轉底爐直接還原焙燒處理鋅浸出渣試驗探索

于建忠， 魯興武

(1.白銀有色集團股份有限公司第三冶煉廠， 甘肅 白銀 730900； 2.西北礦冶研究院， 甘肅 白銀 730900)

濕法煉鋅不論采用何種工藝，生產過程中都會產生大量的浸出渣，不僅對環(huán)境污染相當嚴重，而且有價資源不能有效利用。目前主要有回轉窯揮發(fā)法、奧斯麥特法、煙化爐煙化法等渣處理方法，各種方法在能耗、運行成本、回收率、半成品再處理等方面均存在不同程度的缺點。在當前環(huán)保要求越來越嚴的形勢下，為了達到無害化處理的目的，獲得較為理想的經濟效果，開發(fā)渣處理新工藝極為迫切。本文初步探索轉底爐直接還原焙燒技術處理鋅浸出渣的工藝，希望為濕法煉鋅浸出渣處理工藝開辟新的方向。

1 綜合回收的必要性

濕法煉鋅根據方法不同分為常規(guī)濕法煉鋅工藝、高溫熱酸浸出工藝和硫化鋅精礦氧壓直接浸出工藝，不管哪一種工藝，都會產生數(shù)量可觀的浸出渣。每生產1 t電鋅，會產出1.0～1.2 t的浸出渣。浸出渣中含有鉛、鋅、銀、銦等有價金屬，過去由于這些金屬價格低迷，再加上缺乏高效經濟的回收途徑，大部分企業(yè)沒有對濕法煉鋅渣中有價金屬進行綜合回收。隨著原料競爭的加劇，利潤空間越來越小，促使企業(yè)進一步挖掘浸出渣中有價金屬潛力，為綜合回收提供了驅動力。另一方面，固廢危廢的管理標準越來越高，面對高額的第三方處置費，企業(yè)不得不認真研究自行處置浸出渣。

以某濕法煉鋅廠浸出渣為例，該廠年產浸出渣85 000 t，含水約25%。其中含鉛1 702 t，含鋅2 671 t，含銀5.99 t，以2019年1月上海有色金屬網1#鉛月均價18 013元/t、0#鋅月均價22 243元/t、3#銀月均價3 651元/kg計算，鉛銀渣中有價金屬總價值約1.1億元/a，回收潛力巨大。采用高效適用技術對渣中有價金屬進行回收利用，不僅可提高鋅的回收率和資源綜合利用水平，對增加企業(yè)經濟效益、改善企業(yè)經營狀況也具有重要意義。

2 濕法煉鋅浸出渣處理工藝現(xiàn)狀

目前我國濕法煉鋅浸出渣處理工藝主要有以下幾種。

1)回轉窯工藝?；剞D窯揮發(fā)法(又稱威爾滋法)，是我國濕法煉鋅浸出渣處理工藝的典型流程，其原料適應性強、工藝成熟、操作簡單，應用廣泛，但存在能耗和生產成本高、環(huán)境污染嚴重、貴金屬回收率低、窯襯壽命短、更換維修麻煩、勞動強度大、工作環(huán)境差、作業(yè)率低等問題。

2)奧斯麥特工藝。奧斯麥特工藝是近年發(fā)展起來的強化熔池熔煉技術，該工藝采用富氧熔煉，分爐操作，煤率約40%，床能力較高，貴金屬回收率高。但該工藝存在投資大、噴槍壽命短、專利引進費用高、核心技術不掌握等問題。目前國內僅內蒙古興安博源銅鋅冶煉廠使用該技術。

3)煙化爐工藝。該工藝和奧斯麥特法同屬熔池熔煉工藝，原理相同。煙化法目前國內只有馳宏鋅鍺公司在應用，其特點是棄渣含鋅低，鍺的揮發(fā)率大于93%～95%，對處理含鍺高的渣料很有利，但能耗較高，粉煤率達到40%以上，同時煙化爐壽命短，年生產周期不足200 d，維修量大。采用煙化爐全部處理浸出渣冷料，存在能耗偏高、床能率低、下層風口區(qū)水套壽命較短等問題。

