锌精矿富氧流态化焙烧工艺研究

许 良， 陈向强

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

锌精矿富氧流态化焙烧工艺研究

许 良， 陈向强

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

本文介绍了锌精矿富氧流态化焙烧工艺，对富氧焙烧的反应机理、生产实践进行了详述。通过将空气焙烧和富氧焙烧进行对比，分析了富氧焙烧可行性及存在的问题，并对富氧焙烧技术在锌精矿焙烧上的应用进行了探讨和展望。

富氧； 流态化焙烧炉； 锌精矿； 操作气流速度

当今世界炼锌技术主要以湿法炼锌为主，湿法炼锌技术主要有硫化锌精矿焙烧加湿法处理流程以及常压富氧和氧压浸出全湿法处理流程。由于全湿法流程的设备要求高、建设费用大以及生产成本高，目前只有少数几家企业采用。硫化锌精矿焙烧加湿法处理流程是目前最成熟最可靠的生产流程，而硫化锌精矿焙烧是其中一个重要的生产环节。目前国内流态化焙烧炉主要以中国恩菲设计的109 m2流态化焙烧炉为主，另有2家企业采用其他院设计的119 m2流态化焙烧炉。由于种种原因，在生产实践中，109 m2焙烧炉生产能力略高于119 m2，两种炉型单系列生产锌锭的规模都在10万t左右。

随着工艺技术的不断提高，富氧技术在有色冶金中的应用越来越广泛。由于富氧的应用，在处理相同物料时，产生的烟气量相应减小；而对于同一个炉子，采用富氧则会提高冶金炉的处理能力。目前国内在铜、镍、铅、锡等金属的冶炼过程中都有采用富氧空气进行熔炼的实例，而在锌精矿焙烧上目前尚无大型焙烧炉采用富氧进行焙烧的实例。本文就对锌精矿富氧流态化焙烧工艺技术进行分析研究。

1 流态化焙烧工艺

1.1 流态化机理

具有一定粒度组成的细粒物料层，由静置状态进入活动状态，取决于料层空道中的气流或液流的流体动力学条件。这一转变是在一种完全固定的流体速度ω临界，即所谓的流态化临界速度下实现的。使流体速度不断增大并越过此临界速度，沸腾层的体积增大，细粒物料粒子的运动更激烈。在某一个速度ω带出，即所谓极限速度或带出速度下，流态化层进入悬浮状态，并随流体被带出流态化室。在ω临界和ω带出的范围内，流态化层处于稳定状态。因此在实际操作中，流态化焙烧操作气流速度ω操作介于ω临界和ω带出。

式中：Re临界为临界雷诺准数；ν为气体实际温度下的运动粘度，m2/s；d均为物料颗粒平均粒度，m 。

由上式可知ω临界与固体粒子直径、固体性质、气体性质有关。

ω操作是炉子流态化的先决条件，若操作气流速度过小，不能形成流态化；过大，则形成气动状态，二者均影响炉子的正常稳定工作。另外操作气流速度与烟尘率有关，操作气流速度大，烟尘率亦大。故应在保持良好稳定的流化状态和一定的烟尘率的情况下，选择合理的操作气流速度。

1.2 焙烧反应机理

硫化锌精矿主要以闪锌矿ZnS的形态存在，焙烧过程主要是金属硫化物和氧气之间的反应，主要反应如下：

(1)

(2)

(3)

反应式(2)是可逆的放热反应，低温有利于反应向右进行。湿法是要求尽量将ZnS氧化变成ZnO，因此湿法炼锌厂一般都采用较高的焙烧反应温度进行氧化焙烧，温度控制在900 ℃左右。

1.3 流态化焙烧炉床能率

焙烧炉床能率是衡量炉子生产能力的一个重要参数，标志着炉子处理精矿能力的大小。根据流态化机理可知，焙烧炉的操作气流速度决定了流态化的效果以及烟尘率大小。而从焙烧反应机理可知，硫化锌精矿的焙烧反应主要是金属硫化物和氧气之间的反应，若精矿中的金属硫化物含量增加，则单位质量的精矿完全反应需要的鼓风量则增加。同时，焙烧炉流化层内的温度也影响焙烧的反应程度。由以上分析可知，焙烧炉床能率是由综合因素决定，其大小取决于流态化层的操作气流速度、鼓风量和流化层内的温度，即：

式中：a为床能率，t/(m2·d)；V为焙烧每吨精矿所需要的空气量，m3/t；t层为流化层内温度，℃；β为1/273。

根据已知的锌精矿成分计算出焙烧需要的空气量V的值，将t层设为一个定值后，则焙烧炉的ω操作决定了焙烧炉床能率的大小，即决定了焙烧炉的年处理能力。因锌精矿粒度大小及分布区别不大，工业生产中一般采用ω操作为0.4～0.7 m/s(工况条件下)。

