氣煉熔融法背景介紹

火法煉鋅技術(shù)又分為豎罐煉鋅、密閉鼓風(fēng)爐煉鉛鋅、電爐煉鋅和橫罐煉鋅。前兩種方法是中國(guó)現(xiàn)行的主要煉鋅方法，電爐煉鋅僅為中小煉鋅廠采用，橫罐煉鋅已經(jīng)淘汰。

在高于鋅沸點(diǎn)的溫度下，于豎井式蒸餾罐內(nèi)，用碳作還原劑還原氧化鋅礦物的球團(tuán)，反應(yīng)所產(chǎn)生鋅蒸氣經(jīng)冷凝成液體金屬鋅。中國(guó)葫蘆島鋅廠是中國(guó)惟一和世界僅存的兩家豎罐煉鋅廠之一。豎罐煉鋅的生產(chǎn)工藝由硫化鋅精礦氧化焙燒、焙砂制團(tuán)和豎罐蒸餾三部分組成。

1.硫化鋅精礦的氧化焙燒

一般硫化鋅精礦的成分是:Zn 46%-62%，S27%-34%，Pb<2%，Cu<1%，F(xiàn)e2%-9%。焙燒的目的是使精礦中的ZnS轉(zhuǎn)變成ZnO，而將S、Pb、Cd、As、Sb等除去。經(jīng)在1000℃以上高溫和小于1.1的過(guò)?？諝庀禂?shù)條件下焙燒，產(chǎn)物焙砂中的鋅全部以ZnO及其鹽類形態(tài)存在，98%Cd被揮發(fā)除去，Pb脫除率70%。主要焙燒反應(yīng)為:

2ZnS+3O2====2ZnO+2SO2

2SO2+O2====2SO3

ZnO+SO3====ZnSO4

4FeS2+11O2====2Fe2O3+8SO2

ZnO進(jìn)而與Fe2O3生成鐵酸鋅ZnO.Fe2O3。

氧化焙燒鋅精礦的設(shè)備已從歷史上采用的多膛爐逐漸過(guò)渡到沸騰焙燒爐。沸騰爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作，生產(chǎn)能力大于多膛爐3-4倍，煙氣SO2濃度在10%以上，現(xiàn)已成為最常用的焙燒設(shè)備。沸騰爐正向大型化、自動(dòng)控制方向發(fā)展，葫蘆島鋅廠于1991年建成了一座世界上面積最大的45m2高溫氧化焙燒爐，處理能力305t/d。

大型沸騰爐斷面為圓形，下部設(shè)有耐高溫爐底，爐底上等距離按一定規(guī)則排列著風(fēng)帽。爐底以上lm高左右設(shè)有焙砂溢流口，爐頂有煙氣出口。加料室建在爐底局部擴(kuò)出部分。含水6%左右的鋅精礦自前室加進(jìn)爐內(nèi)，在風(fēng)帽吹出風(fēng)力鼓動(dòng)下，迅速混入流態(tài)化層，被加熱，發(fā)生焙燒反應(yīng)。通過(guò)溢流口產(chǎn)出的焙砂送去制球團(tuán)，煙氣凈化后送硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)，捕集的煙塵供綜合利用。

沸騰焙燒的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是:脫硫率90%，鋅回收率99.5%，鎘回收率85%，煙塵率23%。

2.焙砂制團(tuán)與焦結(jié)

豎罐蒸餾煉鋅是氣固反應(yīng)過(guò)程，要求加入的物料必須具有良好透氣性和傳熱性能，以及相當(dāng)?shù)臒釓?qiáng)度，抗壓強(qiáng)度在4.9MPa以上。為此將鋅焙砂制成團(tuán)塊并焦結(jié)處理。工藝上首先將鋅焙砂和還原用粉煤、膠粘劑充分混合、碾磨、壓制成團(tuán)塊，然后送入機(jī)械化燃油干燥庫(kù)干燥。干燥后團(tuán)礦用機(jī)械提升從爐頂加入焦結(jié)爐，在800℃溫度下，在團(tuán)礦中的焦性煤產(chǎn)生粘結(jié)作用下使團(tuán)塊焦結(jié)，同時(shí)干團(tuán)礦中的殘存水分揮發(fā)分被徹底除去。

