富氧焙燒技術(shù)在109m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐上的應(yīng)用實(shí)踐

皮忠斌,張振國,王卡卡,柴 偉,許 良

(1.云南馳宏鋅鍺股份有限公司會(huì)澤冶煉分公司,云南 會(huì)澤 654211;2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

關(guān)于鋅精礦的富氧焙燒,國外做過許多試驗(yàn)和實(shí)踐。 1937年,加拿大特雷爾廠首先在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)了鋅精礦富氧焙燒。 1969年,澳大利亞電鋅公司里斯頓進(jìn)行了鋅精礦流態(tài)化焙燒研究,鼓風(fēng)含氧濃度增加到24.5%,精礦處理量由原來的363 t/d 提高到450 t/d。 1961年,烏斯季卡明諾戈?duì)査箍算U鋅廠進(jìn)行了鋅精礦富氧流態(tài)化焙燒工業(yè)試驗(yàn)。 試驗(yàn)結(jié)果證明,使用富氧空氣,床能率增加到8.4～8.8 t/m2·d。芬蘭Kokkola 鋅廠,在1999年到2000年之間進(jìn)行了70 m2流態(tài)化焙燒爐的富氧焙燒試驗(yàn),通過富氧焙燒,鋅精礦處理能力最大提高約15%,并且焙砂含硫有所降低。 在試驗(yàn)結(jié)束后,Kokkola 鋅廠針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了一些列的改進(jìn),包括在原有焙燒系統(tǒng)上增加供氧系統(tǒng)[1]。

國內(nèi)長沙礦冶研究院對(duì)鋅精礦富氧流態(tài)化焙燒進(jìn)行過兩次實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)大試驗(yàn)。 兩次試驗(yàn)分別于1976年12月和1978年7月在0.18 m2的流態(tài)化焙燒爐中進(jìn)行,富氧空氣含氧分別為26.4% 和24.7%,沸騰層溫度為910 ～923 ℃,其床能率分別比使用空氣焙燒提高0.43 t/(m2·d)和0.16 t/(m2·d)。株冶集團(tuán)于2005年8月24日至8月26日在6#流態(tài)化焙燒爐進(jìn)行富氧焙燒試驗(yàn),試驗(yàn)過程中平均富氧濃度為22.7%,比空氣含氧高1.7%。 采用富氧焙燒后,鋅精礦處理量為240 t/d,比普通空氣焙燒處理量225 t/d 提高了約15 t/d。 焙砂和煙塵中的可溶鋅、可溶硫略有增加,焙砂和煙塵中的總硫有所降低[2]。

通過以上試驗(yàn)及實(shí)踐得出,鋅精礦的富氧焙燒是可行的。 但是,由于國內(nèi)很多鋅冶煉廠缺乏氧氣制備系統(tǒng),且受限于焙燒爐沸騰層的冷卻能力,富氧焙燒在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)上沒有得到應(yīng)用。

云南馳宏鋅鍺股份有限公司會(huì)澤冶煉分公司(以下簡稱“馳宏會(huì)冶”)選擇火濕法聯(lián)合工藝,冶煉流程為“109 m2流態(tài)化焙燒爐焙燒→兩段浸出→三段凈化→電解→鑄錠”。 其中,109 m2鋅精礦沸騰焙燒爐由中國恩菲工程技術(shù)有限公司(以下簡稱“中國恩菲”)設(shè)計(jì),于2013年11月建成投產(chǎn),自試車投運(yùn)至今運(yùn)行穩(wěn)定,各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)良好。 2019年,因外部鋅市場(chǎng)價(jià)格持續(xù)利好,馳宏會(huì)冶增加了鋅電解產(chǎn)能,為緩解濕法冶煉系統(tǒng)與焙燒礦含鋅供給不足的矛盾,馳宏會(huì)冶聯(lián)合中國恩菲,在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,對(duì)109 m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐的裝置和工藝進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn),于2019年4月在該焙燒爐實(shí)施富氧焙燒工藝。 本文對(duì)該109 m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐改進(jìn)后的焙燒工藝、設(shè)備及生產(chǎn)實(shí)踐情況進(jìn)行闡述,為鋅精礦富氧焙燒工藝在更大型焙燒爐工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

