許 良， 陳向強

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

鋅精礦富氧流態(tài)化焙燒工藝研究

許 良， 陳向強

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

本文介紹了鋅精礦富氧流態(tài)化焙燒工藝，對富氧焙燒的反應機理、生產(chǎn)實踐進行了詳述。通過將空氣焙燒和富氧焙燒進行對比，分析了富氧焙燒可行性及存在的問題，并對富氧焙燒技術在鋅精礦焙燒上的應用進行了探討和展望。

富氧； 流態(tài)化焙燒爐； 鋅精礦； 操作氣流速度

當今世界煉鋅技術主要以濕法煉鋅為主，濕法煉鋅技術主要有硫化鋅精礦焙燒加濕法處理流程以及常壓富氧和氧壓浸出全濕法處理流程。由于全濕法流程的設備要求高、建設費用大以及生產(chǎn)成本高，目前只有少數(shù)幾家企業(yè)采用。硫化鋅精礦焙燒加濕法處理流程是目前最成熟最可靠的生產(chǎn)流程，而硫化鋅精礦焙燒是其中一個重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)流態(tài)化焙燒爐主要以中國恩菲設計的109 m2流態(tài)化焙燒爐為主，另有2家企業(yè)采用其他院設計的119 m2流態(tài)化焙燒爐。由于種種原因，在生產(chǎn)實踐中，109 m2焙燒爐生產(chǎn)能力略高于119 m2，兩種爐型單系列生產(chǎn)鋅錠的規(guī)模都在10萬t左右。

隨著工藝技術的不斷提高，富氧技術在有色冶金中的應用越來越廣泛。由于富氧的應用，在處理相同物料時，產(chǎn)生的煙氣量相應減?。欢鴮τ谕粋€爐子，采用富氧則會提高冶金爐的處理能力。目前國內(nèi)在銅、鎳、鉛、錫等金屬的冶煉過程中都有采用富氧空氣進行熔煉的實例，而在鋅精礦焙燒上目前尚無大型焙燒爐采用富氧進行焙燒的實例。本文就對鋅精礦富氧流態(tài)化焙燒工藝技術進行分析研究。

1 流態(tài)化焙燒工藝

1.1 流態(tài)化機理

具有一定粒度組成的細粒物料層，由靜置狀態(tài)進入活動狀態(tài)，取決于料層空道中的氣流或液流的流體動力學條件。這一轉變是在一種完全固定的流體速度ω臨界，即所謂的流態(tài)化臨界速度下實現(xiàn)的。使流體速度不斷增大并越過此臨界速度，沸騰層的體積增大，細粒物料粒子的運動更激烈。在某一個速度ω帶出，即所謂極限速度或帶出速度下，流態(tài)化層進入懸浮狀態(tài)，并隨流體被帶出流態(tài)化室。在ω臨界和ω帶出的范圍內(nèi)，流態(tài)化層處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此在實際操作中，流態(tài)化焙燒操作氣流速度ω操作介于ω臨界和ω帶出。

式中：Re臨界為臨界雷諾準數(shù)；ν為氣體實際溫度下的運動粘度，m2/s；d均為物料顆粒平均粒度，m 。

由上式可知ω臨界與固體粒子直徑、固體性質、氣體性質有關。

ω操作是爐子流態(tài)化的先決條件，若操作氣流速度過小，不能形成流態(tài)化；過大，則形成氣動狀態(tài)，二者均影響爐子的正常穩(wěn)定工作。另外操作氣流速度與煙塵率有關，操作氣流速度大，煙塵率亦大。故應在保持良好穩(wěn)定的流化狀態(tài)和一定的煙塵率的情況下，選擇合理的操作氣流速度。

1.2 焙燒反應機理

硫化鋅精礦主要以閃鋅礦ZnS的形態(tài)存在，焙燒過程主要是金屬硫化物和氧氣之間的反應，主要反應如下：

(1)

(2)

(3)

