張鴻烈

(白銀有色集團(tuán)股份有限公司, 甘肅 白銀 730900)

提高鋅焙砂質(zhì)量的生產(chǎn)實(shí)踐

張鴻烈

(白銀有色集團(tuán)股份有限公司, 甘肅 白銀 730900)

闡述了鋅焙砂中殘硫及亞鐵在濕法系統(tǒng)中的行為，通過對(duì)焙燒爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化工藝參數(shù)，焙砂質(zhì)量得到提高，其效果顯著。

硫化鋅精礦；焙砂；殘硫；亞鐵；硫化鋅；鐵酸鋅；直流電單耗

0 前言

濕法煉鋅工藝一般包括焙燒、浸出、凈化、電解及熔鑄等工序。硫化鋅精礦作為濕法煉鋅的主要原料，近幾年來日益緊缺，成分也越來越復(fù)雜，精礦中硅、鉛、銅、鈷及鐵等雜質(zhì)含量上升明顯，濕法冶煉廠普遍面臨焙砂殘硫及亞鐵升高、浸出兩渣含鋅居高不下、鋅回收率降低、直流電單耗及生產(chǎn)成本較高等一系列問題。

西北鉛鋅冶煉廠(下稱西北冶)歷經(jīng)5年，借鑒國(guó)內(nèi)外同行的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，通過自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，開發(fā)了一種節(jié)能高效焙燒爐新工藝技術(shù)，并于2010年11月實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。從2011～2013年一季度的運(yùn)行狀況看，該項(xiàng)技術(shù)在提高焙燒爐產(chǎn)能及原料適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，提高了焙砂質(zhì)量，保證了濕法系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，優(yōu)化了工藝操作條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。該項(xiàng)技術(shù)解決了高海拔地區(qū)鋅冶煉流態(tài)化焙燒爐產(chǎn)能與指標(biāo)矛盾問題以及低鋅高雜質(zhì)復(fù)雜原料處理兩大行業(yè)性難題，項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)推動(dòng)、提升我國(guó)濕法煉鋅工藝原料的適應(yīng)性，提高效率，節(jié)能環(huán)保，資源高效利用，清潔生產(chǎn)等有著積極的示范推廣作用。

1 硫化鋅精礦焙燒原理

硫化鋅精礦流態(tài)化焙燒過程，實(shí)質(zhì)上是在高溫下借助空氣中的氧完成硫化物的氧化脫硫過程。硫化鋅精礦中的鋅主要以閃鋅礦(ZnS)的形態(tài)存在，在流態(tài)化焙燒中主要發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：

(1)

該反應(yīng)的進(jìn)行取決于溫度和氣相組成。同時(shí)，在Zn—S—O系中，鐵也是參與反應(yīng)的主要元素，硫化鋅精礦中的鐵主要以FeS2形態(tài)存在，F(xiàn)eS2離解反應(yīng)產(chǎn)生的FeS和S2會(huì)被氧化為FeO和SO2，F(xiàn)eO又會(huì)進(jìn)一步氧化為Fe3O4和Fe2O3，F(xiàn)e2O3與ZnO接觸后發(fā)生反應(yīng)生成鐵酸鋅：

mZnO+nFe2O3→mZnO·nFe2O3

(2)

因此，焙燒產(chǎn)物的組成主要取決于溫度和爐氣成分，通過對(duì)其進(jìn)行控制可以控制焙燒產(chǎn)物的組成，獲得所需要的產(chǎn)物。

通過相關(guān)分析，根據(jù)傳熱力學(xué)原理，對(duì)焙燒爐結(jié)構(gòu)及配套設(shè)施進(jìn)行了升級(jí)優(yōu)化。

2 焙燒爐結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

2.1 焙燒爐的結(jié)構(gòu)

新爐是在原109 m2流態(tài)化焙燒爐的基礎(chǔ)上對(duì)爐體進(jìn)行局部改造，擴(kuò)大段高度在原高度的基礎(chǔ)上加高2 m，見圖1。

