皮忠斌,張振國,王卡卡,柴 偉,許 良

(1.云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤冶煉分公司,云南 會澤 654211;2.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

關于鋅精礦的富氧焙燒,國外做過許多試驗和實踐。 1937年,加拿大特雷爾廠首先在工業(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,使用富氧空氣,床能率增加到8.4～8.8 t/m2·d。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,通過富氧焙燒,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)[1]。

國內長沙礦冶研究院對鋅精礦富氧流態(tài)化焙燒進行過兩次實驗室擴大試驗。 兩次試驗分別于1976年12月和1978年7月在0.18 m2的流態(tài)化焙燒爐中進行,富氧空氣含氧分別為26.4% 和24.7%,沸騰層溫度為910 ～923 ℃,其床能率分別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日至8月26日在6#流態(tài)化焙燒爐進行富氧焙燒試驗,試驗過程中平均富氧濃度為22.7%,比空氣含氧高1.7%。 采用富氧焙燒后,鋅精礦處理量為240 t/d,比普通空氣焙燒處理量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[2]。

通過以上試驗及實踐得出,鋅精礦的富氧焙燒是可行的。 但是,由于國內很多鋅冶煉廠缺乏氧氣制備系統(tǒng),且受限于焙燒爐沸騰層的冷卻能力,富氧焙燒在大規(guī)模工業(yè)生產上沒有得到應用。

云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤冶煉分公司(以下簡稱“馳宏會冶”)選擇火濕法聯(lián)合工藝,冶煉流程為“109 m2流態(tài)化焙燒爐焙燒→兩段浸出→三段凈化→電解→鑄錠”。 其中,109 m2鋅精礦沸騰焙燒爐由中國恩菲工程技術有限公司(以下簡稱“中國恩菲”)設計,于2013年11月建成投產,自試車投運至今運行穩(wěn)定,各項運行指標良好。 2019年,因外部鋅市場價格持續(xù)利好,馳宏會冶增加了鋅電解產能,為緩解濕法冶煉系統(tǒng)與焙燒礦含鋅供給不足的矛盾,馳宏會冶聯(lián)合中國恩菲,在原設計的基礎上,對109 m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐的裝置和工藝進行了優(yōu)化改進,于2019年4月在該焙燒爐實施富氧焙燒工藝。 本文對該109 m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐改進后的焙燒工藝、設備及生產實踐情況進行闡述,為鋅精礦富氧焙燒工藝在更大型焙燒爐工業(yè)化應用提供參考。

1 鋅精礦流態(tài)化焙燒簡介

1.1 富氧流態(tài)化焙燒工藝原理及流程

鋅精礦富氧焙燒是基于富氧燃燒技術和硫化鋅精礦氧化焙燒技術建立的一種改進工藝,其利用氧氣濃度高于21%的富氧空氣促使鋅精礦在焙燒爐中進行流態(tài)化焙燒[3]。 流態(tài)化焙燒是指具有一定氣流速度的空氣自下而上通過爐內礦層,使鋅精礦固體顆粒相互分離而呈懸浮狀態(tài),達到固體顆粒(鋅精礦)與氣體氧化劑(空氣)充分接觸,促進化學反應的進行。 焙燒爐內主要化學反應見式(1) ～(5)[4]。

硫化鋅精礦主要以閃鋅礦(ZnS)的形態(tài)存在,其反應過程主要是金屬硫化物(如ZnS、FeS)和氧氣之間的反應。 為滿足濕法煉鋅工藝對焙燒礦質量的要求,在焙燒時,盡可能將鋅精礦中的硫化物氧化成氧化物并生成少量硫酸鹽,盡量減少鐵酸鋅、硅酸鋅的生成;同時得到較高濃度的二氧化硫煙氣以便于生產硫酸。

鋅精礦焙燒系統(tǒng)由備料工序和焙燒工序兩部分組成。 備料工藝包括鋅精礦貯存、配料、篩分、破碎(松散)等作業(yè),目的是為109 m2鋅精礦沸騰焙燒爐提供合格精礦。 焙燒工藝包括富氧焙燒、煙氣余熱回收、焙砂冷卻、焙砂球磨等工藝過程,目的是產出符合濕法煉鋅要求的焙燒礦。

鋅精礦經檢驗合格入倉后,采用橋式抓斗起重機人工進行三級配料,再經定量給料機、皮帶輸送機、振動篩分等設備,將鋅精礦送至焙燒爐前倉。 精礦由倉下調速膠帶給料機輸送至電子皮帶稱,再經電子皮帶秤計量后,由分配圓盤分別加到兩臺拋料機上,拋料機將混合精礦拋入焙燒爐內。 產出的焙砂經兩臺流態(tài)化冷卻器、高效圓筒冷卻機降溫后,經埋刮板運輸機送到球磨機室進行球磨,磨后焙砂由倉式泵分別送到焙燒礦浸出工序和焙砂貯倉儲存?zhèn)溆谩?焙燒爐產出的煙氣經余熱鍋爐回收余熱,再經兩段旋渦收塵器、電收塵器收塵后送制酸系統(tǒng)。 工藝流程如圖1所示。