2 富氧焙烧工艺

2.1 富氧焙烧机理

在硫化物的氧化焙烧及烧结过程中，气流中氧的浓度直接影响反应温度及反应速度。众所周知，硫化物的氧化速度与反应放热速度成正比：

V=q/Q

式中：V为氧化速度；Q为氧化反应的热效应，即每摩尔分子硫化物氧化的反应热；q为硫化物氧化时，在单位时间内放出的热量即放热速度。

当过程在动力学区域中进行时，

式中：kO2为系数；n为反应级数；Co2为气流中氧化剂(氧)的浓度。

当过程在扩散区域中进行时，

q=QCO2aT1/X

式中:a为比例系数。

由上述公式可见，提高气相中的氧浓度(CO2)，其放热速度(q)相应提高，从而过程的反应速度(V)随即增加，这便是富氧能强化氧化反应过程的基本原理。

金属硫化物的氧化过程，先在硫化物颗粒表面吸附氧，氧进而向颗粒内部扩散。由此可见，采用空气氧化时，气相中惰性气体氮的存在，无疑将有碍于这种吸附和扩散，这也是富氧能强化氧化过程的原因之一。

2.2 富氧焙烧实践

硫化锌精矿的富氧焙烧国外做过许多试验。1937年，加拿大特雷尔厂，把直径7.5 m的多膛焙烧炉改成流态化焙烧炉，首先在工业上实现了锌精矿富氧焙烧。1969年，澳大利亚电锌公司里斯顿进行了锌精矿流态化焙烧研究，鼓风含氧浓度增加到24.5%，精矿处理量由原来的363 t/d提高到450 t/d。1961年，乌斯季卡明诺戈尔斯克铅锌厂进行了锌精矿富氧流态化焙烧工业试验。试验结果证明，使用含氧27%～29.5%的富氧空气，床能率增加到8.4～8.8 t/m2·d,烟气中SO2浓度提高到13%～15%，焙砂中酸溶锌增加了1.5%～2.2%。通过试验还得出，锌精矿的富氧焙烧含氧浓度不宜超过29%～30%。因为含氧浓度继续增加，焙烧炉床能率的增加受到限制，氧的利用率下降。另外，氧浓超过30%时，沸腾层的过剩热难以排出，沸腾层温度没法控制。

芬兰KOKKOLA锌厂，在1999年到2000年之间进行了70 m2流态化焙烧炉的富氧焙烧试验。由于受限于炉子的冷却盘管冷却能力，富氧浓度最高取到23.5%。通过富氧焙烧，焙烧炉锌精矿处理能力最大提高约15%，并且焙砂含硫有所降低。在试验结束后，KOKKOLA锌厂针对试验结果进行了一些列的改进，包括在原有焙烧系统上增加供氧系统。

国内长沙矿业研究院对锌精矿富氧流态化焙烧进行过二次实验室扩大试验。二次试验分别与1976年12月和1978年7月在0.18 m2的沸腾炉中进行，富氧空气含氧为26.4%和24.7%，沸腾层温度910～923 ℃，其床能率比使用空气焙烧提高0.43 t/m2·d和0.16 t/m2·d。株冶集团于2005年8月24日9点至8月26日9点在6#沸腾焙烧炉进行富氧焙烧试验。试验过程中平均富氧浓度约22.7%，比空气含氧提高1.7%。采用富氧后锌精矿处理量约240 t/d，比普通空气焙烧处理225 t/d提高了约15 t/d。焙砂和烟尘中的可溶锌、可溶硫略有增加，焙砂和烟尘中的总硫有所降低。

通过以上试验可知，锌精矿的富氧焙烧是可行的，富氧焙烧含氧浓度一般控制在30%以内。富氧焙烧提高了焙烧炉的床能率，并且焙砂及烟尘质量得到提高。

2.3 空气焙烧及富氧焙烧工艺对比

本文以109 m2焙烧炉为研究对象，对硫化锌精矿焙烧的工艺计算进行分析，将空气焙烧和富氧空气焙烧进行对比。影响焙烧工艺计算的主要因素有：锌精矿成分、当地大气压、焙烧温度、操作气流速度ω操作、鼓风含氧量。其中锌精矿各主要成分参考国内各厂原料成分，取值见表1：

表1 锌精矿主要成分 %

当地大气压取100 000 Pa，焙烧温度取900 ℃，操作气流速度ω操作取0.62 m/s，空气含氧量取20.5%，富氧空气含氧量取28%，年工作330 d，24 h/d。空气焙烧和富氧空气焙烧工艺计算结果见表2：

