濕法煉鋅過(guò)濾系統(tǒng)工藝指標(biāo)優(yōu)化

李振華，胡玉琴，郭高強(qiáng)，朱曉智

1 總論

1.1 研究背景

浸出車(chē)間過(guò)濾系統(tǒng)主要以排料卸渣、渣資源漿化再回收為主，近年來(lái)車(chē)間一直追求渣指標(biāo)的高度優(yōu)化，以“吃干榨凈、環(huán)保排放”為基本目標(biāo)。車(chē)間曾多次在老系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)兩渣分離和渣指標(biāo)優(yōu)化攻關(guān)實(shí)驗(yàn)，但因老系統(tǒng)產(chǎn)能不足、設(shè)備老化陳舊，致使工藝調(diào)整困難、多次攻關(guān)未能在實(shí)踐中得到預(yù)期效果。2020 年過(guò)濾新系統(tǒng)鉛銀渣水溶鋅平均在2.37%左右，水溶鋅指標(biāo)波動(dòng)較大直接影響車(chē)間成本考核，2020 年車(chē)間零購(gòu)5 臺(tái)壓濾機(jī)設(shè)備在到貨安裝運(yùn)行后，過(guò)濾新、老系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)能得到了保障，尤其新系統(tǒng)設(shè)備的備用率、完好率、運(yùn)行率均有了較大提升。依托設(shè)備基礎(chǔ)的優(yōu)勢(shì)條件，車(chē)間在過(guò)濾新系統(tǒng)鉛銀渣流程末端增加了二次洗滌工序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉛銀渣約三分之一底流量的現(xiàn)場(chǎng)攻關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)該項(xiàng)目對(duì)水溶鋅指標(biāo)的優(yōu)化效果顯著，也對(duì)即將投產(chǎn)的渣資源綜合回收利用車(chē)間的貴金屬回收工作摸索了方案、積累了經(jīng)驗(yàn)，起到了“投石探路”的效果，并以此驗(yàn)證火法系統(tǒng)生產(chǎn)后，過(guò)濾系統(tǒng)可通過(guò)該系列方案促使外排渣中水溶鋅指標(biāo)再次降低，也為新車(chē)間開(kāi)車(chē)運(yùn)行能有良好的生產(chǎn)基礎(chǔ)，更高效的回收渣中的有價(jià)金屬做好了前期的準(zhǔn)備工作。

1.2 項(xiàng)目必要性

濕法煉鋅是目前世界范圍內(nèi)產(chǎn)出鋅效率頗高的一種工藝，但同時(shí)濕法煉鋅還會(huì)產(chǎn)出大量的浸出渣和凈化渣，這些渣中含有2%～4%水溶鋅的比例不可忽視，若不能有效回收這些水溶鋅不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，還會(huì)給國(guó)家資源造成大量浪費(fèi)。濕法煉鋅浸出過(guò)程，是以稀硫酸溶液（主要是鋅電解過(guò)程產(chǎn)生的廢電解液）作溶劑，將含鋅原料中的有價(jià)金屬溶解進(jìn)入溶液的過(guò)程。其原料中除鋅外，一般還含有鐵、銅、鎘、鈷、鎳、砷、銻及稀有金屬等元素。在浸出過(guò)程中，除鋅進(jìn)入溶液外，金屬雜質(zhì)也不同程度地溶解而隨鋅一起進(jìn)入溶液。這些雜質(zhì)會(huì)對(duì)鋅電積過(guò)程產(chǎn)生不良影響，因此在送電積以前必須把有害雜質(zhì)盡可能除去。在浸出過(guò)程中應(yīng)盡量利用水解沉淀方法將部分雜質(zhì)（如鐵、砷、銻等）除去，以減輕溶液凈化的負(fù)擔(dān)。浸出過(guò)程的目的是將原料中的鋅盡可能完全溶解進(jìn)入溶液中，并在浸出終了階段采取措施，除去部分鐵、硅、砷、銻、鍺等有害雜質(zhì)，同時(shí)得到沉降速度快、過(guò)濾性能好、易于液固分離的浸出礦漿。浸出使用的鋅原料主要有硫化鋅精礦（如在氧壓浸出時(shí)）或硫化鋅精礦經(jīng)過(guò)焙燒產(chǎn)出的礦物、氧化鋅粉與含鋅煙塵以及氧化鋅礦等。其中焙燒礦是濕法煉鋅浸出過(guò)程的主要原料，它是由ZnO 和其他金屬氧化物、脈石等組成的細(xì)顆粒物料。焙燒物質(zhì)的化學(xué)成分和物相組成對(duì)浸出過(guò)程所產(chǎn)生溶液的質(zhì)量及金屬回收率均有很大影響。