3.豎罐蒸餾

豎罐本體是用機(jī)械強(qiáng)度高、傳熱性能好、高溫下化學(xué)性穩(wěn)定的碳化硅材料砌成的直井狀爐體，橫斷面成狹長(zhǎng)矩形，高8-12m，受熱面積100-110m2。近代大型豎罐的尺寸為(2535mm×2mm)×290mm×12261mm，兩長(zhǎng)邊罐壁外側(cè)各有煤氣燃燒室，對(duì)罐內(nèi)團(tuán)礦進(jìn)行間接加熱。來(lái)自焦結(jié)爐的熱團(tuán)礦經(jīng)密封料鐘加入罐頂，下降過(guò)程中被加熱到1000℃以上，團(tuán)礦中ZnO還原反應(yīng)開(kāi)始激烈進(jìn)行:

ZnO+CO====CO2+Zn (1)

CO2+C====2CO (2)

ZnO還原反應(yīng)主要是氣一固反應(yīng)，體系中(團(tuán)礦中)配入過(guò)量的碳在1000℃高溫下產(chǎn)生的CO在數(shù)量上完全可以保證反應(yīng)(1)順利完成。固體碳與ZnO間固一固還原反應(yīng)只具有極次要的意義。還原產(chǎn)生的爐氣中含氣體鋅約35%，經(jīng)罐口下的上延部進(jìn)入裝有石墨轉(zhuǎn)子的冷凝器，在轉(zhuǎn)子揚(yáng)起的鋅雨捕集下，鋅蒸氣冷凝成了液態(tài)鋅，定時(shí)從冷凝器中放出液態(tài)鋅并鑄成鋅錠。出冷凝器的氣體經(jīng)過(guò)洗滌凈化除去剩余的鋅，成為含CO 80%左右、含H2約10%的罐氣，全部返回豎罐作為燃料。豎罐底部有連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的排渣機(jī)，蒸鋅后的團(tuán)塊經(jīng)此機(jī)械排出。豎罐煉鋅的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下:鋅冶煉回收率>94%;棄渣含鋅<1.0%;煤耗2.3 t/t Zn;罐體壽命2年;電耗550 kWt/t Zn;設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率93%以上。

該方法是在密閉爐頂?shù)墓娘L(fēng)爐中，用碳質(zhì)還原劑從鉛鋅精礦燒結(jié)塊中還原出鋅和鉛，鋅蒸氣在鉛雨冷凝中冷凝成鋅，鉛與爐渣進(jìn)入爐缸，經(jīng)中熱前床使渣與鉛分離。此方法是英國(guó)帝國(guó)熔煉公司(Imperial Smelting Carp, Let.)研究成功的，簡(jiǎn)稱ISP,對(duì)原料適應(yīng)性強(qiáng)，既可以處理原生硫化鉛鋅精礦，也可以熔煉次生含鉛鋅物料，能源消耗也比豎罐煉鋅法低。

燃料燃燒和金屬氧化物還原是密閉鼓風(fēng)爐中的基本反應(yīng)。加入爐內(nèi)的焦炭在高溫下與風(fēng)口鼓入空氣中的氧發(fā)生燃燒，產(chǎn)生煉鋅過(guò)程所需的熱量。主要熔煉反應(yīng)為:

C+O2====CO2

CO2+C====2CO

ZnO+CO====Zn+CO2

CdO+CO2====Cd+CO2

PbO+CO====Pb+CO2

ISP的技術(shù)特點(diǎn)是:①采用密封高溫爐頂(1000-1100℃)，以防止鋅蒸氣進(jìn)入鉛雨冷凝器之前降溫氧化;②采用高密度、低熔點(diǎn)、低蒸氣壓的鉛作冷凝捕收鋅蒸氣介質(zhì)，有利于鋅蒸氣的快速冷凝，防止氧化和鉛鋅分離;③采用高鈣渣系(CaO/SiO2=1.0-1.5)，渣型熔點(diǎn)高(125℃)，密度較低，為降低爐渣含鋅和渣與鉛分離創(chuàng)造了有利條件。

