回转窑富氧燃烧处理锌浸出渣工艺研究.pdf

第 50 卷 第 3 期有色金属设计Vol.50 No.32023 年 9 月Nonferrous Metals DesignSept.2023收稿日期:2023-01-05作者简介:杨坤(1981),男,云南昭通人,硕士,高级工程师。主要研究方向:有色冶金咨询设计和相关工艺研究。回转窑富氧燃烧处理锌浸出渣工艺研究杨坤1,刘建平2,胡雷贵3,刘自虎3,华志宇1(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司,云南 昆明 650051;2.云南驰宏锌锗股份有限公司,云南 曲靖 655011;3.云南云铜锌业股份有限公司,云南 昆明 650000)摘要:文章通过对回转窑富氧燃烧处理锌浸出渣工艺的工业试验研究,表明富氧燃烧对降低窑渣含锌和燃料率,提升处理量效果显著。关键词:富氧燃烧;回转窑;锌浸出渣;窑渣含锌;燃料率中图分类号:TF813文献标识码:B文章编号:1004-2660(2023)03-0029-05Study on Treatment of Zinc Leaching Residue by Oxygen-enriched Combustion in Rotary KilnYANG Kun1,LIU Jianping2,HU Leigui3,LIU Zihu3,HUA Zhiyu1(1.Kunming Engineering&Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.,Ltd.,Kunming Yunnan 650051,China;2.Yunnan Chihong Zn&Ge Co.,Ltd.,Qujing Yunnan 655011,China;3.Yunnan Yuntong Zinc Industry Co.,Ltd.,Kunming Yunnan 650000,China)Abstract:Through the industrial test and research on the process of treating zinc leaching residue by oxygen-enriched combustion in rotary kiln,it is shown that oxygen-enriched combustion has a remarkable effect on re-ducing the zinc in kiln slag and combustion rate and increasing the treatment capacity.Keywords:Oxygen-enriched combustion;Rotary kiln;Zinc leaching residue;Zinc in kiln slag;Consump-tion rate0 引 言世界上最早发现并使用锌的是中国,储量居世界第四位,我国锌矿分布相对较集中,从省份上来看,主要集中于云南、内蒙古、甘肃、广东、湖南、四川、广西等省(区)1,云南的锌储量为全国之首,约占国内总储量的 22%。锌是一种银白色过渡金属,密度为 7.14 g/cm3,熔点为 419.5,锌在自然界中,多以硫化物状态存在,主要矿物形式是闪锌矿2。由于经镀锌后的产品在常温下表面易生成一层保护膜,具有优良的抗大气腐蚀性能,因此锌最大的用途是用于镀锌工业。锌本身的强度和硬度不高,但加入铝、铜等合金元素后提高了其强度和硬度,使得含锌合金广泛应用于汽车制造和机械行业。锌还可以用来制作电池,如锌锰电池以及锌空气蓄电池等。此外,在橡胶、涂料、搪瓷、医药、印刷、纤维、油漆等工业方面也有较为广泛的应用3。1 锌浸出渣处理工艺现状锌浸出渣通常是指湿法炼锌过程中经酸浸-中浸等浸出工艺过程后过滤得到的滤渣,根据生产经验数据,通常情况下生产 1 t 电锌将会产出约 1 t 的锌浸出渣,按现有电锌产能来看,渣量有色金属设计第 50 卷巨大。