锌盐产业技术现状、工艺装备提升与发展

彭振育 , 彭丽媛 , 彭 诚

(洛阳中彭化工环保技术有限公司 , 河南 洛阳 471000)

目前,我国锌盐产业的工艺装备、生产效率、产品品质已成为影响我国锌盐产业发展的重要因素。提升锌盐产业的技术与工艺装备水平已到了刻不容缓的地步,若要快速提升锌盐产业的相关技术及工艺装备水平,还需要做好扎实的基础工作。单凭简单的应用各类高端设备远远不够,锌盐产业的有关新技术、新工艺、新材料、新装备、新品种的研发与应用是当前急需的课题,技术与工艺装备齐头并进,才能推动锌盐产业的长远发展。革新传统落后的工艺装备,创造现代先进的工艺装备,提升工艺装备的技术进步,助推锌盐产业的发展。

1 我国锌盐产业工艺装备技术现状分析

工艺装备技术是过程设备的体现,与产业的技术发展和生产力密切相关。锌盐产业中的过程设备主要包括反应容器、过滤分离、蒸浓结晶、干燥焙烧、工业炉窑等,均是最重要的设备。

1.1 反应容器技术

反应容器是一种实现化合反应过程的设备,目前常用的反应器类型主要有釜式反应器,器内常设有机械搅拌等装置,对于高径比较大的,设置多层搅拌桨叶。根据物料不同,采用加热结构方式有夹套式、盘管式、浸没式。生产间歇式居多,将物料按照一定配比加入反应器内,待反应达到一定要求后卸出物料。间歇反应器设备简单,同一种设备可设计多品种生产,不存在物料的返混现象。缺点是生产效率低,需要间歇装卸料,工艺指标控制不易稳定,操作环境差,劳动成本大,缺乏连续化自动生产能力。

1.2 过滤分离设备技术

过滤分离设备是常用的一种固液分离设备,可分为真空、压力、离心三大类,真空类有转筒、圆盘、带式、池式等,压力类有压滤、压榨、旋转式、动态式等,离心类有三足式、吊袋式、刮刀式、螺旋式、碟片式、管式等。过滤分离是生产中不可分割的环节,从化合、净化、精制、结晶工序均需要过滤分离装备。大多企业的生产过滤已经从传统使用的真空滤池、板框压滤等过滤更新到箱式过滤、隔膜过滤,进一步提高了过滤效率。结晶分离有的还停留在传统的三足离心,有的更新到吊袋式、刮刀式、旋滤式离心。过滤分离技术已经逐步走向机械化、精细化的科技领域。

1.3 蒸浓结晶设备技术

蒸浓结晶在锌盐产业生产中是相辅相成的搭档设备。目前常用的蒸浓设备有釜式蒸发器、流态蒸浓器、多效蒸发器、升膜蒸发器、降膜蒸发器、强制循环蒸发器、MVR蒸发器等。锌盐产业传统使用的釜式蒸发器存在效率低、多效蒸发器结垢严重等问题,易造成堵塞,维修麻烦、寿命短,不利于锌盐的蒸浓结晶,升膜和降膜蒸发器能耗高,易出现接缝开裂损坏、不易维修、清理麻烦。强制循环蒸发器和MVR蒸发器工艺设备复杂、造价高,选材及配备不当会前功尽弃;流态蒸浓器不会结垢堵塞、效率高、控制简便,是近年来新兴的适用于锌盐产业的蒸浓设备。

现阶段结晶设备主要有槽式结晶器、罐式结晶器、流态结晶器、卧旋结晶器、TDB结晶器等。结晶器由于受物料性状的影响,使用槽式、罐式、卧旋结晶器居多,普遍存在结料堵塞等现象,流态结晶器的应用解决了这一技术难题。对于特别结晶物体氯化锌,有同质多晶现象。目前大部分企业使用传统的石墨坡板炉窑,容易渗漏、造成锌损失、维修繁杂、操作环境差等,少部分尝试石墨降膜干燥蒸发,出现接缝容易开裂、结垢堵塞、效率低等缺陷。

