湿法炼锌过滤系统工艺指标优化

2022-11-22李振华胡玉琴郭高强朱晓智

中国金属通报 2022年10期

李振华，胡玉琴，郭高强，朱晓智

1 总论

1.1 研究背景

浸出车间过滤系统主要以排料卸渣、渣资源浆化再回收为主，近年来车间一直追求渣指标的高度优化，以“吃干榨净、环保排放”为基本目标。车间曾多次在老系统进行过两渣分离和渣指标优化攻关实验，但因老系统产能不足、设备老化陈旧，致使工艺调整困难、多次攻关未能在实践中得到预期效果。2020 年过滤新系统铅银渣水溶锌平均在2.37%左右，水溶锌指标波动较大直接影响车间成本考核，2020 年车间零购5 台压滤机设备在到货安装运行后，过滤新、老系统设备运行产能得到了保障，尤其新系统设备的备用率、完好率、运行率均有了较大提升。依托设备基础的优势条件，车间在过滤新系统铅银渣流程末端增加了二次洗涤工序，实现了对铅银渣约三分之一底流量的现场攻关实验，结果证实该项目对水溶锌指标的优化效果显著，也对即将投产的渣资源综合回收利用车间的贵金属回收工作摸索了方案、积累了经验，起到了“投石探路”的效果，并以此验证火法系统生产后，过滤系统可通过该系列方案促使外排渣中水溶锌指标再次降低，也为新车间开车运行能有良好的生产基础，更高效的回收渣中的有价金属做好了前期的准备工作。

1.2 项目必要性

湿法炼锌是目前世界范围内产出锌效率颇高的一种工艺，但同时湿法炼锌还会产出大量的浸出渣和净化渣，这些渣中含有2%～4%水溶锌的比例不可忽视，若不能有效回收这些水溶锌不仅会对环境造成污染，还会给国家资源造成大量浪费。湿法炼锌浸出过程，是以稀硫酸溶液（主要是锌电解过程产生的废电解液）作溶剂，将含锌原料中的有价金属溶解进入溶液的过程。其原料中除锌外，一般还含有铁、铜、镉、钴、镍、砷、锑及稀有金属等元素。在浸出过程中，除锌进入溶液外，金属杂质也不同程度地溶解而随锌一起进入溶液。这些杂质会对锌电积过程产生不良影响，因此在送电积以前必须把有害杂质尽可能除去。在浸出过程中应尽量利用水解沉淀方法将部分杂质（如铁、砷、锑等）除去，以减轻溶液净化的负担。浸出过程的目的是将原料中的锌尽可能完全溶解进入溶液中，并在浸出终了阶段采取措施，除去部分铁、硅、砷、锑、锗等有害杂质，同时得到沉降速度快、过滤性能好、易于液固分离的浸出矿浆。浸出使用的锌原料主要有硫化锌精矿（如在氧压浸出时）或硫化锌精矿经过焙烧产出的矿物、氧化锌粉与含锌烟尘以及氧化锌矿等。其中焙烧矿是湿法炼锌浸出过程的主要原料，它是由ZnO 和其他金属氧化物、脉石等组成的细颗粒物料。焙烧物质的化学成分和物相组成对浸出过程所产生溶液的质量及金属回收率均有很大影响。

以某锌冶炼工厂为例，年产出的23 万吨浸出渣和净化渣中含有水溶锌近7000t，如此大量的水溶锌进入环境所造成的污染可想而知，造成的经济损失也超出亿元。因此，进行湿法炼锌中水溶锌的加强回收十分有必要，是扩大锌冶炼行业产能、减少行业污染的必要一环。当浸出工序体积受限时，过滤系统用水较少，两渣中水溶锌的回收能力欠佳，造成水溶锌较高，锌回收率较差。过滤新系统因备用设备数量相对富余，基础设备、设施可满足该项目的开展。通过该项目能为全厂锌系统生产经营效益提升创造更好的条件，因此该工艺流程改造对过滤系统实现指标优化具有重大意义。

2 具体内容

2.1 方案内容

传统湿法炼锌工艺中采用洗涤、净化、萃取的工艺完成对浸出渣和净化渣中水溶锌的回收，借助搅拌机搅拌洗涤，将水溶锌洗涤入溶液，然后加入熟石灰中和后进行溶液萃取，获得相对纯净的、富含水溶锌的溶液，最后将溶液在电解环节中实现锌的回收。浸出过程在整个湿法炼锌的生产过程中起着重要的作用。生产实践表明，湿法炼锌的各项技术经济指标，在很大程度上取决于浸出所选择的工艺流程和操作过程中所控制的技术条件。该项目在过滤工段新系统原设备基础上，利用备用压滤机、浆化槽、泵等设备进行现场实验，在通过增加管道输送路线后，可使铅银渣部分实现三次压滤、两次洗涤的工序流程，以增加洗涤次数的方式强化锌金属的回收率，最终达到优化水溶锌指标的效果。为验证该方案的可行性，对铅银渣底流进行现场实验，该项目试验分多次进行，分别对洗涤液的体积、浓度、浆化时间三方面因素实行了控制变量的对照试验。

