压缩空气喷吹法制备金属锌粉的生产实践研究

姚应雄 陈先友 何成道 李 科 高占勋 王泽永

(云锡文山锌铟冶炼有限公司,云南 文山 663701)

0 前言

锌粉因具有较负的标准电极电位、较大的比表面积、活泼的化学性质等特性[1-2]，常作为置换剂广泛应用于化工、冶金行业。根据其生产方式的不同，锌粉主要分为电炉锌粉(合金锌粉)、水雾化锌粉、空气喷吹锌粉三种。

在湿法炼锌行业中，锌粉作为还原剂用于置换除杂或富集回收稀贵金属[3]，如用于中性浸出液净化过程中的置换除杂、综合回收过程中的镉回收、铟回收过程中的三价铁还原等。因需求量大、成本占比高，大多数湿法炼锌企业都配套了锌粉生产系统。目前，湿法炼锌企业普遍采用压缩空气喷吹法(有些企业采用压缩氮气喷吹法)和水雾化法两种工艺生产锌粉[4]。这两种工艺具有投资少、工艺流程短、产品纯度高、生产成本低等优点。

某公司拥有年产10 万t 锌的湿法炼锌系统，采用压缩空气喷吹法生产金属锌粉，车间设置1 台640 kW 工频熔锌感应电炉、喷嘴、锌粉沉降仓、收尘、旋振筛等设备。金属锌粉主要用于中性浸出液置换除杂和镉回收过程，日需求量约30 t，其中-150 目(106 μm)粒度锌粉要求占比在80%以上。投产初期，因未能完全掌握锌粉生产关键工艺参数和影响机理，锌粉产能仅约20 t/d，-150 目粒度锌粉产率约60%，锌粉产量和粒度不能满足生产要求，需外购部分电炉锌粉辅助，导致生产成本升高，影响企业经济效益。

因此，该公司在生产实践过程中，对金属锌粉生产关键工艺参数开展了系列单因素试验，研究了锌液温度、喷吹压力、石英管内径、喷嘴齿数、喷嘴加工和安装精度对锌粉产能和粒度的影响，对各个工艺参数进行优化确定。在最佳工艺参数组合条件下，锌粉产能和品质得到明显提升，满足生产需求，降低了锌冶炼生产成本。

1 压缩空气喷吹法生产工艺

压缩空气喷吹法生产金属锌粉的原理如下：在喷枪的特定结构下，高速压缩空气气流在石英玻璃管内形成负压，将锌液从熔锌池吸进喷嘴，同时喷枪内的二次风将锌液粒化将其冷却形成锌粉；在冷却过程中，锌粉被喷吹到锌粉沉降仓内，并在沉降仓内收集，然后通过旋振筛筛分出不同粒度的锌粉产品，+60 目(245 μm)粗颗粒锌粉返回感应电炉。压缩空气喷吹锌粉的工艺流程如图1 所示。

图1 空气喷吹锌粉工艺流程

2 锌粉产能和粒度的影响因素分析与讨论

2.1 锌液温度

在喷吹压力0.5～0.55 MPa、石英管内径10 mm、喷嘴齿组合25/30(内喷嘴25 齿，外喷嘴30 齿)条件下进行试验，研究不同锌液温度对锌粉产能和粒度的影响，结果如图2 所示。

由图2 可知，锌液温度越高，锌粉产能越大，-150 目粒度锌粉产率越高。这是因为锌液温度越高，锌液粘度越小，流动性越好，石英管单位时间内的虹吸量就越大；同时，锌液被压缩风破碎的粒度也就越小[5]，细锌粉产率也就越高。生产中，当温度为530～550 ℃时，锌液流动性差，在喷吹过程中易凝固堵塞石英管，频繁更换石英管会导致锌粉产能偏低，产量仅为10～12 t/d，且-150 目粒度锌粉产率为50%～55%；随着温度升高，产能提升显著，当锌液温度为590～600 ℃时，锌粉日产量达到20～25 t/d，-150 目粒度锌粉产率可达75%，完全满足生产需求。但温度过高时，锌液氧化率加大[6]，不仅增加电能消耗及生产生成本，还会导致沉降仓仓内压力和温度升高，加大安全风险。因此，生产中锌液温度以590～600 ℃为宜。

图2 锌液温度对产能和粒度的影响

2.2 喷吹压力

在锌液喷吹温度590～600 ℃、石英管内径10 mm、喷嘴齿组合25/30 条件下进行试验，研究不同喷吹压力对锌粉产能和粒度的影响，试验结果如图3所示。

图3 表明，随着喷吹压力的增加，锌粉产量逐渐升高[7]，-150 目粒度锌粉产率也随之升高，这是因为喷吹压力越大，锌液虹吸速率越快，单位时间内的产量就越高，且锌液粒化地越细。当喷吹压力升至0.6 MPa 时，锌粉产量约19 t/d，-150 目粒度锌粉产率约75%；当喷吹压力继续升高至0.7 MPa 时，锌粉产量和-150 目粒度锌粉产率升高趋势趋于平稳，说明此时继续增加喷吹压力对指标提升已无实际意义，而且喷吹压力过大容易导致虹吸断流，影响生产稳定性，同时易造成进气管接头脱落，引发安全事故。因此，综合考虑确定喷吹压力为0.6～0.65 MPa。

