湯裕源

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司， 云南 昆明 650051)

0 引言

鋅的冶煉方法有火法和濕法兩種，其中濕法煉鋅占總鋅產(chǎn)量的85%以上。近年來(lái)，我國(guó)新增大型鋅冶煉廠全部采用濕法工藝，既有傳統(tǒng)沸騰焙燒- 常規(guī)浸出工藝、又有沸騰焙燒- 熱酸浸出工藝[1-2]，還有氧壓浸出、常壓富氧浸出等工藝[3-4]。不管哪種濕法冶煉工藝，浸出渣作為中間產(chǎn)物之一不可避免，且現(xiàn)行濕法煉鋅工藝產(chǎn)出的浸出渣均為危廢渣，必須進(jìn)行無(wú)害化處理。

目前鋅浸出渣的火法處理工藝主要有回轉(zhuǎn)窯揮發(fā)法、奧斯麥特熔化煙化法、煙化爐煙化法及側(cè)吹熔化煙化法、鉛鋅系統(tǒng)消化法等[5]。回轉(zhuǎn)窯揮發(fā)法曾是我國(guó)濕法煉鋅渣處理使用的典型流程[6-7]，但是耗煤高(約為浸出渣量的50%)，且勞動(dòng)條件差，綜合回收效果不理想；奧斯麥特法在韓國(guó)溫山冶煉廠獲得應(yīng)用，但因技術(shù)引進(jìn)費(fèi)用高、噴槍損耗大等，在經(jīng)濟(jì)上不合理；煙化爐連吹法和側(cè)吹爐熔化煙化爐揮發(fā)法，先后在云南馳宏鋅鍺股份有限公司會(huì)澤、曲靖投入運(yùn)行，項(xiàng)目投產(chǎn)后運(yùn)行總體情況良好，但能耗依然偏高。

綜合考察國(guó)內(nèi)外鋅浸出渣的處理工藝，結(jié)合云南馳宏鋅鍺股份有限公司煙化爐連吹法和側(cè)吹爐熔化- 煙化爐揮發(fā)法生產(chǎn)實(shí)踐，筆者在擔(dān)任某鋅浸出渣無(wú)害化處理項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師時(shí)，推薦了側(cè)吹爐加鋅精礦化礦- 煙化爐揮發(fā)法工藝，并全面、系統(tǒng)地完成了物料平衡、熱平衡等冶金計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，新工藝節(jié)能效果明顯。

1 工藝流程

鋅浸出渣加精礦處理新工藝原則流程見(jiàn)圖1。

2 主要反應(yīng)機(jī)理

鋅浸出渣加鋅精礦采用富氧測(cè)吹化礦- 煙化爐揮發(fā)處理新工藝屬火法冶金范疇，渣型的選擇至關(guān)重要。只有合理選擇爐渣成分，使之具有適合要求的物理化學(xué)性質(zhì)，才能實(shí)現(xiàn)冶煉過(guò)程順暢并回收有價(jià)金屬的目的。

根據(jù)鋅浸出渣、鋅精礦的成分，冶煉體系熔渣為CaO- FeO- SiO2三元渣系 ，在1 400 ℃時(shí)全部處于單一的液相區(qū)[8]。加入鋅精礦后，熔體中ZnO含量增加，生成的鐵酸鋅、硅酸鋅熔點(diǎn)較高，因此應(yīng)控制鋅精礦的配入量，以保證熔體的黏度滿足生產(chǎn)需要。

鋅浸出渣主要成分為鐵、硅、鈣、鉛、鋅等的氧化物、氫氧化物和硫酸鹽及少量硫化物，在常規(guī)側(cè)吹爐熔化- 煙化爐揮發(fā)法生產(chǎn)過(guò)程中的側(cè)吹爐化礦階段，由于渣中各成分熔化吸熱和硫酸鹽的分解、熔化吸熱，需加入大量的煤來(lái)提供熱源。

圖1 工藝流程圖

本文所述鋅浸出渣加精礦處理工藝，是利用鋅精礦中的硫化鋅、黃鐵礦等硫化物的反應(yīng)熱部分代替煤的燃燒熱，從而達(dá)到節(jié)能的目的。主要化學(xué)反應(yīng)見(jiàn)式(1)、式(2)。

(1)

(2)

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，每噸鋅精礦反應(yīng)放出熱量(Q1+Q2)約為4 727 960 kJ，折合標(biāo)煤煤約160 kg。

氧化鋅的還原吸熱與再氧化放熱正好抵消。由于再氧化在爐子上部空間完成，因此該工藝煙氣溫度應(yīng)高于常規(guī)富氧測(cè)吹- 煙化爐煙化工藝。

3 熱平衡計(jì)算

浸出渣成分見(jiàn)表1。

按照常規(guī)的思路，該浸出渣先進(jìn)側(cè)吹爐化礦，溶化后熔融渣進(jìn)煙化爐煙化揮發(fā)，以100 kg浸出渣為計(jì)算基礎(chǔ)，側(cè)吹爐化礦工序熱平衡計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 浸出渣成分表 %

表2 不加鋅精礦浸出渣化礦熱平衡

表2中煤的熱值按24 500 kJ/kg計(jì)算(下同)，配煤率為浸出渣量的55%，與現(xiàn)行回轉(zhuǎn)窯或側(cè)吹爐等化礦設(shè)備能耗相近，可見(jiàn)在不考慮余熱回收的情況下，采用回轉(zhuǎn)窯處理鋅浸出渣，從能耗方面看是相對(duì)合理的。

