质流状况下SKS炼铅生产流程的能耗进行比较的基准式。

1.2  实际物质流图的绘制

与多数冶炼流程只在最后一道工序有成品产出不同，在SKS炼铅生产流程中底吹和鼓风两道工序分别有成品产出，设底吹炉生产工序产出的成品中含Pb量为a，鼓风炉生产工序产出的成品中含Pb量为b，则a+b=1。以某SKS炼铅企业年度生产数据为基准，借鉴文献[9]中的分析方法，绘制生产流程的实际物质流图如图2所示。

图2  SKS炼铅生产流程的实际物质流图(以1 t Pb为基准)

Fig.2  Material flow diagram for SKS lead smelting (based on 1 t Pb)

 

图2中每个箭头上方标明了工序中各股物质流的实物产量与Pb产量的质量比(折合比)，并在括号中标明了与之相当的Pb元素的质量，由式(1)可得该SKS炼铅生产流程的实际铅能耗为9.253 29 GJ/t。

根据该SKS炼铅企业年度生产数据，可以计算得粗铅(铅品位为96.80%)的年平均能耗是8.957 57 GJ/t，折算成铅能耗(铅品位为100%)为9.253 58 GJ/t，与本文建立的实际物质流图计算得出的铅能耗相对误差仅为ε=0.006%。考虑到生产过程中如原料、环境、温度等不稳定因素的影响，此相对误差在允许范围内，由此验证本文所建立的实际物质流图是合适的。

1.3  基准物质流图的绘制

由实际物质流图及文献[9]中的计算方法，以1 t Pb为基准(下同)可得SKS炼铅生产流程的基准物质流图如图3所示。

图3  SKS炼铅法生产流程的基准物质流图(以1 t Pb为基准)

Fig.3  Standard material flow diagram for SKS lead smelting (based on 1 t Pb)

在图3中底吹炉工序产生的成品中含Pb量为a= 0.395 6，鼓风炉工序产生的成品中含Pb量为b=  0.604 4，因此由式(1)可得：SKS炼铅生产流程的基准铅能耗为7.062 55 GJ/t。

2  物质流变化对铅能耗的影响

2.1  物质流变化分析

基准物质流图是一种理想状态下的物质流图，此时物质流对能耗的影响最小。在实际生产流程中各道工序都可能发生偏离基准物质流图的现象，甚至同一种现象亦包括几股不同的物质流。图4所示为第i道工序的物质流图。本文以第i道工序为例，说明该道工序中可能出现的5种物质流情景。

(1) 输入物质流，第i-1道工序的产品作为原料输入到第i道工序，其铅素流量为P_i-1。

图4  第i道工序的物质流图

Fig.4  Material flow diagram in i production

 (2) 输出物质流，第i道工序输出给第i+1道工序的合格产品，其铅素流量为P_i。

(3) 外加物质流，从流程外界加入第i道工序的含铅物料，其铅素流量为α_i。

(4) 排放物质流，第道工序向外界输出的含铅物料，其铅素流量为γ_i(，其中为外卖的第i道工序合格产品所含铅元素质量，为向外界输出的不合格产品如外卖废品、生产损失等所含铅元素质量)。

(5) 循环物质流，第i道及其下游各工序生产的不合格产品或废品，作为原料重新返回到本道工序或其他上游工序循环使用，其铅素流量为β_i(其中，为返回本工序的物料所含铅元素质量；为由本工序返回到其上游第k道工序的物质流所含铅元素的质量，k=1, 2, …, i-1；为下游第j道工序生产的不合格产品或废品，作为原料返回到第i道工序所含铅元素的质量，j=i+1, i+2, …, n；)。

由此可见：在主物质流P_i之外，还有3种不同类型的物质流：第1类物质流(即物质流)，包括从流程以外输入到各工序含铅物料的物质流；第2类物质流(即β物质流)，包括从各道工序输出后又返回本工序重新处理的物质流、以及由下游返回到各工序的物质流；第3类物质流(即物质流)，包括各道工序向外界输出后不再返回本流程的物质流。

