侧吹炉加锌精矿化矿- 烟化炉挥发法处理锌浸出渣工艺探索

2020-01-07汤裕源

中国有色冶金 2019年6期

汤裕源

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明 650051)

0 引言

锌的冶炼方法有火法和湿法两种，其中湿法炼锌占总锌产量的85%以上。近年来，我国新增大型锌冶炼厂全部采用湿法工艺，既有传统沸腾焙烧- 常规浸出工艺、又有沸腾焙烧- 热酸浸出工艺[1-2]，还有氧压浸出、常压富氧浸出等工艺[3-4]。不管哪种湿法冶炼工艺，浸出渣作为中间产物之一不可避免，且现行湿法炼锌工艺产出的浸出渣均为危废渣，必须进行无害化处理。

目前锌浸出渣的火法处理工艺主要有回转窑挥发法、奥斯麦特熔化烟化法、烟化炉烟化法及侧吹熔化烟化法、铅锌系统消化法等[5]。回转窑挥发法曾是我国湿法炼锌渣处理使用的典型流程[6-7]，但是耗煤高(约为浸出渣量的50%)，且劳动条件差，综合回收效果不理想；奥斯麦特法在韩国温山冶炼厂获得应用，但因技术引进费用高、喷枪损耗大等，在经济上不合理；烟化炉连吹法和侧吹炉熔化烟化炉挥发法，先后在云南驰宏锌锗股份有限公司会泽、曲靖投入运行，项目投产后运行总体情况良好，但能耗依然偏高。

综合考察国内外锌浸出渣的处理工艺，结合云南驰宏锌锗股份有限公司烟化炉连吹法和侧吹炉熔化- 烟化炉挥发法生产实践，笔者在担任某锌浸出渣无害化处理项目总设计师时，推荐了侧吹炉加锌精矿化矿- 烟化炉挥发法工艺，并全面、系统地完成了物料平衡、热平衡等冶金计算，计算结果表明，新工艺节能效果明显。

1 工艺流程

锌浸出渣加精矿处理新工艺原则流程见图1。

2 主要反应机理

锌浸出渣加锌精矿采用富氧测吹化矿- 烟化炉挥发处理新工艺属火法冶金范畴，渣型的选择至关重要。只有合理选择炉渣成分，使之具有适合要求的物理化学性质，才能实现冶炼过程顺畅并回收有价金属的目的。

根据锌浸出渣、锌精矿的成分，冶炼体系熔渣为CaO- FeO- SiO2三元渣系，在1 400 ℃时全部处于单一的液相区[8]。加入锌精矿后，熔体中ZnO含量增加，生成的铁酸锌、硅酸锌熔点较高，因此应控制锌精矿的配入量，以保证熔体的黏度满足生产需要。

锌浸出渣主要成分为铁、硅、钙、铅、锌等的氧化物、氢氧化物和硫酸盐及少量硫化物，在常规侧吹炉熔化- 烟化炉挥发法生产过程中的侧吹炉化矿阶段，由于渣中各成分熔化吸热和硫酸盐的分解、熔化吸热，需加入大量的煤来提供热源。

图1 工艺流程图

本文所述锌浸出渣加精矿处理工艺，是利用锌精矿中的硫化锌、黄铁矿等硫化物的反应热部分代替煤的燃烧热，从而达到节能的目的。主要化学反应见式(1)、式(2)。

(1)

(2)

根据生产实践，每吨锌精矿反应放出热量(Q1+Q2)约为4 727 960 kJ，折合标煤煤约160 kg。

氧化锌的还原吸热与再氧化放热正好抵消。由于再氧化在炉子上部空间完成，因此该工艺烟气温度应高于常规富氧测吹- 烟化炉烟化工艺。

3 热平衡计算

浸出渣成分见表1。

按照常规的思路，该浸出渣先进侧吹炉化矿，溶化后熔融渣进烟化炉烟化挥发，以100 kg浸出渣为计算基础，侧吹炉化矿工序热平衡计算结果见表2。

表1 浸出渣成分表 %

表2 不加锌精矿浸出渣化矿热平衡

表2中煤的热值按24 500 kJ/kg计算(下同)，配煤率为浸出渣量的55%，与现行回转窑或侧吹炉等化矿设备能耗相近，可见在不考虑余热回收的情况下，采用回转窑处理锌浸出渣，从能耗方面看是相对合理的。

