田忠元,高曉婷

(1.甘肅金川鎳鈷新材料技術(shù)創(chuàng)新中心有限公司 甘肅鎳鈷新材料創(chuàng)新中心,甘肅 金昌 737100；2.金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院 鎳鈷資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 金昌 737100)

鎳電解多為硫酸體系電解,在硫酸體系電解過(guò)程中,除雜質(zhì)鐵多采用黃鈉鐵礬法。黃鈉鐵礬法除鐵存在堿量消耗量大、產(chǎn)出的鐵渣含鎳高等問(wèn)題,且進(jìn)入鐵渣中的鎳、鐵資源回收困難,致使硫酸體系鎳電解精煉過(guò)程中金屬直收率較低[1-3]。

為了降低鎳精煉過(guò)程中除鐵的堿耗,降低鎳精煉過(guò)程的冶煉成本,可采用硝酸體系處理含鎳物料,含鎳物料中的鐵在硝酸體系中以硝酸鐵的形式存在于溶液中,該溶液中的鐵均為三價(jià)鐵,可利用硝酸鐵低溫易分解的特點(diǎn)除去,生成一種含鐵約36%、含硫10%、含氮1%～4%的鐵渣,該鐵渣因含硫較高,鐵資源無(wú)法直接回用,因此,本文針對(duì)硝酸體系產(chǎn)出的鐵渣提出了一種氨浸脫硫的新工藝,該工藝脫硫過(guò)程中試劑消耗量小,產(chǎn)出的鐵渣含鐵較高,可作為鐵精礦銷(xiāo)售[4]。

本文對(duì)該工藝的流程、試驗(yàn)原理進(jìn)行了闡述,重點(diǎn)對(duì)影響鐵渣脫硫效率的因素進(jìn)行了試驗(yàn)分析,并進(jìn)行了擴(kuò)大試驗(yàn),以期為相關(guān)企業(yè)提供參考。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 鐵渣性質(zhì)

采用掃面電鏡對(duì)鐵渣的礦物類(lèi)別和礦物相對(duì)含量進(jìn)行了分析,主要物質(zhì)能譜分析結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2,主要物質(zhì)定量分析結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 硫酸鐵的元素能譜分析結(jié)果 %

掃描電鏡和能譜分析結(jié)果顯示,鐵渣主要以水合硫酸鐵和水合鐵氧化物的形式存在,同時(shí),還含有少量的硅酸鹽礦物。

表2 鐵氧化物的元素能譜分析結(jié)果 %

圖1 硫酸鐵的X-ray 能譜分析譜圖

圖2 鐵氧化物的X-ray 能譜分析譜圖

1.2 原輔材料及工藝流程

鐵渣化學(xué)成分見(jiàn)表3,試驗(yàn)用設(shè)備和輔料明細(xì)見(jiàn)表4。根據(jù)鐵渣礦物組成分析結(jié)果可以看出,鐵渣中的硫主要以硫酸鹽的形式存在,因此鐵渣脫硫工藝的設(shè)計(jì)原則上以將鐵和硫酸根分離,將鐵以鐵的沉淀物的形式析出,達(dá)到分離鐵與硫的目的,根據(jù)這一原則,鐵渣脫硫工藝的流程設(shè)計(jì)如圖3。

表3 鐵渣化學(xué)成分 %

表4 試驗(yàn)設(shè)備和輔料明細(xì)表

圖3 除鐵渣氨浸脫硫工藝原則流程圖

1.3 試驗(yàn)原理及方法

1.3.1 試驗(yàn)原理鐵渣氨浸過(guò)程中發(fā)生的主要反應(yīng)見(jiàn)式(1)。

反應(yīng)所需氨水理論用量按式(2)計(jì)算。

式中:ωNH3·H2O為理論所需的純氨水量；n為式(1)中NH3·H2O 前面的系數(shù)；m為式(1)中Fe(OH)SO4前面的系數(shù)；MWNH3·H2O為NH3·H2O的分子量；MWFe為Fe的分子量；ωFe為每次試驗(yàn)中加入的總鐵量。