圖1 109 m2流態(tài)化焙燒爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

原焙燒爐H=H1+H2+H3=15.4 m，新焙燒爐H=H1+H2+H3=17.35 m，爐型優(yōu)化后擴(kuò)大段H3由7.4 m增加到9.4 m ，增高了2 m，對(duì)應(yīng)的爐膛容積由2 833 m3增大到3 250 m3，按照白銀當(dāng)?shù)卮髿鈮?4.31 kPa、鼓風(fēng)量48 000 m3/h、風(fēng)壓16 kPa、擴(kuò)大段煙氣溫度920 ℃計(jì)算，煙氣在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間延長(zhǎng)了7 s。

2.2 焙燒爐的傳熱傳質(zhì)反應(yīng)

在流態(tài)化焙燒過程中，顆粒與流體間的傳熱傳質(zhì)非常相似，傳熱和傳質(zhì)的阻力、效率主要由圍繞顆粒的邊界條件決定。熱氣體進(jìn)入床層后，除了焙燒爐壁面?zhèn)鳠?、鋅精礦反應(yīng)放熱、新加入的冷固體顆粒置換熱固體顆粒外，氣體穿過焙燒爐為活塞流，固體顆粒在床層中為理想混合，傳熱傳質(zhì)基本符合如下規(guī)律：

-CpgGodTg=aa(Tg-Ts)dH

(3)

式中：Cpg為氣體比熱，kcal/(kg·℃)；Go為氣體的重量流速， kg/(m2·h)；Tg為氣體溫度，℃；aa為單位床層體積中的顆粒表面積，m/m3；Ts為固體顆粒溫度，℃；H為床層高度，m；

從式(3)中可以看出，氣體、固體顆粒的溫度與床層高度H成正比關(guān)系，床層高度H增加后，固體顆粒停留時(shí)間增加，鋅精礦在焙燒爐中與空氣之間的傳熱傳質(zhì)更加充分，鋅焙砂殘硫率及鐵酸鋅產(chǎn)出率降低。

2.3 焙燒爐的煙塵率

流態(tài)化焙燒過程中，焙燒礦在爐內(nèi)停留的時(shí)間越長(zhǎng)，煙氣夾帶走的煙塵就越少，對(duì)后續(xù)余熱鍋爐的操作、收塵設(shè)備的運(yùn)行越有利。設(shè)置分離空間高度的目的是使固體顆粒從氣體中更有效分離出來。分離空間達(dá)到某一高度后，超過此高度煙塵率為一個(gè)常數(shù)，該高度即為輸送分離高度，分離空間高度再增加，煙塵率也不會(huì)減少。分離空間高度低于且接近輸送分離高度時(shí)，夾帶較小。

在輸送分離高度內(nèi)，隨著分離空間高度的增加，粒度分布密度不斷下降。原焙燒爐分離空間高度為14 m，出口處煙塵夾帶密度測(cè)定值約為236.08 g/m3，新型焙燒爐分離空間高度為16 m，增高了2 m，目前測(cè)得出口處煙塵夾帶密度約為205.29 g/m3，煙塵率明顯降低。

2.4 焙燒爐改進(jìn)前后的運(yùn)行參數(shù)

焙燒爐改進(jìn)前后的運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 焙燒爐改進(jìn)前后運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

2.5 改進(jìn)后的焙燒爐運(yùn)行狀況

焙燒爐自投料運(yùn)行以來，爐內(nèi)熱平衡穩(wěn)定，爐殼散熱量小，安全性能可靠，運(yùn)行參數(shù)優(yōu)于設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)備運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化調(diào)節(jié)控制；爐底風(fēng)帽布風(fēng)均勻，物料沸騰良好；爐子漏風(fēng)率、熱損失降低。生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，進(jìn)入鍋爐的煙塵量明顯減少，產(chǎn)出的鋅焙砂質(zhì)量良好、穩(wěn)定；新焙燒爐采用處理復(fù)雜鋅精礦，同樣達(dá)到了預(yù)期的效果。