以某鋅冶煉工廠為例，年產(chǎn)出的23 萬(wàn)噸浸出渣和凈化渣中含有水溶鋅近7000t，如此大量的水溶鋅進(jìn)入環(huán)境所造成的污染可想而知，造成的經(jīng)濟(jì)損失也超出億元。因此，進(jìn)行濕法煉鋅中水溶鋅的加強(qiáng)回收十分有必要，是擴(kuò)大鋅冶煉行業(yè)產(chǎn)能、減少行業(yè)污染的必要一環(huán)。當(dāng)浸出工序體積受限時(shí)，過(guò)濾系統(tǒng)用水較少，兩渣中水溶鋅的回收能力欠佳，造成水溶鋅較高，鋅回收率較差。過(guò)濾新系統(tǒng)因備用設(shè)備數(shù)量相對(duì)富余，基礎(chǔ)設(shè)備、設(shè)施可滿(mǎn)足該項(xiàng)目的開(kāi)展。通過(guò)該項(xiàng)目能為全廠鋅系統(tǒng)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效益提升創(chuàng)造更好的條件，因此該工藝流程改造對(duì)過(guò)濾系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)指標(biāo)優(yōu)化具有重大意義。

2 具體內(nèi)容

2.1 方案內(nèi)容

傳統(tǒng)濕法煉鋅工藝中采用洗滌、凈化、萃取的工藝完成對(duì)浸出渣和凈化渣中水溶鋅的回收，借助攪拌機(jī)攪拌洗滌，將水溶鋅洗滌入溶液，然后加入熟石灰中和后進(jìn)行溶液萃取，獲得相對(duì)純凈的、富含水溶鋅的溶液，最后將溶液在電解環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)鋅的回收。浸出過(guò)程在整個(gè)濕法煉鋅的生產(chǎn)過(guò)程中起著重要的作用。生產(chǎn)實(shí)踐表明，濕法煉鋅的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在很大程度上取決于浸出所選擇的工藝流程和操作過(guò)程中所控制的技術(shù)條件。該項(xiàng)目在過(guò)濾工段新系統(tǒng)原設(shè)備基礎(chǔ)上，利用備用壓濾機(jī)、漿化槽、泵等設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，在通過(guò)增加管道輸送路線(xiàn)后，可使鉛銀渣部分實(shí)現(xiàn)三次壓濾、兩次洗滌的工序流程，以增加洗滌次數(shù)的方式強(qiáng)化鋅金屬的回收率，最終達(dá)到優(yōu)化水溶鋅指標(biāo)的效果。為驗(yàn)證該方案的可行性，對(duì)鉛銀渣底流進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，該項(xiàng)目試驗(yàn)分多次進(jìn)行，分別對(duì)洗滌液的體積、濃度、漿化時(shí)間三方面因素實(shí)行了控制變量的對(duì)照試驗(yàn)。

具體方案如下：

（1）在正常過(guò)濾工序流程的基礎(chǔ)上，當(dāng)鉛銀渣底流第一次壓濾后，濾餅在一次漿化槽內(nèi)漿化，一次濾液進(jìn)入濾液槽后返浸出工序。