反應式(2)是可逆的放熱反應，低溫有利于反應向右進行。濕法是要求盡量將ZnS氧化變成ZnO，因此濕法煉鋅廠一般都采用較高的焙燒反應溫度進行氧化焙燒，溫度控制在900 ℃左右。

1.3 流態(tài)化焙燒爐床能率

焙燒爐床能率是衡量爐子生產(chǎn)能力的一個重要參數(shù)，標志著爐子處理精礦能力的大小。根據(jù)流態(tài)化機理可知，焙燒爐的操作氣流速度決定了流態(tài)化的效果以及煙塵率大小。而從焙燒反應機理可知，硫化鋅精礦的焙燒反應主要是金屬硫化物和氧氣之間的反應，若精礦中的金屬硫化物含量增加，則單位質量的精礦完全反應需要的鼓風量則增加。同時，焙燒爐流化層內(nèi)的溫度也影響焙燒的反應程度。由以上分析可知，焙燒爐床能率是由綜合因素決定，其大小取決于流態(tài)化層的操作氣流速度、鼓風量和流化層內(nèi)的溫度，即：

式中：a為床能率，t/(m2·d)；V為焙燒每噸精礦所需要的空氣量，m3/t；t層為流化層內(nèi)溫度，℃；β為1/273。

根據(jù)已知的鋅精礦成分計算出焙燒需要的空氣量V的值，將t層設為一個定值后，則焙燒爐的ω操作決定了焙燒爐床能率的大小，即決定了焙燒爐的年處理能力。因鋅精礦粒度大小及分布區(qū)別不大，工業(yè)生產(chǎn)中一般采用ω操作為0.4～0.7 m/s(工況條件下)。

2 富氧焙燒工藝

2.1 富氧焙燒機理

在硫化物的氧化焙燒及燒結過程中，氣流中氧的濃度直接影響反應溫度及反應速度。眾所周知，硫化物的氧化速度與反應放熱速度成正比：

V=q/Q

式中：V為氧化速度；Q為氧化反應的熱效應，即每摩爾分子硫化物氧化的反應熱；q為硫化物氧化時，在單位時間內(nèi)放出的熱量即放熱速度。

當過程在動力學區(qū)域中進行時，

式中：kO2為系數(shù)；n為反應級數(shù)；Co2為氣流中氧化劑(氧)的濃度。

當過程在擴散區(qū)域中進行時，

q=QCO2aT1/X

式中:a為比例系數(shù)。

由上述公式可見，提高氣相中的氧濃度(CO2)，其放熱速度(q)相應提高，從而過程的反應速度(V)隨即增加，這便是富氧能強化氧化反應過程的基本原理。

金屬硫化物的氧化過程，先在硫化物顆粒表面吸附氧，氧進而向顆粒內(nèi)部擴散。由此可見，采用空氣氧化時，氣相中惰性氣體氮的存在，無疑將有礙于這種吸附和擴散，這也是富氧能強化氧化過程的原因之一。

2.2 富氧焙燒實踐

硫化鋅精礦的富氧焙燒國外做過許多試驗。1937年，加拿大特雷爾廠，把直徑7.5 m的多膛焙燒爐改成流態(tài)化焙燒爐，首先在工業(yè)上實現(xiàn)了鋅精礦富氧焙燒。1969年，澳大利亞電鋅公司里斯頓進行了鋅精礦流態(tài)化焙燒研究，鼓風含氧濃度增加到24.5%，精礦處理量由原來的363 t/d提高到450 t/d。1961年，烏斯季卡明諾戈爾斯克鉛鋅廠進行了鋅精礦富氧流態(tài)化焙燒工業(yè)試驗。試驗結果證明，使用含氧27%～29.5%的富氧空氣，床能率增加到8.4～8.8 t/m2·d,煙氣中SO2濃度提高到13%～15%，焙砂中酸溶鋅增加了1.5%～2.2%。通過試驗還得出，鋅精礦的富氧焙燒含氧濃度不宜超過29%～30%。因為含氧濃度繼續(xù)增加，焙燒爐床能率的增加受到限制，氧的利用率下降。另外，氧濃超過30%時，沸騰層的過剩熱難以排出，沸騰層溫度沒法控制。