具体方案如下：

（1）在正常过滤工序流程的基础上，当铅银渣底流第一次压滤后，滤饼在一次浆化槽内浆化，一次滤液进入滤液槽后返浸出工序。

（2）一次浆化液在第二次压滤时采用一次备用压滤机（两台），将二次滤饼在一次备用浆化槽内用新水再浆化，滤液返回一次浆化工序。

（3）二次浆化液打入（原）二次压滤机进行第三次压滤。三次压滤后滤渣排放，三次滤液返回二次浆化工序。

2.2 试验操作

洗涤试验的设备组成主要包括机械搅拌设备、恒温水浴加热器等。每一次洗涤试验中，需称量100g 的渣以烧杯盛装；洗涤主要以稀硫酸水洗液为材料，按照固定的固体、液体比例倾倒入烧杯之中；混合后的稀硫酸水洗液与100g 的渣混合物一边接受恒温水浴加热器的温度控制，一边接受机械搅拌设备的旋转搅拌，使100g 渣中的水溶锌能够尽可能进入到稀硫酸水洗液中，完成从渣中的剥离；洗涤完成后的溶液加入固体中和剂，中和掉溶液中的铁等物质，完成净化步骤，使溶液保持在一定的酸碱度范围内；净化后的渣和溶液过滤分离。在洗涤中和环节中，熟石灰是常用的中和剂，这种中和剂不仅价格低廉而且中和过程不产生气体，实验中不必担心发生“冒”现象，保证实验安全。而且熟石灰中存在大量的固体颗粒物，为铁等物质的沉淀提供了下沉核心。

萃取试验的设备组成主要包括振荡器、分液漏斗等。渣与水相溶液进入萃取试验环节，先要被盛装入分液漏斗，然后将分液漏斗安装在振荡器上；然后设定好震荡器械的震荡时间，静待震荡完成、两相充分混合；最后将分液漏斗静置，慢慢等待混合的渣与水相溶液自然分相，水相溶液取出分析。萃取试验中的水相溶液通常不是水，比如在湿法炼锌工艺中萃取试验多以P204+磺化煤油为震荡混合的对象，其中P204 就是最常见的、针对锌的萃取水相溶液，能够借助阳离子交换反应来实现锌离子与P204 中氢离子发生交换，从而将水溶锌从渣中萃取出来。

除萃取试验外，实验室可借助反萃取试验完成对水相溶液中有机相的回收。反萃取试验中以每升50g 的锌和150g 的硫酸混合，组成模拟贫电积液。当贫电积液中的氢离子与P204 中的锌离子碰撞时，二者可发生相互交换，使P204 恢复到萃取前的状态，从而实现对有机相的循环再利用。

2.3 操作细节

根据实验室反复试验操作可知，影响洗涤的因素主要包括洗涤时间、洗涤温度、洗涤环境酸碱度、固液比，影响萃取的因素主要包括P204 浓度、萃取相比、混合时间。

洗涤时间对洗涤的影响较小，只需不超出60min 基本不会影响水溶锌的回收效果，但建议选择将时长控制在30min，提高试验整体效率；洗涤温度对铅银渣中水溶锌回收的影响稍大，铅银渣中水溶锌的回收温度在60℃至更高的温度中表现稳定，在20℃～60℃之间有较大回收效果波动，表现出明显的回收率降低情况，因此建议将洗涤温度控制在60℃以上；洗涤环境酸碱度对铅银渣水溶锌回收影响也不可忽视，在2 ～15 的酸碱度范围内，铅银渣在酸碱度5 和10 处分别表现出一个小的回收高峰，而铁矾渣只在酸碱度5 处表现出了小的回收高峰，且渣中金属水溶锌的洗出需要酸环境，所以应当将环境酸碱度控制在5 的位置；洗涤固液比从4：1 ～7：1 的变化区间内整体变化幅度较小，铅银渣呈现出小幅度上扬的态势，而铁矾渣在5：1 的比例出表现出一个小回收高峰，因此应当将酸碱度控制在5：1。

萃取试验中P204 浓度、有机相与水相体积比、混合时间都是影响萃取回收效果的因素。萃取浓度对萃取回收效果影响较大，在15%～40%的萃取浓度变化区间内，回收效果一路成上扬态势，且在萃取浓度40%时水溶锌的回收率已经超出80%，鉴于继续增加萃取浓度会增加萃取溶液整体粘度，且会提高萃取成本，建议将P204 浓度控制在40%左右。萃取有机相与水相体积比直接关系到萃取效率和萃取成本，在常见的萃取体积比1：5/1：4/1：3/1：2/2：3/3：4/1：1/3：2 之中，P204 的浓度不同会产生不同的萃取效果。以萃取体积比1：2 为例，当P204 浓度为15%时，磺化煤油85%，水溶锌萃取率接近50%，如果选择相同的体积比而提高P204 的浓度到20%，水溶锌萃取率上升为56%，如果进一步提高P204 浓度到30%，水溶锌萃取率进一步上升到65%。由此可见，在萃取试验中需先确定P204浓度，然后再进行萃取有机相与水相的体积比，才能获得相应的水溶锌萃取效率，是一个受到影响干扰较大的条件。但从整体发展态势上来看，P204 浓度越高，萃取体积比越高，水溶锌回收率越高，P204 浓度30%、萃取体积比3：2 时可达到80%的水溶锌回收率。萃取混合时间对水溶锌的萃取回收效率影响较小，混合时间延长和缩短都不会引起萃取回收效率的大幅度波动，混合3min 后就可以将萃取回收率稳定在60%。因此，在进行萃取试验时，萃取混合时间控制在3min 即可，不仅可以保证萃取效果，而且可以节约整个试验所消耗的时间，提高萃取反应的整体效率。

