鋅精礦沸騰爐富氧焙燒的可行性分析

周開(kāi)敏，陳興亞，丁雁波

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南曲靖 657800)

鋅精礦沸騰爐富氧焙燒的可行性分析

周開(kāi)敏，陳興亞，丁雁波

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南曲靖 657800)

富氧焙燒工藝在冶金和化工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。以鋅精礦109 m2沸騰焙燒爐為例，從爐床能力、余熱利用、渣塵質(zhì)量及焙燒電耗等方面分析了采用φ(O2)25%的富氧空氣替代空氣焙燒鋅精礦的可行性。采用富氧空氣后提高沸騰爐爐床能力，爐床能力從33.3 t/(m2·d)提高至39.6 t/(m2·d)，硫酸可增產(chǎn)15～17.5 kt/a，按300元/t計(jì)，每年可增收約337.5萬(wàn)元。

鋅精礦 富氧焙燒 可行性 爐床能力

目前大多數(shù)濕法煉鋅廠(chǎng)采用傳統(tǒng)的濕法煉鋅工藝， 鋅精礦在沸騰爐內(nèi)通過(guò)焙燒脫硫，盡可能地將硫化物轉(zhuǎn)化成氧化物、少量的硫酸鋅和含硫煙氣，焙燒渣塵進(jìn)入濕法煉鋅、煙氣送去制酸。鋅精礦焙燒方式有2種，一種是氧化焙燒，另一種是硫酸化焙燒。硫酸化焙燒主要反應(yīng)方程式如下：

2ZnS+3O2→2ZnO+2SO2

(1)

ZnS+2O2→ZnSO4

(2)

3ZnSO4+ZnS→4ZnO+4SO2

(3)

2SO2+O2→2SO3

(4)

鋅精礦硫酸化焙燒的目的主要有二：一是將礦中ZnS盡量氧化變成ZnO，同時(shí)也使礦中的鉛、鎘、砷和銻等雜質(zhì)氧化變成易揮發(fā)的化合物或直接揮發(fā)而從礦中分離出去；二是使礦中的硫氧化變成SO2，產(chǎn)生有足夠濃度的SO2煙氣以便制取硫酸。

沸騰焙燒過(guò)程的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)有爐床能力、焙燒渣塵質(zhì)量(即殘硫、可溶鋅量及總鋅量)和煙氣質(zhì)量等。對(duì)于一個(gè)煉鋅廠(chǎng)而言，爐床能力直接決定電鋅的產(chǎn)量，必須考慮提高爐床能力。在實(shí)際生產(chǎn)中，如果一味的提高鋅精礦焙燒投料量來(lái)提高爐床能力的話(huà)，制酸系統(tǒng)存在高氣濃下氧硫比失衡造成轉(zhuǎn)化系統(tǒng)控制困難及尾氣排放超標(biāo)等問(wèn)題，如何解決制酸系統(tǒng)和焙燒系統(tǒng)之間存在的問(wèn)題成為提高爐床能力的關(guān)鍵。

采用富氧空氣焙燒鋅精礦可以加快硫的燃燒速度、 提高爐床能力、降低能耗，為制酸系統(tǒng)提供足夠的氧來(lái)解決氧硫比失衡造成的轉(zhuǎn)化壓力，從而提高硫酸產(chǎn)量，降低尾氣排放。目前就常規(guī)濕法煉鋅廠(chǎng)而言，采用富氧焙燒的企業(yè)極少。現(xiàn)以109 m2的沸騰焙燒爐為例，從工藝技術(shù)方面論證富氧空氣替代空氣焙燒鋅精礦技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和合理性。

1 制氧方法

氧氣和富氧的生產(chǎn)方法目前主要有3種：深度冷凍法、變壓吸附法及膜分離法[1]。深度冷凍法是最主要的、比較經(jīng)濟(jì)的制氧方法，產(chǎn)品中φ(O2)95%時(shí)氧的電耗為0.40～0.65 kWh/m3。變壓吸附法是20世紀(jì)70年代快速發(fā)展起來(lái)的制氧方法, 具有運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備少、維修簡(jiǎn)便、 自動(dòng)化程度高、 單套設(shè)備生產(chǎn)能力大等特點(diǎn)，產(chǎn)品中φ(O2)為35%～95%時(shí)，氧的電耗為0.25～0.48 kWh/m3。膜分離法于20世紀(jì)90年代工業(yè)化，是最具吸引力的制氧方法，在經(jīng)濟(jì)性、易操作性上具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，目前單臺(tái)(套)設(shè)備產(chǎn)氧量為150～1 000 m3/h，產(chǎn)品中的φ(O2)<40%，氧的電耗0.18～0.30 kWh/m3。