同时由于该浸出渣属于危险固体废物,含有较多的锌及其他如铅、铜、镉、铟、锗及金、银等有价金属,为充分利用资源提高有价金属回收率,减轻对环境的污染,提升锌冶炼企业的综合效益,这都决定了锌浸出渣必须进行资源化和无害化处理。目前针对锌浸出渣的处理工艺主要有火法和湿法,火法工艺有回转窑挥发法、烟化炉法、富氧侧吹法、奥斯迈特法等工艺,湿法工艺主要采用热酸浸出法。主流的处理工艺是以火法为主,其中回转窑挥发法最为常见,该次研究采用回转窑富氧燃烧工艺来处理锌浸出渣。回转窑挥发法的主要原理是:锌浸出渣中的锌主要以铁酸锌的形态存在,火法处理是基于铁酸锌中的锌在 1 1001 300 温度下被碳质还原剂还原,浸出渣中的铅、锌、铟、锗、银等有价金属被一氧化碳还原为金属而挥发进入烟气,生成的锌以锌蒸气的形态挥发出来氧化得到氧化锌粉,随烟气带至收尘设备中被收集下来,收集得到含锌 60%左右的氧化锌粉,这些氧化锌粉可返回锌焙砂浸出车间处理。该火法工艺锌的回收率约为 90%,可同时回收铅及部分铟、锗、银等有价金属,但该工艺也存在碳质还原剂和燃料配入量大、渣含锌、含碳高、烟尘含碳高、烟气处理不当会污染环境以及部分有价金属得不到有效回收等缺点。2 工业化研究2.1 企业生产现状企业现有生产工艺为回转窑挥发浸出渣产出氧化锌的传统工艺,主要设备为企业自有建于2003 年的 3.4552 m 回转窑,配套压缩空气、氧气、余热锅炉及烟气收尘系统。与目前国内其他同类型企业相比存在设备性能不佳、工人工作劳动强度大、环保排放要求、产品单位能耗等指标落后,且安全及职业健康方面也存在隐患。其主要技术参数见表 1。2.2 试验原料由于不同原料,不同的冶炼生产工艺等导致了锌浸出渣的成分和物相组成存在一些差异,该次试验采用企业浸出工序产出的浸出渣,针对 4个批样进行了取样检测,其主要成分见表 2。表 1 主要技术参数Tab.1 Main technical parameters序号项目内容指标1窑体直径/mm3 4502窑体长度/m523有效容积/m35924窑体斜度/%55窑体转速/rpm0.350.86操作温度/1 1001 3007窑尾温度/6507008炉衬材料镁砖、铬渣砖、高铝砖、粘土砖9日处理量/(t/d)38010罗茨风机/(m3/min)11011风压/MPa0.15表 2 锌浸出渣成分表Tab.2 Composition of zinc leaching residue编号分析元素/%ZnPbFeCuIn/(g/t)Ag/(g/t)S114.924.4015.260.62378.83260.708.90215.203.8316.610.77383.58188.128.94314.593.0117.460.66345.36186.588.60414.942.2918.840.83420.44163.698.40平均14.913.3817.040.72382.05199.778.7103杨坤,刘建平,胡雷贵,等:回转窑富氧燃烧处理锌浸出渣工艺研究 采用的燃料(无烟粉煤)成分见表 3。表 3 燃料成分表Tab.3 Fuel composition编号分析元素/%灰份挥发份固定碳硫水份117.707.2874.661.179.30217.737.2074.551.179.30317.827.5474.411.349.50417.757.1274.871.329.90平均17.757.2974.621.259.52.3 试验装置及方法2.3.1 理论基础及主要工艺过程富氧燃烧是指用氧含量超过 21%的富氧空气作为助燃气体,这种燃烧方式成为富氧燃烧。富氧燃烧的原理是:空气中的氧含量高,燃料燃烧更加充分、燃料分子在富氧状态下会更加活跃,燃料分子与氧气分子结合的更加完全,从而释放更多的热量。同时富氧燃烧能够有效的降低燃烧后各种排放物的有害程度,对于节能减排有很好的应用前景4。