壓縮空氣噴吹法制備金屬鋅粉的生產(chǎn)實踐研究

姚應雄 陳先友 何成道 李 科 高占勛 王澤永

(云錫文山鋅銦冶煉有限公司,云南 文山 663701)

0 前言

鋅粉因具有較負的標準電極電位、較大的比表面積、活潑的化學性質等特性[1-2]，常作為置換劑廣泛應用于化工、冶金行業(yè)。根據(jù)其生產(chǎn)方式的不同，鋅粉主要分為電爐鋅粉(合金鋅粉)、水霧化鋅粉、空氣噴吹鋅粉三種。

在濕法煉鋅行業(yè)中，鋅粉作為還原劑用于置換除雜或富集回收稀貴金屬[3]，如用于中性浸出液凈化過程中的置換除雜、綜合回收過程中的鎘回收、銦回收過程中的三價鐵還原等。因需求量大、成本占比高，大多數(shù)濕法煉鋅企業(yè)都配套了鋅粉生產(chǎn)系統(tǒng)。目前，濕法煉鋅企業(yè)普遍采用壓縮空氣噴吹法(有些企業(yè)采用壓縮氮氣噴吹法)和水霧化法兩種工藝生產(chǎn)鋅粉[4]。這兩種工藝具有投資少、工藝流程短、產(chǎn)品純度高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。

某公司擁有年產(chǎn)10 萬t 鋅的濕法煉鋅系統(tǒng)，采用壓縮空氣噴吹法生產(chǎn)金屬鋅粉，車間設置1 臺640 kW 工頻熔鋅感應電爐、噴嘴、鋅粉沉降倉、收塵、旋振篩等設備。金屬鋅粉主要用于中性浸出液置換除雜和鎘回收過程，日需求量約30 t，其中-150 目(106 μm)粒度鋅粉要求占比在80%以上。投產(chǎn)初期，因未能完全掌握鋅粉生產(chǎn)關鍵工藝參數(shù)和影響機理，鋅粉產(chǎn)能僅約20 t/d，-150 目粒度鋅粉產(chǎn)率約60%，鋅粉產(chǎn)量和粒度不能滿足生產(chǎn)要求，需外購部分電爐鋅粉輔助，導致生產(chǎn)成本升高，影響企業(yè)經(jīng)濟效益。

因此，該公司在生產(chǎn)實踐過程中，對金屬鋅粉生產(chǎn)關鍵工藝參數(shù)開展了系列單因素試驗，研究了鋅液溫度、噴吹壓力、石英管內徑、噴嘴齒數(shù)、噴嘴加工和安裝精度對鋅粉產(chǎn)能和粒度的影響，對各個工藝參數(shù)進行優(yōu)化確定。在最佳工藝參數(shù)組合條件下，鋅粉產(chǎn)能和品質得到明顯提升，滿足生產(chǎn)需求，降低了鋅冶煉生產(chǎn)成本。

1 壓縮空氣噴吹法生產(chǎn)工藝

壓縮空氣噴吹法生產(chǎn)金屬鋅粉的原理如下：在噴槍的特定結構下，高速壓縮空氣氣流在石英玻璃管內形成負壓，將鋅液從熔鋅池吸進噴嘴，同時噴槍內的二次風將鋅液?；瘜⑵淅鋮s形成鋅粉；在冷卻過程中，鋅粉被噴吹到鋅粉沉降倉內，并在沉降倉內收集，然后通過旋振篩篩分出不同粒度的鋅粉產(chǎn)品，+60 目(245 μm)粗顆粒鋅粉返回感應電爐。壓縮空氣噴吹鋅粉的工藝流程如圖1 所示。

圖1 空氣噴吹鋅粉工藝流程

2 鋅粉產(chǎn)能和粒度的影響因素分析與討論

2.1 鋅液溫度

在噴吹壓力0.5～0.55 MPa、石英管內徑10 mm、噴嘴齒組合25/30(內噴嘴25 齒，外噴嘴30 齒)條件下進行試驗，研究不同鋅液溫度對鋅粉產(chǎn)能和粒度的影響，結果如圖2 所示。