密閉鼓風(fēng)爐煉鉛鋅流程主要包括含鉛鋅物料燒結(jié)焙燒、密閉鼓風(fēng)爐還原揮發(fā)熔煉和鉛雨冷凝器冷凝三部分。

1.燒結(jié)焙燒

一般鉛鋅精礦含Pb+Zn在45%-60%，與其他含鋅物料混合配料后，在燒結(jié)機(jī)上脫硫燒結(jié)成塊。燒結(jié)塊要有一定的熱強(qiáng)度，以保證爐內(nèi)的透氣性，燒結(jié)塊的成分是(%):Zn41.4、Pb 19.2、FeO 12、CaO 5.7、SiO2 3.8、S 0.8。

2.密閉鼓風(fēng)爐還原揮發(fā)熔煉

早期爐子風(fēng)口區(qū)斷面積為5.1-6.4m2，目前最大的達(dá)27.2m2，多數(shù)工廠采用10m2和17.2m2。爐內(nèi)料柱高度6m，爐高10.66m，風(fēng)口內(nèi)徑159mm，共16個(gè)。爐頂設(shè)雙層料鐘密封加料器，爐身上部?jī)?nèi)砌輕質(zhì)高鋁磚，下部為高鋁磚，爐缸用鎂磚砌成，鋼板外壁三杯水冷卻。熔煉時(shí)，燒結(jié)塊、石灰熔劑和經(jīng)預(yù)熱的焦炭分批自爐頂加入爐內(nèi)，燒結(jié)塊中的鉛鋅被還原，鋅蒸氣隨CO2、CO煙氣一道進(jìn)入冷凝器，熔煉產(chǎn)物粗鉛、銅锍和爐渣經(jīng)過(guò)爐缸流進(jìn)電熱前床進(jìn)行分離，爐渣煙氣處理回收鋅后棄去，锍和粗鉛進(jìn)一步處理。

3.鋅蒸氣冷凝

冷凝設(shè)備為鉛雨飛濺冷凝器，冷凝器外形長(zhǎng)7-8m，高3m，寬5-6m，內(nèi)設(shè)8個(gè)轉(zhuǎn)子，浸入冷凝內(nèi)的鉛池中。轉(zhuǎn)子揚(yáng)起的鉛雨使含鋅蒸氣爐氣迅速降溫到600℃以下，使鋅冷凝成鋅液溶入鉛池，鉛液用泵不斷循環(huán)，流出冷凝器鉛液在水冷流槽中被冷卻到450℃，然后進(jìn)入分離槽，液體鋅密度小在鉛液上層，控制一定深度使其不斷流出，澆鑄成鋅錠。

鼓風(fēng)爐煉鉛鋅的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為:熱風(fēng)溫度950-1150℃，冷凝效率90%-92%，煙化爐渣含Pb 0.15%、Zn 1.35%，粗鋅含鋅大于98%、含鉛1.2%-1.5%，粗鉛含鉛大于98%、含鋅0.1%，冶煉回收率Pb>93%、Zn>94%，原料中S利用率90%-92%。

20世紀(jì)30年代在國(guó)外出現(xiàn)電爐煉鋅技術(shù)。80年代，中國(guó)開(kāi)始采用電爐煉鋅技術(shù)，至今已有10多處小型火法煉鋅廠推廣應(yīng)用，生產(chǎn)規(guī)模為500-2500 t/a。

電爐煉鋅是以電能為熱源，在焦炭或煤等還原劑存在條件下，直接加熱爐料使其中的ZnO成分連續(xù)還原成鋅蒸氣并冷凝成金屬鋅。該工藝可以處理高銅高鐵鋅礦，但要求原料含S不得大于1%，對(duì)于含S高的碳酸鹽鋅礦需要預(yù)脫除處理。

電爐形狀為圓形或矩形，臥式，功率有500kW、1250kW、200kW和2250kW多種。爐床面積4-8m2，電極直徑200-350mm。主要指標(biāo)為:熔煉溫度1250一1350℃，電能消耗4600kWh/t Zn，殘?jiān)\3%-5%，粗鋅品位98.7%，直收率80%，總回收率95%。