锌冶炼先进工艺技术要点及有效应用_侯丹莉.pdf

17Metallurgical smelting冶金冶炼锌冶炼先进工艺技术要点及有效应用侯丹莉，赵忠妹，文荣荣，杨丽娟摘要：锌冶炼行业中，大量金属锌用于制造锌铁板(白铁皮)和干电池,锌可与铜形成合金应用也很广泛，在冶金工业上，锌粉用作还原剂应用于金属镉，金，银的冶炼.锌主要以氧化物和硫化物存在于自然界，重要的矿石有闪锌矿、红锌矿、菱锌矿等。闪锌矿经浮选法得到含ZnS40%60%的精矿，然后焙烧为ZnO，用焦炭在1200 1300下还原并蒸馏出Zn。通过焙烧、热还原技术完成冶炼。现在较先进的湿法是20世纪80年代以后出现的，直接将精矿加压浸出的“全湿法”工艺，将ZnSO4溶液经净化后，电解可得99.5%纯度的锌.再经熔炼，可获得纯度99.99%的锌。我国在锌冶炼发展中，是国际中最大的锌生产及消费大国之一。但是随着国家节能环保政策的倡导，以及资源环境的压力增高，锌冶炼的工艺技术也逐渐创新。本文针对我国锌冶炼工业进行简述，并分析湿法浸出技术、热酸浸出技术以及加压富氧直接浸出技术的工艺要点及应用，结合含锌氧化矿及含锌铅银渣处理工艺工业技术创新进行研究，为锌冶炼工艺的不断完善及研究提供参考。关键词：锌冶炼；先进工艺；节能环保；技术要点；碳排放锌是我国工业发展的重要内容，在我国的需求度仅次于铝铜。在各行业不断发展的背景下，加大了对锌的需求。我国当前主要应用的锌冶炼技术为湿法浸出、热酸浸出等等。但是在全球环境恶化的背景下，各行业都向着节能环保、碳排放方向发展，这也对锌冶炼工艺提出了更高的要求。推动锌产业的不断升级，成为了工艺发展的关键内容。通过研究锌冶炼先进工艺技术要点及应用，可以有效帮助锌冶炼产业转型找到方向，在保证市场供需的基础上响应我国碳排放战略，实现节能环保目标。1 我国锌冶炼工艺简述锌矿石和锌精矿的焙烧技术工艺主要分为煅烧、还原焙烧、氧化焙烧及硫酸盐化焙烧等技术工艺。而焙烧是矿石和精矿进行冶金处理，如熔炼和浸出的基础工序。焙烧的实质在于加热矿石及精石，从而产生化学反应，转变其成分，从而满足进一步的冶金需求。但是矿石与精矿并不会熔化，所以需要通过特殊的工艺进行提取，才能满足金属物质的析出，从而获得金属。锌冶炼除了主金属Zn的成分差别大外，锌矿品位及成分也存在着很大的差别，所以想要开展浸出渣处理工艺并不顺利。锌冶炼浸出渣处理是国际都较为重视的问题，当前尚缺乏适用性广泛、成本低、收益高的技术工艺。在成型的冶炼废渣中，不同的工艺可以满足不同的废渣处理需求。结合我国现有锌冶炼工艺来看，从种类来看，可以分为湿法工艺及火法工艺，现分析如下：（1）湿法工艺。这种工艺是当前应用最广泛的工艺，目前大部分锌冶炼还以湿法工艺为主，可以占据我国锌冶炼工艺的大部分市场。通过焙烧、焙砂、铸锭等工艺流程，既保证了节能环保，还可以响应碳排放政策要求。湿法工艺全称为湿法浸出技术，可以分为低温和热酸两种浸出技术，低温技术较为传统，相较于热酸技术来讲，热酸技术具备先进性，可以结合不同的除铁工艺再分为黄钾铁矾工艺和针铁矿工艺等多种工艺。我国当前采用的浸出工艺还有常压富氧和加压富氧等浸出技术，能够满足我国浸出技术的多种情况，从而最大化地实现降低碳排放。（2）火法工艺。这种工艺技术在我国的发展已有很长的历史，在古代，人们就能通过炉甘石和炭放在统一的密闭容器中进行煅烧，从而获得锌。随着工艺的不断发展，到后来，实现了采用竖罐蒸馏法来煅烧制取锌。经过历史的演变，如今虽然部分制取工厂还保留着竖罐炼锌生产工艺，但是我国在这一工艺的基础上，已经实现了创新优化，例如目前主流的锌冶炼渣无害化火法处理工艺有烟化炉法、回转窑法、侧吹炉法、顶吹炉法、漩涡炉法等。但是因为电路工艺发展规模不大，所以受到了一定的发展影响。