4)側吹爐工藝。側吹爐還原造锍熔煉工藝，是近些年發(fā)展起來的專門處理冶金廢渣和含重金屬危險廢物的熔煉技術，該工藝原料適應性強，工藝成熟，利用冷壓團技術，先將濕法浸出渣、煙灰、酸泥、壓濾渣等制團獲得一定的強度后入爐冶煉，熔體經電熱前床澄清分離產出冰銅、粗鉛，側吹爐焦率約18%，銅及貴金屬回收率較高，能夠很好的實現(xiàn)危廢的資源化和無害化。但由于冷壓團塊冷熱強度不高，床能力只有18～22 t/m2·d，煙塵率高達10%～12%，同時因處理危廢，對基礎設施的三防要求較高。

3 轉底爐直接還原焙燒技術

3.1 工藝原理

轉底爐源于軋鋼用的環(huán)形加熱爐，最初用于處理鋼鐵工業(yè)產生的粉塵及含鐵廢料，但很快就有美國、德國、日本等國將其轉而開發(fā)應用于鐵礦石的直接還原。由于這一工藝無需制備燃料的和對原料進行深加工，對合理利用自然資源、保護人類環(huán)境有積極的作用，因而受到了冶金界的普遍關注。

近年來，已有多家有色企業(yè)利用轉底爐直接還原技術開展了銅尾渣和浸出渣資源綜合利用研究與應用。某廠聯(lián)合北京神霧集團研究院對濕法煉鋅浸出渣進行了探索性試驗研究。其基本工藝過程：將含鉛、鋅的物料配加還原劑、添加劑(還原劑、添加劑磨細至-200目占75%以上)等制成含碳球團，烘干后布入轉底爐；在爐內1 200～1 400 ℃的還原區(qū)將含碳球團還原為金屬化球團。工藝原理：球團中易揮發(fā)成分如硫酸鋅、硫酸鉛先轉變?yōu)镻bO、ZnO后被還原成金屬Pb、Zn，金屬Pb、Zn揮發(fā)進入煙氣中再氧化生成PbO、ZnO，通過對煙塵的收集可以得到富含PbO、ZnO的二次粉塵；物料中不易揮發(fā)的鐵元素大部分留在渣中，可作為建材原料對外銷售或通過磁選工藝進一步回收其中的金屬鐵。其基本工藝流程見圖1。

圖1 基本工藝流程圖

3.2 處理鋅浸出渣試驗研究

該濕法煉鋅廠浸出渣包含兩種原料：鐵礬渣和鉛銀渣，兩種渣產出量接近1∶1，試驗過程中將兩種渣按1∶1均勻混合作為原料進行試驗。

3.2.1 原料多元素分析

將這兩種渣分別進行多元素化學分析，化驗結果分別見表1和表2，混合渣多元素分析結果見表3。

表1 鐵礬渣多元素分析結果 %

注：*單位為g/t。

表2 鉛銀渣多元素分析結果 %

注：*單位為g/t。

表3 混合渣多元素分析結果 %

注：*單位為g/t。

從表3可以看出，浸出渣中的S含量較高，為11.54%，鉛和鋅含量分別為2.67%和4.19%，Ag為94 g/t。

3.2.2 還原煤分析

試驗以當?shù)孛簽檫€原劑，還原煤工業(yè)分析見表4。

表4 還原煤工業(yè)分析 %

3.2.3 還原溫度和添加劑種類試驗

為了解溫度和添加劑種類對混合渣煤基直接還原的影響以及焙燒過程中球團狀態(tài)，進行了焙燒試驗。C/O為2.2，添加劑分別為無添加劑、10%SEC- S、15%SEC- B、10%SEC- L。采用模擬轉底爐的焙燒溫度曲線進行焙燒，高溫區(qū)焙燒溫度1 210 ℃、1 230 ℃，總焙燒時間為40 min。試驗結果見表5，1 210 ℃時球團的焙燒狀態(tài)見圖2，1 230 ℃時球團的焙燒狀態(tài)見圖3。

表5 還原溫度和添加劑種類試驗結果

圖2 高溫段為1 210 ℃時球團的焙燒狀態(tài) (從左到右，依次是無添加劑、10%SEC- S、15%SEC- B、10%SEC- L)