另外，新型焙燒爐爐頂采用整體澆注，加大了余熱鍋爐熱交換面積；余熱鍋爐采用爆破清灰與彈簧振打相結(jié)合的聯(lián)合循環(huán)程序控制的清灰方式；高溫排煙機(jī)設(shè)計(jì)在電收塵之后并加大電收塵能力等。上述措施實(shí)施后，焙燒系統(tǒng)產(chǎn)能及焙砂質(zhì)量得到提高,主要參數(shù)見表2。

表2 改進(jìn)前后焙燒系統(tǒng)主要參數(shù)對(duì)比

3 焙砂質(zhì)量對(duì)鋅濕法系統(tǒng)的影響

3.1 焙砂中殘硫?qū)︺U銀渣含鋅的影響

濕法煉鋅浸出鉛銀渣中的鋅大部分是不溶鋅，主要以硫化鋅和鐵酸鋅形態(tài)存在，其中硫化鋅主要來源于焙砂未反應(yīng)的硫化鋅，焙砂中殘硫(硫化鋅)越高，在浸出條件不變的情況下，進(jìn)入鉛銀渣中的硫化鋅越多，鉛銀渣含鋅越高。因此，要降低鉛銀渣中的不溶鋅，就要提高浸出酸度及溫度，促使以下反應(yīng)完成：

(4)

但是在實(shí)際生產(chǎn)中，單純的提高酸度及溫度受到設(shè)備性能及其它條件的限制(耐腐蝕材料的選型、蒸汽壓力及環(huán)境等)，因此，降低鉛銀渣硫化鋅含量最直接最有效的手段就是降低焙砂殘硫。

西北冶對(duì)焙燒爐改造后，在提高原料適應(yīng)性的同時(shí)，有效降低了焙砂殘硫，提高了焙砂質(zhì)量。生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，項(xiàng)目實(shí)施后鉛銀渣硫化鋅含量顯著降低，見表3。

表3 焙燒爐改進(jìn)前后鋅焙砂殘硫及鉛銀渣含鋅對(duì)比 %

從表3可見，隨著焙砂中殘硫量的降低，鉛銀渣硫化鋅的含量呈下降趨勢(shì)，平均下降了0.59個(gè)百分點(diǎn)。

3.2 焙砂中鐵酸鋅對(duì)鐵礬渣含鋅的影響

鐵酸鋅是在鋅精礦焙燒過程中形成的，在焙燒反應(yīng)中，鋅和鐵隨焙燒溫度和SO3壓力變化存在一定規(guī)律性。

生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，鋅精礦焙燒過程中產(chǎn)生的鐵酸鋅量與焙燒狀況關(guān)系密切，特別是焙燒爐沸騰層溫度變化較大時(shí)，鐵酸鋅生成的幾率相對(duì)增加，在鐵酸鋅浸出率不變的情況下，進(jìn)入鐵礬渣的鐵酸鋅量將增加，最終導(dǎo)致鐵礬渣含鋅升高。如果焙燒爐沸騰層溫度均勻，鐵酸鋅生成的幾率就相對(duì)減少，進(jìn)入鐵礬渣中鐵酸鋅的量較少，鐵礬渣含鋅降低。

焙燒爐結(jié)構(gòu)改造后，在優(yōu)化鋅焙砂殘硫指標(biāo)的基礎(chǔ)上，也使得焙砂含鐵酸鋅量有所減少，對(duì)降低鐵礬渣含鋅有利，見表4。

表4 焙燒爐改進(jìn)前后鋅焙砂鐵酸鋅含量及鐵礬渣含鋅對(duì)比 %

從表4數(shù)據(jù)可知，焙砂質(zhì)量提高后，鐵礬渣中以鐵酸鋅形式損失的鋅減少，鐵礬渣中鐵酸鋅形態(tài)的鋅降低了1.74個(gè)百分點(diǎn)。

