頂吹爐處理鋅浸出渣工藝技術(shù)產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐

徐萬(wàn)剛， 李文龍， 王鵬飛

(內(nèi)蒙古興安銅鋅冶煉有限公司， 內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026200)

內(nèi)蒙古興安銅鋅冶煉有限公司(以下簡(jiǎn)稱興安公司)在我國(guó)首次采用奧斯麥特頂吹爐處理鋅浸出渣的工藝，奧爐控制系統(tǒng)以外的所有配套工藝及設(shè)施由恩菲設(shè)計(jì)院提供設(shè)計(jì)。興安公司濕法煉鋅系統(tǒng)每年產(chǎn)出約12萬(wàn)t浸出渣，使用頂吹爐在對(duì)鋅浸出渣進(jìn)行無(wú)害化處理的同時(shí)，回收鋅、銀、銦、鉛等有價(jià)金屬，煙氣余熱利用，煙氣脫硫采用高分子有機(jī)物吸收解析生產(chǎn)硫酸。該項(xiàng)目2015年10月建成投產(chǎn)試運(yùn)行，2016年6月達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。目前在世界范圍內(nèi)使用頂吹爐處理鋅浸出渣的公司只有兩家，分別為韓國(guó)KZC和本公司。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)頂吹爐處理鋅浸出渣工藝技術(shù)產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐進(jìn)行詳細(xì)論述。

1 濕法煉鋅浸出渣處理技術(shù)的現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外濕法煉鋅浸出渣處理方法在工藝類型上歸納為兩類：濕法工藝和火法工藝。

1.1 濕法工藝

熱酸浸出黃鉀鐵礬法。這種方法工藝流程短，投資少，能耗低，生產(chǎn)環(huán)境好，但渣量大，渣含鐵30%左右，難以利用，堆存時(shí)其中可溶重金屬會(huì)污染環(huán)境[1]。

熱酸浸出赤鐵礦法。該法綜合利用好，不需要渣場(chǎng)，從而消除了渣的污染和占地。但熱酸浸出赤鐵礦法和沉鐵是在加壓條件下進(jìn)行，所用設(shè)備昂貴，操作費(fèi)用高。

針鐵礦法。沉渣中含有砷、銻、氟等元素，針鐵礦法比黃鉀鐵礬法的產(chǎn)渣率小，渣含鐵較高[2]。

熱酸浸出法利用石灰石和煤灰渣處理浸出廢渣。該方法簡(jiǎn)單，易于操作，但是容易造成資源浪費(fèi)[3]。關(guān)鍵是這兩種工藝處理后的浸出渣均為危廢渣，需進(jìn)一步無(wú)害化處理，故已不被選用。

1.2 火法工藝

回轉(zhuǎn)窯揮發(fā)法。該方法回收率高，可以回收多種有價(jià)金屬。但耐火材料消耗大，設(shè)備投資和維修費(fèi)用高，工作環(huán)境差，能耗高[4]。

旋風(fēng)爐熔煉法。該方法的特點(diǎn)是金屬揮發(fā)全面，渣中有價(jià)金屬含量低，余熱能有效利用，設(shè)備壽命長(zhǎng)，生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益好。其缺點(diǎn)是對(duì)資源和能源要求比較高，原料制備復(fù)雜，生產(chǎn)流程長(zhǎng)，產(chǎn)出煙塵再處理難度大[5]。

煙化爐連續(xù)吹煉工藝。該工藝的特點(diǎn)是工藝流程短， 能耗較低，勞動(dòng)環(huán)境得到改善，加工成本降低。缺點(diǎn)是原料粒度一定、含水一定，要實(shí)現(xiàn)其連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，需要精心操作。該工藝已有多家采用。

基夫賽特工藝搭配處理鋅浸出渣。該技術(shù)作業(yè)連續(xù)，氧化脫硫和還原在一座爐內(nèi)連續(xù)完成，原料適應(yīng)性強(qiáng)，其缺點(diǎn)是原料準(zhǔn)備復(fù)雜，煙塵率低，一次性投入高[6]。

2 頂吹爐處理鋅浸出渣工藝技術(shù)特點(diǎn)

頂吹爐處理鋅浸出渣的工藝特點(diǎn)是：鋅廠產(chǎn)出含水大于20%的棄渣自然干燥后通過(guò)皮帶機(jī)直接投入爐內(nèi)，在一臺(tái)熔煉爐內(nèi)完成氧化熔煉—還原—氧化的三個(gè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)持續(xù)進(jìn)料間斷排渣的連續(xù)生產(chǎn)。

