高硅、高铅锌精矿的流态化冷态实验研究

丁 喻，陈文勇，米岚岳，杨玲妮，吴 杰，赵伟祖

（1.长沙矿冶研究院有限责公司，湖南长沙 410012；2.中南大学化学化工学院，湖南长沙 410083）

高硅、高铅锌精矿的流态化冷态实验研究

丁 喻1，陈文勇1，米岚岳2，杨玲妮2，吴 杰1，赵伟祖2

（1.长沙矿冶研究院有限责公司，湖南长沙 410012；2.中南大学化学化工学院，湖南长沙 410083）

针对国内一种高硅、高铅锌精矿进行了流态化冷态实验研究，获取了颗粒临界流化速度、颗粒终端速度及床层膨胀比等数据，并与国内一些有代表性的锌冶炼厂采用的标准锌精矿数据进行了对比，分析了其中的差异，提出了工业上沸腾焙烧这种非标锌精矿时应引起注意的地方。

锌精矿；流态化；冷态实验

采用流态化焙烧炉对锌精矿进行焙烧，是锌精矿湿法冶炼工艺的头道加工工序，焙砂的质量对锌的浸取率和浸取液中杂质的控制具有举足轻重的影响。目前工业上对达标锌精矿进行焙烧的工艺操作已比较成熟，但由于近年来锌矿资源的快速消耗，高品质的锌精矿越来越少，出产的高杂锌精矿占比越来越大，特别是高硅、高铅锌精矿给流态化焙烧炉的操作带来了较大的困难。因此对高硅、高铅锌精矿的流态化焙烧开展实验研究，有助于锌冶炼企业了解此类锌精矿的性质和流态化特性，对流态化焙烧炉适应不同原料生产、调整相关操作工艺参数具有一定的指导作用。

颗粒的临界流化速度是进行流态化装置设计的重要基础参数，是颗粒流态化操作的最小气速。鼓泡流态化床的操作气速通常介于临界流化速度和颗粒终端速度之间，因此测定颗粒的临界流态化速度是固体颗粒流态化性能研究的一项重要实验内容。本实验即是针对国内一种高硅、高铅锌精矿进行的临界流化速度（umf）、颗粒终端速度（ut）和床层膨胀比的冷态实验研究。

1 实验部分

1.1 实验原料

实验原料为国内某铅锌矿经浮选生产的一种高硅、高铅锌精矿，矿物的化学组成见表1。由表1可见，精矿的Zn元素含量较低，仅达到YS／T 320－2007（锌精矿）行业标准的三级品要求，SiO2和Pb含量则远高出标准5.5%和2%的值。实验用锌精矿为一种灰褐色的颗粒，测得该锌精矿的堆密度为1 670 kg／m3。根据国内一些典型的锌精矿组成及颗粒密度值（见表2），推测该锌精矿的真密度为4 000～4 100 kg／m3。

表1 高硅、高铅锌精矿的化学组成 %

表2 国内一些典型锌冶炼企业所用锌精矿的Zn含量、真密度、堆密度及粒度指标［1］

实验用锌精矿的粒度组成（干筛）见表3。

表3 锌精矿的粒度组成

锌精矿的平均粒度计算数据见表4。式中：dp为颗粒平均粒度／mm。

表4 锌精矿颗粒平均粒度计算数据

根据Geldart［2］分类规则，实验用锌精矿的密度＞4 000 kg／m3，平均粒径＜500μm，介于B、D类颗粒之间。进一步根据Baeyens等［3］提出的关于D类颗粒的判别式计算：（ρp－ρg）d1.24p＝0.027＜0.23。

式中：ρp、ρg分别为气体和颗粒的密度（本实验空气密度取值1.290 kg／m3，颗粒密度取值4 050 kg／m3，以下同），判别实验用锌精矿应为B类而不是D类颗粒。

1.2 实验方法及实验装置

1.2.1 实验方法

对固体颗粒进行临界流化速度的实验测量，一般根据流化实验数据作出的床层压降－表观气速曲线，采用降速法作图，水平线代表颗粒开始流化后压降不变，斜线代表未达到流化状态时压降随气速线性增加，两线延长线的交点对应的气速即为颗粒的临界流化气速。