2 富氧空氣焙燒對(duì)爐床能力的影響

爐床能力是沸騰焙燒最主要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，直接關(guān)系到產(chǎn)品電鋅的產(chǎn)量。煉鋅廠(chǎng)一般采用空氣焙燒，空氣中φ(O2)僅占21%，高原地區(qū)還達(dá)不到20%，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氧的含量會(huì)更低，從空氣中擴(kuò)散到固體表面上的量也會(huì)減少。所以提高氣流中氧的濃度即采用富氧空氣，有利于O2向硫化鋅精礦顆粒表面擴(kuò)散，從而加速氧化反應(yīng)。采用富氧空氣焙燒是強(qiáng)化流態(tài)化焙燒的有力措施。

具體采用多少O2濃度最好，需考慮到沸騰爐熱平衡、后續(xù)設(shè)備的能力等問(wèn)題，不能一味的提高富氧空氣中O2的濃度。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道和國(guó)外一些廠(chǎng)家的生產(chǎn)實(shí)踐，采用富氧焙燒φ(O2)控制在23%～26%為宜?，F(xiàn)以φ(O2)控制在25%為例加以說(shuō)明。按反應(yīng)式(1)焙燒1 t ZnS需要的氧氣量MO2為：

MO2=106×3×32×0.9/(97.4×2)=443 532 g

氧的密度為1.429 g/L，所以氧的體積VO2為：

VO2=443 532/1.429=310 379 L

經(jīng)計(jì)算，焙燒1 t ZnS需要的理論氧氣量為310 m3(1 t ZnS是指進(jìn)爐物料，計(jì)算時(shí)要除去10%的原料含的水分)，考慮鋅精礦中含有其他如Fe，Pb，Cu等雜質(zhì)在焙燒過(guò)程會(huì)消耗一部分O2，所以取焙燒1 t ZnS需要350 m3氧氣，也就是說(shuō)焙燒1 t鋅精礦需要一般空氣[φ(O2)21%]1 667 m3，富氧空氣[φ(O2)25%]1 400 m3。考慮到氣流特性、冶煉方式等原因，空氣富裕系數(shù)取1.2，在風(fēng)量恒定為60 000 m3/h時(shí)可得表1數(shù)據(jù)。

表1 鋅精礦采用不同氧濃度焙燒的爐床能力

由表1可見(jiàn)：風(fēng)量恒定的情況下采用富氧空氣焙燒比采用一般空氣焙燒的爐床能率和投料量都大大提升，爐床能力提升了20%左右。

3 富氧空氣焙燒對(duì)余熱回收系統(tǒng)的影響

硫化鋅精礦w(S)一般在30%左右，在氧化焙燒過(guò)程中可放出大量的熱量。焙燒1 kg硫化鋅精礦可放出4 200～4 800 kJ的熱能，不僅能維持高溫焙燒的自熱進(jìn)行，還含有大量的余熱可以用來(lái)生產(chǎn)高壓蒸汽，除供生產(chǎn)使用外，還可以用來(lái)發(fā)電。鋅精礦流態(tài)化焙燒的熱平衡實(shí)例(床層反應(yīng)溫度按平均920 ℃、爐子出口煙氣溫度按950 ℃)如表2所示。

表2 鋅精礦流態(tài)化焙燒的熱平衡(以100 kg精礦計(jì))[2]

從表2可以看出:100 kg鋅精礦沸騰焙燒爐可利用的余熱約為1.38×105kJ。

采用富氧焙燒后，隨著投料量的增大，爐床能率的上升，將在原來(lái)爐況基礎(chǔ)上帶入更多的熱，這部分熱量如果移不走將造成焙燒溫度大幅上升，直接對(duì)焙燒渣塵的質(zhì)量造成影響。對(duì)于這部分熱量最好的處理方式無(wú)疑是在不改變沸騰爐結(jié)構(gòu)的情況下靠換熱裝置帶走。目前對(duì)于109 m2沸騰爐最常用、最有效的方式是在爐內(nèi)安裝冷卻盤(pán)管，只要增加盤(pán)管的換熱面積，帶走由于采用富氧焙燒后產(chǎn)生的熱是沒(méi)有問(wèn)題的。但是，考慮到鍋爐安全運(yùn)行和鍋爐改造成本等因素，沸騰爐采用富氧空氣焙燒不應(yīng)該一味注重爐床能力的提升，而應(yīng)充分考慮現(xiàn)有設(shè)備可承受能力，不追加投入更多的設(shè)備改造資金。

4 富氧焙燒對(duì)焙燒渣塵的質(zhì)量影響

鋅精礦硫酸化焙燒是為濕法煉鋅浸出工藝作準(zhǔn)備的焙燒方式，其實(shí)質(zhì)是使硫化物基本上氧化成氧化物，其中硫化鋅大部分變成氧化鋅，而硫幾乎都生產(chǎn)二氧化硫進(jìn)入煙氣，只留有2%～3%呈硫酸鹽狀態(tài)的硫，用以補(bǔ)償浸出、電積過(guò)程中硫酸的損失，以保持系統(tǒng)中硫酸的平衡。

