鋅精礦水分對焙燒過程影響的生產(chǎn)實踐

趙志鵬

（株洲冶煉集團股份有限公司，湖南 衡陽 421513）

某廠鋅項目2019年2月投產(chǎn)，可年產(chǎn)析出鋅30萬t，采用目前國內(nèi)最大的152 m2沸騰焙燒爐進行鋅精礦焙燒，原料使用國內(nèi)鋅精礦（占比70%左右），國內(nèi)鋅精礦由于原礦及選礦工藝的不同，鋅精礦水分整體高于進口礦，平均達到9% ～12%左右。使用后焙燒車間關鍵技術指標：混合焙砂可溶硫、制酸凈化稀酸酸濃上漲明顯且焙燒爐處理量出現(xiàn)下降，一方面影響濕法系統(tǒng)酸根平衡，另一方面制酸凈化系統(tǒng)產(chǎn)生的大量稀酸超過污酸處理能力，需要進行外部中和處理才能維持生產(chǎn)平衡，造成生產(chǎn)成本大幅增加。為降低入爐鋅精礦水分，進行鋅精礦干燥所消耗的天然氣用量也對車間加工成本造成影響。因此探索合理的入爐鋅精礦水分的控制，對企業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定高效、技術指標優(yōu)化、成本合理控制具有積極意義。

1 硫化鋅精礦焙燒過程中水分影響機理

在傳統(tǒng)鋅濕法冶煉過程中，硫化鋅精礦首先經(jīng)過沸騰焙燒脫硫，使硫化鋅精礦中的硫化物盡可能地氧化為氧化物，同時生成少量的硫酸鹽，滿足浸出工序對焙砂產(chǎn)物的要求。

1.1 鋅精礦水分對焙燒爐熱平衡的影響

按照某廠項目設計30萬t／a的鋅產(chǎn)能，單臺焙燒爐的熱平衡見表1。

表1 焙燒爐熱平衡（單臺）

由表1可知，焙燒爐的熱收入為鋅精礦燃燒反應所產(chǎn)生的化學熱，正常情況下焙燒爐的溫度控制由投入鋅精礦的數(shù)量決定。在熱支出中煙氣帶走的熱量占比達到65.62%，當鋅精礦水分為8%時，精礦水分汽化潛熱的熱支出占比為4%左右，而隨著鋅精礦水分的升高，鋅精礦水分汽化潛熱所需要的能量增加［1］，根據(jù)實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，入爐鋅精礦水分增加1%左右時，焙燒爐出口煙氣溫度下降約30℃。實際生產(chǎn)體現(xiàn)為，入爐鋅精礦水分上漲時焙燒爐出口煙氣溫度下降，煙氣帶走的熱量支出減少，熱量聚集在焙燒爐爐內(nèi)，導致焙燒爐爐內(nèi)溫度居高不下，因受熱支出減少熱收入所需的鋅精礦投料量下降，造成了焙燒爐溫度高而鋅精礦投料量少的局面。

1.2 鋅精礦水分對焙砂可溶硫指標的影響機理

鋅精礦焙燒是一個復雜的過程，硫化鋅焙燒發(fā)生的重要反應與一般硫化物的焙燒反應相類似，可以分為以下幾大類［1，2］：

在鋅精礦沸騰焙燒過程中，當鋅精礦達到著火點后，反應式（1）正向進行，是焙燒過程的主反應。反應溫度低于950℃時，反應式（2）和反應式（3）同時進行，生成部分硫酸鹽和堿式硫酸鹽，隨著焙燒溫度的升高，硫酸鹽穩(wěn)定性下降。

Zn Zn-S-O系等溫平衡狀態(tài)圖如圖1所示，根據(jù)圖1可知［2，3］，當溫度達到927℃以上時，鋅的硫酸鹽將完全分解，焙砂產(chǎn)物中的可溶硫以堿式硫酸鹽形式存在。反應式（4）為可逆反應，溫度高時可抑制反應向右進行，在鋅精礦沸騰焙燒過程中，反應式（4）主要發(fā)生在余熱鍋爐段。反應式（5）表明，當煙氣存在SO3時，氧化物與SO3將生成硫酸鹽，而SO3主要存在于煙氣系統(tǒng)，故反應式（5）主要發(fā)生在煙氣系統(tǒng)，同時也解釋了煙塵可溶硫較焙砂可溶硫高的原因。