1 鋅精礦流態(tài)化焙燒簡介

1.1 富氧流態(tài)化焙燒工藝原理及流程

鋅精礦富氧焙燒是基于富氧燃燒技術(shù)和硫化鋅精礦氧化焙燒技術(shù)建立的一種改進(jìn)工藝,其利用氧氣濃度高于21%的富氧空氣促使鋅精礦在焙燒爐中進(jìn)行流態(tài)化焙燒[3]。 流態(tài)化焙燒是指具有一定氣流速度的空氣自下而上通過爐內(nèi)礦層,使鋅精礦固體顆粒相互分離而呈懸浮狀態(tài),達(dá)到固體顆粒(鋅精礦)與氣體氧化劑(空氣)充分接觸,促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。 焙燒爐內(nèi)主要化學(xué)反應(yīng)見式(1) ～(5)[4]。

硫化鋅精礦主要以閃鋅礦(ZnS)的形態(tài)存在,其反應(yīng)過程主要是金屬硫化物(如ZnS、FeS)和氧氣之間的反應(yīng)。 為滿足濕法煉鋅工藝對(duì)焙燒礦質(zhì)量的要求,在焙燒時(shí),盡可能將鋅精礦中的硫化物氧化成氧化物并生成少量硫酸鹽,盡量減少鐵酸鋅、硅酸鋅的生成;同時(shí)得到較高濃度的二氧化硫煙氣以便于生產(chǎn)硫酸。

鋅精礦焙燒系統(tǒng)由備料工序和焙燒工序兩部分組成。 備料工藝包括鋅精礦貯存、配料、篩分、破碎(松散)等作業(yè),目的是為109 m2鋅精礦沸騰焙燒爐提供合格精礦。 焙燒工藝包括富氧焙燒、煙氣余熱回收、焙砂冷卻、焙砂球磨等工藝過程,目的是產(chǎn)出符合濕法煉鋅要求的焙燒礦。

鋅精礦經(jīng)檢驗(yàn)合格入倉后,采用橋式抓斗起重機(jī)人工進(jìn)行三級(jí)配料,再經(jīng)定量給料機(jī)、皮帶輸送機(jī)、振動(dòng)篩分等設(shè)備,將鋅精礦送至焙燒爐前倉。 精礦由倉下調(diào)速膠帶給料機(jī)輸送至電子皮帶稱,再經(jīng)電子皮帶秤計(jì)量后,由分配圓盤分別加到兩臺(tái)拋料機(jī)上,拋料機(jī)將混合精礦拋入焙燒爐內(nèi)。 產(chǎn)出的焙砂經(jīng)兩臺(tái)流態(tài)化冷卻器、高效圓筒冷卻機(jī)降溫后,經(jīng)埋刮板運(yùn)輸機(jī)送到球磨機(jī)室進(jìn)行球磨,磨后焙砂由倉式泵分別送到焙燒礦浸出工序和焙砂貯倉儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?焙燒爐產(chǎn)出的煙氣經(jīng)余熱鍋爐回收余熱,再經(jīng)兩段旋渦收塵器、電收塵器收塵后送制酸系統(tǒng)。 工藝流程如圖1所示。

圖1 鋅精礦富氧焙燒工藝流程簡圖

1.2 主要工藝設(shè)備

1)焙燒爐。 該109 m2鋅精礦流態(tài)化焙燒爐簡要結(jié)構(gòu)見圖2[5],如圖2所示,該爐型有一個(gè)錐型的擴(kuò)大段,采用無前室鋅精礦加料系統(tǒng),設(shè)有焙砂排出口及直通式風(fēng)帽。 與傳統(tǒng)道爾式流態(tài)化焙燒爐相比,該流態(tài)化焙燒爐具有兩大優(yōu)點(diǎn)[6]:一是爐床面積大,爐內(nèi)熱容量大且均勻,溫差小,物料與空氣接觸表面積大,反應(yīng)速度快,傳質(zhì)傳熱效率高;二是上部增加了擴(kuò)大段,使得煙氣流速和煙塵率降低,延長了煙氣在爐內(nèi)的停留時(shí)間,煙氣中的煙塵得到充分焙燒,煙塵中的含硫量降低,提高了煙塵的質(zhì)量。