生產(chǎn)過(guò)程中根據(jù)探渣情況調(diào)整渣溶劑和還原塊煤的加入量，有價(jià)金屬隨煙氣揮發(fā)進(jìn)入到余熱鍋爐及電收塵回收，熔渣從排放口排出經(jīng)水淬后堆存或利用，浸出渣由危廢轉(zhuǎn)為固廢。

富氧頂吹浸沒(méi)噴槍工藝具有噴槍在熔池內(nèi)氣流攪動(dòng)能力強(qiáng)，對(duì)含水量較高、渣性較粘的浸出渣能夠快速吹散攪勻，加快反應(yīng)速度的優(yōu)勢(shì)，提高了熔煉爐的效率。

3 頂吹爐結(jié)構(gòu)及處理鋅浸出渣工藝流程和反應(yīng)機(jī)理

鋅廠采用熱酸浸出黃鉀鐵礬工藝，浸出兩渣中鋅含量較低，一般在2%～5%之間，搭配鋅粉電爐的水淬渣及其它含鋅物料使入爐混合渣含鋅達(dá)到8%～10%，由于鋅廠采購(gòu)的原料鋅精礦中銦、銀含量較高，這也增加了奧斯麥特爐綜合回收有價(jià)金屬的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為了提高經(jīng)濟(jì)效益本廠也在實(shí)際生產(chǎn)中不斷摸索提高銦、銀回收率的方法，目前已初見成效。

3.1 爐體結(jié)構(gòu)

奧斯麥特爐爐體上下分為三部分：上部分為爐罩，中間為爐筒，下部分為爐底。

爐罩是由內(nèi)部附有碳化硅的水冷壁構(gòu)成，為高溫?zé)煔鉄彷椛渥顝?qiáng)烈的區(qū)域。爐罩上部開有四個(gè)孔，分別是進(jìn)料口、探渣口、保溫?zé)炜诤蛧姌尶凇?/p>

爐筒是爐子的主要工作段。爐子的熔池段工作條件非常惡劣，既要經(jīng)受熔體高溫和化學(xué)侵蝕，又要經(jīng)受熔體強(qiáng)烈攪拌和噴濺的沖刷，熔池面之上的一段爐身，約3～4 m，受噴濺熔體的沖刷十分嚴(yán)重，因此熔池段和第一段爐墻，只能靠耐火磚。但只采用優(yōu)質(zhì)的耐火磚也不足以抵御這種沖刷，使用簡(jiǎn)單的平面水套冷卻也不夠，因此這一段采用齒形水套冷卻。齒形水套用軋制紫銅板鉆孔而成，這段爐身的襯磚一層插入齒中，一層貼于齒面，水套的齒相當(dāng)于伸入了磚體，對(duì)耐火磚進(jìn)行近似于立體冷卻。齒形水套段采用目前性能最好的優(yōu)質(zhì)鎂鉻磚砌筑，優(yōu)質(zhì)磚加上強(qiáng)冷卻，以保證爐壽足夠長(zhǎng)。

該爐子用了大量銅水套冷卻襯，增加了投資，但對(duì)于這種高溫熔煉新工藝、新爐子、大爐子要保證一定的壽命，就目前的技術(shù)水平來(lái)看，增加水冷是唯一有效的途徑。

根據(jù)工藝要求，熔煉爐在熔池底部設(shè)了一個(gè)合金放出口(兼做放空口)，另外在高于合金放出口575 mm和875 mm的地方分設(shè)了兩個(gè)低位渣放出口和一個(gè)高位渣放出口，放渣口采用特殊的銅水套和石墨內(nèi)襯，以保證較長(zhǎng)的使用壽命。

齒形水套進(jìn)出水的冷卻方式采用三進(jìn)三出的方式，放出口水套的冷卻方式采用一進(jìn)一出的方式。

爐底為封頭形式，穩(wěn)定性好，不會(huì)產(chǎn)生平底結(jié)構(gòu)那種因熱膨脹而底板上翹的現(xiàn)象，爐底砌成球形反拱，好砌筑，熱膨脹均勻，壽命長(zhǎng)。

在爐底及相應(yīng)的層高上設(shè)有20個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，用以測(cè)量各處的爐襯溫度，間接檢測(cè)爐襯的侵蝕情況，其中爐底磚層內(nèi)設(shè)有五個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，是埋設(shè)的線式熱電偶，砌磚時(shí)埋入，不可更換。

