锌精矿沸腾炉富氧焙烧的可行性分析

周开敏，陈兴亚，丁雁波

(云南驰宏锌锗股份有限公司，云南曲靖 657800)

锌精矿沸腾炉富氧焙烧的可行性分析

周开敏，陈兴亚，丁雁波

(云南驰宏锌锗股份有限公司，云南曲靖 657800)

富氧焙烧工艺在冶金和化工领域得到了广泛的应用。以锌精矿109 m2沸腾焙烧炉为例，从炉床能力、余热利用、渣尘质量及焙烧电耗等方面分析了采用φ(O2)25%的富氧空气替代空气焙烧锌精矿的可行性。采用富氧空气后提高沸腾炉炉床能力，炉床能力从33.3 t/(m2·d)提高至39.6 t/(m2·d)，硫酸可增产15～17.5 kt/a，按300元/t计，每年可增收约337.5万元。

锌精矿 富氧焙烧 可行性 炉床能力

目前大多数湿法炼锌厂采用传统的湿法炼锌工艺， 锌精矿在沸腾炉内通过焙烧脱硫，尽可能地将硫化物转化成氧化物、少量的硫酸锌和含硫烟气，焙烧渣尘进入湿法炼锌、烟气送去制酸。锌精矿焙烧方式有2种，一种是氧化焙烧，另一种是硫酸化焙烧。硫酸化焙烧主要反应方程式如下：

2ZnS+3O2→2ZnO+2SO2

(1)

ZnS+2O2→ZnSO4

(2)

3ZnSO4+ZnS→4ZnO+4SO2

(3)

2SO2+O2→2SO3

(4)

锌精矿硫酸化焙烧的目的主要有二：一是将矿中ZnS尽量氧化变成ZnO，同时也使矿中的铅、镉、砷和锑等杂质氧化变成易挥发的化合物或直接挥发而从矿中分离出去；二是使矿中的硫氧化变成SO2，产生有足够浓度的SO2烟气以便制取硫酸。

沸腾焙烧过程的主要经济技术指标有炉床能力、焙烧渣尘质量(即残硫、可溶锌量及总锌量)和烟气质量等。对于一个炼锌厂而言，炉床能力直接决定电锌的产量，必须考虑提高炉床能力。在实际生产中，如果一味的提高锌精矿焙烧投料量来提高炉床能力的话，制酸系统存在高气浓下氧硫比失衡造成转化系统控制困难及尾气排放超标等问题，如何解决制酸系统和焙烧系统之间存在的问题成为提高炉床能力的关键。

采用富氧空气焙烧锌精矿可以加快硫的燃烧速度、 提高炉床能力、降低能耗，为制酸系统提供足够的氧来解决氧硫比失衡造成的转化压力，从而提高硫酸产量，降低尾气排放。目前就常规湿法炼锌厂而言，采用富氧焙烧的企业极少。现以109 m2的沸腾焙烧炉为例，从工艺技术方面论证富氧空气替代空气焙烧锌精矿技术的经济性和合理性。

1 制氧方法

氧气和富氧的生产方法目前主要有3种：深度冷冻法、变压吸附法及膜分离法[1]。深度冷冻法是最主要的、比较经济的制氧方法，产品中φ(O2)95%时氧的电耗为0.40～0.65 kWh/m3。变压吸附法是20世纪70年代快速发展起来的制氧方法, 具有运转设备少、维修简便、 自动化程度高、 单套设备生产能力大等特点，产品中φ(O2)为35%～95%时，氧的电耗为0.25～0.48 kWh/m3。膜分离法于20世纪90年代工业化，是最具吸引力的制氧方法，在经济性、易操作性上具有较强的竞争力，目前单台(套)设备产氧量为150～1 000 m3/h，产品中的φ(O2)<40%，氧的电耗0.18～0.30 kWh/m3。

2 富氧空气焙烧对炉床能力的影响

炉床能力是沸腾焙烧最主要的经济指标，直接关系到产品电锌的产量。炼锌厂一般采用空气焙烧，空气中φ(O2)仅占21%，高原地区还达不到20%，随着反应的进行，氧的含量会更低，从空气中扩散到固体表面上的量也会减少。所以提高气流中氧的浓度即采用富氧空气，有利于O2向硫化锌精矿颗粒表面扩散，从而加速氧化反应。采用富氧空气焙烧是强化流态化焙烧的有力措施。

具体采用多少O2浓度最好，需考虑到沸腾炉热平衡、后续设备的能力等问题，不能一味的提高富氧空气中O2的浓度。根据文献报道和国外一些厂家的生产实践，采用富氧焙烧φ(O2)控制在23%～26%为宜。现以φ(O2)控制在25%为例加以说明。按反应式(1)焙烧1 t ZnS需要的氧气量MO2为：