在历史中，我国曾经也应用密闭鼓风炉炼锌法，但是由于能源耗费过大，所以已经被逐渐淘汰。可见，我国当前锌冶炼工艺还尚处于发展阶段，缺乏对工艺的创新与完善，还需要不断研究，才能找到属于我国持续发展特色路线的冶炼工艺。2 湿法浸出技术要点和应用实践锌精矿中含有丰富的ZnS，在常温下不能直接采用稀硫酸浸出，而通过焙烧，可以充分实现物态的转化，从而将ZnO浸出。随着我国锌冶炼工艺的不断进步，高温高酸浸出成为了工艺应用的主流，但是因为不符合工业节能环保要求，所以加入了火法工艺，进行废弃物、固体残渣等方面的处理，降低对环境的影响。所以当前所采用的工艺主要为常规浸出工艺，并逐渐在规模和节能环保等方面加强了完善。2.1锌精矿流态化焙烧设备的应用实践流态化焙烧属于一种较强的焙烧工艺，也是当前应用最多的工艺方法。在焙烧过程中，可以让空气由上到下经过固体炉的18Metallurgical smelting冶金冶炼料层，在操作中的流气速度会大于常规颗粒流化速率，结合工艺要求来灵活决定颗粒带出速度，从而达到风吹动固体物料实现分离的效果，并在特定的高度内做出复杂的运动状态。流态化焙烧炉有一定特点，例如固间传质传热速率快、层内温度均匀等等，能够有效满足自动化和作业连续化的需求，所以在锌冶炼行业中的应用范围广泛，受欢迎度高，也正因为这一优势，在我国的锌冶炼行业的应用实践中正在实现不断的规模化。2.2锌冶炼新型电解槽极板的应用实践在常规浸出工艺中，锌的电解沉积属于不可缺少的工艺之一，这一工艺的工序需要应用直流电，将硫酸锌溶液内的锌离子通过电解实现沉积，从而在阴极板中分离出金属锌。由于这种工艺的应用对于条件要求较高，所以在技术设备上的依赖性较大。工艺的发展主要起源于二十世纪60年代的比利时，随后才发展到国际中广泛应用。当前最大的锌电解槽阴极板在墨西哥的MMP公司，总面积约为6m2。在实际应用中，这种工艺技术的优势性较为明显，例如减少了电解槽的数量，最大可减少半数以上的电解槽，可见节能较强，还能减少占地面积，降低企业的成本投资。再如，可以加强电解液的净化效果、实现集约化镀锌等等，在改善环境、提高生产效率方面，在当前有着不可替代的作用。我国进入21世纪后，成为了锌冶炼生产和需求最大的国家之一，但是由于冶炼技术的发展较为缓慢，国际中先进技术传至我国为时尚短，所以与先进国家还有很大的差距。但是总体来讲，我国锌冶炼工艺正在快速发展，如电解沉淀工艺的自动化、大极板研究完善，可见在不断的创新完善中，我国锌冶炼发展将会获得不断地进步。2.3常规湿法浸出工艺无害化技术的应用实践在国家节能环保、持续发展的战略领导下，企业们逐渐由传统的能源耗费高、环境有害性强的工艺，优化至当前无害性工艺中，采用常规法浸出工艺是当下公认的无害化技术，通过研究分析，可以为企业提供发展方向。2.3.1奥斯麦特技术应用这种工艺主要是采用喷枪直接插入渣层，并在熔池内吹入富氧空气和还原性气体等，让炉料产生剧烈的搅拌，充分实现氧化、熔化，属于一种物理工艺方法。通过连续的熔炼，经喷枪，将燃料及粉料吹至熔池中，有效地保证了作业的连续性，从而保持温度的稳定性。这一工艺起源于韩国，最早传入我国时主要在蒙古一大型企业中进行试点应用，随后逐渐在国内发扬。在排放过程中，还可以中断进料，从而实现给料循环效果。这一工艺不仅在锌冶炼中较为常用，同样在铁矿、有色金属的冶炼中，还有残渣回收处理时，都可以应用。具备操作简单、灵活性强等多种优点。2.3.2烟化炉技术应用技术原理主要是通过提取炉渣内的固体金属和挥发性金属。应用这一方法，在高温环境中，把熔融炉渣及粉煤混合物进行吹炼，从而得到容易挥发的金属和氧化物烟尘，并进行富集回收。这一技术也是金属冶炼行业中应用广泛的技术。