圖1 Zn Zn-S-O系等溫平衡狀態(tài)圖

當鋅精礦水分升高時通過熱平衡分析得知焙燒爐出口煙氣溫度將會下降。一方面爐內(nèi)上空直接生成的硫酸鹽量增加，另一方面煙氣帶走熱減少，風料比增大造成過剩空氣增多，煙氣系統(tǒng)生成的SO3增多，進入制酸凈化階段后溶解于稀酸中的比例提高，導致凈化稀酸酸濃升高。

2 鋅精礦水分變化對生產(chǎn)指標的影響

2.1 鋅精礦水分對焙燒爐處理量的影響

某廠共有兩臺152 m2焙燒爐，配置一臺Φ3 m×22 m干燥窯，采用天然氣對流式加熱進行鋅精礦干燥。在冬雨季節(jié)以及水分較高原料集中進廠時，經(jīng)過干燥窯正常干燥后，入爐鋅精礦水分依然偏高。通過熱平衡計算得知原料水分升高時，水分汽化潛熱所需要的能量增加，煙氣帶走的熱量減少，會出現(xiàn)焙燒爐溫度高而鋅精礦投料量少的情況。此外鋅精礦水分偏高時在焙燒爐爐前料倉內(nèi)易產(chǎn)生粘結，導致給料的不均勻對系統(tǒng)穩(wěn)定以及拋料機的設備高效運行造成影響，通過加強精細化配料，嚴格限制高水分（水分＞12%）原料使用比例，及加強干燥窯操作、延長開車時間、加大天然氣用量等措施，對不同鋅精礦水分下焙燒爐處理量的變化進行對比分析（2020年10月～2021年9月），分析結果如圖2所示。

圖2 鋅精礦水分與焙燒爐處理量關系圖

從圖2數(shù)據(jù)對比可以看出，隨著入爐鋅精礦水分從9%降低至7%的過程中，焙燒爐處理量整體呈現(xiàn)上漲趨勢，增幅約30 t／d，但隨著水分的進一步下降至6%時，處理量并沒有出現(xiàn)同步的明顯增長，維持在一個相對穩(wěn)定的范圍。

2.2 鋅精礦水分對混合焙砂可溶硫的影響

對比2020年10月至2021年9月，入爐鋅精礦水分與混合焙砂可溶硫數(shù)據(jù)情況如圖3所示。從圖3可以看出，隨著水分的降低，混合焙砂可溶硫指標整體出現(xiàn)了下降。但隨著水分的進一步下降至7%，混合焙砂可溶硫并沒有出現(xiàn)持續(xù)下降，維持在一個相對穩(wěn)定的范圍。

圖3 鋅精礦水分與混合焙砂可溶硫關系圖

2.3 鋅精礦水分對制酸凈化酸濃的影響

鋅精礦燃燒反應生成的SO2煙氣經(jīng)過制酸凈化、轉化、吸收，最終生產(chǎn)濃硫酸產(chǎn)品，而煙氣中伴生的SO3進入制酸凈化系統(tǒng)溶于循環(huán)液所產(chǎn)生的稀酸，是污酸產(chǎn)生的主要原因，因此煙氣中SO3的含量決定著凈化稀酸的濃度。對比2020年10月～2021年9月，入爐鋅精礦水分與凈化酸濃的關系如圖4所示。

圖4 鋅精礦水分與凈化稀酸酸濃關系圖

入爐鋅精礦水分降低，水分汽化潛熱減少，爐內(nèi)上部反應溫度升高，抑制了反應中SO3的生成，從水分為6%～9%時制酸稀酸酸濃的降低可以驗證這一理論，但隨著水分的持續(xù)下降，由7%降低至6%，凈化稀酸酸濃并未持續(xù)下降，維持在一個相對穩(wěn)定的范圍。

3 結 論

自2020年10月起，為降低鋅精礦干燥所消耗的天然氣成本，企業(yè)進行了9個月的生產(chǎn)實踐摸索。對入爐鋅精礦水分變化時，對影響系統(tǒng)金屬投入的焙燒爐處理量指標、濕法系統(tǒng)酸根平衡的混合焙砂可溶硫及制酸凈化稀酸酸濃指標進行了對比分析，確定在鋅精礦水分為7.0%時，152 m2焙燒爐各項指標基本處于一個均衡的范圍。這為降低天然氣成本、減少過度使用提供依據(jù)，對企業(yè)高效生產(chǎn)、降本增效具有積極意義。