侧吹炉完成化矿任务后，熔融渣进烟化炉挥发，烟化挥发工序热平衡计算结果见表3。

按处理浸出渣量为基数，烟化炉工序配煤率为45%，可见，对比回转窑工艺，在不考虑余热回收的情况下，侧吹炉+烟化炉工艺处理浸出渣，其煤耗将远高于回转窑工艺。

为降低能耗，笔者创造性地提出了在浸出渣中加入适量锌精矿，以利用锌精矿中闪锌矿、硫铁矿等的反应热取代煤或焦炭的反应热，达到降低能耗的目的。同时，为确保熔渣的黏度合理，设计化矿工序每吨浸出渣拟配入硫锌精矿600 kg。硫化锌精矿成分见表4，并采用富氧熔炼技术。化矿工序和烟化炉挥发工序热平衡计算结果分别见表5和表6。

表3 不加锌精矿烟化挥发热平衡

表4 锌精矿成分表 %

表5 加锌精矿浸出渣化矿工序热平衡

表6 加锌精矿烟化挥发工序热平衡

表5中，入炉物料中加入了浸出渣量60%的硫化锌精矿，硫化锌精矿反应热占到了总热收入的35.18%。相比表2，煤耗从55%降到21%，节能效果非常明显。

由于化矿阶段加入了60%的硫化锌精矿，进烟化炉的熔融渣增加，烟化工序煤耗有所增加，为浸出渣量的50%。

从整个工艺过程来看，没有加锌精矿时，侧吹+烟化工艺表观耗煤率为100%(以浸出渣量计)，高于回转窑工艺，考虑回收余热后，处理1 t浸出渣总能耗可以控制在85 kg标煤以内。加入锌精矿后，侧吹+烟化工艺表观耗煤率为76%(以浸出渣量计)，较不加锌精矿降低24%，考虑回收余热后，处理每吨浸出渣的能耗可以控制在20 kg标煤以内，节能效果明显。

4 生产工艺参数控制

为减少烟气量，降低煤耗，富氧侧吹化矿炉、烟化炉均宜采用富氧鼓风。根据工艺的不同，富氧浓度应与工艺要求相一致。根据有关实验，在处理浸出渣时，侧吹炉富氧浓度可取80%，烟化炉富氧浓度可取24%。

加锌精矿后，炉内反应温度的控制与侧吹炉熔化- 烟化炉挥发工艺基本一致或稍高。

5 可创造条件提高伴生金属回收率

无论是回转窑法、奥斯麦特法、烟化炉连吹法还是侧吹炉熔化- 烟化炉挥发法，铅锌的回收率一般都可以达到96%以上，而伴生的铟、银、锗等有价金属的回收率往往比较低。

为提高铟、银、锗等有价金属的回收率，只有创造条件，使铟、银、锗等有价金属在适当的时候，形成蒸汽压较大的物态。

就铟和锗来说，铟的熔点是156.76 ℃，沸点是2 073 ℃；锗的熔点是938.25 ℃，沸点是2 830 ℃。在侧吹炉和烟化炉工作条件下，均难以金属态挥发而予以回收。对铟而言，由于硫化铟的挥发性较大，所以要创造条件让铟转化为硫化铟予以回收。对锗而言，由于氧化锗有较高的挥发性，就要创造条件让锗转化为为氧化锗予以回收；而对银来说，由于硫酸银沸点较低(1 085 ℃)，在侧吹、烟化条件下，硫酸银可以有效挥发进入烟尘，因此应创造条件让银转化为硫酸银予以回收。