转底炉直接还原焙烧处理锌浸出渣试验探索

于建忠， 鲁兴武

(1.白银有色集团股份有限公司第三冶炼厂， 甘肃 白银 730900； 2.西北矿冶研究院， 甘肃 白银 730900)

湿法炼锌不论采用何种工艺，生产过程中都会产生大量的浸出渣，不仅对环境污染相当严重，而且有价资源不能有效利用。目前主要有回转窑挥发法、奥斯麦特法、烟化炉烟化法等渣处理方法，各种方法在能耗、运行成本、回收率、半成品再处理等方面均存在不同程度的缺点。在当前环保要求越来越严的形势下，为了达到无害化处理的目的，获得较为理想的经济效果，开发渣处理新工艺极为迫切。本文初步探索转底炉直接还原焙烧技术处理锌浸出渣的工艺，希望为湿法炼锌浸出渣处理工艺开辟新的方向。

1 综合回收的必要性

湿法炼锌根据方法不同分为常规湿法炼锌工艺、高温热酸浸出工艺和硫化锌精矿氧压直接浸出工艺，不管哪一种工艺，都会产生数量可观的浸出渣。每生产1 t电锌，会产出1.0～1.2 t的浸出渣。浸出渣中含有铅、锌、银、铟等有价金属，过去由于这些金属价格低迷，再加上缺乏高效经济的回收途径，大部分企业没有对湿法炼锌渣中有价金属进行综合回收。随着原料竞争的加剧，利润空间越来越小，促使企业进一步挖掘浸出渣中有价金属潜力，为综合回收提供了驱动力。另一方面，固废危废的管理标准越来越高，面对高额的第三方处置费，企业不得不认真研究自行处置浸出渣。

以某湿法炼锌厂浸出渣为例，该厂年产浸出渣85 000 t，含水约25%。其中含铅1 702 t，含锌2 671 t，含银5.99 t，以2019年1月上海有色金属网1#铅月均价18 013元/t、0#锌月均价22 243元/t、3#银月均价3 651元/kg计算，铅银渣中有价金属总价值约1.1亿元/a，回收潜力巨大。采用高效适用技术对渣中有价金属进行回收利用，不仅可提高锌的回收率和资源综合利用水平，对增加企业经济效益、改善企业经营状况也具有重要意义。

2 湿法炼锌浸出渣处理工艺现状

目前我国湿法炼锌浸出渣处理工艺主要有以下几种。

1)回转窑工艺。回转窑挥发法(又称威尔滋法)，是我国湿法炼锌浸出渣处理工艺的典型流程，其原料适应性强、工艺成熟、操作简单，应用广泛，但存在能耗和生产成本高、环境污染严重、贵金属回收率低、窑衬寿命短、更换维修麻烦、劳动强度大、工作环境差、作业率低等问题。

2)奥斯麦特工艺。奥斯麦特工艺是近年发展起来的强化熔池熔炼技术，该工艺采用富氧熔炼，分炉操作，煤率约40%，床能力较高，贵金属回收率高。但该工艺存在投资大、喷枪寿命短、专利引进费用高、核心技术不掌握等问题。目前国内仅内蒙古兴安博源铜锌冶炼厂使用该技术。

3)烟化炉工艺。该工艺和奥斯麦特法同属熔池熔炼工艺，原理相同。烟化法目前国内只有驰宏锌锗公司在应用，其特点是弃渣含锌低，锗的挥发率大于93%～95%，对处理含锗高的渣料很有利，但能耗较高，粉煤率达到40%以上，同时烟化炉寿命短，年生产周期不足200 d，维修量大。采用烟化炉全部处理浸出渣冷料，存在能耗偏高、床能率低、下层风口区水套寿命较短等问题。

4)侧吹炉工艺。侧吹炉还原造锍熔炼工艺，是近些年发展起来的专门处理冶金废渣和含重金属危险废物的熔炼技术，该工艺原料适应性强，工艺成熟，利用冷压团技术，先将湿法浸出渣、烟灰、酸泥、压滤渣等制团获得一定的强度后入炉冶炼，熔体经电热前床澄清分离产出冰铜、粗铅，侧吹炉焦率约18%，铜及贵金属回收率较高，能够很好的实现危废的资源化和无害化。但由于冷压团块冷热强度不高，床能力只有18～22 t/m2·d，烟尘率高达10%～12%，同时因处理危废，对基础设施的三防要求较高。

3 转底炉直接还原焙烧技术

3.1 工艺原理

转底炉源于轧钢用的环形加热炉，最初用于处理钢铁工业产生的粉尘及含铁废料，但很快就有美国、德国、日本等国将其转而开发应用于铁矿石的直接还原。由于这一工艺无需制备燃料的和对原料进行深加工，对合理利用自然资源、保护人类环境有积极的作用，因而受到了冶金界的普遍关注。

近年来，已有多家有色企业利用转底炉直接还原技术开展了铜尾渣和浸出渣资源综合利用研究与应用。某厂联合北京神雾集团研究院对湿法炼锌浸出渣进行了探索性试验研究。其基本工艺过程：将含铅、锌的物料配加还原剂、添加剂(还原剂、添加剂磨细至-200目占75%以上)等制成含碳球团，烘干后布入转底炉；在炉内1 200～1 400 ℃的还原区将含碳球团还原为金属化球团。工艺原理：球团中易挥发成分如硫酸锌、硫酸铅先转变为PbO、ZnO后被还原成金属Pb、Zn，金属Pb、Zn挥发进入烟气中再氧化生成PbO、ZnO，通过对烟尘的收集可以得到富含PbO、ZnO的二次粉尘；物料中不易挥发的铁元素大部分留在渣中，可作为建材原料对外销售或通过磁选工艺进一步回收其中的金属铁。其基本工艺流程见图1。