（2）一次漿化液在第二次壓濾時(shí)采用一次備用壓濾機(jī)（兩臺(tái)），將二次濾餅在一次備用漿化槽內(nèi)用新水再漿化，濾液返回一次漿化工序。

（3）二次漿化液打入（原）二次壓濾機(jī)進(jìn)行第三次壓濾。三次壓濾后濾渣排放，三次濾液返回二次漿化工序。

2.2 試驗(yàn)操作

洗滌試驗(yàn)的設(shè)備組成主要包括機(jī)械攪拌設(shè)備、恒溫水浴加熱器等。每一次洗滌試驗(yàn)中，需稱(chēng)量100g 的渣以燒杯盛裝；洗滌主要以稀硫酸水洗液為材料，按照固定的固體、液體比例傾倒入燒杯之中；混合后的稀硫酸水洗液與100g 的渣混合物一邊接受恒溫水浴加熱器的溫度控制，一邊接受機(jī)械攪拌設(shè)備的旋轉(zhuǎn)攪拌，使100g 渣中的水溶鋅能夠盡可能進(jìn)入到稀硫酸水洗液中，完成從渣中的剝離；洗滌完成后的溶液加入固體中和劑，中和掉溶液中的鐵等物質(zhì)，完成凈化步驟，使溶液保持在一定的酸堿度范圍內(nèi)；凈化后的渣和溶液過(guò)濾分離。在洗滌中和環(huán)節(jié)中，熟石灰是常用的中和劑，這種中和劑不僅價(jià)格低廉而且中和過(guò)程不產(chǎn)生氣體，實(shí)驗(yàn)中不必?fù)?dān)心發(fā)生“冒”現(xiàn)象，保證實(shí)驗(yàn)安全。而且熟石灰中存在大量的固體顆粒物，為鐵等物質(zhì)的沉淀提供了下沉核心。

萃取試驗(yàn)的設(shè)備組成主要包括振蕩器、分液漏斗等。渣與水相溶液進(jìn)入萃取試驗(yàn)環(huán)節(jié)，先要被盛裝入分液漏斗，然后將分液漏斗安裝在振蕩器上；然后設(shè)定好震蕩器械的震蕩時(shí)間，靜待震蕩完成、兩相充分混合；最后將分液漏斗靜置，慢慢等待混合的渣與水相溶液自然分相，水相溶液取出分析。萃取試驗(yàn)中的水相溶液通常不是水，比如在濕法煉鋅工藝中萃取試驗(yàn)多以P204+磺化煤油為震蕩混合的對(duì)象，其中P204 就是最常見(jiàn)的、針對(duì)鋅的萃取水相溶液，能夠借助陽(yáng)離子交換反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)鋅離子與P204 中氫離子發(fā)生交換，從而將水溶鋅從渣中萃取出來(lái)。

除萃取試驗(yàn)外，實(shí)驗(yàn)室可借助反萃取試驗(yàn)完成對(duì)水相溶液中有機(jī)相的回收。反萃取試驗(yàn)中以每升50g 的鋅和150g 的硫酸混合，組成模擬貧電積液。當(dāng)貧電積液中的氫離子與P204 中的鋅離子碰撞時(shí)，二者可發(fā)生相互交換，使P204 恢復(fù)到萃取前的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)相的循環(huán)再利用。

2.3 操作細(xì)節(jié)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室反復(fù)試驗(yàn)操作可知，影響洗滌的因素主要包括洗滌時(shí)間、洗滌溫度、洗滌環(huán)境酸堿度、固液比，影響萃取的因素主要包括P204 濃度、萃取相比、混合時(shí)間。