MO2=106×3×32×0.9/(97.4×2)=443 532 g

氧的密度为1.429 g/L，所以氧的体积VO2为：

VO2=443 532/1.429=310 379 L

经计算，焙烧1 t ZnS需要的理论氧气量为310 m3(1 t ZnS是指进炉物料，计算时要除去10%的原料含的水分)，考虑锌精矿中含有其他如Fe，Pb，Cu等杂质在焙烧过程会消耗一部分O2，所以取焙烧1 t ZnS需要350 m3氧气，也就是说焙烧1 t锌精矿需要一般空气[φ(O2)21%]1 667 m3，富氧空气[φ(O2)25%]1 400 m3。考虑到气流特性、冶炼方式等原因，空气富裕系数取1.2，在风量恒定为60 000 m3/h时可得表1数据。

表1 锌精矿采用不同氧浓度焙烧的炉床能力

由表1可见：风量恒定的情况下采用富氧空气焙烧比采用一般空气焙烧的炉床能率和投料量都大大提升，炉床能力提升了20%左右。

3 富氧空气焙烧对余热回收系统的影响

硫化锌精矿w(S)一般在30%左右，在氧化焙烧过程中可放出大量的热量。焙烧1 kg硫化锌精矿可放出4 200～4 800 kJ的热能，不仅能维持高温焙烧的自热进行，还含有大量的余热可以用来生产高压蒸汽，除供生产使用外，还可以用来发电。锌精矿流态化焙烧的热平衡实例(床层反应温度按平均920 ℃、炉子出口烟气温度按950 ℃)如表2所示。

表2 锌精矿流态化焙烧的热平衡(以100 kg精矿计)[2]

从表2可以看出:100 kg锌精矿沸腾焙烧炉可利用的余热约为1.38×105kJ。

采用富氧焙烧后，随着投料量的增大，炉床能率的上升，将在原来炉况基础上带入更多的热，这部分热量如果移不走将造成焙烧温度大幅上升，直接对焙烧渣尘的质量造成影响。对于这部分热量最好的处理方式无疑是在不改变沸腾炉结构的情况下靠换热装置带走。目前对于109 m2沸腾炉最常用、最有效的方式是在炉内安装冷却盘管，只要增加盘管的换热面积，带走由于采用富氧焙烧后产生的热是没有问题的。但是，考虑到锅炉安全运行和锅炉改造成本等因素，沸腾炉采用富氧空气焙烧不应该一味注重炉床能力的提升，而应充分考虑现有设备可承受能力，不追加投入更多的设备改造资金。

4 富氧焙烧对焙烧渣尘的质量影响

锌精矿硫酸化焙烧是为湿法炼锌浸出工艺作准备的焙烧方式，其实质是使硫化物基本上氧化成氧化物，其中硫化锌大部分变成氧化锌，而硫几乎都生产二氧化硫进入烟气，只留有2%～3%呈硫酸盐状态的硫，用以补偿浸出、电积过程中硫酸的损失，以保持系统中硫酸的平衡。

可能有人提出疑问，采用富氧焙烧后随着温度的升高、炉气成分的变化会不会降低了焙烧渣尘中可溶锌的含量，对后面的浸出、电积过程造成影响，现在就来分析这个问题。

硫化锌精矿中的锌主要以闪锌矿ZnS的形态存在，在沸腾床焙烧中主要的化学反应见前述的(1)、(2)式。

对于ZnS而言，反应(1)进行的趋势取决于温度和气相的组成。但是在实际焙烧温度下(1 123～1 373 K)，反应(1)只会向右进行，是不可逆，并且反应时放出大量的热。反应(2)是可逆的放热反应，低温有利于反应向右进行。硫酸锌的生成反应是复杂的，最终的反应可能是：

ZnS+SO2+O2→ZnSO4

(5)

在Zn-S-O体系中，已知的凝聚相有Zn，ZnO，ZnS，ZnSO4。根据所需的化学平衡的热力学数据，可以做出以 lgpSO2-lgpO2表示的等温化学势图[3]。

炉膛下部流态化床层的SO2浓度低于炉子上部空间及其后面收尘系统中的SO2浓度，而温度却相反，前者温度高，后者温度低，在此条件下形成的焙砂中的硫酸盐含量低，而焙烧烟尘中的硫酸盐要比焙砂中的含量要高。当采用富氧焙烧后，实际上是提高了SO2和O2分压，从分压角度来说，对硫酸盐的生成是有利。然而，随着温度的升高会不会导致硫酸锌的分解，答案是肯定的，但这有个前提，温度升高使反应速度加快，导致了O2分压的降低，直接导致反应的平衡系数(lgKp)的降低，致使硫酸锌的分解。可是采用富氧焙烧后，充足的氧不会使反应的平衡系数(lgKp)降低，相反充足的氧可以促进硫酸盐的生成。反应温度的提高还可以降低焙烧矿中的残硫，减少铁酸锌和硅酸锌的生成。

从理论上说，沸腾炉采用富氧空气焙烧后，鼓入的空气含氧量增加，使反应(1)、(2)、(5)向右进行，焙烧渣尘的残硫必然下降。

根据国内某厂进行的沸腾炉富氧空气焙烧的实验结果，从焙砂和烟尘各方面的指标来看，使用富氧技术前和使用后相比较，焙砂烟尘的总硫明显下降，焙砂总硫(w)由2.385%下降到 1.418%，尘总硫(w)由5.71%下降到 5.25%[4]，这一结果也从实践上论证了沸腾炉采用富氧空气焙烧对降低渣尘残硫指标是有明显帮助的。