对于B类颗粒，有Leva［4］关联公式：当Remf＜10：

当Remf＞10：

式中：Remf为临界雷诺数／m·s－1；umf为临界流化速度／m·s－1；μ为气体粘度／Pa·s。

同理颗粒终端速度ut在不同的雷诺数范围内可采用以下公式计算［5］：

式中：ut为终端流化速度／m·s－1；Ret为终端雷诺数。

对于锌精矿沸腾炉焙烧，生产中也总结出如下计算公式［1］：

式中：Ar为阿基米德数。当Ret＞0.3时，公式（7）的计算结果需乘以校正系数f带出。

将以上计算公式计算的结果与实验值进行比较，可观察各种计算结果与实验值的差异，有助于了解哪些计算方法更接近于实际。

1.2.2 实验装置

流态化冷态实验装置主要由氮气瓶、气体干燥器、转子流量计、流化床、U型压力计组成，如图1所示。流化床为有机玻璃筒制成，外径Φ70，内径Φ60，分上下两段。其中上段长度为700 mm，下段为195 mm。上下两段用法兰连接，法兰间夹有气体分布板。气体从筒体下段进入，通过气体分布板后从床上段侧端引出。原料颗粒从上段顶部加入。气体分布板为多孔板，开孔率为22.5%，孔径1.5 mm，在气体分布板上铺有1 000目的不锈钢筛网，以防粉粒漏至筒底。

图1 高硅、高铅锌精矿流态化冷态实验装置

2 实验结果

2.1 临界流态化速度umf的实验测量和颗粒终端速度ut的计算

将锌精矿颗粒预先加入流化床内，静态床高为200 mm。随后调节气体流量由小至大通过床层，记录不同流量下的床层压降值。当至流量计最大刻度时，逐渐减小气体流量直至流量为零，同样记录下床层的压降值。表5为气体流量上升和下降过程的床层压降－表观气速实验数据。图2为根据表5所作 的床层压降－表观气速曲线。

表5 实验表观气速－床层压降值

图2 床层压降－表观气速曲线

由图2可见，实验锌精矿流化的床层压降－表观气速曲线与经典流化曲线接近，且上升曲线和下降曲线重合性较好。沿起始点和折点作斜线，与水平线相交点对应的气速即为颗粒的临界流化气速umf，其值为0.02 m／s。

表6为根据公式（1）、（4）、（6）、（7）试算法计算的临界流化气速umf和颗粒终端速度ut，其中ρp取值4 050 kg／m3，ρg＝1.16 kg／m3（21.1℃），μ＝1.754× 10－5Pa·s（25℃）。锌精矿颗粒按近似球形处理。实验为常温（20℃左右）、1大气压下进行。由表6计算的结果看，临界流化速度umf很接近且与实验值相差不大，说明前面对颗粒性质的分析和采用的计算公式是正确的。颗粒终端速度ut计算结果相对分散些，但相差也不是很大，可采用公式（7）计算的结果。表7为国内一些锌加工厂沸腾焙烧时所使用的锌精矿性质及临界流化速度和颗粒带出速度。

表6 计算的锌精矿临界流化气速umf和颗粒终端速度ut

表7 国内部分锌加工厂所使用的锌精矿性质及临界流化速度和颗粒带出速度

对比表6和表7中的数据，可以发现高硅、高铅锌精矿的的临界流化速度与颗粒终端速度与生产中焙烧的锌精矿相比要小得多，特别是颗粒终端速度，约为标准锌精矿的1／3～1／2，这主要是因为高硅、高铅锌精矿的平均粒度要小得多的缘故，而粒度小的原因是因为原矿组成复杂，磨矿时为保证金属矿与脉石充分的解离而须磨至一定粒度以下。因此采用沸腾炉焙烧高硅、高铅锌精矿时，气体线性操作速度必须要做较大调整，否则有可能大量颗粒会被气体带出而无法正常生产。

