蔡建國(guó)

（江蘇銀茂控股集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210033）

酸堿法生產(chǎn)活性氧化鋅經(jīng)濟(jì)性差異對(duì)比分析

蔡建國(guó)

（江蘇銀茂控股集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210033）

通過(guò)對(duì)4種生產(chǎn)活性氧化鋅工藝，即酸法的加純堿（Na2CO3）法和加碳酸氫氨（NH4HCO3）法，氨浸法的加熱蒸氨讓氨揮發(fā)法和通入二氧化碳碳化法的差異部分的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，對(duì)比發(fā)現(xiàn)堿法總體優(yōu)于酸法，其中以氨浸蒸氨法經(jīng)濟(jì)性最佳。酸法不僅存在浸出劑和合成劑消耗成本高，而且酸法生產(chǎn)活性氧化鋅會(huì)產(chǎn)生大量的廢水，廢水處理成本高于回收產(chǎn)品的收入，經(jīng)濟(jì)性較差。因此推薦用氨浸蒸氨法生產(chǎn)活性氧化鋅，不僅經(jīng)濟(jì)而且環(huán)保。

活性氧化鋅；浸出成本；合成成本；廢水處理成本；回收產(chǎn)品收入

濕法生產(chǎn)活性氧化鋅是廢鋅資源再利用的一種途徑，其產(chǎn)品具有較高的表面活性和較大的比表面積，擁有普通氧化鋅所無(wú)法比擬的特殊性能，在橡膠、涂料、催化劑和化纖等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景［1］。濕法生產(chǎn)活性氧化鋅工藝繁多，往往為企業(yè)在工藝選擇上帶來(lái)困擾。筆者就4種典型的酸堿法生產(chǎn)活性氧化鋅工藝中存在的差異部分做了經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，以期優(yōu)選出較佳的工藝，為相關(guān)企業(yè)決策提供參考。

1 工藝流程分析

目前，中國(guó)濕法生產(chǎn)活性氧化鋅比較成熟的酸法工藝為硫酸法，堿法工藝為氨浸法。硫酸法的工藝流程見(jiàn)圖1，其合成方法有加純堿（Na2CO3）和加碳酸氫氨（NH4HCO3）兩種。氨浸法的工藝流程見(jiàn)圖2，其合成方法有加熱蒸氨讓氨揮發(fā)和通入二氧化碳碳化兩種。

圖1 硫酸法生產(chǎn)活性氧化鋅工藝流程圖

圖2 氨浸法生產(chǎn)活性氧化鋅工藝流程圖

從圖1、圖2的工藝流程分析可以發(fā)現(xiàn)，酸法和堿法生產(chǎn)活性氧化鋅的工藝差異主要在浸出和合成兩個(gè)工序，因此針對(duì)該差異部分做了經(jīng)濟(jì)性分析對(duì)比，以期找到最佳的生產(chǎn)工藝。

2 經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 硫酸法

2.1.1 浸出

酸法浸出工序浸出劑為硫酸，浸出反應(yīng)式：

反應(yīng)中考慮到其他金屬的耗酸和讓鋅充分浸出等因素，硫酸過(guò)量系數(shù)取1.2（下述無(wú)特別注明，其除鋅以外的輔料過(guò)量系數(shù)均為1.2），因此每生產(chǎn)1 t活性氧化鋅需要硫酸：98/81.5×1.2=1.44 t。硫酸的價(jià)格波動(dòng)較大，筆者采用江蘇銀茂控股集團(tuán)有限公司2002—2008年的平均價(jià)420元/t，則浸出劑成本為420×1.44≈605元/t。

2.1.2 合成

1）純堿法。該方法主要是向用硫酸浸出凈化好的含鋅母液中加入純堿，其反應(yīng)式：

由式（2）可知，單位活性氧化鋅需要純堿：106/81.5× 1.2=1.56 t。純堿價(jià)格為1 500元/t，則純堿法合成劑成本為1 500×1.56=2 340元/t。

硫酸純堿法的廢水中有大量的硫酸鈉必需濃縮回收，直接排放會(huì)污染環(huán)境。廢水處理消耗的煤按20 930 kJ/kg計(jì)，煤價(jià)為600元/t，熱能有效利用系數(shù)為0.4（以下煤的相關(guān)數(shù)據(jù)同上）。假設(shè)浸出凈化母液鋅的質(zhì)量濃度為110 g/L，加入的Na2CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％，其沉淀Zn5（CO3）2（OH）6中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40％（忽略比重因素），則每1 L凈化母液合成反應(yīng)過(guò)濾后需要濃縮的水量＝凈化母液質(zhì)量－硫酸鈉質(zhì)量－沉淀物和所帶的水質(zhì)量－反應(yīng)消耗的水的質(zhì)量＋加入合成劑所加的水質(zhì)量，即1 000－142/65.5×110× 1.2－110×549.5/327.5×（1＋0.4）－110×54/327.5＋106/ 65.5×110×1.2=1 000－286－258－18＋214=652 g。