2.2  物质流变化对铅能耗的影响

在SKS炼铅实际生产流程中，除主物质流P_i外，物质流包括2种情况，它们分别是向鼓风炉加入含Pb的物质流底铅和铅极板；β物质流包括3种情况，它们分别是底吹炉的烟尘返回底吹炉工序处理β₁，鼓风炉的烟尘返回鼓风炉工序处理β₂，鼓风炉的烟尘返回底吹炉工序处理β₃；物质流包括6种情况，它们分别是底吹炉工序向外界输出铅冰铜，高铅渣及底吹炉工序的损失，鼓风炉工序向外界输出铅冰铜，副产氧化锌及鼓风炉工序的损失；此外，在底吹炉工序还会有合格产品产出，设其物质流为。

结合SKS炼铅生产流程的基准物质流图，本文以鼓风炉生产工序的烟尘返回底吹炉生产工序重新处理(物质流β₃)为例，说明该股物质流发生时对铅能耗的影响。

图5所示为含Pb物质流返回上游工序重新处理过程。由图5可见：鼓风工序中有β₃物质流返回到底吹工序中处理，在其他各道工序的物质流和能耗都不变的情况下，此时的铅能耗变为：

    (2)

图5  含Pb物质流返回上游工序重新处理过程

Fig.5  Material flow of Pb return former production

与基准铅能耗相比E₀相比，增量为：

       (3)

即在此种情况下，铅能耗增加0.222 445 GJ/t。

同理可以计算出其他11种物质流偏离基准物质流图时对铅能耗的影响，如表1所示。

表1  各股物质流变化对能耗的影响

Table 1  Influences of material flow on energy consumption

由此可见：当α物质流发生时，铅能耗降低，因此，在生产过程中加入较多的含Pb物料是降低铅能耗的重要措施；当β物质流和γ物质流发生时，铅能耗增加，实际生产工程中要尽量减少β物质流和γ物质流的数量；当λ物质流发生时，即生产过程的中间工序有合格产品产出时，铅能耗会显著降低。

3  结论

(1)　该SKS炼铅企业基准铅能耗为7.062 55 GJ/t，实际铅能耗为9.253 29 GJ/t，通过基准物质流图与实际物质流图对比分析可知，企业当年存在的节能潜力为2.190 74 GJ/t。

(2)　鼓风炉烟尘返回底吹炉工序(物质流β₃)时对铅能耗的影响最大，占因偏离基准物质流图对铅能耗影响的33.32%；其次，从鼓风炉向外界输出副产氧化锌(物质流γ₅)时对铅能耗的影响也较高，达到21.38%。在使降低铅能耗方面，底吹炉工序产生粗铅(物质流λ)时对铅能耗的影响最大，占因偏离基准物质流图对铅能耗影响的99.71%。在其他情况不变时，当由底吹炉产出的成品(粗铅)在总铅产量中每提高一个百分点，SKS炼铅的铅能耗就会降低0.666 45 GJ/t。

(3)　底吹炉工序物质流偏离基准物质流图时，铅能耗减少2.536 87 GJ/t；鼓风炉工序物质流偏离基准物质流图时，铅能耗增加0.572 08 GJ/t。在粗铅生产过程中，应着重提高鼓风炉炼铅的工艺水平。

(4)　凡是由外界向某中间工序输入含Pb物料，有利于节能，且越是后部工序节能效果越显著；凡是由某工序向环境输出或返回上游工序重新处理的含Pb物质流，必增大铅能耗，且越是后部工序耗能增加越多；凡是在工序内部循环使用含Pb物质流，必使本工序的能耗增加。因此，为降低铅能耗，应设法减少从工序内部向外界输出或返回上游工序的含Pb物质流数量，以及提高底吹炉生产粗铅所占的比例。

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(编辑 陈爱华)

收稿日期：2011-08-22；修回日期：2011-11-30

基金项目：湖南省科技计划攻关重大专项项目(2008SK1002)

通信作者：王洪才(1982-)，男，安徽临泉人，博士研究生，从事能源系统工程方向的研究；电话：0731-88836930；E-mail: hongcai_001@163.com