圖3 高溫段為1 230 ℃時球團的焙燒狀態(tài) (從左到右，依次是無添加劑、10%SEC- S、15%SEC- B、10%SEC- L)

試驗結果表明，溫度為1 230 ℃時，球團的金屬化率以及鉛、鋅、銀等元素的脫除率要好于1 210 ℃時的結果。從球團焙燒狀態(tài)來看，添加SEC- L的球團狀態(tài)較好，其他添加劑的球團反應劇烈，球團收縮嚴重，有粘盤現(xiàn)象，耐材盤中有大量低熔點物質，因此下一步試驗采用SEC- L作為添加劑，并通過改變SEC- L的添加量，提高Pb、Zn、Ag等元素的脫除率。

3.2.4 還原溫度和添加劑用量試驗

為了進一步探索還原溫度和SEC- L用量對混合渣煤基直接還原的影響以及焙燒過程中球團狀態(tài)，進行了焙燒試驗。C/O為2.2，添加劑SEC- L的用量分別為5%、8%、10%。試驗結果見表6，1 230 ℃時球團的焙燒狀態(tài)見圖4，1 250 ℃時球團的焙燒狀態(tài)見圖5。

表6 還原溫度和添加劑用量試驗結果(蘭炭)

圖4 高溫段為1 230 ℃時球團的焙燒狀態(tài)

圖5 高溫段為1 250 ℃時球團的焙燒狀態(tài)

從表3～6的試驗結果來看，高溫有利于鉛、鋅、銀等元素的脫除，但是溫度為1 250 ℃時，球團有不同程度熔化現(xiàn)象發(fā)生。

從球團焙燒狀態(tài)來看，添加SEC- L為10%的球團狀態(tài)較好，添加SEC- L為5%、8%的球團有嚴重的熔化現(xiàn)象。

首次試驗采用3 mm蘭炭，為進一步提高鉛鋅揮發(fā)率，二次試驗采用-200目>90%的還原煤作為還原劑進行重復試驗。

3.2.5 還原劑試驗

將還原劑換為-200目>90%的還原煤，C/O為2.2，添加劑SEC- L的用量分別為5%、8%、10%。高溫區(qū)焙燒溫度分別為1 230 ℃、1 250 ℃。試驗結果見表7，1 230 ℃時球團的焙燒狀態(tài)見圖6，1 250 ℃時球團的焙燒狀態(tài)見圖7。

將還原劑換為煤后，鋅的揮發(fā)率明顯上升可達到95%以上，鉛的揮發(fā)率接近90%，銀的揮發(fā)率在50%以上。

表7 添加劑用量試驗結果(還原煤)

圖6 還原劑為煤，高溫段為1 230 ℃時球團的焙燒狀態(tài)

圖7 還原劑為煤，高溫段為1 250 ℃時球團的焙燒狀態(tài)

4 結論

直接還原焙燒工藝處理濕法煉鋅浸出渣探索試驗得到的最佳工藝條件為：還原劑采用-200目>90%的還原煤，C/O為2.2，添加劑為10%的SEC- L，直接還原溫度1 250 ℃，總焙燒時間40 min。在該條件下取得了如下試驗指標：鉛的揮發(fā)率89%，鋅的揮發(fā)率96%，銀的揮發(fā)率53%。以該數(shù)據計算，該濕法煉鋅廠若采用直接還原焙燒工藝處理當年產浸出渣，可回收鋅金屬2 000 t/a以上，提高鋅回收率約2個百分點。轉底爐在處理鋼廠煙塵脫除鉛鋅、回收鐵方面技術已非常成熟，將其應用于處理有色冶金過程產生的低品位含鉛鋅等易揮發(fā)元素尾渣或浸出渣，具有流程簡單、裝備先進、處理量大、金屬回收率高等獨特的優(yōu)勢。在初步探索試驗的基礎上，需要進一步開展擴大化試驗，探索還原煤用量、還原時間、料層厚度等最佳工藝條件，為工業(yè)化試驗和經濟性評估提供更多有力依據。