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假設(shè)凈化母液合成反應(yīng)過(guò)濾的溫度為50℃，則單位活性氧化鋅廢水處理消耗的煤的成本：65.5× 1 000/0.11/81.5×0.652×［（100－50）＋540］×4.186/ 20 930/0.4×0.6=843元/t

每生產(chǎn)1 t活性氧化鋅廢水處理的設(shè)備折舊、人員工資、其他動(dòng)力消耗和回收產(chǎn)品包裝大約為300元/t，則單位廢水處理成本為843＋300=1143元/t。

硫酸純堿法每生產(chǎn)1 t活性氧化鋅廢水處理能回收硫酸鈉（Na2SO4）：142/81.5×1.2=2.1 t。硫酸鈉按500元/t計(jì)，則回收產(chǎn)品收入：2.1×500=1 050元/t。

硫酸純堿法每生產(chǎn)1 t活性氧化鋅浸出加合成的綜合成本=浸出劑成本＋合成劑成本＋廢水處理成本－回收產(chǎn)品收入，即605＋2 340＋1 143－1 050= 3 038元/t。

2）碳酸氫氨法。該方法主要是向用硫酸浸出凈化好的含鋅母液中加入碳酸氫氨，其反應(yīng)式：由式（3）可知，每生產(chǎn)1 t活性氧化鋅需要碳酸氫氨：158/81.5×1.2=2.33 t。碳酸氫氨的價(jià)格為700元/t，則單位活性氧化鋅合成劑成本為700×2.33=1 631元/t。

硫酸碳酸氫氨法的廢水中有大量的硫酸氨必需濃縮回收，直接排放會(huì)污染環(huán)境。假設(shè)浸出凈化母液鋅的質(zhì)量濃度為110 g/L，加入的碳酸氫氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65％，其沉淀Zn3（OH）4CO3H2O中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40％（忽略比重因素），每1 L凈化母液合成反應(yīng)過(guò)濾后需要濃縮的水量=凈化母液質(zhì)量－硫酸氨質(zhì)量－沉淀物和所帶的水質(zhì)量＋加入合成劑所加的水質(zhì)量，即1 000－132×110/161.5×1.2－110×342.5/196.5×1.4＋110×158/161.5×35/65×1.2=1 000－108－268＋70= 694 g。

假設(shè)凈化母液合成反應(yīng)過(guò)濾的溫度為50℃，則每生產(chǎn)1 t活性氧化鋅廢水處理消耗的煤的成本：65.5×1 000/0.11/81.5×0.694×［（100－50）＋540］×4.186/ 20 930/0.4×0.6=897元/t。

每生產(chǎn)1 t活性氧化鋅廢水處理的設(shè)備折舊、人員工資、其他動(dòng)力消耗和回收產(chǎn)品包裝大約為300元/t，則單位廢水處理成本為897＋300=1197元/t。

硫酸碳酸氫氨法每生產(chǎn)1 t活性氧化鋅廢水處理能回收硫酸氨［（NH4）2SO4］：2.33×132/158=1.947 t。硫酸氨價(jià)格按600元/t計(jì)，則回收產(chǎn)品收入：1.947× 600=1 168元/t。

硫酸碳酸氫氨法每生產(chǎn)1 t活性氧化鋅浸出加合成的綜合成本=浸出劑成本＋合成劑成本＋廢水處理成本－回收產(chǎn)品收入，即605＋1631＋1 197－1 168= 2 265元/t。

2.2 氨浸法

2.2.1 浸出

氨浸法浸出時(shí)發(fā)生的主要反應(yīng)［1］如下：

由于浸出劑氨水和碳酸氫氨消耗量和后續(xù)的合成工序回收產(chǎn)品相關(guān)，其浸出劑的消耗成本和合成工序成本一起計(jì)算。

2.2.2 合成

1）蒸氨。將浸出凈化母液通過(guò)蒸汽加熱使氨揮發(fā)，破壞浸出凈化母液中的鋅氨絡(luò)合使鋅以堿式碳酸鋅析出，其反應(yīng)式：

其蒸發(fā)的氨和二氧化碳經(jīng)冷卻回收返回浸出工序循環(huán)使用。從反應(yīng)式（4）、（5）可知，回收的氨和二氧化碳不能直接返回浸出工序循環(huán)使用，還需要補(bǔ)充一定量的碳酸氫氨，補(bǔ)充量為（每生產(chǎn)1 t活性氧化鋅）：79/81.5×1.2/3=0.388 t。碳酸氫氨的價(jià)格為700元/t，則單位活性氧化鋅碳酸氫氨消耗成本為700×0.388≈272元/t。