圖2 109 m2鋅精礦沸騰焙燒爐簡圖

2)富氧供給系統(tǒng)。 在原鼓風(fēng)系統(tǒng)管道上增加富氧分布裝置,配套有高濃度氧氣調(diào)節(jié)閥組及流量、壓力監(jiān)測(cè)儀表等設(shè)施。 流量、壓力的控制及檢測(cè)采用集中4 ～20 mA 信號(hào),引進(jìn)Delta V 控制系統(tǒng),采用DCS 系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)整及監(jiān)控。

3)流態(tài)化冷卻器。 富氧流態(tài)化焙燒系統(tǒng)選用Q=8.1 ～9.4 t/h 流態(tài)化冷卻器2 臺(tái),正常生產(chǎn)時(shí),兩臺(tái)流態(tài)化冷卻器同時(shí)工作。 其參數(shù)為:焙砂入口溫度為950 ±30 ℃;焙砂出口溫度500 ～550 ℃;軟化冷卻水用量24 t/h,回水最高溫度小于55 ℃;空氣量125 Nm3/h,壓力為90 ～100 kPa。

4)高溫引風(fēng)機(jī)。 富氧流態(tài)化焙燒系統(tǒng)選用高溫風(fēng)機(jī)2 臺(tái),型號(hào):離心式風(fēng)機(jī)AII4500-0.7836/0.7206。 其參數(shù)為:處理風(fēng)量260 000 m3/h;風(fēng)機(jī)全壓6 300 Pa,入口壓力-6 000 Pa,出口300 Pa;電動(dòng)機(jī)功率800 kW;風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速970 r/min;耐熱溫度≥350 ℃。風(fēng)機(jī)采用變頻器控制轉(zhuǎn)速,可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率以保障系統(tǒng)負(fù)壓。

5)鼓風(fēng)機(jī)。 富氧流態(tài)化焙燒系統(tǒng)選用離心式鼓風(fēng)機(jī)2 臺(tái),型號(hào)為單級(jí)葉輪AII1600-1.04/0.77。 其參數(shù)為:處理風(fēng)量1 600 m3/min;風(fēng)機(jī)升壓26.5 kPa;電動(dòng)機(jī)功率1 120 kW;風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 980 r/min。 風(fēng)機(jī)入口配套有自潔式空氣過濾器,可對(duì)空氣中的灰塵及雜物進(jìn)行有效過濾。

2 鋅精礦富氧流態(tài)化焙燒生產(chǎn)實(shí)踐

2.1 富氧流態(tài)化焙燒生產(chǎn)控制要素

鋅精礦富氧焙燒日常生產(chǎn)管控的重點(diǎn)主要是入爐鋅精礦配料,均衡控制各成分;穩(wěn)定控制流態(tài)化焙燒爐鼓風(fēng)量、爐溫、流態(tài)化床層壓力、系統(tǒng)負(fù)壓等關(guān)鍵點(diǎn);強(qiáng)化對(duì)進(jìn)料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、收塵系統(tǒng)、煙氣制酸系統(tǒng)及關(guān)鍵重點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性的管理,減少因設(shè)備異常導(dǎo)致爐況的波動(dòng),保障流態(tài)化焙燒爐長期穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行,以達(dá)到提質(zhì)降耗的目的。

1)配料。 該企業(yè)鋅精礦大部分來自于企業(yè)內(nèi)部礦山自給原料,少部分鋅精礦外購。 為獲得穩(wěn)定的入爐精礦成分,日常采取堆式配料法及三級(jí)配料法,合理搭配物料,重點(diǎn)控制鋅精礦水分、SiO2、Fe、Pb、S 等對(duì)爐況影響較大的因素,控制入爐精礦的粒度及雜物分撿,入爐鋅精礦成分控制標(biāo)準(zhǔn)見表1;鋅精礦富氧焙燒與傳統(tǒng)空氣焙燒在原料成分控制上無差異。