图3 喷吹压力对产能和粒度的影响

2.3 石英管内径

在锌液温度为590～600 ℃、喷吹压力为0.6～0.65 MPa、喷嘴齿组合25/30 条件下进行试验，研究不同石英管内径对锌粉产能和粒度的影响，试验结果如图4 所示。

图4 表明，随着石英管内径的增加，锌粉产量明显增加，-150 目粒度锌粉产率小幅增涨，这是因为石英管内径越大，单位时间内的虹吸量越大，产量就越高，-150 目粒度锌粉产率相应增加，但增加幅度较小，主要因为管径的增加弱化了喷吹压力，导致粗锌粉产率也有所增加[8]。当石英管内径为12 mm时，产量超过了23 t/d，-150 目粒度锌粉产率超过76%；当石英管内径继续增加至13 mm 时，产量可达到25 t/d 以上，但-150 目粒度锌粉产率降低至72%左右，无法利用的+60 目粗锌粉产率明显增加。因此，石英管内径以12 mm 为宜。

图4 石英管内径对产能和粒度的影响

2.4 喷嘴齿数

在喷吹温度590～600 ℃、喷吹压力0.6～0.65 MPa、石英管内径12 mm 条件下进行试验，研究不同喷嘴齿组合对锌粉产能和粒度的影响，试验结果如图5所示。喷嘴外形图(气流分布器)如图6 所示。

图6 喷嘴结构

图5 表明，随着喷嘴齿数的增加，锌粉产量逐渐降低，但-150 目粒度锌粉产率明显增加。由图可以看出，当喷嘴齿数增加至30/40 时，锌粉产量约为29.5 t/d，-150 目粒度锌粉产率约为82%，产量和粒度要求均达到生产需求。当喷嘴齿数为35/45时，锌粉产量降至28 .5 t/d，-150 目粒度锌粉产率增加至85%以上。此外，35/45 的喷嘴齿数分布较密，齿壁较薄，在高温、高压工作条件下，容易损坏，若频繁更换，则不利于生产的稳定。综上所述，选定30/40(内喷嘴30 齿、外喷嘴40 齿)的喷嘴齿组合较为适宜。

图5 喷嘴齿数对产能和粒度的影响

2.5 喷嘴的加工和安装精度

喷嘴的加工和安装精度也是影响锌粉产能和粒度的重要因素[9]。加工精度主要体现为喷嘴流道形式、流道角度、流道深度、流道分布均匀性、流道光滑度。研究表明，喷嘴采用U 型流道(原为矩形流道)，倾斜60° ±5°，深1～1.5 mm，流道分布越均匀，越光滑，锌粉产量越高，粒度越细。采用这种高精度的喷嘴，锌粉产能显著提升5%～10%。

喷嘴上齿和下齿的配合须垂直无倾斜，否则将影响气流分布的均匀性，从而降低细锌粉产率。石英管安装时，需垂直于喷嘴横截面，即与喷嘴内腔平行，且石英管与喷嘴内腔间隙用石棉绳或柔性石墨垫子填充密封稳固，否则石英管在喷吹过程中受到气流的冲击易晃动或者断裂，导致锌液流量波动，不仅降低锌粉产能和细锌粉产率，也影响生产稳定性和增加生产成本[10]。此外，石英管安装时，石英管锌液出口端适当超过出气点1～2 mm，有利于增加细锌粉产出率。

3 工业验证试验

根据单因素条件试验结果，金属锌粉生产工艺条件优化为：锌液温度590～600 ℃，喷吹压力0.6～0.65 MPa、石英管内径12 mm，内喷嘴30 齿、外喷嘴40 齿。在此工艺条件下进行工业验证试验(24 h 生产制)，1～3 月份为单因素试验生产数据，4～9 月份为最优工艺条件组合验证试验生产数据，生产情况见表1。

表1 2020 年1～9 月金属锌粉生产情况

工业验证试验数据表明，经过工艺优化，金属锌粉产能由1～3 月份的平均21.84 t/d 增加至4～9月份的平均29.65 t/d，提升了35.76%；-150 目粒度锌粉产率由1～3 月份的平均72.25%增加至4～9 月份的平均82.09%，提升了13.62%，且锌粉含锌量在99%以上。

采用压缩空气喷吹法生产金属锌粉，锌粉产能、-150 目粒度锌粉产率、锌粉纯度完全满足湿法炼锌生产需求，且结果重现性较好，实现了锌粉100%自给自足，进一步降低了锌冶炼生产成本，为企业降本增效起到了积极作用。

4 结论

1)采用压缩空气喷吹法制备金属锌粉，为提高锌粉产能及-150 目锌粉产出率，考察了锌液温度、喷嘴压力、石英管内径等因素对产品的影响。试验结果表明金属锌粉的最佳生产工艺条件为：锌液温度控制在590～600 ℃、喷吹压力0.6～0.65 MPa、石英管内径12 mm、内喷嘴30 齿、外喷嘴40 齿。

2)喷嘴采用U 型流道、流道倾斜60° ±5°、深1～1.5 mm、流道分布均匀且加工精度高的喷嘴，锌粉产能可提升5%～10%。

3)喷嘴和石英管高精度安装以及石英管锌液出口端适当超过出气点1～2 mm，有利于增加细锌粉产率。

通过上述工艺参数优化及喷嘴改进，操作条件和经济技术指标相对较好。空气喷吹锌粉平均产量达29.65 t/d，-150 目粒度锌粉平均产出率达82.09%，锌粉含锌大于99%，满足生产需求。