每生產(chǎn)1 t活性氧化鋅蒸發(fā)氨的量：68/81.5× 1.2=1 t。每生產(chǎn)1 t活性氧化鋅蒸發(fā)二氧化碳的量：44/81.5×2/3×1.2=0.432 t。每生產(chǎn)1 t活性氧化鋅需浸出凈化母液量：65.5/81.5/0.11=7.3 t。設(shè)浸出凈化母液蒸發(fā)前溫度為25℃（忽略母液比重），則可以計(jì)算出單位活性氧化鋅需消耗的蒸汽量為1 691 kg，從而計(jì)算蒸氨耗煤成本為：［1 691×（540＋75）］×4.186/20 930/0.4×0.6=312元/t。

其回收裝置折舊和其他動(dòng)力消耗按每生產(chǎn)1 t活性氧化鋅100元計(jì)，廢水可達(dá)標(biāo)排放。氨浸蒸氨法每生產(chǎn)1 t活性氧化鋅浸出加合成的綜合成本：272＋312＋100=684元/t。

2）碳化。該方法是向氨浸出的凈化母液充入二氧化碳，以碳化的方法沉淀析出堿式碳酸鋅，其反應(yīng)式：

該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，為了促進(jìn)反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行必須在反應(yīng)釜中加裝冷卻器移去反應(yīng)熱，同時(shí)由于二氧化碳容易溢出必須在一定的承壓容器中進(jìn)行。反應(yīng)過(guò)濾后的殘液，返回浸出使用時(shí)必須加入一定量的濃氨水。根據(jù)某企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際，每生產(chǎn)1 t活性氧化鋅需添加18％～20％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的濃氨水1 t和碳化消耗二氧化碳1 t，濃氨水和二氧化碳單價(jià)分別為600元/t和550元/t，每生產(chǎn)1 t活性氧化鋅其冷卻裝置折舊和其他動(dòng)力消耗總計(jì)為100元，則單位活性氧化鋅浸出加合成的綜合成本：600＋550＋100=1 250元/t。

3 酸堿法經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

通過(guò)計(jì)算和分析對(duì)比可知，總體上堿法的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于酸法，其中以氨浸蒸氨法為最佳，綜合成本僅為684元/t，比酸法中較為經(jīng)濟(jì)的硫酸碳酸氫氨法還少1 581元，造成這種差別的主要原因是酸法的浸出劑和合成劑成本消耗高，而堿法的浸出劑和合成劑可回收，且回收成本較低。另外酸法還存在廢水處理的問(wèn)題，廢水處理成本高于回收產(chǎn)品的收入，經(jīng)濟(jì)效益低下。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)酸堿法4種生產(chǎn)活性氧化鋅工藝的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析對(duì)比，得到堿法的氨浸蒸氨工藝經(jīng)濟(jì)性較佳的結(jié)論，并就造成差異的主要原因作了分析與探討，以期為企業(yè)決策提供參考。

［1］舒萬(wàn)艮.有色金屬精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)與應(yīng)用［M］.長(zhǎng)沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1995.

聯(lián)系方式：cjg1960@hotmail.com

Comparative analysis on economical difference of activated zinc oxide production by acid/base methods

Cai Jianguo
（Jiangsu Yinmao Holding Group Co.，Ltd.，Nanjing 210033，China）

By analyzing the economical efficiency of the differences of four methods of manufacturing activated zinc oxide，which are the acid method of adding soda（Na2CO3），the acid method of adding ammonium hydrogen carbonate（NH4HCO3），the ammonia leaching-ammonia distillation method（evaporating ammonia by heating），and carbonization method（by inletting carbon dioxide），it′s found that the alkali methods are superior to the acid methods，and the ammonia leaching-ammonia distillation method is the most cost-effective one.Acid methods have higher consumption costs of leaching reagent and synthesizing agent.Furthermore，the acid methods produce a large amount of wastewater during the manufacture process of activated zinc oxide.Since the treatment cost of wastewater is higher than the revenue of product recovery，their economical efficiency is poor.In conclusion，it is recommended to use the ammonia leaching-ammonia distillation method to manufacture activated zinc oxide，because it is not only economical，but also environmentally friendly.

activated zinc oxide；leaching cost；synthesis cost；wastewater treatment cost；product recovery

TQ132.41

A

1006-4990（2013）08-0005-03

2013-02-12

蔡建國(guó)（1960—），男，高級(jí)工程師，主要從事納米材料的研發(fā)工作，已公開(kāi)發(fā)表文章8篇。