洗滌時(shí)間對(duì)洗滌的影響較小，只需不超出60min 基本不會(huì)影響水溶鋅的回收效果，但建議選擇將時(shí)長(zhǎng)控制在30min，提高試驗(yàn)整體效率；洗滌溫度對(duì)鉛銀渣中水溶鋅回收的影響稍大，鉛銀渣中水溶鋅的回收溫度在60℃至更高的溫度中表現(xiàn)穩(wěn)定，在20℃～60℃之間有較大回收效果波動(dòng)，表現(xiàn)出明顯的回收率降低情況，因此建議將洗滌溫度控制在60℃以上；洗滌環(huán)境酸堿度對(duì)鉛銀渣水溶鋅回收影響也不可忽視，在2 ～15 的酸堿度范圍內(nèi)，鉛銀渣在酸堿度5 和10 處分別表現(xiàn)出一個(gè)小的回收高峰，而鐵礬渣只在酸堿度5 處表現(xiàn)出了小的回收高峰，且渣中金屬水溶鋅的洗出需要酸環(huán)境，所以應(yīng)當(dāng)將環(huán)境酸堿度控制在5 的位置；洗滌固液比從4：1 ～7：1 的變化區(qū)間內(nèi)整體變化幅度較小，鉛銀渣呈現(xiàn)出小幅度上揚(yáng)的態(tài)勢(shì)，而鐵礬渣在5：1 的比例出表現(xiàn)出一個(gè)小回收高峰，因此應(yīng)當(dāng)將酸堿度控制在5：1。

萃取試驗(yàn)中P204 濃度、有機(jī)相與水相體積比、混合時(shí)間都是影響萃取回收效果的因素。萃取濃度對(duì)萃取回收效果影響較大，在15%～40%的萃取濃度變化區(qū)間內(nèi)，回收效果一路成上揚(yáng)態(tài)勢(shì)，且在萃取濃度40%時(shí)水溶鋅的回收率已經(jīng)超出80%，鑒于繼續(xù)增加萃取濃度會(huì)增加萃取溶液整體粘度，且會(huì)提高萃取成本，建議將P204 濃度控制在40%左右。萃取有機(jī)相與水相體積比直接關(guān)系到萃取效率和萃取成本，在常見(jiàn)的萃取體積比1：5/1：4/1：3/1：2/2：3/3：4/1：1/3：2 之 中，P204 的濃度不同會(huì)產(chǎn)生不同的萃取效果。以萃取體積比1：2 為例，當(dāng)P204 濃度為15%時(shí)，磺化煤油85%，水溶鋅萃取率接近50%，如果選擇相同的體積比而提高P204 的濃度到20%，水溶鋅萃取率上升為56%，如果進(jìn)一步提高P204 濃度到30%，水溶鋅萃取率進(jìn)一步上升到65%。由此可見(jiàn)，在萃取試驗(yàn)中需先確定P204濃度，然后再進(jìn)行萃取有機(jī)相與水相的體積比，才能獲得相應(yīng)的水溶鋅萃取效率，是一個(gè)受到影響干擾較大的條件。但從整體發(fā)展態(tài)勢(shì)上來(lái)看，P204 濃度越高，萃取體積比越高，水溶鋅回收率越高，P204 濃度30%、萃取體積比3：2 時(shí)可達(dá)到80%的水溶鋅回收率。萃取混合時(shí)間對(duì)水溶鋅的萃取回收效率影響較小，混合時(shí)間延長(zhǎng)和縮短都不會(huì)引起萃取回收效率的大幅度波動(dòng)，混合3min 后就可以將萃取回收率穩(wěn)定在60%。因此，在進(jìn)行萃取試驗(yàn)時(shí)，萃取混合時(shí)間控制在3min 即可，不僅可以保證萃取效果，而且可以節(jié)約整個(gè)試驗(yàn)所消耗的時(shí)間，提高萃取反應(yīng)的整體效率。