由圖2 可知，鋅液溫度越高，鋅粉產(chǎn)能越大，-150 目粒度鋅粉產(chǎn)率越高。這是因為鋅液溫度越高，鋅液粘度越小，流動性越好，石英管單位時間內的虹吸量就越大；同時，鋅液被壓縮風破碎的粒度也就越小[5]，細鋅粉產(chǎn)率也就越高。生產(chǎn)中，當溫度為530～550 ℃時，鋅液流動性差，在噴吹過程中易凝固堵塞石英管，頻繁更換石英管會導致鋅粉產(chǎn)能偏低，產(chǎn)量僅為10～12 t/d，且-150 目粒度鋅粉產(chǎn)率為50%～55%；隨著溫度升高，產(chǎn)能提升顯著，當鋅液溫度為590～600 ℃時，鋅粉日產(chǎn)量達到20～25 t/d，-150 目粒度鋅粉產(chǎn)率可達75%，完全滿足生產(chǎn)需求。但溫度過高時，鋅液氧化率加大[6]，不僅增加電能消耗及生產(chǎn)生成本，還會導致沉降倉倉內壓力和溫度升高，加大安全風險。因此，生產(chǎn)中鋅液溫度以590～600 ℃為宜。

圖2 鋅液溫度對產(chǎn)能和粒度的影響

2.2 噴吹壓力

在鋅液噴吹溫度590～600 ℃、石英管內徑10 mm、噴嘴齒組合25/30 條件下進行試驗，研究不同噴吹壓力對鋅粉產(chǎn)能和粒度的影響，試驗結果如圖3所示。

圖3 表明，隨著噴吹壓力的增加，鋅粉產(chǎn)量逐漸升高[7]，-150 目粒度鋅粉產(chǎn)率也隨之升高，這是因為噴吹壓力越大，鋅液虹吸速率越快，單位時間內的產(chǎn)量就越高，且鋅液粒化地越細。當噴吹壓力升至0.6 MPa 時，鋅粉產(chǎn)量約19 t/d，-150 目粒度鋅粉產(chǎn)率約75%；當噴吹壓力繼續(xù)升高至0.7 MPa 時，鋅粉產(chǎn)量和-150 目粒度鋅粉產(chǎn)率升高趨勢趨于平穩(wěn)，說明此時繼續(xù)增加噴吹壓力對指標提升已無實際意義，而且噴吹壓力過大容易導致虹吸斷流，影響生產(chǎn)穩(wěn)定性，同時易造成進氣管接頭脫落，引發(fā)安全事故。因此，綜合考慮確定噴吹壓力為0.6～0.65 MPa。

圖3 噴吹壓力對產(chǎn)能和粒度的影響

2.3 石英管內徑

在鋅液溫度為590～600 ℃、噴吹壓力為0.6～0.65 MPa、噴嘴齒組合25/30 條件下進行試驗，研究不同石英管內徑對鋅粉產(chǎn)能和粒度的影響，試驗結果如圖4 所示。

圖4 表明，隨著石英管內徑的增加，鋅粉產(chǎn)量明顯增加，-150 目粒度鋅粉產(chǎn)率小幅增漲，這是因為石英管內徑越大，單位時間內的虹吸量越大，產(chǎn)量就越高，-150 目粒度鋅粉產(chǎn)率相應增加，但增加幅度較小，主要因為管徑的增加弱化了噴吹壓力，導致粗鋅粉產(chǎn)率也有所增加[8]。當石英管內徑為12 mm時，產(chǎn)量超過了23 t/d，-150 目粒度鋅粉產(chǎn)率超過76%；當石英管內徑繼續(xù)增加至13 mm 時，產(chǎn)量可達到25 t/d 以上，但-150 目粒度鋅粉產(chǎn)率降低至72%左右，無法利用的+60 目粗鋅粉產(chǎn)率明顯增加。因此，石英管內徑以12 mm 為宜。

圖4 石英管內徑對產(chǎn)能和粒度的影響

2.4 噴嘴齒數(shù)

在噴吹溫度590～600 ℃、噴吹壓力0.6～0.65 MPa、石英管內徑12 mm 條件下進行試驗，研究不同噴嘴齒組合對鋅粉產(chǎn)能和粒度的影響，試驗結果如圖5所示。噴嘴外形圖(氣流分布器)如圖6 所示。

圖6 噴嘴結構

圖5 表明，隨著噴嘴齒數(shù)的增加，鋅粉產(chǎn)量逐漸降低，但-150 目粒度鋅粉產(chǎn)率明顯增加。由圖可以看出，當噴嘴齒數(shù)增加至30/40 時，鋅粉產(chǎn)量約為29.5 t/d，-150 目粒度鋅粉產(chǎn)率約為82%，產(chǎn)量和粒度要求均達到生產(chǎn)需求。當噴嘴齒數(shù)為35/45時，鋅粉產(chǎn)量降至28 .5 t/d，-150 目粒度鋅粉產(chǎn)率增加至85%以上。此外，35/45 的噴嘴齒數(shù)分布較密，齒壁較薄，在高溫、高壓工作條件下，容易損壞，若頻繁更換，則不利于生產(chǎn)的穩(wěn)定。綜上所述，選定30/40(內噴嘴30 齒、外噴嘴40 齒)的噴嘴齒組合較為適宜。