表1 鋅精礦富氧焙燒入爐精礦控制標(biāo)準(zhǔn)(干基) %

2)鼓風(fēng)量。 實(shí)際生產(chǎn)控制中,為獲得較穩(wěn)定沸騰層,須采取穩(wěn)定入爐鼓風(fēng)量的措施,以控制穩(wěn)定的操作氣速及床層壓力。 正常生產(chǎn)時(shí),受氣溫、氣壓影響,需動(dòng)態(tài)微調(diào)鼓風(fēng)機(jī)入口調(diào)節(jié)閥和放空閥,以維持穩(wěn)定的入爐鼓風(fēng)量;因設(shè)備設(shè)施異常需減風(fēng)操作時(shí),宜根據(jù)床壓力、溢流口出砂量等綜合情況逐步平緩加減鼓風(fēng)量。 裝置原設(shè)計(jì)焙燒鼓風(fēng)量為55 106.97 m3/h,實(shí)際生產(chǎn)中鼓風(fēng)量可達(dá)63 000 m3/h。根據(jù)系統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)、煙氣制酸二氧化硫風(fēng)機(jī)、整系統(tǒng)設(shè)備的負(fù)荷及焙燒礦的質(zhì)量等實(shí)際情況,經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐摸索,富氧焙燒系統(tǒng)較適宜的鼓風(fēng)量為58 000 ～60 000 m3/h,較傳統(tǒng)焙燒鼓風(fēng)量下降了1 000 ～5 000 m3/h,鼓風(fēng)量的減少降低了煙氣系統(tǒng)的負(fù)荷,提高了煙氣中SO2濃度。 富氧焙燒工藝一方面要控制穩(wěn)定的沸騰層;另一方面要保障投入鋅精礦強(qiáng)化焙燒足夠的氧氣。 根據(jù)工況,富氧濃度控制在22% ～30%可獲得良好的焙燒效果。

3)焙燒溫度。 焙燒溫度受鼓風(fēng)量(氧氣)、投料量、入爐精礦成分及系統(tǒng)負(fù)壓綜合影響。 通過試驗(yàn)摸索,控制流態(tài)化焙燒爐投料量與鼓風(fēng)量(氧氣)比例,富氧焙燒按照傳統(tǒng)空氣焙燒將沸騰層溫度穩(wěn)定在950 ±30 ℃,爐頂溫度900 ±30 ℃不變化。 正常操作時(shí),采取穩(wěn)定鼓風(fēng)量(氧氣)量、床壓力、系統(tǒng)負(fù)壓,通過調(diào)整投料量將溫度穩(wěn)定在操作區(qū)間;低負(fù)荷生產(chǎn)時(shí),需同步動(dòng)態(tài)調(diào)整自然鼓風(fēng)和高濃度氧氣的調(diào)配比例,以達(dá)到爐內(nèi)熱量平衡及焙燒溫度穩(wěn)定的目的。

4)床壓力。 流態(tài)化焙燒爐床壓力是沸騰層高度和爐床阻力情況的反映,受鼓風(fēng)量、沸騰層厚度及風(fēng)帽堵塞等情況綜合影響。 實(shí)際生產(chǎn)中,富氧焙燒床壓力控制在16 ～22 kPa,與傳統(tǒng)空氣焙燒床壓力控制標(biāo)準(zhǔn)無差異。 隨著流態(tài)化焙燒爐長期連續(xù)運(yùn)行,床壓力會(huì)因大顆粒焙砂沉積致床壓力增加,日常嚴(yán)格控制精礦粒度措施,尤其要防止硬塊、石塊、金屬雜物等進(jìn)入爐內(nèi);短期可采取降低鼓風(fēng)量持續(xù)低負(fù)荷運(yùn)行一定時(shí)間可進(jìn)行改善,若需排除全部沉積,則需每連續(xù)運(yùn)行1 ～2年流態(tài)化焙燒爐進(jìn)行周期扒爐,并人工對(duì)風(fēng)帽進(jìn)行清理。 若因風(fēng)料控制不當(dāng)或是鼓風(fēng)量波動(dòng)等原因,致使沸騰層穩(wěn)定性破壞,床壓力降低,可采取在溢流口增設(shè)一定高度的擋板增加沸騰層高度進(jìn)行調(diào)整。