图1 基本工艺流程图

3.2 处理锌浸出渣试验研究

该湿法炼锌厂浸出渣包含两种原料：铁矾渣和铅银渣，两种渣产出量接近1∶1，试验过程中将两种渣按1∶1均匀混合作为原料进行试验。

3.2.1 原料多元素分析

将这两种渣分别进行多元素化学分析，化验结果分别见表1和表2，混合渣多元素分析结果见表3。

表1 铁矾渣多元素分析结果 %

注：*单位为g/t。

表2 铅银渣多元素分析结果 %

注：*单位为g/t。

表3 混合渣多元素分析结果 %

注：*单位为g/t。

从表3可以看出，浸出渣中的S含量较高，为11.54%，铅和锌含量分别为2.67%和4.19%，Ag为94 g/t。

3.2.2 还原煤分析

试验以当地煤为还原剂，还原煤工业分析见表4。

表4 还原煤工业分析 %

3.2.3 还原温度和添加剂种类试验

为了解温度和添加剂种类对混合渣煤基直接还原的影响以及焙烧过程中球团状态，进行了焙烧试验。C/O为2.2，添加剂分别为无添加剂、10%SEC- S、15%SEC- B、10%SEC- L。采用模拟转底炉的焙烧温度曲线进行焙烧，高温区焙烧温度1 210 ℃、1 230 ℃，总焙烧时间为40 min。试验结果见表5，1 210 ℃时球团的焙烧状态见图2，1 230 ℃时球团的焙烧状态见图3。

表5 还原温度和添加剂种类试验结果

图2 高温段为1 210 ℃时球团的焙烧状态 (从左到右，依次是无添加剂、10%SEC- S、15%SEC- B、10%SEC- L)

图3 高温段为1 230 ℃时球团的焙烧状态 (从左到右，依次是无添加剂、10%SEC- S、15%SEC- B、10%SEC- L)

试验结果表明，温度为1 230 ℃时，球团的金属化率以及铅、锌、银等元素的脱除率要好于1 210 ℃时的结果。从球团焙烧状态来看，添加SEC- L的球团状态较好，其他添加剂的球团反应剧烈，球团收缩严重，有粘盘现象，耐材盘中有大量低熔点物质，因此下一步试验采用SEC- L作为添加剂，并通过改变SEC- L的添加量，提高Pb、Zn、Ag等元素的脱除率。

3.2.4 还原温度和添加剂用量试验

为了进一步探索还原温度和SEC- L用量对混合渣煤基直接还原的影响以及焙烧过程中球团状态，进行了焙烧试验。C/O为2.2，添加剂SEC- L的用量分别为5%、8%、10%。试验结果见表6，1 230 ℃时球团的焙烧状态见图4，1 250 ℃时球团的焙烧状态见图5。

表6 还原温度和添加剂用量试验结果(兰炭)

图4 高温段为1 230 ℃时球团的焙烧状态

图5 高温段为1 250 ℃时球团的焙烧状态

从表3～6的试验结果来看，高温有利于铅、锌、银等元素的脱除，但是温度为1 250 ℃时，球团有不同程度熔化现象发生。

从球团焙烧状态来看，添加SEC- L为10%的球团状态较好，添加SEC- L为5%、8%的球团有严重的熔化现象。

首次试验采用3 mm兰炭，为进一步提高铅锌挥发率，二次试验采用-200目>90%的还原煤作为还原剂进行重复试验。

3.2.5 还原剂试验

将还原剂换为-200目>90%的还原煤，C/O为2.2，添加剂SEC- L的用量分别为5%、8%、10%。高温区焙烧温度分别为1 230 ℃、1 250 ℃。试验结果见表7，1 230 ℃时球团的焙烧状态见图6，1 250 ℃时球团的焙烧状态见图7。

将还原剂换为煤后，锌的挥发率明显上升可达到95%以上，铅的挥发率接近90%，银的挥发率在50%以上。

表7 添加剂用量试验结果(还原煤)

图6 还原剂为煤，高温段为1 230 ℃时球团的焙烧状态

图7 还原剂为煤，高温段为1 250 ℃时球团的焙烧状态

4 结论

直接还原焙烧工艺处理湿法炼锌浸出渣探索试验得到的最佳工艺条件为：还原剂采用-200目>90%的还原煤，C/O为2.2，添加剂为10%的SEC- L，直接还原温度1 250 ℃，总焙烧时间40 min。在该条件下取得了如下试验指标：铅的挥发率89%，锌的挥发率96%，银的挥发率53%。以该数据计算，该湿法炼锌厂若采用直接还原焙烧工艺处理当年产浸出渣，可回收锌金属2 000 t/a以上，提高锌回收率约2个百分点。转底炉在处理钢厂烟尘脱除铅锌、回收铁方面技术已非常成熟，将其应用于处理有色冶金过程产生的低品位含铅锌等易挥发元素尾渣或浸出渣，具有流程简单、装备先进、处理量大、金属回收率高等独特的优势。在初步探索试验的基础上，需要进一步开展扩大化试验，探索还原煤用量、还原时间、料层厚度等最佳工艺条件，为工业化试验和经济性评估提供更多有力依据。