3.2 工藝流程

富氧頂吹鋅渣處理爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1，富氧頂吹煉鋅爐生產(chǎn)工藝流程見圖2。

圖1 富氧頂吹鋅渣處理爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 富氧頂吹煉鋅爐生產(chǎn)工藝流程圖

3.3 工藝原理

頂吹爐生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)高溫強(qiáng)化還原揮發(fā)氧化的過(guò)程，其實(shí)質(zhì)是用富氧空氣和粉煤的混合物吹入爐內(nèi)的熔融爐渣中，利用粉煤燃燒產(chǎn)生大量的熱和一氧化碳?xì)怏w，使?fàn)t內(nèi)保持較高的溫度和一定的還原氣氛，使熔渣中的硫酸鹽(主要為硫酸鋅和硫酸鉛)分解為氧化物。利用粉煤和塊煤提供的還原氛圍將金屬氧化物還原為金屬單質(zhì)，在爐溫保持1 320 ℃左右時(shí)，鋅、鉛等金屬開始揮發(fā)。金屬至爐子的上部空間再次被鼓入爐內(nèi)的二次燃燒風(fēng)氧化為ZnO、PbO，后續(xù)回收Z(yǔ)nO、PbO煙塵。

粉煤的燃燒反應(yīng)：

(1)

(2)

金屬鹽的反應(yīng)：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

以上反應(yīng)均在高溫條件下進(jìn)行，并且PbSO4的相關(guān)反應(yīng)可以映射到ZnSO4上。其中反應(yīng)3為吹煉過(guò)程總反應(yīng)式，4～8為過(guò)程反應(yīng)，鐵酸鋅在加熱或者溫度較低時(shí)會(huì)分解出氧化鐵和氧化鋅，且進(jìn)料中鐵酸鋅含量較高，因此反應(yīng)8會(huì)在熔池中大量存在。反應(yīng)4生成的硫酸氧鋅在加熱的條件下進(jìn)一步分解為氧化鋅和三氧化硫，而三氧化硫相當(dāng)于為整個(gè)過(guò)程提供了氧元素，要消耗一部分碳。通過(guò)反應(yīng)5可知，在下料量比較大時(shí)，應(yīng)提高相應(yīng)的氧化鈣投入量。

金屬氧化物的還原反應(yīng)：

(10)

(11)

(12)

(13)

金屬蒸汽、一氧化碳、燃料未完全燃燒產(chǎn)生的氣體及不穩(wěn)定的含硫氣體都將在爐子上部進(jìn)行二次燃燒，通過(guò)噴槍套筒風(fēng)管和后燃燒風(fēng)管向爐內(nèi)上部進(jìn)行鼓風(fēng)，以輔助二次燃燒。

(14)

(15)

(16)

頂吹爐的入爐料是將鋅渣、熔劑、還原劑混合后，由運(yùn)輸皮帶經(jīng)過(guò)進(jìn)料口統(tǒng)一運(yùn)送至爐內(nèi)，進(jìn)入爐內(nèi)的鋅渣，由噴槍噴出的燃燒粉煤進(jìn)行融化，融化后的熔渣與進(jìn)入爐內(nèi)的還原煤接觸，在高溫條件下將鋅渣內(nèi)的有價(jià)金屬進(jìn)行還原，當(dāng)爐內(nèi)的熔池達(dá)到一定的高度時(shí)，由下部的渣口將還原后的熔渣排出，在其排渣的過(guò)程中，不停止進(jìn)料。因此鋅廠頂吹爐采用連續(xù)進(jìn)料間斷排渣的作業(yè)方式，在進(jìn)料的同時(shí)進(jìn)行融化和還原。

4 產(chǎn)業(yè)化指標(biāo)

2016年，鋅廠在頂吹爐處理鋅浸出渣的實(shí)踐中取得了顯著的效果。

4.1 入爐物料

頂吹爐入爐鋅浸出渣中各項(xiàng)物質(zhì)的含量有嚴(yán)格要求，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐中的不斷摸索，最終將入爐物料中各項(xiàng)物質(zhì)含量的波動(dòng)范圍不斷擴(kuò)大。表1為頂吹爐采用的入爐物料化驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 頂吹爐典型的入爐物料化驗(yàn)數(shù)據(jù) %