3.3 焙砂中殘硫及亞鐵對(duì)錳礦粉消耗的影響

浸出液中的二價(jià)鐵除焙砂殘硫在高溫高酸反應(yīng)過程(反應(yīng)4)中產(chǎn)生外，還有部分由焙砂中亞鐵帶入。浸出液中二價(jià)鐵的除去，工業(yè)生產(chǎn)上常采用錳礦粉將硫酸亞鐵氧化成硫酸鐵，硫酸鐵再以黃鉀鐵礬或以水解的形態(tài)除去，其主要氧化反應(yīng)為：

(5)

黃鉀鐵礬除鐵反應(yīng)為：

(6)

水解除鐵反應(yīng)為：

(7)

除鐵反應(yīng)中，錳礦粉加入量由浸出液二價(jià)鐵含量確定，如果焙砂中殘硫及亞鐵含量較高，進(jìn)入浸出液的二價(jià)鐵就多，錳礦粉消耗量就大，見表5。

表5 焙燒爐改進(jìn)前后鋅焙砂殘硫、亞鐵含量及錳礦粉單耗對(duì)比

分析表5數(shù)據(jù)可知，焙砂質(zhì)量提高前后，焙砂亞鐵含量有較大幅度降低，達(dá)50%，錳礦粉單耗下降了65.91%，年創(chuàng)效益480萬元。

3.4 焙砂質(zhì)量對(duì)電解直流電單耗的影響

浸出工序錳礦粉除鐵過程中，錳礦粉(MnO2)中的四價(jià)錳轉(zhuǎn)變?yōu)槎r(jià)錳以離子形態(tài)進(jìn)入系統(tǒng)溶液，二價(jià)錳離子在電解工序又以MnO2的形態(tài)析出，錳在系統(tǒng)形成一種平衡。

鋅電積過程中，存在于電解液中的二價(jià)錳離子，在陽極發(fā)生如下反應(yīng)：

(8)

(9)

二價(jià)錳離子反應(yīng)生成二氧化錳是主要反應(yīng)，所消耗的電流約占通過陽極總電流的1%～2%。如果浸出過程中錳礦粉加入量不斷增大，系統(tǒng)錳失去平衡，并不斷積累，將造成系統(tǒng)錳逐漸升高，鋅電積過程電能消耗也隨之增大，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)陰極鋅返溶。

近年來，原料成分日趨復(fù)雜，西北冶焙砂殘硫居高不下，浸出工序錳粉單耗最高達(dá)53 kg/t陰極鋅，濕法系統(tǒng)溶液錳含量從3～6 g/L上升到20～25 g/L, 電流效率持續(xù)下降，直流電單耗日漸升高，最高達(dá)3 500 kWh/ tZn，尤其是從2007年9月開始，電解大面積透酸、粘板等現(xiàn)象頻發(fā)，直接影響到產(chǎn)能、電耗及金屬回收率，見表6。

表6 焙燒爐改進(jìn)前后系統(tǒng)錳離子含量與直流電單耗對(duì)比

從表6可見，由于焙砂殘硫和亞鐵含量降低，系統(tǒng)錳離子含量由22.3 g/L下降至3.45 g/L，陰極鋅直流電單耗從3 400 kWh/t陰極鋅下降至2 980 kWh/t陰極鋅，下降了420 kWh/t陰極鋅，年創(chuàng)效益1 800多萬元。

3.5 焙砂質(zhì)量對(duì)濕法系統(tǒng)其它指標(biāo)的影響

酸鋅比是鋅電解控制的主要指標(biāo)，酸鋅比的高低將直接影響直流電單耗、陰極鋅質(zhì)量、整個(gè)鋅冶煉濕法系統(tǒng)液體的體積循環(huán)量、添加劑消耗及生產(chǎn)成本。實(shí)踐證明，廢電解液酸度每提高10 g/L，槽電壓將降低0.013 V，相當(dāng)于每噸鋅節(jié)能13 kWh。而提高電解液酸濃度，就意味著提高電解液酸鋅比。但過高的酸鋅比將使電解過程氫的超電壓降低，并使雜質(zhì)在陰極析出，影響產(chǎn)品質(zhì)量和降低電流效率。所以電解液應(yīng)選擇合適的的鋅酸含量，通?？刂齐娊庖核徜\比為3.0～3.5。