反萃取试验中模拟贫电积液的配比基本固定，有机相与水相体积比是影响反萃取效果的主要因素，当体积比在4：1 时反萃取的效果较好，水溶锌的回收率高达90%；当体积比为2：1时理论上反萃取的效果更高，回收率可达到100%。但实际实验室操作时无法消除系统误差，无法切实达到100%。

3 实验过程及结果

3.1 试验过程

本次实验控制两次浆化洗涤液体积总量不变，两次浆化时间不变，均为：15min，两种浆化洗涤液控制变量加入的操作进行对照实验，通过四组实验对照，在一次浆化中滤液递减、新水量递增，二次浆化洗涤时滤液体积递增，新水体积递减的操作，结果显示一次浆化洗涤多用滤液，二次浆化洗涤多用新水的操作效果显著。分别在一次、二次浆化洗涤时滤液体积递减，新水体积递增的操作，结果显示一次、二次浆化过程中多用新水的洗涤效果显著。本次实验水溶锌最佳指标相对第一次明显优化。

在通过不同洗涤液的浆化对照后，车间再次对洗涤液的浆化时间进行了探索，本次实验基于上两次实验结论，以较优洗涤方式，通过不同洗涤液、不同加入量、不同时间再次探索了浆化洗涤效果。

本次实验再次证实，在确保浆化洗涤液体积、成分不变的基础上，当两次浆化总时间不变时，二次浆化时间越长，洗涤效果越好。

3.2 实验结论

以上三次实验均采用三次压滤液返回二次浆化，二次压滤液返回一次浆化，一次压滤液返回浸出工序的方式开展了攻关，经过两次洗涤三次压滤所得数据，每次试验数据均相比日常一次洗涤效果明显偏好。鉴于实际用水量的控制和浆化时间的调节，最终综合得出结论：一次洗涤时滤液量加大，新水适量加入，二次洗涤时新水量加大，滤液量少量加入或不加入的方案显示，水溶锌指标优化效果最明显，也最适合实际生产；同时在两次浆化总时间不变时，二次洗涤时间越长效果越显著。依据该实验结果，实现攻关实验后的该部分铅银渣水溶锌平均值达到了1.4%以下，相对2020 年新系统水溶锌平均值2.37%，下降约1%。该项目攻关还处于进一步探索阶段，为达到更良效果，还需在日常生产中不断掌握洗涤液成分、体积、浆化时间等方面的控制。

4 产生的效益

4.1 安全环保

该项目不产生固废危害，项目总体布局合理，车间布置满足生产流程、环境保护，以及防火、安全、卫生、施工及检修等要求；对地表水环境、大气环境、声环境均不造成影响。

4.2 效益估算

注：因该项目是借以新系统备用设备的基础开展的，无法对系统所有渣饼实行两次浆化洗涤，目前项目中只能浆化新系统渣总量的三分之一，而渣排放时处于混合状态，如果按照正常取样所得则是综合渣样，因此渣样的提取化验及指标制定需要分类界定。

4.2.1 指标优化

经多次试验结果，在项目攻关后铅银渣水锌指标可定为：1.4%，相比2020 年生产报表平均值2.37%可降低0.97%。

综合渣样水锌指标：2.37%*0.67+1.4%*0.33=2.05%，相比2020 年生产报表平均值2.37%可降低0.32%。

4.2.2 提升锌金属回收

经项目攻关后该部分铅银渣支流水溶锌可降为1.4%以下，创造经济效益：

660×0.4×0.33×180×0.97%×14000 ≈212.956 万元/年（根据2020 年生产统计，焙砂加入量约660 吨/天，渣率40%，其中约三分之一可实现攻关项目。冬季10 月及次年3 月实行效果较差，车间不计划项目攻关，项目实行有效时间180 天/年，锌精矿：14000 元/吨）。

按照综合渣样计算：660×0.4×180×0.32%×14000≈212.89万元/年。

电能成本：[（5.5+0.75）×3+45×2]×4×3×30×12×0.38≈17.85万元/年。

厢压机油泵功率：5.5KW/台，拉板小车功率：0.75KW/台，厢压机按照最大运行量3 台计算，增设泵2 台，功率45KW/台，项目增加设备运行时间4 小时/班，电费0.38/度。

人力成本：5 万/年.人×8 人≈40 万/年。

综合效益：213-17.85-40 ≈155.15 万/年。