圖1 鋅精礦富氧焙燒工藝流程簡圖

1.2 主要工藝設備

1)焙燒爐。 該109 m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐簡要結構見圖2[5],如圖2所示,該爐型有一個錐型的擴大段,采用無前室鋅精礦加料系統(tǒng),設有焙砂排出口及直通式風帽。 與傳統(tǒng)道爾式流態(tài)化焙燒爐相比,該流態(tài)化焙燒爐具有兩大優(yōu)點[6]:一是爐床面積大,爐內熱容量大且均勻,溫差小,物料與空氣接觸表面積大,反應速度快,傳質傳熱效率高;二是上部增加了擴大段,使得煙氣流速和煙塵率降低,延長了煙氣在爐內的停留時間,煙氣中的煙塵得到充分焙燒,煙塵中的含硫量降低,提高了煙塵的質量。

圖2 109 m2鋅精礦沸騰焙燒爐簡圖

2)富氧供給系統(tǒng)。 在原鼓風系統(tǒng)管道上增加富氧分布裝置,配套有高濃度氧氣調節(jié)閥組及流量、壓力監(jiān)測儀表等設施。 流量、壓力的控制及檢測采用集中4 ～20 mA 信號,引進Delta V 控制系統(tǒng),采用DCS 系統(tǒng)進行準確調整及監(jiān)控。

3)流態(tài)化冷卻器。 富氧流態(tài)化焙燒系統(tǒng)選用Q=8.1 ～9.4 t/h 流態(tài)化冷卻器2 臺,正常生產時,兩臺流態(tài)化冷卻器同時工作。 其參數(shù)為:焙砂入口溫度為950 ±30 ℃;焙砂出口溫度500 ～550 ℃;軟化冷卻水用量24 t/h,回水最高溫度小于55 ℃;空氣量125 Nm3/h,壓力為90 ～100 kPa。

4)高溫引風機。 富氧流態(tài)化焙燒系統(tǒng)選用高溫風機2 臺,型號:離心式風機AII4500-0.7836/0.7206。 其參數(shù)為:處理風量260 000 m3/h;風機全壓6 300 Pa,入口壓力-6 000 Pa,出口300 Pa;電動機功率800 kW;風機轉速970 r/min;耐熱溫度≥350 ℃。風機采用變頻器控制轉速,可根據生產實際需要調整風機頻率以保障系統(tǒng)負壓。

5)鼓風機。 富氧流態(tài)化焙燒系統(tǒng)選用離心式鼓風機2 臺,型號為單級葉輪AII1600-1.04/0.77。 其參數(shù)為:處理風量1 600 m3/min;風機升壓26.5 kPa;電動機功率1 120 kW;風機轉速2 980 r/min。 風機入口配套有自潔式空氣過濾器,可對空氣中的灰塵及雜物進行有效過濾。

2 鋅精礦富氧流態(tài)化焙燒生產實踐

2.1 富氧流態(tài)化焙燒生產控制要素

鋅精礦富氧焙燒日常生產管控的重點主要是入爐鋅精礦配料,均衡控制各成分;穩(wěn)定控制流態(tài)化焙燒爐鼓風量、爐溫、流態(tài)化床層壓力、系統(tǒng)負壓等關鍵點;強化對進料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、收塵系統(tǒng)、煙氣制酸系統(tǒng)及關鍵重點設備運行穩(wěn)定性的管理,減少因設備異常導致爐況的波動,保障流態(tài)化焙燒爐長期穩(wěn)定連續(xù)運行,以達到提質降耗的目的。

1)配料。 該企業(yè)鋅精礦大部分來自于企業(yè)內部礦山自給原料,少部分鋅精礦外購。 為獲得穩(wěn)定的入爐精礦成分,日常采取堆式配料法及三級配料法,合理搭配物料,重點控制鋅精礦水分、SiO2、Fe、Pb、S 等對爐況影響較大的因素,控制入爐精礦的粒度及雜物分撿,入爐鋅精礦成分控制標準見表1;鋅精礦富氧焙燒與傳統(tǒng)空氣焙燒在原料成分控制上無差異。