實(shí)際生產(chǎn)中，為保證電解工序析出陰極鋅的質(zhì)量，在焙砂質(zhì)量較差、錳礦粉消耗量增加及系統(tǒng)錳離子含量較高的情況下，通過降低酸鋅比來維持生產(chǎn)。西北冶曾經(jīng)從正常的3.0～3.5下調(diào)至2.2～2.5來應(yīng)對(duì)鋅貧化的現(xiàn)象，其結(jié)果造成直流電單耗升高。

另外，在較低酸鋅比的操作條件下，濕法煉鋅系統(tǒng)液體循環(huán)量增大，新液需求量增加30%，同時(shí)系統(tǒng)各工序作業(yè)時(shí)間相對(duì)縮短，碳酸氫銨、鋅粉等添加劑的消耗量及生產(chǎn)成本不同程度上升，見表7。

表7 焙燒爐改進(jìn)前后濕法系統(tǒng)主要指標(biāo)對(duì)比

分析表7中數(shù)據(jù)可知，焙砂質(zhì)量提高后，濕法系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)得到較大改善，酸鋅比提高38%，體積循環(huán)量減少32%，浸出兩渣含鋅降低2.8個(gè)百分點(diǎn)，鋅粉單耗減少5 kg/t陰極鋅，碳銨消耗量減少7 kg/t陰極鋅。系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的改善為工廠創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，其中浸出兩渣含鋅降低年創(chuàng)效益1 900多萬元，鋅粉單耗及碳銨單耗降低年創(chuàng)效益750多萬元。

4 效益綜合分析

西北冶通過對(duì)焙燒爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，有效地提高了原料的適應(yīng)性和焙砂質(zhì)量，鋅濕法系統(tǒng)各種添加劑用量普遍減少，特別是錳礦粉用量的減少，減少了由添加劑帶入的雜質(zhì)量，緩解了系統(tǒng)結(jié)晶及雜質(zhì)積累現(xiàn)象；鋅電解陰極析出質(zhì)量也得到提高，陰極鋅在熔化過程中浮渣產(chǎn)出率降低，提高了熔鑄工序鋅直收率；作業(yè)環(huán)境改善，降低了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)給企業(yè)帶來接近5 000萬元的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語

提高焙砂質(zhì)量，對(duì)優(yōu)化濕法生產(chǎn)工藝及各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)意義重大，但是提高焙砂質(zhì)量并不是控制焙砂殘硫及亞鐵越低越好，因?yàn)橐３直荷拜^低的殘硫及亞鐵，必須提高焙燒溫度。但是，氧化焙燒過程應(yīng)在最大允許的溫度下進(jìn)行，溫度過高會(huì)發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)造成流化床結(jié)死而被迫停爐。但如果焙砂殘硫及亞鐵含量極度偏低，會(huì)造成濕法系統(tǒng)錳離子貧化，出現(xiàn)鋅電解陽極板損耗增加，電鋅含鉛升高等問題。因此，科學(xué)合理控制焙砂殘硫及二價(jià)鐵含量對(duì)鋅濕法系統(tǒng)最優(yōu)生產(chǎn)至關(guān)重要。

[1]彭容秋.鋅冶金學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[2]尊孝，葉永華，張慶洽.化學(xué)工程手冊(cè)- 流態(tài)化[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1987.

Practiceofimprovingzinccalcinequality

ZHANG Hong-lie

The behaviors of residual sulphur and ferrous in calcine in zinc hydrometallurgy system were presented. The calcine quality was improved by improving roaster structure and optimizing process parameters, and the effects was obvious.

zinc sulfide concentrate; calcine; residual sulphur; ferrous; zinc sulfic; zinc ferrite; unit dc consumption

張鴻烈(1965—)，男，甘肅定西人，冶煉高級(jí)工程師，畢業(yè)于東北工學(xué)院有色金屬冶金專業(yè)，現(xiàn)任白銀有色集團(tuán)股份有限公司西北鉛鋅冶煉廠廠長(zhǎng)。

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