在标准状态下,空气成分中含氧约 21%,氮气约 78%,其余 1%为稀有气体和二氧化碳,根据富氧燃烧的理论,燃烧反应时通过增加氧气含量可大幅提高燃烧热效率,释放出更多的热量,通过富氧技术的应用可缩短升温、降低燃料率,达到节能降耗,降低污染物排放,提高企业经济效益的目的5。该次工业化研究采用回转窑富氧挥发工艺,利用企业现有回转窑挥发工段进行生产试验,配套压缩空气、氧气、余热锅炉及烟气收尘系统。主体生产工艺:含锌渣储矿备料配煤混料回转窑挥发窑渣水淬;回转窑烟气沉降室余热锅炉电收尘。锌浸出渣和无烟粉煤在原料库内按一定配比混合,混合后的物料用皮带秤计量后,送入回转窑窑尾料仓,再通过圆盘给料机将混合料加入回转窑,同时回转窑窑头用富氧压缩空气喷吹,压缩空气工作压力 0.12 MPa,以高速喷入回转窑,在回转窑内物料经过干燥、预热、反应挥发出有价金属,主要为氧化锌的产物以烟尘形式进入烟气,剩余的窑渣在窑内冷却后,在窑头出窑,水淬冲入冲渣池,产生的窑渣用抓斗捞取送指定地点,堆存外售。含金属氧化物的烟气从窑尾出窑,进沉降室沉降大颗粒尘,此处的尘收集后用刮板机、斗提机送入窑尾加料仓和综合料混合;出沉降室的高温烟气进入废热锅炉降温并回收余热,后进入电收尘器收尘,收集的烟尘为产品氧化锌粉,用刮板输送机送储料仓。挥发窑内主要的化学反应如下:料层内:C+O2CO2CO2+C2COZnO+COZn(气)+CO2ZnO+CZn(气)+COFe2O3+CO2FeO+CO2FeO+COFe+CO2ZnO+FeZn(气)+FeO料层上部空间:2Zn(气)+O22ZnO2CO+O22CO22.3.2 试验装置该试验基本利用原有设施设备,除增加的富氧混均站、自动化监测控制仪表外,基本利用原有设施设备,或对原有设备进行技术改造。富氧试验系统由富氧混均站、空气压缩站、回转窑、出口烟道及引风机、仪表控制系统构成。其中,空气压缩站、回转窑、出口烟道及引风机系企业自有,因建成时间较早,仪表监控自动化水平不足,需进行改造或加设仪表连锁,增设整个系统的自动化仪表 PLC 控制系统。空气压缩机的出口风压略有不足,工作压力 0.15 MPa,理论计算需0.185 MPa,可视实际运行状态确定。企业已有供氧设施,可提供 0.8 MPa 的 O2。富氧混均站其主要装置为具有自主知识产权的富氧混均器,将氧气和压缩空气充分混合,按压缩空气最大流量 110 m3/min、氧气(纯度99%)最大流量 23.7 m3/min 设计,即最大富氧度 38%(压缩空气流量 85%)。富氧混均站示意图见图 1。(1)氧气系统管道 894.5,材质 A304,设计工作压力:减压阀前 0.8 MPa,减压阀后 0.2 MPa。设置 OF型氧气过滤器、YK43F 先导活塞氧气减压阀、带计量功能的 ZXP 型气动薄膜直通单座氧气流量调节阀。13有色金属设计第 50 卷图 1 富氧混均站示意图Fig.1 Schematic diagram of oxygen-enriched mixing station 为防止外部管线内部的焊渣、铁锈或其他异物伤损超音速旋流喷嘴,故在减压阀前设置氧气过滤器。投产初期,每半月清理 1 次,后根据清理情况可每季度、每半年清理 1 次。因氧气管线运行安全等级高,故设置双管供气,一用一备。(2)压缩空气压缩空气由空压站提供,供气管道口径 DN150,工作压力0.15 MPa,最大流量110 Nm3/min。管道设置空气过滤器,确保外部管线内部的焊渣、铁锈或其他异物不伤损超音速旋流喷嘴。空气过滤器口径 DN200。每半年清理 1 次。(3)氧气混均器氧气混均器口径 DN350,前后设置波纹管补偿器。氧气管道以 30斜角进入氧气混均器,氧气经混均器进行 2 次混均,保证 2 种气体混合均匀,氧气混均器后设置 HTZO 氧化锆氧量分析仪、压力传感器各一。为保证富氧空气管线压力损失控制在要求的范围内,富氧空气管道口径 DN200,材质 A304,且氧气混均器距离锌挥发回转窑距离50 m,尽量减少弯头数量。