表1 鋅精礦富氧焙燒入爐精礦控制標準(干基) %

2)鼓風量。 實際生產控制中,為獲得較穩(wěn)定沸騰層,須采取穩(wěn)定入爐鼓風量的措施,以控制穩(wěn)定的操作氣速及床層壓力。 正常生產時,受氣溫、氣壓影響,需動態(tài)微調鼓風機入口調節(jié)閥和放空閥,以維持穩(wěn)定的入爐鼓風量;因設備設施異常需減風操作時,宜根據床壓力、溢流口出砂量等綜合情況逐步平緩加減鼓風量。 裝置原設計焙燒鼓風量為55 106.97 m3/h,實際生產中鼓風量可達63 000 m3/h。根據系統(tǒng)鼓風機、煙氣制酸二氧化硫風機、整系統(tǒng)設備的負荷及焙燒礦的質量等實際情況,經生產實踐摸索,富氧焙燒系統(tǒng)較適宜的鼓風量為58 000 ～60 000 m3/h,較傳統(tǒng)焙燒鼓風量下降了1 000 ～5 000 m3/h,鼓風量的減少降低了煙氣系統(tǒng)的負荷,提高了煙氣中SO2濃度。 富氧焙燒工藝一方面要控制穩(wěn)定的沸騰層;另一方面要保障投入鋅精礦強化焙燒足夠的氧氣。 根據工況,富氧濃度控制在22% ～30%可獲得良好的焙燒效果。

3)焙燒溫度。 焙燒溫度受鼓風量(氧氣)、投料量、入爐精礦成分及系統(tǒng)負壓綜合影響。 通過試驗摸索,控制流態(tài)化焙燒爐投料量與鼓風量(氧氣)比例,富氧焙燒按照傳統(tǒng)空氣焙燒將沸騰層溫度穩(wěn)定在950 ±30 ℃,爐頂溫度900 ±30 ℃不變化。 正常操作時,采取穩(wěn)定鼓風量(氧氣)量、床壓力、系統(tǒng)負壓,通過調整投料量將溫度穩(wěn)定在操作區(qū)間;低負荷生產時,需同步動態(tài)調整自然鼓風和高濃度氧氣的調配比例,以達到爐內熱量平衡及焙燒溫度穩(wěn)定的目的。

4)床壓力。 流態(tài)化焙燒爐床壓力是沸騰層高度和爐床阻力情況的反映,受鼓風量、沸騰層厚度及風帽堵塞等情況綜合影響。 實際生產中,富氧焙燒床壓力控制在16 ～22 kPa,與傳統(tǒng)空氣焙燒床壓力控制標準無差異。 隨著流態(tài)化焙燒爐長期連續(xù)運行,床壓力會因大顆粒焙砂沉積致床壓力增加,日常嚴格控制精礦粒度措施,尤其要防止硬塊、石塊、金屬雜物等進入爐內;短期可采取降低鼓風量持續(xù)低負荷運行一定時間可進行改善,若需排除全部沉積,則需每連續(xù)運行1 ～2年流態(tài)化焙燒爐進行周期扒爐,并人工對風帽進行清理。 若因風料控制不當或是鼓風量波動等原因,致使沸騰層穩(wěn)定性破壞,床壓力降低,可采取在溢流口增設一定高度的擋板增加沸騰層高度進行調整。

2.2 富氧焙燒與傳統(tǒng)焙燒指標對比

改進后的109 m2鋅精礦焙燒爐增加了富氧鼓風裝置,強化鋅精礦焙燒過程,通過約1年的連續(xù)生產實踐,富氧焙燒工藝相較于傳統(tǒng)空氣焙燒具有以下優(yōu)點:一是在相同煙氣量的情況下,充分釋放了焙燒爐產能,床能率有較大提升;二是提高煙氣中SO2濃度,增加了煙氣制酸系統(tǒng)的硫酸產量;三是降低了焙燒礦含硫,使得焙燒礦質量有較大改善;四是提高焙燒系統(tǒng)設備利用率,降低了焙燒礦電單耗(按含鋅量計算)。

1)床能率。 焙燒爐床能率是衡量爐子生產能力的一個重要參數(shù),標志著爐子處理精礦能力的大小。 流態(tài)化焙燒爐床能率受入爐鋅精礦含硫量、焙燒爐操作溫度、鼓風線速度及鼓風量影響[7]。 富氧焙燒工藝與傳統(tǒng)焙燒工藝床能率對比情況見表2。

表2 鋅精礦富氧焙燒與傳統(tǒng)焙燒床能率對比表

從表2可以看出,富氧焙燒全年累計8.03 t/m2·d,比傳統(tǒng)空氣焙燒7.21 t/m2·d 增加了11.37%,比設計值5.8 t/m2·d 增加了38.45%。