表2 两种焙烧工艺的计算结果

由表2可以看出，因两个焙烧工艺的ω操作相同，因此鼓风量相同，在采取28%的富氧空气后，产生的烟气量也基本一致。109 m2焙烧炉在采用富氧焙烧后，年处理锌精矿量提高了84 000 t，床能力提高了2.34 t/m2·d，炉子的处理能力提高37%。烟气中SO2浓度由9.73%提高到了13.27%。同时由于精矿投入量加大，反应产生的过剩热增加144%。109 m2焙烧炉正常设计6组冷却盘管，冷却面积共计43.6 m2。而对于富氧焙烧，如果要控制好沸腾层温度，冷却盘管面积则需要增大至105 m2，那么冷却盘管的数量和单组面积都将增大，对炉体设计带来难度。因此，如何将富氧焙烧产生的大量过剩热从炉内带走，将是富氧焙烧工业化应用面临的一个难点问题。

2.4 富氧焙烧工艺效益分析

根据以上工艺计算结果，对富氧焙烧工艺效益进行简单分析。假设按照全厂95%的锌回收率计算，109 m2焙烧炉在采用28%的富氧空气焙烧后，年增产锌锭：(150 720-110 400)×95%=38 304 t。假设每吨锌利润700元，年增加利润：383 043×700=2 681万元。富氧焙烧年消耗氧气量：5 620×330×24=4.45×107m3, 氧气价格按照0.6元/m3计算，全年消耗的氧气费用为：4.45×107×0.6=2 670万元。全年经济效益：2 681-2 670=11万元。

由以上分析得出，采用富氧焙烧带来的效益不明显。但是相对于空气焙烧，由于富氧焙烧产生的烟气量基本不变，后续的锅炉、收尘、制酸等烟气处理系统设备的投资变化较小，而整个焙烧系统处理锌精矿能力将增加37%，硫酸产量也将随之提高。因此，平摊到每吨锌的投资额将会降低，每吨锌的生产成本也将会随之下降。如果锌锭、硫酸行情上涨，那么富氧焙烧将会提高锌冶炼厂的经济效益。

3 总结

从技术方面分析，锌精矿富氧焙烧在理论上是可行的。富氧焙烧提高了流态化焙烧炉的床能率，大大提高了单系列焙烧系统处理锌精矿的能力。并且根据相关试验数据，富氧焙烧能提高焙砂和烟尘中的酸溶锌含量，有利于后续湿法系统的处理。但是，富氧焙烧产生的过剩热大大高于空气焙烧，如果要维持正常的焙烧温度，冷却装置的设计将是一个有待解决的难点。另外冷却溢流焙砂的流态化冷却器、圆筒冷却机的处理能力也要相应提高。

从投资方面分析，对于同等规格的焙烧炉，富氧焙烧和空气焙烧在设备以及土建投资方面区别不大，但折合到吨锌投资，富氧焙烧吨锌投资则小于空气焙烧。从生产成本上分析，富氧焙烧在除了氧气外的其他成本上也将低于空气焙烧，而由富氧焙烧产生的氧气成本可通过增产带来的利润抵消，这无疑将给企业带来可观的经济效益。

富氧焙烧工艺提高了焙烧炉的床能率和产品质量，提升了烟气中SO2的浓度，更有利于整个系统硫的回收，无疑将会使锌精矿流态化焙烧技术提升到一个新的水平。多年来富氧焙烧技术在锌精矿焙烧上的应用始终停留在试验阶段，还有一些难点需要解决，距离大规模的工业化还有一个过程。目前虽然尚无成熟的工业化应用，但已经有很多企业和科技工作者做过相关研究和实践，并取得了一定成功。在目前整个锌冶炼行业不太景气的形势下，只有通过技术提升，才能降低企业的投资和生产成本，提升企业的竞争能力。锌精矿富氧焙烧技术将是未来锌冶炼的发展方向，同时也是各个企业进行老厂改造或者扩大产能时最好的选择之一。

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Studyonoxygen-enrichedfluidizedroastingprocessofzincconcentrate

XU Liang, CHEN Xiang-qiang

The oxygen-enriched fluidized roasting process of zinc concentrate was introduced, and the reaction mechanism and production practice of oxygen-enriched roasting were analyzed in detail. Based on the comparison of air roasting and oxygen-enriched roasting, the feasibility and limitations of oxygen-enriched roasting were analyzed, and the application of oxygen-enriched roasting process in roasting of zinc concentrate was discussed and prospected.

oxygen-enriched; fluidized roasting furnace; zinc concentrate; working air velocity

许良(1982—)，湖南长沙人，硕士，从事有色冶金设计工作。

TF813

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