虽然具备效率高、成本低、操作简便的优势，但是因为可能产生CO等有危害气体，所以有易爆炸等风险，还需要控制粉煤质量及贮存时间，并加强管理工作，才能保证在符合安全原则的基础上，满足金属生产需求。2.3.3燃烧熔池技术应用全称为侧吹浸没燃烧熔池熔炼技术（SSC），最早由我国恩菲公司开发，并获得了自主知识产权。通过将多通道侧吹喷枪高速向熔池内喷入富氧空气和燃料，例如天然气、煤气等等，以剧烈搅动熔体和通过直接燃烧向熔体补热为主要特征。这种工艺技术方法较为特殊，可以应用在多种类物料中，尤其适用于锌浸出渣环节中。在熔炼区加入炉料后，硫酸盐等物料会借助搅动而迅速地融合至熔体内，从而发生物理反应，促进炉料熔化分解。并且，通过侧吹喷枪喷入熔料，可以为物料提供热量来源，可见这一技术极大地满足了系统的需求，不仅可以提高生产效率，还具备较为丰富的过程。因为SSC独特的工艺性及优势，我国的废铅酸蓄电池铅膏SSC技术在国际中有着引领再生铅产业发展的重要作用，并且在城市矿资源利用、危险废弃物处理、冶炼金属废物、含锌废物无害化处理中都有极大的用处。目前，SSC技术正在逐渐向工业电镀污泥、焚烧残渣、飞灰、废矿物油、废活性炭等危险废物领域拓展其应用。这一对于我国社会发展来讲，为社会效益和环保技术的进步提供了有利条件。3 热酸浸出技术工艺和加压富氧直接浸出工艺的要点和实践3.1热酸浸出技术工艺在锌焙砂的酸浸期间，为了让锌焙砂中的锌充分进入酸浸液内，在锌冶炼工艺中，通常会应用热酸浸出技术来实现。虽然可以有效满足锌浸出要求，但是在应用技术后，锌焙砂会浸出大量的铁，并进入到锌浸液里。为了降低对锌电解时的铁离子干扰，所以采用赤铁矿除铁法，把含有锌浸出液的铁离子用赤铁矿的方法沉淀出去。采用这种热酸浸出工艺，可以有效满足除铁需求，从而保证锌的回收率和除铁的效果，从而让赤铁矿作为炼铁原料等回收利用特点。在国际中，锌的热酸浸出使用的是黄钾铁矾法及针铁矿法，例如应用在日本和德国的生产企业。以往，我国采用的锌的热酸浸出，大部分借助黄钾铁矾法、低污染铁矾法等方法弯完成。而随着技术的不断进步，在国家政策倡导、环境保护压力下，企业的经济成本逐渐增多，而对于赤铁矿法的研究也逐渐加大，相较于其他的工艺来讲，赤铁矿法的应用优点，例如终渣量少，铁品位高，可以作为炼铁的原料实现资源综合利用，能最大化地提高企业经济效益，减少企业所投入的生产成本。例如，在实际应用19Metallurgical smelting冶金冶炼中，恩菲企业参与研发赤铁矿工艺铁资源化项目，以及无碳绿色湿法炼锌，通过工艺的完善，突破了高铁锌矿单独冶炼开发利用的重要问题。在实际应用中，通过工艺焙烧高铁硫化锌、还原铅银渣、置换沉铜脱砷等工艺，通过一系列处理后，得到了赤铁矿渣回，实现了铁资源的回收，在沉铁后，返回了浸出工艺。3.2加压富氧直接浸出工艺加压富氧直接浸出工艺应用的是高温加压设备，将氧气通入硫酸溶液，从而实现硫化锌氧化，回收硫单质，将锌转变为锌离子，从而融入溶液里，参与电解。这一工艺具备浸出效率快、产物回收率高的优势，因为工艺内的硫用单质的方法回收，所以较为适合需求不大，且运输成本较高的企业。这种工艺技术，是我国锌冶炼技术应用的重要技术之一。拥有流程短、污染率低、金属回收性高等优势。通过应用，节省了原始焙烧、干燥及制酸等作业工序，并且减少SO2的污染性，缓解了运输困难的问题，可以保证Zn98%-99%的浸出率。在扩产改造中，常压和加压浸出液等工序对环境条件要求不高，所以完全可以送进老厂，从而送进氧化槽的主流程。4 回转窑挥发回收锌技术和侧吹浸没燃烧熔池熔炼技术要点和实践4.1回转窑挥发回收锌技术这一技术的应用可以应用在多种工业生产中，例如氧化矿、废料渣的煅烧、焙烧等等，其工艺具备可靠性高、操作灵活简便等多种优势，所以在冶炼行业里广受欢迎。