2.2 床层膨胀比的测量

床层膨胀比是指颗粒流化高度值与静态床高的比值，床层膨胀比越高说明颗粒流化越好。床层膨胀比也是衡量颗粒流化性能的一个重要指标。表8为不同气速下观察到的锌精矿流化的高度值及计算的床层膨胀比。静态床高为200 mm。

表8 不同气速下观察到的锌精矿流化的高度值及计算的床层膨胀比

由表8可见，在临界流化速度附近的床层膨胀比较小，且随气速增加缓慢，当气速增加至临界流化速度约10倍时，床层膨胀比才增加明显，因此实际操作气速范围可适当控制接近颗粒的终端速度。图3为锌精矿床层刚开始出现鼓泡时的照片，床层表面出现了几个小气孔。随着气速的增大，气泡明显增多，且当气速增大一定时小气泡合并成大气泡，直径可达床直径的1／3左右，最后撕裂床层表面而冲出，如图4所示。

图3 锌精矿开始鼓泡时照片

图4 锌精矿剧烈沸腾时照片

3 结论与建议

1.实验用高硅、高铅锌精矿在常规流化床内能很好地流化，所获得的气体压降－表观气速曲线很接近经典流化曲线，实验获得的临界流化速度为0.02 m／s。

2.实验用高硅、高铅锌精矿颗粒为B类颗粒，所采用的计算公式结果也验证了这种锌精矿属于这类颗粒。

3.高硅、高铅锌精矿颗粒的平均粒度远低小于国内一些有代表性的锌冶炼企业所采用的锌精矿的平均粒度，因此其临界流化速度和颗粒终端速度也远低于这些锌精矿的相应值。实际生产时应注意调整这种高硅、高铅锌精矿的线性操作速度。

4.高硅、高铅锌精矿的实验床层膨胀比在开始流化的一段速度范围内比较小，只有当表观气速达到临界流化速度的10倍以上时，床层膨胀比才明显增加，因此实际操作气速应尽可能接近颗粒的终端速度，以获得良好的传质、传热效果。

5.高硅、高铅锌精矿正常流化时，会产生大量的直径较大的气泡，不利于沸腾焙烧时的传质、传热，因此采用沸腾炉进行焙烧时可考虑在床内增加一些内构件，以使大气泡破碎为小气泡或改变气泡的上升路径，有利于强化过程的传质。

［1］ 《有色冶金炉设计手册》编委会.有色冶金炉设计手册［M］.北京：冶金工业出版社，2000.434－467.

［2］ 《化学工程手册》编委会.化学工程手册（第20篇）—流态化［M］.北京：化学工业出版社，1987.2－3.

［3］ 杨富军，王嘉骏，顾雪萍，等.D类颗粒节涌流态化的实验和数值模拟［J］.过程工程学报，2005，（6）：597－600.

［4］ 郭慕孙，李洪钟.流态化手册［M］.北京：化学工业出版社，2008.171－172.

［5］ 李士琪，郭晓东，高金涛，等.超细磁铁矿粉冷态流态化实验研究［J］.过程工程学报，2010，10（增1）：118－121.

Fluidized Cold Experimental Study of a High Silicon，High Lead and Zinc Concentrate

DING Yu1，CHENWen-yong1，MILan-yue2，YANG Ling-ni2，WU Jie1，ZHAOWei-zu2
（1.Changsha Research Institute of Mining＆Metallurgy Co.，Ltd，Changsha 410012，China；2.College of Chemistry and Chemical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China）

Fluidized cold experiment of a high silicon，high lead and zinc concentrate was investigated，to obtain the particle critical fluidization velocity，particle terminal velocity and bed expansion ratio and other data，and some representative with the domestic zinc smelter using standard zinc concentrate data were compared，the difference is analyzed，and it put forward the industrial fluidized roasting the zinc concentrate on a few problems that should be noticed.

zinc concentrate；fluidization；cold experiment

TF813

：A

：1003－5540（2014）06－0025－04

2014－10－12

丁 喻（1963－），男，教授级高级工程师，主要从事冶金工程研究及设计工作。