2.3.3 试验方法该次工业化试验为期 82 天,在稳定回转窑工况条件下,通过试验装置调节压缩空气中的氧含量,使窑头供风氧浓梯度逐步从 21%增加至27%,分别研究不同氧浓条件下窑渣含锌、燃料率和处理量的变化情况,找出较为合理且具有较好经济效益的工艺条件。2.4 试验结果与讨论2.4.1 氧含量变化对窑渣含锌的影响该次试验第一阶段,研究不同氧浓梯度窑头供风对窑渣含锌的影响,在稳定回转窑工况条件下,控制处理量在 19010 t/d、焦比 452%范围时开展试验研究,试验结果见图 2。图 2 窑渣含锌随富氧浓度的变化Fig.2 Variation of zinc in kiln slag with oxygen-enriched concentration从图 2 可以看出,随着压缩空气中的氧含量增加,窑渣含锌逐渐降低。当压缩空气中氧含量为 21%时,窑渣含锌为 3.46%,随着氧含量的逐渐增加,窑渣中的锌进一步降低,特别是在富氧量 达 25%时,窑 渣 含 锌 下 降 明 显,降 至1.42%,在富氧量达 25%以后直至 27%,窑渣含锌继续下降,但下降曲线逐渐平缓。2.4.2 氧含量变化对锌燃料率(焦比)的影响该次试验第二阶段,研究了不同氧浓梯度窑头供风对燃料率(焦比)的影响,在稳定回转窑工况条件下,控制处理量在 19010 t/d,在不同氧浓梯度条件下调整焦比使窑渣含锌稳定保持在20.2%开展试验研究,试验结果见图 3。从图 3 可以看出,随着压缩空气中的氧含量增加,燃料率(焦比)逐渐降低。当压缩空气中氧含量为 21%时,焦比为 48.93%,随着氧含量的逐渐增加,焦比进一步降低,特别是在富氧量达 26%以后,焦比下降明显,达到 37.55%,进一步将富氧量加大到 27%时,窑渣含锌率继续下23杨坤,刘建平,胡雷贵,等:回转窑富氧燃烧处理锌浸出渣工艺研究降到 36.07%。图 3 燃料率随富氧浓度的变化Fig.3 Variation of fuel rate with oxygen-enriched concentration2.4.3 氧含量变化对处理量的影响该次试验第三阶段,研究了不同氧浓梯度窑头供风对处理量的影响,在稳定回转窑工况条件下,控制焦比在 452%,在不同氧浓梯度条件下调整处理量使窑渣含锌稳定保持在 20.2%开展试验研究,试验结果见图 4。图 4 处理量随富氧浓度的变化Fig.4 Variation of treatment capacity with oxygen-enriched concentration从图 4 可以看出,随着压缩空气中的氧含量增加,处理量逐渐上升。当压缩空气中氧含量为 21%时,处理量为 148.12 t/d,随着氧含量的逐渐增加,处理量进一步上升,当富氧量达 25%时,处理量上升至 212.08 t/d;富氧量达 25%以后直至27%,处理量上升曲线逐渐平缓。3 结 语通过回转窑富氧燃烧处理锌浸出渣的工业试验研究,研究表明:(1)使窑头供风氧浓梯度逐步从 21%增加至 27%时,窑渣含锌从 3.46%降至 0.88%,燃料率(焦比)从 48.93%降至 36.07%,浸出渣处理量从 148.12 t/d 提升至 231.63 t/d。(2)当窑头供风氧浓达 25%时,窑渣含锌1.42%、燃料率(焦比)40.11%、浸出渣处理量 212.08 t/d,指标提升尤为明显。(3)当窑头供风氧浓超过 25%后直至 27%,指标提升逐渐平缓。参考文献:1 本书编委会.铅锌冶金学 M.北京:科学出版社,2003.2国土资源部.全国矿产资源储量通报R.北京:国土资源部,2009.3田尤,刘廷,曾祥婷,等.我国锌资源产业形势及对策建议J.现代矿业,2015(4):5.4李晗钰.富氧燃烧技术简介 J.铝镁通讯,2019(2):2.5华志宇,杨云冬,王斌.富氧燃烧技术和有色火法冶金“碳达峰”J.有色金属设计,2022,49(3):43-47.33