頂吹爐采用的物料，大部分為本廠生產(chǎn)出的鋅浸出渣，還有一部分為外購(gòu)的鋼廠煙灰和錐玻璃。

鋼廠煙灰可以提高入爐有價(jià)金屬的含量，錐玻璃可以提高入爐有價(jià)金屬Pb的含量，同時(shí)提高入爐物料中SiO2的含量，可以減少熔劑的加入量。

入爐物料中各種金屬含量越高，越能增強(qiáng)爐子的作業(yè)效率，提高經(jīng)濟(jì)效益，但較高的金屬含量(如入爐料含鋅達(dá)到11%以上時(shí))會(huì)影響有價(jià)金屬回收率。

4.2 還原劑

生產(chǎn)之初鋅廠采用煙煤作為還原劑，這也是早期的設(shè)計(jì)方案，但經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐與摸索，可以使用本地生產(chǎn)的廉價(jià)褐煤代替煙煤作為還原劑，鋅廠使用的褐煤性能參數(shù)見表2，褐煤的工業(yè)組成分析見表3，褐煤灰分的組成分析見表4。

表2 鋅廠使用的褐煤性能參數(shù) %

表3 褐煤的工業(yè)組成分析 %

表4 褐煤灰分的組成分析 %

經(jīng)興安公司的實(shí)踐證明，在不影響有價(jià)金屬回收的情況下，可以使用褐煤完全替代煙煤做還原劑。

4.3 渣型

渣型是保障有價(jià)金屬回收和放渣時(shí)渣流動(dòng)性的重要指標(biāo)。設(shè)計(jì)之初鋅廠需備有三種溶劑用以調(diào)整渣型，分別為三氧化二鐵，石灰石和石英石。

鋅廠采用的鋅浸出渣為黃鉀鐵礬法處理后的高鐵渣，因此可以省去氧化鐵的使用，石英石采用本地特有的河沙代替。所以鋅廠只需要采購(gòu)石灰石一種溶劑，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。頂吹爐的渣型經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐確定為：Fe∶SiO2=1.2。此渣型下即可以保證有價(jià)金屬的回收率，又可以順利排渣。

4.4 產(chǎn)品

頂吹爐的產(chǎn)品主要有兩種：蒸汽和氧化鋅煙塵。

蒸汽是由頂吹爐配套余熱鍋爐產(chǎn)出，興安公司為頂吹爐配有壓力4.2 MPa，產(chǎn)汽量為161 t/h的余熱鍋爐，實(shí)際生產(chǎn)蒸發(fā)量約為90 t/h。采用電收塵收集煙塵，氧化鋅煙塵各組分含量見表5。

表5 氧化鋅煙塵各組分含量 %

通過(guò)表5可以看出頂吹爐產(chǎn)出的氧化鋅煙塵，各種有價(jià)金屬含量很高，有價(jià)金屬得到了有效富集。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)分析與總結(jié)，各項(xiàng)有價(jià)金屬的回收率都達(dá)到或超出設(shè)計(jì)值，其中Zn的回收率為82%，Pb的回收率為99%，In的回收率為90%，Ag的回收率為90%。

4.5 排放

頂吹爐的主要排放物為煙氣和水淬渣。

頂吹爐排出的低含硫煙氣進(jìn)入制酸系統(tǒng)進(jìn)行吸附制酸，經(jīng)處理后各種有害氣體及粉塵量低于國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，排放至大氣。

頂吹爐另一種重要排放物為水淬渣，水淬渣也是衡量頂吹爐生產(chǎn)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，典型的水淬渣中各有價(jià)金屬的含量見表6。

表6 典型的水淬渣有價(jià)金屬的含量 %

4.6 耗能

頂吹爐單耗見表7。

表7 頂吹爐單耗

注：實(shí)際能耗0.403 tce/t干渣。

4 結(jié)論

頂吹爐熔煉技術(shù)在鋅浸出渣中的使用可以將危廢渣進(jìn)行無(wú)害化處理，廢物回收再利用的同時(shí)達(dá)到環(huán)保要求。

本項(xiàng)目是我國(guó)首例采用頂吹爐處理鋅浸出渣技術(shù)，在世界范圍內(nèi)也只有兩家公司，所以在利用頂吹爐處理鋅浸出渣的技術(shù)方面，本公司的相關(guān)參數(shù)，可供相關(guān)企業(yè)比選擇優(yōu)之用。

整套系統(tǒng)自動(dòng)化高，安全系數(shù)高，節(jié)省人工成本。各種金屬回收可觀，其中Zn的回收率為82%，Pb的回收率為99%，In的回收率為90%，Ag的回收率為90%。經(jīng)過(guò)多項(xiàng)改良可以有效降低生產(chǎn)成本，雖然投資成本高，但其單耗低，產(chǎn)能大。