反萃取試驗(yàn)中模擬貧電積液的配比基本固定，有機(jī)相與水相體積比是影響反萃取效果的主要因素，當(dāng)體積比在4：1 時(shí)反萃取的效果較好，水溶鋅的回收率高達(dá)90%；當(dāng)體積比為2：1時(shí)理論上反萃取的效果更高，回收率可達(dá)到100%。但實(shí)際實(shí)驗(yàn)室操作時(shí)無(wú)法消除系統(tǒng)誤差，無(wú)法切實(shí)達(dá)到100%。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)控制兩次漿化洗滌液體積總量不變，兩次漿化時(shí)間不變，均為：15min，兩種漿化洗滌液控制變量加入的操作進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，通過(guò)四組實(shí)驗(yàn)對(duì)照，在一次漿化中濾液遞減、新水量遞增，二次漿化洗滌時(shí)濾液體積遞增，新水體積遞減的操作，結(jié)果顯示一次漿化洗滌多用濾液，二次漿化洗滌多用新水的操作效果顯著。分別在一次、二次漿化洗滌時(shí)濾液體積遞減，新水體積遞增的操作，結(jié)果顯示一次、二次漿化過(guò)程中多用新水的洗滌效果顯著。本次實(shí)驗(yàn)水溶鋅最佳指標(biāo)相對(duì)第一次明顯優(yōu)化。

在通過(guò)不同洗滌液的漿化對(duì)照后，車(chē)間再次對(duì)洗滌液的漿化時(shí)間進(jìn)行了探索，本次實(shí)驗(yàn)基于上兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)論，以較優(yōu)洗滌方式，通過(guò)不同洗滌液、不同加入量、不同時(shí)間再次探索了漿化洗滌效果。

本次實(shí)驗(yàn)再次證實(shí)，在確保漿化洗滌液體積、成分不變的基礎(chǔ)上，當(dāng)兩次漿化總時(shí)間不變時(shí)，二次漿化時(shí)間越長(zhǎng)，洗滌效果越好。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

以上三次實(shí)驗(yàn)均采用三次壓濾液返回二次漿化，二次壓濾液返回一次漿化，一次壓濾液返回浸出工序的方式開(kāi)展了攻關(guān)，經(jīng)過(guò)兩次洗滌三次壓濾所得數(shù)據(jù)，每次試驗(yàn)數(shù)據(jù)均相比日常一次洗滌效果明顯偏好。鑒于實(shí)際用水量的控制和漿化時(shí)間的調(diào)節(jié)，最終綜合得出結(jié)論：一次洗滌時(shí)濾液量加大，新水適量加入，二次洗滌時(shí)新水量加大，濾液量少量加入或不加入的方案顯示，水溶鋅指標(biāo)優(yōu)化效果最明顯，也最適合實(shí)際生產(chǎn)；同時(shí)在兩次漿化總時(shí)間不變時(shí)，二次洗滌時(shí)間越長(zhǎng)效果越顯著。依據(jù)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)攻關(guān)實(shí)驗(yàn)后的該部分鉛銀渣水溶鋅平均值達(dá)到了1.4%以下，相對(duì)2020 年新系統(tǒng)水溶鋅平均值2.37%，下降約1%。該項(xiàng)目攻關(guān)還處于進(jìn)一步探索階段，為達(dá)到更良效果，還需在日常生產(chǎn)中不斷掌握洗滌液成分、體積、漿化時(shí)間等方面的控制。

4 產(chǎn)生的效益

4.1 安全環(huán)保

該項(xiàng)目不產(chǎn)生固廢危害，項(xiàng)目總體布局合理，車(chē)間布置滿(mǎn)足生產(chǎn)流程、環(huán)境保護(hù)，以及防火、安全、衛(wèi)生、施工及檢修等要求；對(duì)地表水環(huán)境、大氣環(huán)境、聲環(huán)境均不造成影響。