可能有人提出疑問(wèn)，采用富氧焙燒后隨著溫度的升高、爐氣成分的變化會(huì)不會(huì)降低了焙燒渣塵中可溶鋅的含量，對(duì)后面的浸出、電積過(guò)程造成影響，現(xiàn)在就來(lái)分析這個(gè)問(wèn)題。

硫化鋅精礦中的鋅主要以閃鋅礦ZnS的形態(tài)存在，在沸騰床焙燒中主要的化學(xué)反應(yīng)見(jiàn)前述的(1)、(2)式。

對(duì)于ZnS而言，反應(yīng)(1)進(jìn)行的趨勢(shì)取決于溫度和氣相的組成。但是在實(shí)際焙燒溫度下(1 123～1 373 K)，反應(yīng)(1)只會(huì)向右進(jìn)行，是不可逆，并且反應(yīng)時(shí)放出大量的熱。反應(yīng)(2)是可逆的放熱反應(yīng)，低溫有利于反應(yīng)向右進(jìn)行。硫酸鋅的生成反應(yīng)是復(fù)雜的，最終的反應(yīng)可能是：

ZnS+SO2+O2→ZnSO4

(5)

在Zn-S-O體系中，已知的凝聚相有Zn，ZnO，ZnS，ZnSO4。根據(jù)所需的化學(xué)平衡的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，可以做出以 lgpSO2-lgpO2表示的等溫化學(xué)勢(shì)圖[3]。

爐膛下部流態(tài)化床層的SO2濃度低于爐子上部空間及其后面收塵系統(tǒng)中的SO2濃度，而溫度卻相反，前者溫度高，后者溫度低，在此條件下形成的焙砂中的硫酸鹽含量低，而焙燒煙塵中的硫酸鹽要比焙砂中的含量要高。當(dāng)采用富氧焙燒后，實(shí)際上是提高了SO2和O2分壓，從分壓角度來(lái)說(shuō)，對(duì)硫酸鹽的生成是有利。然而，隨著溫度的升高會(huì)不會(huì)導(dǎo)致硫酸鋅的分解，答案是肯定的，但這有個(gè)前提，溫度升高使反應(yīng)速度加快，導(dǎo)致了O2分壓的降低，直接導(dǎo)致反應(yīng)的平衡系數(shù)(lgKp)的降低，致使硫酸鋅的分解?？墒遣捎酶谎醣簾?，充足的氧不會(huì)使反應(yīng)的平衡系數(shù)(lgKp)降低，相反充足的氧可以促進(jìn)硫酸鹽的生成。反應(yīng)溫度的提高還可以降低焙燒礦中的殘硫，減少鐵酸鋅和硅酸鋅的生成。

從理論上說(shuō)，沸騰爐采用富氧空氣焙燒后，鼓入的空氣含氧量增加，使反應(yīng)(1)、(2)、(5)向右進(jìn)行，焙燒渣塵的殘硫必然下降。

根據(jù)國(guó)內(nèi)某廠(chǎng)進(jìn)行的沸騰爐富氧空氣焙燒的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從焙砂和煙塵各方面的指標(biāo)來(lái)看，使用富氧技術(shù)前和使用后相比較，焙砂煙塵的總硫明顯下降，焙砂總硫(w)由2.385%下降到 1.418%，塵總硫(w)由5.71%下降到 5.25%[4]，這一結(jié)果也從實(shí)踐上論證了沸騰爐采用富氧空氣焙燒對(duì)降低渣塵殘硫指標(biāo)是有明顯幫助的。

5 富氧焙燒對(duì)電耗的影響

通過(guò)計(jì)算可知，同等風(fēng)量情況下采用φ(O2)25%的富氧空氣焙燒鋅精礦，爐床能率提升20%左右。但爐床能力提升之后，對(duì)后段設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)了未知影響，所以從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看，過(guò)多的提高爐床能力并不是更好的選擇，應(yīng)該考慮現(xiàn)有設(shè)備的可承受能力。爐床能力提升應(yīng)該控制在10%左右，不宜提升過(guò)多。

按原沸騰爐爐床能力6.6 t/(m2·d)計(jì)算，采用φ(O2)25%的富氧空氣焙燒鋅精礦，爐床能力提升到7.26 t/(m2·d)，此時(shí)需要的鼓風(fēng)量為51 290 m3/h。沸騰焙燒的電耗主要集中在空氣鼓風(fēng)機(jī)和高溫風(fēng)機(jī)，根據(jù)目前空氣鼓風(fēng)機(jī)和高溫風(fēng)機(jī)基本采用變頻控制的特點(diǎn)，采用φ(O2)25%的富氧空氣沸騰爐床能力提升10%之后，較焙燒一般空氣時(shí)電耗將降低15%左右，從而降低制沸騰焙燒的生產(chǎn)成本。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