圖5 噴嘴齒數(shù)對產(chǎn)能和粒度的影響

2.5 噴嘴的加工和安裝精度

噴嘴的加工和安裝精度也是影響鋅粉產(chǎn)能和粒度的重要因素[9]。加工精度主要體現(xiàn)為噴嘴流道形式、流道角度、流道深度、流道分布均勻性、流道光滑度。研究表明，噴嘴采用U 型流道(原為矩形流道)，傾斜60° ±5°，深1～1.5 mm，流道分布越均勻，越光滑，鋅粉產(chǎn)量越高，粒度越細。采用這種高精度的噴嘴，鋅粉產(chǎn)能顯著提升5%～10%。

噴嘴上齒和下齒的配合須垂直無傾斜，否則將影響氣流分布的均勻性，從而降低細鋅粉產(chǎn)率。石英管安裝時，需垂直于噴嘴橫截面，即與噴嘴內腔平行，且石英管與噴嘴內腔間隙用石棉繩或柔性石墨墊子填充密封穩(wěn)固，否則石英管在噴吹過程中受到氣流的沖擊易晃動或者斷裂，導致鋅液流量波動，不僅降低鋅粉產(chǎn)能和細鋅粉產(chǎn)率，也影響生產(chǎn)穩(wěn)定性和增加生產(chǎn)成本[10]。此外，石英管安裝時，石英管鋅液出口端適當超過出氣點1～2 mm，有利于增加細鋅粉產(chǎn)出率。

3 工業(yè)驗證試驗

根據(jù)單因素條件試驗結果，金屬鋅粉生產(chǎn)工藝條件優(yōu)化為：鋅液溫度590～600 ℃，噴吹壓力0.6～0.65 MPa、石英管內徑12 mm，內噴嘴30 齒、外噴嘴40 齒。在此工藝條件下進行工業(yè)驗證試驗(24 h 生產(chǎn)制)，1～3 月份為單因素試驗生產(chǎn)數(shù)據(jù)，4～9 月份為最優(yōu)工藝條件組合驗證試驗生產(chǎn)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)情況見表1。

表1 2020 年1～9 月金屬鋅粉生產(chǎn)情況

工業(yè)驗證試驗數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過工藝優(yōu)化，金屬鋅粉產(chǎn)能由1～3 月份的平均21.84 t/d 增加至4～9月份的平均29.65 t/d，提升了35.76%；-150 目粒度鋅粉產(chǎn)率由1～3 月份的平均72.25%增加至4～9 月份的平均82.09%，提升了13.62%，且鋅粉含鋅量在99%以上。

采用壓縮空氣噴吹法生產(chǎn)金屬鋅粉，鋅粉產(chǎn)能、-150 目粒度鋅粉產(chǎn)率、鋅粉純度完全滿足濕法煉鋅生產(chǎn)需求，且結果重現(xiàn)性較好，實現(xiàn)了鋅粉100%自給自足，進一步降低了鋅冶煉生產(chǎn)成本，為企業(yè)降本增效起到了積極作用。

4 結論

1)采用壓縮空氣噴吹法制備金屬鋅粉，為提高鋅粉產(chǎn)能及-150 目鋅粉產(chǎn)出率，考察了鋅液溫度、噴嘴壓力、石英管內徑等因素對產(chǎn)品的影響。試驗結果表明金屬鋅粉的最佳生產(chǎn)工藝條件為：鋅液溫度控制在590～600 ℃、噴吹壓力0.6～0.65 MPa、石英管內徑12 mm、內噴嘴30 齒、外噴嘴40 齒。

2)噴嘴采用U 型流道、流道傾斜60° ±5°、深1～1.5 mm、流道分布均勻且加工精度高的噴嘴，鋅粉產(chǎn)能可提升5%～10%。

3)噴嘴和石英管高精度安裝以及石英管鋅液出口端適當超過出氣點1～2 mm，有利于增加細鋅粉產(chǎn)率。

通過上述工藝參數(shù)優(yōu)化及噴嘴改進，操作條件和經(jīng)濟技術指標相對較好。空氣噴吹鋅粉平均產(chǎn)量達29.65 t/d，-150 目粒度鋅粉平均產(chǎn)出率達82.09%，鋅粉含鋅大于99%，滿足生產(chǎn)需求。