1.4 干燥焙烧设备技术

干燥焙烧是锌盐产业中最后环节的关键设备,传统的干燥技术有托盘式、烘箱式、隧道式、管式、转筒式干燥。转筒式又分为常规式、叶片穿流式、气管式和层叠式,转筒式的缺点主要有占地面积大、热容量系数小、利用效率低。传统的热效率仅为50%左右,改进后一般在70%左右,干燥系统不能达最佳状态。现在干燥技术逐渐转变到带式、气流式、桨叶耙式、流化床、喷雾式、闪蒸式、流态化、高频微波等。所谓带式是以传动带输送固体与热逆流的汽化干燥。气流式是稀相输送下的汽化干燥。桨叶耙式利用轴桨叶传动输送下的汽化干燥。流化床又分为振动式、旋蒸式、沸腾式,根据物料湿度不同选择流化状态下的汽化干燥。喷雾式是热源分配器旋转气流与固相交换的汽化干燥。闪蒸式又分为斜拌式、磨拌式和层拌式,根据物料性状和处理量进行设定,是切向空气与混拌固相交换的汽化干燥。流态化是热气流同固相分散性导向交换的汽化干燥。高频微波是用微波辐射引导固相自吸微波发热交换的汽化干燥。

除了不同的干燥类型,焙烧工艺装备技术的应用也在突飞猛进的革新,从传统的反射炉、隧道炉到回转炉(窑)、链板窑、沸腾炉、流态雾化炉、悬浮炉等。回转炉(窑)采用电源热或气源热与转炉内填充30%左右固相产生的焙解过程。链板窑采用电源热或气源热在链板往复转动表面分布固相的焙解过程。沸腾炉采用气源热通过上升气流与固相悬浮状态产生的焙解过程。悬浮炉是采用气源热通过上升气流与固相悬浮状态产生的分层焙解过程。流态雾化炉是近几年研制的采用气源热通过导向流的分散及流体层的雾化状态产生的焙解过程,是集干燥、焙烧、包装一体自动化、热源二效再生利用的多元化工艺装备,最早应用的是湖南双峰锌品厂、焦作华宇化工的活性纳米氧化锌及碳酸锌的干燥焙烧一体化。

1.5 工业炉窑设备技术

工业炉窑主要有直接法氧化锌的维氏炉、碳化锌氧炉;次氧化锌的回转窑、烟化炉、鼓风炉、转底炉、旋速炉、悬浮炉;间接法氧化锌的花瓶炉、立式坩埚炉、卧式坩埚炉;火法炼锌的平罐炉、竖罐炉、ISP鼓风炉、电炉、锌焙砂炉窑等。维氏炉是利用含锌物料配制碳进行冶炼氧化、冷却收粉得到90%～99.5%的氧化锌。20世纪80年代规模化生产企业有湖南水口山二厂、河南洛阳栾川化工厂等。碳化锌氧炉是近几年对碳化室、氧化室、分离室、收粉室进行改造革新的氧化锌生产系统,促进了生产稳定性、效率高、环境好。回转窑是利用中低度含锌固废料与焦煤配制进行物料移动冶炼再生次氧化锌,大部分以钢厂灰和水渣等为原料,得到含锌35%～50%的产品。烟化炉是处理含铅锌锗锡金属复杂原料的方法之一,液态提渣挥发有价金属,在铅锌行业得到推广应用。鼓风炉是经烧焦处理铅锌混合物料,进行还原熔炼得到粗铅、粗锌或氧化锌。转底炉是我国在近几年为了解决钢厂灰问题,在马钢、沙钢、莱钢进行了试用,是以垂直轴为中心的盘式转底炉处理钢铁厂含锌的集尘灰固废物,进行熔炼得到有价金属。旋速炉是利用导向涡旋进行对中低含锌固废熔炼的一种炉型。悬浮炉是利用平衡风压让含锌物料悬浮分解熔炼的一种炉型,国内也进行了多次消化研制,取得了一定的进展,但还需要积累经验进行稳定性方面的突破。

间接法氧化锌最早应用的是上海京华化工厂、柳州锌品厂。间接法氧化锌形成规模化的坩埚炉是花瓶坩埚炉、立式坩埚炉、卧式坩埚炉,是将金属锌融化、流入高温坩埚中进行蒸发氧化得到氧化锌,目前是生产间接法氧化锌的主力装备。