側(cè)吹爐完成化礦任務(wù)后，熔融渣進(jìn)煙化爐揮發(fā)，煙化揮發(fā)工序熱平衡計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

按處理浸出渣量為基數(shù)，煙化爐工序配煤率為45%，可見(jiàn)，對(duì)比回轉(zhuǎn)窯工藝，在不考慮余熱回收的情況下，側(cè)吹爐+煙化爐工藝處理浸出渣，其煤耗將遠(yuǎn)高于回轉(zhuǎn)窯工藝。

為降低能耗，筆者創(chuàng)造性地提出了在浸出渣中加入適量鋅精礦，以利用鋅精礦中閃鋅礦、硫鐵礦等的反應(yīng)熱取代煤或焦炭的反應(yīng)熱，達(dá)到降低能耗的目的。同時(shí)，為確保熔渣的黏度合理，設(shè)計(jì)化礦工序每噸浸出渣擬配入硫鋅精礦600 kg。硫化鋅精礦成分見(jiàn)表4，并采用富氧熔煉技術(shù)?；V工序和煙化爐揮發(fā)工序熱平衡計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表5和表6。

表3 不加鋅精礦煙化揮發(fā)熱平衡

表4 鋅精礦成分表 %

表5 加鋅精礦浸出渣化礦工序熱平衡

表6 加鋅精礦煙化揮發(fā)工序熱平衡

表5中，入爐物料中加入了浸出渣量60%的硫化鋅精礦，硫化鋅精礦反應(yīng)熱占到了總熱收入的35.18%。相比表2，煤耗從55%降到21%，節(jié)能效果非常明顯。

由于化礦階段加入了60%的硫化鋅精礦，進(jìn)煙化爐的熔融渣增加，煙化工序煤耗有所增加，為浸出渣量的50%。

從整個(gè)工藝過(guò)程來(lái)看，沒(méi)有加鋅精礦時(shí)，側(cè)吹+煙化工藝表觀耗煤率為100%(以浸出渣量計(jì))，高于回轉(zhuǎn)窯工藝，考慮回收余熱后，處理1 t浸出渣總能耗可以控制在85 kg標(biāo)煤以?xún)?nèi)。加入鋅精礦后，側(cè)吹+煙化工藝表觀耗煤率為76%(以浸出渣量計(jì))，較不加鋅精礦降低24%，考慮回收余熱后，處理每噸浸出渣的能耗可以控制在20 kg標(biāo)煤以?xún)?nèi)，節(jié)能效果明顯。

4 生產(chǎn)工藝參數(shù)控制

為減少煙氣量，降低煤耗，富氧側(cè)吹化礦爐、煙化爐均宜采用富氧鼓風(fēng)。根據(jù)工藝的不同，富氧濃度應(yīng)與工藝要求相一致。根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)，在處理浸出渣時(shí)，側(cè)吹爐富氧濃度可取80%，煙化爐富氧濃度可取24%。

加鋅精礦后，爐內(nèi)反應(yīng)溫度的控制與側(cè)吹爐熔化- 煙化爐揮發(fā)工藝基本一致或稍高。

5 可創(chuàng)造條件提高伴生金屬回收率

無(wú)論是回轉(zhuǎn)窯法、奧斯麥特法、煙化爐連吹法還是側(cè)吹爐熔化- 煙化爐揮發(fā)法，鉛鋅的回收率一般都可以達(dá)到96%以上，而伴生的銦、銀、鍺等有價(jià)金屬的回收率往往比較低。

為提高銦、銀、鍺等有價(jià)金屬的回收率，只有創(chuàng)造條件，使銦、銀、鍺等有價(jià)金屬在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，形成蒸汽壓較大的物態(tài)。

就銦和鍺來(lái)說(shuō)，銦的熔點(diǎn)是156.76 ℃，沸點(diǎn)是2 073 ℃；鍺的熔點(diǎn)是938.25 ℃，沸點(diǎn)是2 830 ℃。在側(cè)吹爐和煙化爐工作條件下，均難以金屬態(tài)揮發(fā)而予以回收。對(duì)銦而言，由于硫化銦的揮發(fā)性較大，所以要?jiǎng)?chuàng)造條件讓銦轉(zhuǎn)化為硫化銦予以回收。對(duì)鍺而言，由于氧化鍺有較高的揮發(fā)性，就要?jiǎng)?chuàng)造條件讓鍺轉(zhuǎn)化為為氧化鍺予以回收；而對(duì)銀來(lái)說(shuō)，由于硫酸銀沸點(diǎn)較低(1 085 ℃)，在側(cè)吹、煙化條件下，硫酸銀可以有效揮發(fā)進(jìn)入煙塵，因此應(yīng)創(chuàng)造條件讓銀轉(zhuǎn)化為硫酸銀予以回收。

6 結(jié)語(yǔ)

在鋅浸出渣中加入一定量的鋅精礦，采用側(cè)吹爐化礦- 煙化爐揮發(fā)工藝處理浸出渣是合理的，其節(jié)能效果是明顯的(現(xiàn)已申報(bào)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

提高浸出渣中伴生有價(jià)金屬回收率，是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的有效手段，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可以根據(jù)原料成分，創(chuàng)造一定條件，提高伴生有價(jià)金屬回收率。

鋅浸出渣的處理是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，希望能與有關(guān)企業(yè)、學(xué)校、科研院所開(kāi)展多層次的研究和合作，為技術(shù)的推廣應(yīng)用提供更多的理論支持。