4.2 效益估算

注：因該項(xiàng)目是借以新系統(tǒng)備用設(shè)備的基礎(chǔ)開(kāi)展的，無(wú)法對(duì)系統(tǒng)所有渣餅實(shí)行兩次漿化洗滌，目前項(xiàng)目中只能漿化新系統(tǒng)渣總量的三分之一，而渣排放時(shí)處于混合狀態(tài)，如果按照正常取樣所得則是綜合渣樣，因此渣樣的提取化驗(yàn)及指標(biāo)制定需要分類(lèi)界定。

4.2.1 指標(biāo)優(yōu)化

經(jīng)多次試驗(yàn)結(jié)果，在項(xiàng)目攻關(guān)后鉛銀渣水鋅指標(biāo)可定為：1.4%，相比2020 年生產(chǎn)報(bào)表平均值2.37%可降低0.97%。

綜合渣樣水鋅指標(biāo)：2.37%*0.67+1.4%*0.33=2.05%，相比2020 年生產(chǎn)報(bào)表平均值2.37%可降低0.32%。

4.2.2 提升鋅金屬回收

經(jīng)項(xiàng)目攻關(guān)后該部分鉛銀渣支流水溶鋅可降為1.4%以下，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益：

660×0.4×0.33×180×0.97%×14000 ≈212.956 萬(wàn)元/年（根據(jù)2020 年生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，焙砂加入量約660 噸/天，渣率40%，其中約三分之一可實(shí)現(xiàn)攻關(guān)項(xiàng)目。冬季10 月及次年3 月實(shí)行效果較差，車(chē)間不計(jì)劃項(xiàng)目攻關(guān)，項(xiàng)目實(shí)行有效時(shí)間180 天/年，鋅精礦：14000 元/噸）。

按照綜合渣樣計(jì)算：660×0.4×180×0.32%×14000≈212.89萬(wàn)元/年。

電能成本：[（5.5+0.75）×3+45×2]×4×3×30×12×0.38≈17.85萬(wàn)元/年。

廂壓機(jī)油泵功率：5.5KW/臺(tái)，拉板小車(chē)功率：0.75KW/臺(tái)，廂壓機(jī)按照最大運(yùn)行量3 臺(tái)計(jì)算，增設(shè)泵2 臺(tái)，功率45KW/臺(tái)，項(xiàng)目增加設(shè)備運(yùn)行時(shí)間4 小時(shí)/班，電費(fèi)0.38/度。

人力成本：5 萬(wàn)/年.人×8 人≈40 萬(wàn)/年。

綜合效益：213-17.85-40 ≈155.15 萬(wàn)/年。

5 優(yōu)化結(jié)果

（1）解析槽SO2穩(wěn)定析出，SO2風(fēng)機(jī)將其連續(xù)抽送至煙氣制酸系統(tǒng)，焙燒爐負(fù)壓工況可穩(wěn)定控制。

（2）系統(tǒng)Mn2+平衡得到控制，輔料成本降低。

（3）廢液含F(xiàn)-≤30mg/L，含Cl-≤300mg/L，可保證電解正常生產(chǎn)。

（4）低浸渣避免頻繁轉(zhuǎn)運(yùn)，濕法系統(tǒng)體積得到控制，廠區(qū)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)降低。

6 結(jié)論及建議

對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化后，浸出渣綜合回收處理系統(tǒng)和主系統(tǒng)能夠有效銜接，提高各流程工藝適用性，實(shí)現(xiàn)資源綜合回收和清潔生產(chǎn)雙贏的目的。相關(guān)企業(yè)在進(jìn)行浸出工藝優(yōu)化時(shí)需注意以下兩點(diǎn)：

（1）銅渣除氯存在AsH3 逸出風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，要注意廠房通風(fēng)，必要時(shí)安裝AsH3 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，避免劇毒氣體造成職業(yè)危害。

（2）解析、中和和高浸工段的槽體、濃密機(jī)均需密封處理，并定期檢修，同時(shí)保持各槽體微負(fù)壓工況，避免SO2逸出危及人員健康。