5 富氧焙烧对电耗的影响

通过计算可知，同等风量情况下采用φ(O2)25%的富氧空气焙烧锌精矿，炉床能率提升20%左右。但炉床能力提升之后，对后段设备的安全平稳运行带来了未知影响，所以从经济性角度来看，过多的提高炉床能力并不是更好的选择，应该考虑现有设备的可承受能力。炉床能力提升应该控制在10%左右，不宜提升过多。

按原沸腾炉炉床能力6.6 t/(m2·d)计算，采用φ(O2)25%的富氧空气焙烧锌精矿，炉床能力提升到7.26 t/(m2·d)，此时需要的鼓风量为51 290 m3/h。沸腾焙烧的电耗主要集中在空气鼓风机和高温风机，根据目前空气鼓风机和高温风机基本采用变频控制的特点，采用φ(O2)25%的富氧空气沸腾炉床能力提升10%之后，较焙烧一般空气时电耗将降低15%左右，从而降低制沸腾焙烧的生产成本。

6 经济效益分析

对于采用富氧空气代替空气焙烧的成本包括制氧设备的投入、运行成本及操作维护费用。按照沸腾炉鼓风量60 000 m3/h，富氧空气φ(O2)25%计算，需要补入的氧气为2 400 m3/h，按采用膜分离法制氧设备，根据目前膜分离法制氧设备供应商的报价，满足制氧需求的制氧设备投入资金在60万元左右；制氧电耗为0.30 kWh/m3，工业用电按0.5元/kWh计算，制氧年电耗成本约285万元左右，加上设备维护等费用，年运行成本在320万元。

收益方面可理论计算。假设锌的总回收率达到95%～98%，而硫化锌精矿含w(Zn)一般为40%～54%，故1 t硫化锌精矿可以产380～529 kg的锌片，沸腾炉炉床能力提高10%之后，锌片增产8～16 kt/a；假定锌精矿w(S)30%，制酸转化过程SO2的转化率为99%，吸收塔中损失的SO3为 0.5%，1 t硫化锌精矿可以产380～529 kg的硫酸，沸腾炉炉床能力提高10%之后，硫酸可增产15～17.5 kt/a。硫酸按300元/t计，每年可增收约 337.5万元。

7 结论

1)从制氧装置的发展现状和工艺技术成熟度来说，采用φ(O2)25%富氧空气焙烧代替空气焙烧是可行的。

2)由于采用富氧空气焙烧对余热回收装置、尤其是锅炉带来了一定的压力，考虑到锅炉运行安全以及不追加锅炉改造的费用，沸腾炉富氧空气焙烧，应充分考虑锅炉处理能力的前提下来提高沸腾炉的炉床能力。

3)从焙烧渣尘的质量方面考虑，可以把焙烧温度从900～920 ℃，提高到950～970 ℃。

4)采用φ(O2)25%富氧空气焙烧代替空气焙烧，沸腾炉的炉床能力提高10%的前提下，锌片产量可增产8～16 kt/a，硫酸产量可增产15～17.5 kt/a，可降低沸腾焙烧的电耗及成本。

[1] 张文红. 富氧空气焙烧硫铁矿工艺技术分析[J]. 硫磷设计与粉体工程,2001(2):26-29.

[2] 彭容秋.锌冶金[M].长沙:中南大学出版社,2005:11.

[3] 《铅锌冶金学》编委会. 铅锌冶金学[M].北京:科学出版社,2003:3.

[4] 周述勇. 锌精矿沸腾炉富氧焙烧工业试验的研究[J]. 湖南有色金属,2007(4):33-36.

Feasibility analysis of oxygen enriched roasting of zinc concentrate fluidized-bed furnace

ZHOU Kaimin, CHEN Xingya, DING Yanbo

(Yunnan Chihong Zinc & Germanium Co., Ltd., Qujing, Yunnan, 657800, China)

The process of oxygen enriched roasting has been widely used in some fields of metallurgical and chemical industries. Taking zinc concentrate 109 m2of boiling roaster for example, author, from both technical points of view, analyzes the feasibility and rationality of zinc concentrate roasting with oxygen enriched air instead of air.Improving the roaster capacity from 33.3 to 39.6 t/(m2·d) which,accordingly,means an acid production of 15-17.5 kt/a. If calculated with an unit price of 300 RMB/t H2SO4. Annual revenue increase of 3.375 Million RMB could be achieved.

zinc concentrate; oxygen enriched roasting; feasibility; roaster capacity

2017-07-18。

周开敏，男，云南驰宏锌锗股份有限公司冶金正高级工程师，主要从事冶炼化工环保技术工作。电话：13308745068；E-mail：1683976251@qq.com。

TQ111.16

B

1002-1507(2017)09-0005-04