同时，挥发回转窑处理锌浸出渣工艺在锌浸出渣处理厂是新工艺新设备，主要的特点在于设备大、设备处理能力大、自动化程度高、产品质量较稳定，但总体投资大。今后生产中，如何提高对挥发窑系统的操作水平、技术水平，实现稳定生产，努力提高生产能力和延长生产周期将成为公司氧化锌分厂的重点攻关目标。这一技术的应用主要是避免锌在冶炼期间环境污染率过大，所以对于对渣中的有害成分进行回收。回转窑在环保中的技术领先性逐渐提高，污染源和污染设备的处理有着非常大的改善，从而提升环保效果。浸出过滤渣中，包含了有价金属和锌，如果不能有效进行处理，就会对环境造成极大的负担，并导致有价金属流失。结合浸出渣成分及冶炼条件来看，很多冶炼厂所用的都是传统的威尔兹法处理浸出渣，利用挥发窑系统来处理炼锌的浸出渣，实现有价金属的回收。4.2侧吹浸没燃烧熔池熔炼技术锌冶炼的浸出渣，已经被列入在 国家危险废物名录 中，可见其在工业废弃物中的危害性是极大的。采用原始的处理技术能耗较高，且无法处理半成品、回收率低。所以，既要保证安全性，还要做出无害化处理。在2008年，中国的恩菲联合业主单位开展侧吹炉处理锌浸渣实验。经过不断的研究后，获得了有效的技术突破。技术通过利用危废处置，以及资源化利用一体化工艺装备对锌冶炼后的浸渣进行处理，冶炼的温度最高可以达到1400。结合当前发展现状来看，这一生产线的处理可以远远超过设计的固定数值，而在烟化炉贫化等工序中，满足工艺需求。这一工艺的应用，推动了我国冶炼工艺的完善和升级，获得了工业发展的一项突破，有效的将铅锌氧化矿、钒钛磁铁矿、含锡污泥、红土镍矿等工业固废及和危险废弃物合理处理，满足了技术保障，促进技术不断的发展，推动工业冶炼向着节能环保、绿色方向发展。这一技术，主要是用多个通道的侧吹喷枪，在熔池内喷入富集空气及燃料等，让熔体出现剧烈搅动，从而实现熔炼，在工业应用中广泛受到欢迎。随着工业技术的研究发展，我国找到一种兼顾了侧吹浸没燃烧熔池技术，和电冶炼技术等优点的技术，即新型的火法炼锌技术。通过将两大技术的整合应用，提升了熔炼技术的有效性。因为含锌氧化矿和二次物料的射流熔炼区熔化为含锌渣，所以进入电热还原区还原后产出锌蒸气。这一技术的应用，可以便于熔渣显热，降低了能耗及碳排放，满足了工艺集中程度高的需求，还能在冶炼过程中让工艺流程显著缩短。但是工艺尚处于研究阶段，并未在我国或国际中广泛普及，还需要不断的试验、研究，并完善，才能在国际中推广应用。但是相信在不久的未来，这一技术能够完善，并替代传统的技术，从而推动我国工业锌冶炼技术的创新革新，使冶炼技术更加符合节能环保的绿色发展要求。5 结语结合我国当前锌冶炼现状来看，所应用的主要工艺为湿法工艺、火法工艺两大类型。而因为工艺的不同，在应用中也受到不同的欢迎度。湿法工艺因为其独特的优势，在国内广泛受到欢迎，不仅能够帮助冶炼企业实现长远稳定的发展，还能减少能源资源的消耗，推动着企业的转型升级。在国家节能环保的倡导下，锌冶炼行业的高温高酸浸出工艺及浸出渣等已经被列为环境高风险、危险废料，通过采用浸出工艺，可以提升浸出渣的无害性。例如侧吹浸没燃烧熔池熔炼技术、热酸浸出中的赤铁矿铁工艺技术等，在工业中应用都较为广泛。同时，锌冶炼技术中的废渣回收处理技术，如回转窑挥发回收锌技术、侧吹浸没燃烧熔池熔炼技术，以及当前兼顾了侧吹浸没燃烧熔池技术，和电冶炼技术等优点的新型的火法炼锌技术，都是我国当前重要的工艺技术，这些技术的应用无论在原生矿冶炼作业中，还是在含锌二次物料的处理回收中，都有着极大的应用价值，相信随着技术的完善，还能为我国工业行业提供更大的价值。（作者单位：大理恒泰安全科技有限公司）