2.2 富氧焙燒與傳統(tǒng)焙燒指標(biāo)對(duì)比

改進(jìn)后的109 m2鋅精礦焙燒爐增加了富氧鼓風(fēng)裝置,強(qiáng)化鋅精礦焙燒過程,通過約1年的連續(xù)生產(chǎn)實(shí)踐,富氧焙燒工藝相較于傳統(tǒng)空氣焙燒具有以下優(yōu)點(diǎn):一是在相同煙氣量的情況下,充分釋放了焙燒爐產(chǎn)能,床能率有較大提升;二是提高煙氣中SO2濃度,增加了煙氣制酸系統(tǒng)的硫酸產(chǎn)量;三是降低了焙燒礦含硫,使得焙燒礦質(zhì)量有較大改善;四是提高焙燒系統(tǒng)設(shè)備利用率,降低了焙燒礦電單耗(按含鋅量計(jì)算)。

1)床能率。 焙燒爐床能率是衡量爐子生產(chǎn)能力的一個(gè)重要參數(shù),標(biāo)志著爐子處理精礦能力的大小。 流態(tài)化焙燒爐床能率受入爐鋅精礦含硫量、焙燒爐操作溫度、鼓風(fēng)線速度及鼓風(fēng)量影響[7]。 富氧焙燒工藝與傳統(tǒng)焙燒工藝床能率對(duì)比情況見表2。

表2 鋅精礦富氧焙燒與傳統(tǒng)焙燒床能率對(duì)比表

從表2可以看出,富氧焙燒全年累計(jì)8.03 t/m2·d,比傳統(tǒng)空氣焙燒7.21 t/m2·d 增加了11.37%,比設(shè)計(jì)值5.8 t/m2·d 增加了38.45%。

2)焙燒礦質(zhì)量。 硫化鋅精礦焙燒目的是將鋅精礦中的硫化鋅轉(zhuǎn)為氧化鋅,并脫除鋅精礦中的汞、氟、氯等伴生金屬。 焙燒礦質(zhì)量可通過焙砂、焙塵含硫物相中硫化鋅含量進(jìn)行判斷。 富氧焙燒工藝與傳統(tǒng)焙燒工藝產(chǎn)出的焙砂、焙塵含硫情況見表3。

表3 富氧焙燒與傳統(tǒng)焙燒產(chǎn)物殘硫?qū)Ρ?/p>

從表3數(shù)據(jù)可知,鋅精礦富氧焙燒焙砂、焙塵含硫分別是1.59%、3.50%,比傳統(tǒng)空氣焙燒焙砂、焙塵含硫1.62%、4.23%分別降低了0.03%、0.73%。從焙燒礦硫物相分析情況看,富氧焙燒焙燒礦中硫化鋅物相硫占焙燒礦總硫的20%,明顯優(yōu)于傳統(tǒng)空氣焙燒的30%。 提升了焙燒礦的質(zhì)量,為提升濕法直收率創(chuàng)造了有利條件。

3)能耗。 焙燒礦主要能耗包括焙燒礦輸送壓縮空氣、運(yùn)轉(zhuǎn)電、氧氣,鋅精礦富氧焙燒與傳統(tǒng)焙燒焙燒礦(按金屬鋅核算)壓縮空氣單耗、運(yùn)轉(zhuǎn)電單耗、氧氣對(duì)比見表4。