芬蘭KOKKOLA鋅廠，在1999年到2000年之間進行了70 m2流態(tài)化焙燒爐的富氧焙燒試驗。由于受限于爐子的冷卻盤管冷卻能力，富氧濃度最高取到23.5%。通過富氧焙燒，焙燒爐鋅精礦處理能力最大提高約15%，并且焙砂含硫有所降低。在試驗結束后，KOKKOLA鋅廠針對試驗結果進行了一些列的改進，包括在原有焙燒系統(tǒng)上增加供氧系統(tǒng)。

國內(nèi)長沙礦業(yè)研究院對鋅精礦富氧流態(tài)化焙燒進行過二次實驗室擴大試驗。二次試驗分別與1976年12月和1978年7月在0.18 m2的沸騰爐中進行，富氧空氣含氧為26.4%和24.7%，沸騰層溫度910～923 ℃，其床能率比使用空氣焙燒提高0.43 t/m2·d和0.16 t/m2·d。株冶集團于2005年8月24日9點至8月26日9點在6#沸騰焙燒爐進行富氧焙燒試驗。試驗過程中平均富氧濃度約22.7%，比空氣含氧提高1.7%。采用富氧后鋅精礦處理量約240 t/d，比普通空氣焙燒處理225 t/d提高了約15 t/d。焙砂和煙塵中的可溶鋅、可溶硫略有增加，焙砂和煙塵中的總硫有所降低。

通過以上試驗可知，鋅精礦的富氧焙燒是可行的，富氧焙燒含氧濃度一般控制在30%以內(nèi)。富氧焙燒提高了焙燒爐的床能率，并且焙砂及煙塵質量得到提高。

2.3 空氣焙燒及富氧焙燒工藝對比

本文以109 m2焙燒爐為研究對象，對硫化鋅精礦焙燒的工藝計算進行分析，將空氣焙燒和富氧空氣焙燒進行對比。影響焙燒工藝計算的主要因素有：鋅精礦成分、當?shù)卮髿鈮骸⒈簾郎囟?、操作氣流速度ω操作、鼓風含氧量。其中鋅精礦各主要成分參考國內(nèi)各廠原料成分，取值見表1：

表1 鋅精礦主要成分 %

當?shù)卮髿鈮喝?00 000 Pa，焙燒溫度取900 ℃，操作氣流速度ω操作取0.62 m/s，空氣含氧量取20.5%，富氧空氣含氧量取28%，年工作330 d，24 h/d?？諝獗簾透谎蹩諝獗簾に囉嬎憬Y果見表2：

表2 兩種焙燒工藝的計算結果

由表2可以看出，因兩個焙燒工藝的ω操作相同，因此鼓風量相同，在采取28%的富氧空氣后，產(chǎn)生的煙氣量也基本一致。109 m2焙燒爐在采用富氧焙燒后，年處理鋅精礦量提高了84 000 t，床能力提高了2.34 t/m2·d，爐子的處理能力提高37%。煙氣中SO2濃度由9.73%提高到了13.27%。同時由于精礦投入量加大，反應產(chǎn)生的過剩熱增加144%。109 m2焙燒爐正常設計6組冷卻盤管，冷卻面積共計43.6 m2。而對于富氧焙燒，如果要控制好沸騰層溫度，冷卻盤管面積則需要增大至105 m2，那么冷卻盤管的數(shù)量和單組面積都將增大，對爐體設計帶來難度。因此，如何將富氧焙燒產(chǎn)生的大量過剩熱從爐內(nèi)帶走，將是富氧焙燒工業(yè)化應用面臨的一個難點問題。