火法炼锌炉窑的马槽炉、八卦炉及平罐炉炼锌在20世纪90年代曾经达到鼎盛时期,现已退出历史舞台。竖罐炉炼锌应用最早的是葫芦岛锌厂,ISP鼓风炉应用最早的是株洲冶炼厂,电炉炼锌应用最早的是洛阳栾川有色金属公司。火法炼锌是利用碳进行锌沸点还原蒸馏、冷凝得到粗锌锭产品,才能进一步精馏得到精锌。

锌焙砂炉窑主要有静态炉、沸腾炉、流态炉和回转窑,是利用热能脱除含锌物料中的易挥发物得到锌焙砂,用于氧化锌、硫酸锌、锌锭等产品的原料。

2 锌盐产业工艺装备技术提升

2.1 反应容器工艺装备技术提升

反应容器是在锌盐产业中密切关系到化合反应效率的关键,目前旋叶板化合反应器是反应容器中有效的设备之一。反应器不但要结合物料性状选择适宜的,还要结合产能开展连续化合反应的技术创新提升,使化合反应达到系统化、连续化、标准化的工艺过程。从配制加料、液固投放、工艺控制、液固输送、检测跟踪等进行一体化作业,不但提高化合效率,大幅度地降低生产成本,稳定工艺控制的平衡,提高企业的管理水平。

2.2 过滤分离工艺装备技术提升

过滤分离设备是除去溶液中固体颗粒物、悬浮物等杂质,降低溶液的浊度,达到溶液澄清的目的,得到适宜的固体结晶物。我国的过滤压紧机构从手动、机械到液压,过滤方式从明流、暗流到明流单双向洗涤、暗流单双向洗涤,类型上从板式、箱式、立式、带式,取得了不断的科技进步。传统的过滤分离不能适应现代锌盐产业发展的需要,要结合物料的性状进行选择和自动化的创新提升,特点是结构简单,适合黏细物料,自动卸料、洗涤、烘干、滤饼含湿量低、密封性好、成本低。目前隔膜过滤、真空过滤能适宜局部功能,实现整体功能还需要进一步的提升,采取多元化综合过滤系统,提高过滤效率,降低能耗。对于分离结晶体的设备,小型化产能使用吊袋式,中大型产能使用刮刀式或旋滤式。旋滤式适用于中大结晶颗粒的分离。

2.3 蒸浓结晶工艺装备的提升

蒸浓是使溶液中溶剂蒸发,溶液浓度提高的过程,结晶是饱和状态下晶核的成长析出过程。锌盐的蒸浓结晶不同于其他盐类,要想获得不易结块、颗粒均匀、质量稳定的结晶体,除工艺条件控制外,提升工艺装备的整体设计极其关键。不但要高效蒸浓,而且要促进晶核的均布成长,减轻结料,避免堵塞现象。流态蒸浓器与流态结晶器的一体化工艺装备的开发应用,为锌盐的蒸浓结晶奠定了良好的基础。

2.4 干燥焙烧工艺装备的提升

干燥是利用热能使湿物料中的湿分汽化而获得固体产品的操作过程。干燥过程分为两种:一种是表面汽化过程,另一种是内部扩散控制过程。干燥焙烧在国内没有完整的规模化运行体系,技术含量偏低,大多依靠传统的反射炉、回转炉、流化床的模式,在工艺装备过程中的生产能力、热源能量、工艺控制、品质稳定、物料运行方式等,有着较大的提升空间,要立足向大型化、连续化、封闭化、自动化的方向,有利于提高产品的湿分汽化、粒径转型,有利于产品质量的稳定,有利于节能降耗、低成本、高效益。进一步针对膏糊状、热敏性物料的设备适宜开发,研发出多功能的工艺装备,能集过滤、干燥、焙烧、包装等单元操作体系。随着流态雾化干燥焙烧炉的生产应用,实现了干燥、焙烧、包装一体化操作控制,占地面积小,能耗低,自动化程度高,产品质量稳定,促进了干燥焙烧工艺装备的进步。