對(duì)于采用富氧空氣代替空氣焙燒的成本包括制氧設(shè)備的投入、運(yùn)行成本及操作維護(hù)費(fèi)用。按照沸騰爐鼓風(fēng)量60 000 m3/h，富氧空氣φ(O2)25%計(jì)算，需要補(bǔ)入的氧氣為2 400 m3/h，按采用膜分離法制氧設(shè)備，根據(jù)目前膜分離法制氧設(shè)備供應(yīng)商的報(bào)價(jià)，滿(mǎn)足制氧需求的制氧設(shè)備投入資金在60萬(wàn)元左右；制氧電耗為0.30 kWh/m3，工業(yè)用電按0.5元/kWh計(jì)算，制氧年電耗成本約285萬(wàn)元左右，加上設(shè)備維護(hù)等費(fèi)用，年運(yùn)行成本在320萬(wàn)元。

收益方面可理論計(jì)算。假設(shè)鋅的總回收率達(dá)到95%～98%，而硫化鋅精礦含w(Zn)一般為40%～54%，故1 t硫化鋅精礦可以產(chǎn)380～529 kg的鋅片，沸騰爐爐床能力提高10%之后，鋅片增產(chǎn)8～16 kt/a；假定鋅精礦w(S)30%，制酸轉(zhuǎn)化過(guò)程SO2的轉(zhuǎn)化率為99%，吸收塔中損失的SO3為 0.5%，1 t硫化鋅精礦可以產(chǎn)380～529 kg的硫酸，沸騰爐爐床能力提高10%之后，硫酸可增產(chǎn)15～17.5 kt/a。硫酸按300元/t計(jì)，每年可增收約 337.5萬(wàn)元。

7 結(jié)論

1)從制氧裝置的發(fā)展現(xiàn)狀和工藝技術(shù)成熟度來(lái)說(shuō)，采用φ(O2)25%富氧空氣焙燒代替空氣焙燒是可行的。

2)由于采用富氧空氣焙燒對(duì)余熱回收裝置、尤其是鍋爐帶來(lái)了一定的壓力，考慮到鍋爐運(yùn)行安全以及不追加鍋爐改造的費(fèi)用，沸騰爐富氧空氣焙燒，應(yīng)充分考慮鍋爐處理能力的前提下來(lái)提高沸騰爐的爐床能力。

3)從焙燒渣塵的質(zhì)量方面考慮，可以把焙燒溫度從900～920 ℃，提高到950～970 ℃。

4)采用φ(O2)25%富氧空氣焙燒代替空氣焙燒，沸騰爐的爐床能力提高10%的前提下，鋅片產(chǎn)量可增產(chǎn)8～16 kt/a，硫酸產(chǎn)量可增產(chǎn)15～17.5 kt/a，可降低沸騰焙燒的電耗及成本。

[1] 張文紅. 富氧空氣焙燒硫鐵礦工藝技術(shù)分析[J]. 硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程,2001(2):26-29.

[2] 彭容秋.鋅冶金[M].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社,2005:11.

[3] 《鉛鋅冶金學(xué)》編委會(huì). 鉛鋅冶金學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2003:3.

[4] 周述勇. 鋅精礦沸騰爐富氧焙燒工業(yè)試驗(yàn)的研究[J]. 湖南有色金屬,2007(4):33-36.

Feasibility analysis of oxygen enriched roasting of zinc concentrate fluidized-bed furnace

ZHOU Kaimin, CHEN Xingya, DING Yanbo

(Yunnan Chihong Zinc & Germanium Co., Ltd., Qujing, Yunnan, 657800, China)

The process of oxygen enriched roasting has been widely used in some fields of metallurgical and chemical industries. Taking zinc concentrate 109 m2of boiling roaster for example, author, from both technical points of view, analyzes the feasibility and rationality of zinc concentrate roasting with oxygen enriched air instead of air.Improving the roaster capacity from 33.3 to 39.6 t/(m2·d) which,accordingly,means an acid production of 15-17.5 kt/a. If calculated with an unit price of 300 RMB/t H2SO4. Annual revenue increase of 3.375 Million RMB could be achieved.

zinc concentrate; oxygen enriched roasting; feasibility; roaster capacity

2017-07-18。

周開(kāi)敏，男，云南馳宏鋅鍺股份有限公司冶金正高級(jí)工程師，主要從事冶煉化工環(huán)保技術(shù)工作。電話(huà)：13308745068；E-mail：1683976251@qq.com。

TQ111.16

B

1002-1507(2017)09-0005-04