2.4 富氧焙燒工藝效益分析

根據(jù)以上工藝計算結果，對富氧焙燒工藝效益進行簡單分析。假設按照全廠95%的鋅回收率計算，109 m2焙燒爐在采用28%的富氧空氣焙燒后，年增產(chǎn)鋅錠：(150 720-110 400)×95%=38 304 t。假設每噸鋅利潤700元，年增加利潤：383 043×700=2 681萬元。富氧焙燒年消耗氧氣量：5 620×330×24=4.45×107m3, 氧氣價格按照0.6元/m3計算，全年消耗的氧氣費用為：4.45×107×0.6=2 670萬元。全年經(jīng)濟效益：2 681-2 670=11萬元。

由以上分析得出，采用富氧焙燒帶來的效益不明顯。但是相對于空氣焙燒，由于富氧焙燒產(chǎn)生的煙氣量基本不變，后續(xù)的鍋爐、收塵、制酸等煙氣處理系統(tǒng)設備的投資變化較小，而整個焙燒系統(tǒng)處理鋅精礦能力將增加37%，硫酸產(chǎn)量也將隨之提高。因此，平攤到每噸鋅的投資額將會降低，每噸鋅的生產(chǎn)成本也將會隨之下降。如果鋅錠、硫酸行情上漲，那么富氧焙燒將會提高鋅冶煉廠的經(jīng)濟效益。

3 總結

從技術方面分析，鋅精礦富氧焙燒在理論上是可行的。富氧焙燒提高了流態(tài)化焙燒爐的床能率，大大提高了單系列焙燒系統(tǒng)處理鋅精礦的能力。并且根據(jù)相關試驗數(shù)據(jù)，富氧焙燒能提高焙砂和煙塵中的酸溶鋅含量，有利于后續(xù)濕法系統(tǒng)的處理。但是，富氧焙燒產(chǎn)生的過剩熱大大高于空氣焙燒，如果要維持正常的焙燒溫度，冷卻裝置的設計將是一個有待解決的難點。另外冷卻溢流焙砂的流態(tài)化冷卻器、圓筒冷卻機的處理能力也要相應提高。

從投資方面分析，對于同等規(guī)格的焙燒爐，富氧焙燒和空氣焙燒在設備以及土建投資方面區(qū)別不大，但折合到噸鋅投資，富氧焙燒噸鋅投資則小于空氣焙燒。從生產(chǎn)成本上分析，富氧焙燒在除了氧氣外的其他成本上也將低于空氣焙燒，而由富氧焙燒產(chǎn)生的氧氣成本可通過增產(chǎn)帶來的利潤抵消，這無疑將給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。

富氧焙燒工藝提高了焙燒爐的床能率和產(chǎn)品質量，提升了煙氣中SO2的濃度，更有利于整個系統(tǒng)硫的回收，無疑將會使鋅精礦流態(tài)化焙燒技術提升到一個新的水平。多年來富氧焙燒技術在鋅精礦焙燒上的應用始終停留在試驗階段，還有一些難點需要解決，距離大規(guī)模的工業(yè)化還有一個過程。目前雖然尚無成熟的工業(yè)化應用，但已經(jīng)有很多企業(yè)和科技工作者做過相關研究和實踐，并取得了一定成功。在目前整個鋅冶煉行業(yè)不太景氣的形勢下，只有通過技術提升，才能降低企業(yè)的投資和生產(chǎn)成本，提升企業(yè)的競爭能力。鋅精礦富氧焙燒技術將是未來鋅冶煉的發(fā)展方向，同時也是各個企業(yè)進行老廠改造或者擴大產(chǎn)能時最好的選擇之一。

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Studyonoxygen-enrichedfluidizedroastingprocessofzincconcentrate

XU Liang, CHEN Xiang-qiang

The oxygen-enriched fluidized roasting process of zinc concentrate was introduced, and the reaction mechanism and production practice of oxygen-enriched roasting were analyzed in detail. Based on the comparison of air roasting and oxygen-enriched roasting, the feasibility and limitations of oxygen-enriched roasting were analyzed, and the application of oxygen-enriched roasting process in roasting of zinc concentrate was discussed and prospected.

oxygen-enriched; fluidized roasting furnace; zinc concentrate; working air velocity

許良(1982—)，湖南長沙人，碩士，從事有色冶金設計工作。

TF813

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