1.3.2 試驗(yàn)思路

試驗(yàn)包括三類(lèi)。第一類(lèi)是實(shí)驗(yàn)室單因素試驗(yàn),每次試驗(yàn)稱(chēng)取鐵渣100 g(干基),分別考察氨水用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、液固比、攪拌速度對(duì)鐵渣脫硫率的影響。第二類(lèi)是驗(yàn)證試驗(yàn),驗(yàn)證在第一類(lèi)單因素試驗(yàn)較優(yōu)條件下的鐵渣脫硫率。第三類(lèi)是擴(kuò)大實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證在工業(yè)條件下的試驗(yàn)結(jié)果。

1.3.3 試驗(yàn)方法

氨浸試驗(yàn)在玻璃燒杯中進(jìn)行,用電動(dòng)攪拌器進(jìn)行攪拌。每次試驗(yàn)稱(chēng)取一定量的鐵渣,按確定的液固比加入浸出劑,加溫后進(jìn)行浸出。浸出完成后,立即進(jìn)行過(guò)濾,浸出渣洗滌、烘干后,制樣送檢測(cè)分析；浸出液計(jì)量容積后,混勻取樣,送檢測(cè)分析。

2 單因素試驗(yàn)及分析

2.1 氨水用量的影響

每次試驗(yàn)稱(chēng)取鐵渣100 g(干基),控制浸出反應(yīng)時(shí)間2.0 h、溫度85℃、液固比6∶1、攪拌速度180 r/min,考察氨水用量(理論量)1.0倍、2.0倍、3.0倍、4.0倍、5.0倍對(duì)鐵渣脫硫效果的影響,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 氨水用量(理論倍數(shù))對(duì)脫硫效果的影響

圖4表明,隨著氨水量的增加,硫酸根的脫除率逐漸上升,當(dāng)升至3.0倍以上時(shí),脫硫率均大于90%,因此,氨水的加入量以3.0倍為宜。實(shí)際上由于氨水有一定的揮發(fā)性,致使氨水用量遠(yuǎn)大于理論數(shù)據(jù)。

2.2 反應(yīng)時(shí)間的影響

每次試驗(yàn)稱(chēng)取鐵渣100 g(干基),控制氨水用量3.0倍(理論倍數(shù))、溫度85℃、液固比6∶1、攪拌速度180 r/min,考察反應(yīng)時(shí)間0.5 h、1.0 h、2.0 h、3.0 h 對(duì)鐵渣脫硫效果的影響,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)脫硫效果的影響/%

圖5表明,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間＞1 h 后,脫硫效果變化不明顯,因此,反應(yīng)時(shí)間選擇1.0 h為宜,此時(shí)鐵渣脫硫率＞90%。

2.3 反應(yīng)溫度的影響

每次試驗(yàn)稱(chēng)取鐵渣100 g(干基),控制氨水用量3.0倍、反應(yīng)時(shí)間1.0 h、液固比6 ∶1、攪拌速度180 r/min,考察反應(yīng)溫度25℃(常溫)、65℃、85℃對(duì)鐵渣脫硫效果的影響,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 反應(yīng)溫度對(duì)脫硫效果的影響/%

圖6表明,隨著反應(yīng)溫度的升高脫硫效果明顯升高,當(dāng)反應(yīng)溫度為85℃時(shí),鐵渣脫硫效果＞95%。考慮實(shí)際生產(chǎn)中,溫度太高時(shí),能耗較高,因此,綜合考慮,選擇反應(yīng)溫度為85℃。

2.4 液固比的影響

每次試驗(yàn)稱(chēng)取鐵渣100 g(干基),控制氨水用量3.0倍、反應(yīng)時(shí)間1.0 h、溫度85℃、攪拌速度180 r/min,考察液固比4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1對(duì)鐵渣脫硫效果的影響,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7表明,在氨水用量一定的條件下,液固比＜6∶1時(shí),脫硫效果均在90%以下,液固比較低時(shí),氨水濃度較大,氨水揮發(fā)嚴(yán)重,造成脫硫效果不理想；液固比＞6∶1時(shí),氨水濃度逐漸降低,反應(yīng)效率變慢,也造成脫硫效果不理想,因此綜合考慮,選擇液固比為6∶1。