表4 富氧焙燒工藝與傳統(tǒng)焙燒工藝能耗對(duì)比

由表4數(shù)據(jù)可知,富氧焙燒工藝生產(chǎn)噸鋅空壓風(fēng)單耗194.0 Nm3,比傳統(tǒng)焙燒下降了46 Nm3;電單耗135.80 kW·h,比傳統(tǒng)焙燒下降11.76 kWh/t·Zn;高濃度氧氣的單耗為81 Nm3/t·Zn。

3 效益情況分析

鋅精礦富氧焙燒工藝投運(yùn)后,按照每年330 d生產(chǎn)周期、床能率8.03 t/m2·d 測(cè)算,富氧焙燒工藝年處理鋅精礦288 839.1 t(干基),比傳統(tǒng)焙燒工藝可多處理鋅精礦29 495.4 t/a(干基);按85%燒成率計(jì)算,可多產(chǎn)焙燒礦25 071.09 t;按焙燒礦含鋅60%計(jì)算,年產(chǎn)焙燒礦含鋅147 307.94 t,可多為濕法冶煉浸出提供15 042.65 t 鋅金屬。 另外,除增加焙燒礦產(chǎn)能外,還增加硫酸的產(chǎn)量,若按照鋅精礦含硫32%,每年可多產(chǎn)硫酸2.7 萬t。 富氧焙燒產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益測(cè)算如下所述。

1)增加產(chǎn)能提升的利潤。 每噸鋅外賣價(jià)格按照400 元/t 計(jì)算,每年多產(chǎn)焙燒礦含鋅金屬15 042.65 t,每年利潤為:15 042.65×400=601.706 萬元。

2)節(jié)約運(yùn)轉(zhuǎn)電成本。 按照內(nèi)部市場(chǎng)電費(fèi)價(jià)格0.38 元/kW·h 計(jì)算,每年節(jié)約運(yùn)轉(zhuǎn)電成本為:147 307.94 ×11.76 ×0.38 =65.83 萬元。

3)節(jié)約壓縮空氣成本。 按照內(nèi)部市場(chǎng)壓縮空氣價(jià)格0.13 元/Nm3計(jì)算,每年節(jié)約成本為:147 307.94 ×46 ×0.13 =88.09 萬元。

4)增加硫酸產(chǎn)量提升的利潤。 按照每噸硫酸內(nèi)部市場(chǎng)價(jià)格265 元計(jì)算,每年硫酸增加效益為:265 ×2.7 =715.5 萬元。

5)增加氧氣成本。 按照每立方米氧氣內(nèi)部市場(chǎng)價(jià)格0.41 元計(jì)算,每年增加氧氣費(fèi)用為:147 307.94 ×81 ×0.41 =489.21 萬元。

6)投資成本。 富氧焙燒裝置改造總投資為61.17 萬元。

綜上1) ～6)項(xiàng),每年富氧焙燒產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為920.746 萬元。

富氧焙燒工藝除具有良好的經(jīng)濟(jì)效益之外,還具有以下優(yōu)點(diǎn):提高焙燒系統(tǒng)、硫酸系統(tǒng)裝置的利用率;降低鼓風(fēng)量保障系統(tǒng)負(fù)壓,有效防止煙塵無組織排放,改善現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。 另外,富氧焙燒的成功投運(yùn),推動(dòng)了鋅焙燒工藝技術(shù)的發(fā)展,帶動(dòng)了產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)創(chuàng)新。

4 結(jié)語

109 m2鋅精礦沸騰焙燒爐富氧焙燒生產(chǎn)投運(yùn)以來,焙燒爐的床能率和產(chǎn)品質(zhì)量得到有效提升,并提升了煙氣中SO2的濃度,更有利于整個(gè)系統(tǒng)硫的回收,由此獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。 生產(chǎn)實(shí)踐證明,鋅精礦富氧焙燒生產(chǎn)工藝還可以改善環(huán)境,提升鋅精礦焙燒工藝技術(shù),有良好的推廣應(yīng)用前景。 鋅精礦富氧焙燒技術(shù)將是未來鋅冶煉的發(fā)展方向,同時(shí)也是各個(gè)企業(yè)進(jìn)行老廠改造或者擴(kuò)大產(chǎn)能的較優(yōu)選擇之一。