2.5 工业炉窑装备的提升

直接法氧化锌炉窑经过对粉尘分离的革新取得了成效,特别是2021年“氧化锌生产冶炼自动进料机”在直接法氧化锌的应用,取代了长达50年人工进料的繁重劳动方式,但自动出渣机还需要联动技术的完善,要更进一步的促进全自动进料、冶炼、出渣一体化及收粉工艺装备有待提升。回转窑设计要求锌含量低,预防生产过程结圈、延长使用期。对烟化炉结构进行了优化,并对渣型、操作方式、压密的必要性、冷料入炉等进行了提升,但在耐材及收尘方面还需要提升。 悬浮炉内部配套构造设计是生产成功的先决条件,物料分散、能量梯级及物衡防结需要进一步提升。转底炉经过多年的试制,在热利用、高耗能、效率低、烟气凝结、余热系统堵塞、出料设备及耐材损耗等方面,还需要优化提升。间接氧化锌炉窑的蒸馏容器是影响其产能发展的重要环节,传统坩埚及吊袋收粉需要优化提升,提高单器容量、降低能源及耐材消耗等。鼓风炼锌在床面积、运转效率、降低杂质含量及生产适应性方面具有较大的提升空间。火法炼锌工艺短,对原料适应性强,重点要提升工艺条件的自动控制、合理配套整体环保设施,提高热源再生效率、耐材的适用组分等。近年来推出的富氧竖炉还需要在烧结及设备运行周期短等方面攻关提升。

3 锌盐产业工艺装备技术发展前景

3.1 合理设计工艺装备,促进实用科技发展

在对工艺装备进行设计时,主要是依靠扎实的理论知识和丰富的生产实践经验相结合,重点对结构和工艺参数进行系统性的分析和设计。由于工艺装备涉及多方面的知识,物料的种类也多样化,所以对应的结构参数以及工艺参数也要多样化。多数企业在设计和选型中以产量多少为依据,并没有考虑到物料特性、工艺条件、装备衔接、流体流动、热质传递等问题,往往制造出来的工艺装备在实际生产中并不理想,常出现操作不顺、控制不稳、工艺杂乱、装备不行,导致效率低、能耗高、品质差、成本大等现象,严重影响市场竞争力。照搬硬套的时代已经过去,全方位综合规划设计,才能真正促进现代企业科技的稳步发展。

3.2 提高锌盐产业技术水平,用先进技术提高产品品质

我国锌盐产业的工艺装备技术与世界发达国家的同行业相比还存在着一定差距。产品发展的思路要在工艺装备的大型化、控制的自动化、表面的处理质量、耐腐的专业材料等方面开发多功能一体机,促进产品的生命周期不断延长。多进行技术交流,吸收最新技术成果,加速提高锌盐产业工艺装备技术水平。

3.3 调整企业结构,培育企业的核心竞争能力

我国锌盐产业的特点是数量多而整体素质不高,多数企业工艺装备技术落后,仍有不少企业延用落后淘汰的工艺装备,仿造建厂搞项目,缺乏新科技或创新研发,造成企业成本高、操作环境差、品质忽高忽低,没有市场竞争力。企业要有大胆规划调整结构的精神,寻找更广阔的生存和发展空间。自有培育或联合培育科技实力,拥有先进的工艺装备技术,夯实市场的主导产品。企业应积极规划产品结构,提高核心竞争能力,形成自己的特色工艺装备技术和品质。

3.4 推动企业成为科技创新的主体

我国锌盐产业创新能力较低,能够形成专有技术或推出自主知识产权的新工艺、新技术、新产品的企业寥寥无几,这也是我国锌盐产业发展壮大缓慢的重要原因。还有一部分知识成果没有有效地转化为生产力,这是受决策投资观念的影响,落后的投资小,先进的投资大,局部观念限制了全局观念的经济模式,导致企业一直处于落后、面临困境的边缘。企业要成为科技创新的主体,就要不断地深入研究、实践和探索,使资源得到合理的配置与利用,就要提高工艺装备技术,有效地促进和发展企业创新的主体能力。

4 结语

锌盐产业作为我国形成较晚、发展相对缓慢的产业,其市场和发展前景非常广阔。尽管锌盐产业工艺装备在落后传统的局面有所更新,特别是最近5年,在环保政策和市场竞争下,淘汰了大部分工艺装备技术落后的企业,促进了革新工艺装备的应用,并取得了良好的效果。但是工艺装备技术的创新仍然需要努力,多方面系统地提高工艺装备技术的合理性和可靠性,在提高生产效率、降低能源消耗、稳定产品质量、机械自动化等方面具有较好的发展前景。要使企业具有较强的市场竞争力,就要引进成果和创新科技,不断地进行对工艺装备技术进行提升,让锌盐产业在国民经济发展中发挥越来越重要的作用,促进锌盐产业的不断进步和发展。