圖7 液固比對(duì)脫硫效果的影響/%

2.5 攪拌速度的影響

每次試驗(yàn)稱(chēng)取鐵渣300 g(干基),控制氨水用量3.0倍、反應(yīng)時(shí)間1.0 h、溫度85℃、液固比6∶1,考察攪拌速度60 r/min、120 r/min、180 r/min、240 r/min、300 r/min 對(duì)鐵渣脫硫效果的影響,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8表明,在攪拌速度較小或較大時(shí),脫硫效果均未達(dá)到最大值,分析認(rèn)為攪拌速度較小時(shí),反應(yīng)效率變慢,造成脫硫效果不理想,攪拌速度較大時(shí),氨水揮發(fā)速度逐漸變快,也造成脫硫效果不理想,因此綜合考慮,選擇攪拌速度180 r/min。

圖8 攪拌速度對(duì)脫硫效果的影響

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

驗(yàn)證試驗(yàn)每次稱(chēng)取鐵渣100 g(干基),在氨水用量3.0倍、反應(yīng)時(shí)間1.0 h、反應(yīng)溫度85℃、液固比6∶1、攪拌速度200 r/min的條件下,考察單因素較優(yōu)條件鐵渣脫硫效果,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 驗(yàn)證試驗(yàn)脫硫效果

圖9表明,驗(yàn)證試驗(yàn)脫硫效率均大于95%,與條件試驗(yàn)結(jié)果一致。驗(yàn)證試驗(yàn)產(chǎn)出的鐵精礦成分見(jiàn)表5,GB/T25953—2010 和GB/T32545—2016的鐵精礦成分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表6。

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)鐵精礦成分 %

表6 國(guó)標(biāo)鐵精礦成分標(biāo)準(zhǔn) %

對(duì)比表5和表6發(fā)現(xiàn),鐵渣氨浸脫硫后產(chǎn)出的鐵精礦達(dá)到了《有色金屬選礦回收鐵精礦》(GB/T25953—2010)中三級(jí)鐵精礦的成分要求,也達(dá)到了《鐵礦石產(chǎn)品等級(jí)的劃分》(GB/T32545—2016)中五級(jí)赤鐵精礦的成分要求。

4 擴(kuò)大試驗(yàn)

在驗(yàn)證試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,開(kāi)展了鐵渣氨浸脫硫-蒸氨全流程擴(kuò)大試驗(yàn),氨浸擴(kuò)大試驗(yàn)在30 L 密閉玻璃釜中進(jìn)行,蒸氨試驗(yàn)在5 L 玻璃燒杯中進(jìn)行,共處理鐵渣10 kg,氨浸擴(kuò)大試驗(yàn)條件與驗(yàn)證試驗(yàn)條件一致,即氨水加入量3.0倍(理論量倍數(shù)),反應(yīng)時(shí)間1 h,反應(yīng)溫度85℃,液固比6∶1、攪拌速度200 r/min。蒸氨試驗(yàn)條件為氧化鈣加入量1.0倍,蒸氨溫度80℃,蒸氨時(shí)間0.5 h。氨浸脫硫-蒸氨全流程擴(kuò)大試驗(yàn)物料平衡見(jiàn)表7。

表7 全流程擴(kuò)大試驗(yàn)物料平衡表

從全流程擴(kuò)大試驗(yàn)結(jié)果可以看出,氨浸脫硫-蒸氨工藝除了產(chǎn)出符合國(guó)標(biāo)要求的鐵精礦外,還會(huì)產(chǎn)出硫酸鈣渣和氨水,硫酸鈣可作為制作水泥的原料銷(xiāo)往水泥廠[5-6],氨水經(jīng)回收后可繼續(xù)作為浸出劑返回利用,減少浸出劑的用量。

5 結(jié)論

1)采用氨浸脫硫工藝處理硝酸體系鎳電解鐵渣,在氨水用量3.0倍、反應(yīng)時(shí)間1 h、反應(yīng)溫度85℃、液固比6∶1、攪拌速度180～200 r/min的條件下,可產(chǎn)出含鐵＞58%,含硫＜0.3%的鐵精礦。

2)氨浸脫硫工藝處理硝酸體系鎳電解鐵渣,浸出劑可實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用或用于生產(chǎn)硫酸銨,生成的硫酸鈣渣可銷(xiāo)往水泥廠,生成的硝酸鈣溶液用于回收硝酸,是一項(xiàng)清潔脫硫的新工藝。

該工藝為實(shí)驗(yàn)室新工藝,設(shè)備還不夠完善,若在浸出過(guò)程中采用密封性較高的設(shè)備可降低浸出劑的用量,改善浸出效果。