2)焙燒礦質量。 硫化鋅精礦焙燒目的是將鋅精礦中的硫化鋅轉為氧化鋅,并脫除鋅精礦中的汞、氟、氯等伴生金屬。 焙燒礦質量可通過焙砂、焙塵含硫物相中硫化鋅含量進行判斷。 富氧焙燒工藝與傳統(tǒng)焙燒工藝產出的焙砂、焙塵含硫情況見表3。

表3 富氧焙燒與傳統(tǒng)焙燒產物殘硫對比

從表3數(shù)據可知,鋅精礦富氧焙燒焙砂、焙塵含硫分別是1.59%、3.50%,比傳統(tǒng)空氣焙燒焙砂、焙塵含硫1.62%、4.23%分別降低了0.03%、0.73%。從焙燒礦硫物相分析情況看,富氧焙燒焙燒礦中硫化鋅物相硫占焙燒礦總硫的20%,明顯優(yōu)于傳統(tǒng)空氣焙燒的30%。 提升了焙燒礦的質量,為提升濕法直收率創(chuàng)造了有利條件。

3)能耗。 焙燒礦主要能耗包括焙燒礦輸送壓縮空氣、運轉電、氧氣,鋅精礦富氧焙燒與傳統(tǒng)焙燒焙燒礦(按金屬鋅核算)壓縮空氣單耗、運轉電單耗、氧氣對比見表4。

表4 富氧焙燒工藝與傳統(tǒng)焙燒工藝能耗對比

由表4數(shù)據可知,富氧焙燒工藝生產噸鋅空壓風單耗194.0 Nm3,比傳統(tǒng)焙燒下降了46 Nm3;電單耗135.80 kW·h,比傳統(tǒng)焙燒下降11.76 kWh/t·Zn;高濃度氧氣的單耗為81 Nm3/t·Zn。

3 效益情況分析

鋅精礦富氧焙燒工藝投運后,按照每年330 d生產周期、床能率8.03 t/m2·d 測算,富氧焙燒工藝年處理鋅精礦288 839.1 t(干基),比傳統(tǒng)焙燒工藝可多處理鋅精礦29 495.4 t/a(干基);按85%燒成率計算,可多產焙燒礦25 071.09 t;按焙燒礦含鋅60%計算,年產焙燒礦含鋅147 307.94 t,可多為濕法冶煉浸出提供15 042.65 t 鋅金屬。 另外,除增加焙燒礦產能外,還增加硫酸的產量,若按照鋅精礦含硫32%,每年可多產硫酸2.7 萬t。 富氧焙燒產生的經濟效益測算如下所述。

1)增加產能提升的利潤。 每噸鋅外賣價格按照400 元/t 計算,每年多產焙燒礦含鋅金屬15 042.65 t,每年利潤為:15 042.65×400=601.706 萬元。

2)節(jié)約運轉電成本。 按照內部市場電費價格0.38 元/kW·h 計算,每年節(jié)約運轉電成本為:147 307.94 ×11.76 ×0.38 =65.83 萬元。

3)節(jié)約壓縮空氣成本。 按照內部市場壓縮空氣價格0.13 元/Nm3計算,每年節(jié)約成本為:147 307.94 ×46 ×0.13 =88.09 萬元。

4)增加硫酸產量提升的利潤。 按照每噸硫酸內部市場價格265 元計算,每年硫酸增加效益為:265 ×2.7 =715.5 萬元。

5)增加氧氣成本。 按照每立方米氧氣內部市場價格0.41 元計算,每年增加氧氣費用為:147 307.94 ×81 ×0.41 =489.21 萬元。

6)投資成本。 富氧焙燒裝置改造總投資為61.17 萬元。

綜上1) ～6)項,每年富氧焙燒產生的經濟效益為920.746 萬元。

富氧焙燒工藝除具有良好的經濟效益之外,還具有以下優(yōu)點:提高焙燒系統(tǒng)、硫酸系統(tǒng)裝置的利用率;降低鼓風量保障系統(tǒng)負壓,有效防止煙塵無組織排放,改善現(xiàn)場環(huán)境。 另外,富氧焙燒的成功投運,推動了鋅焙燒工藝技術的發(fā)展,帶動了產業(yè)技術進步和技術創(chuàng)新。

4 結語

109 m2鋅精礦沸騰焙燒爐富氧焙燒生產投運以來,焙燒爐的床能率和產品質量得到有效提升,并提升了煙氣中SO2的濃度,更有利于整個系統(tǒng)硫的回收,由此獲得良好的經濟效益。 生產實踐證明,鋅精礦富氧焙燒生產工藝還可以改善環(huán)境,提升鋅精礦焙燒工藝技術,有良好的推廣應用前景。 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能的較優(yōu)選擇之一。