一种新型水雾化锌粉制取与输送工艺及装置.pdf

d o i l O ．3 9 6 刚．i s 蛆．2 0 9 5 1 7 “．2 0 1 2 ．0 1 ．0 0 6 一种新型水雾化锌粉制取与输送工艺及装置 圜熊家政1 ，张恩明2 ，李雨薇1 ，孙阳春1 ，赵涛3 1 ．株洲火炬工业炉有限责任公司，湖南株洲 4 1 2 0 0 5 2 ．江西铜业集团铅锌有限公司，江西九江3 3 2 1 0 0 3 ．中南大学能源科学与工程学院，长沙4 1 0 0 8 3 摘要分析了目前国内置换用锌粉生产工艺中存在的问题与不足，提出一种新型水雾化锌粉制取 与输送工艺及装置，该水雾化法锌粉制取工艺流程短，雾化过程安全、连续、稳定，输送过程安 全环保。另外，其产品性能优良，通过工艺试验研究、产品性能测试和对比，其性能更适用于湿 法炼锌净化工艺除杂的要求。 关键词水雾化锌粉制取与输送工艺；锌粉性能 中图分类号T F 0 6 6 ．1 3文献标识码A文章编号2 0 9 5 - 1 7 4 4 2 叭2 0 1 - 0 0 4 4 - 0 5 l 现有置换用锌粉制取工艺技术 金属锌粉由于具有较负的标准电极电位，及较大的 比表面积和化学活性，常用作冶金和化工中的置换剂。目 前，用于湿法炼锌流程中作为置换剂的锌粉有矿热电炉 还原熔炼锌粉和空气雾化锌粉两种【l 】。在全国有几十家 专业的锌粉制造厂，另外，在一些大的锌冶炼企业，如 株洲冶炼厂、内蒙古紫金锌业、河南豫光锌业、西部矿 业、中金岭南、云南飞龙等企业均有采用以上一种或两 种工艺的锌粉制造车间。根据其产品粒度、活性、密度 等性能差别，用途也有所侧重电炉还原熔炼锌粉主要 用于湿法炼锌溶液净化除镍、钻等工序，空气雾化粉主 要用于湿法炼锌综合回收镉、铟等工序吲。 1 ．1 矿热电炉还原熔炼锌粉 俗称电炉锌粉 将品位较高的氧化锌或高温锌焙砂、碳质还原剂、 熔剂，按冶炼要求的配料比均匀混合，经回转干燥窑烘 烤，加入密闭式矿热电炉进行还原熔炼，使物料中的锌 还原、挥发，脉石熔化造渣。还原的锌蒸汽随高温烟气 进入冷凝器，急速冷却变为细粒锌粉被收集嘲。 该工艺具有流程短，熔池温度容易调节，烟气量小， 热效率高的特点。产品锌粉具有粒度细、活性强、反应 速度快、置换能力强并能有效防止钴复溶等优点。另外， 采用该工艺可充分利用电解锌厂的氧化锌、锌浮渣等中 间物料，降低产品成本【3 】。 存在的主要不足 1 产品有效锌含量不高，一般在8 6 ％一9 2 ％，另外， 产品中含有一定量的氟、氯等有害元素。 2 对操作人员的个人技术能力要求极高，生产过 程不易控制、生产环境较差，在生产、运输过程中容易 发生爆炸、煤气中毒等安全事故。在全国各大小电炉锌 粉生产厂均发生过或大或小的安全事故。 1 ．2 空气雾化锌粉 俗称吹制锌粉 该工艺以析出锌片或锌锭等为原料，采用反射炉或 有芯工频感应电炉熔化，将温度升至5 5 0 “0 0 ℃，采用 作者简介熊家政 1 9 6 9 一 男，湖南益阳人，高级工程师， 主要从事有色冶金热工装备的研究与设计。 4 4 工程应用 E n g i n e er ．n gA p p I i c a t i o n 万方数据 虹吸旋流喷嘴，通过压缩空气负压虹吸锌液、再经压缩 空气破碎、冷却而成为锌粉，锌粉经沉降冷却仓沉降收 集粗粉、低压脉冲布袋收尘器收集细粉’。 该工艺生产过程具有简单、单线产能较大、产品氧 化率不高、流动性好等优点。 存在的主要不足是 1 现有的空气雾化锌粉制取工艺，生产的锌粉颗 粒呈球状，而且颗粒表面较光滑，锌粉粒度较大，有一 定的氧化率。主要表现在 1 在空气雾化锌粉生产系统中，熔铸工段位于 空气分配系统的末端，由于很少达到生产细粒锌粉所需 的适宜空气压力，结果产生的锌粉较粗、锌的消耗量大。 2 空气雾化锌粉工艺中，金属锌经熔锌炉熔化 后得到的锌液，在“虹吸吹粉器内”与引入的高压空气 直接接触，锌粉颗粒表面上覆盖了一层氧化膜，由于 锌粉用作置换剂时，金属表面积对置换反应速率有很 大意义，为除去锌粉颗粒上的氧化膜，需酸化至口H 为 3 ．8 5 。 2 空气雾化锌粉生产系统中，雾化制取的锌粉通 过沉降仓、低压脉冲布袋收尘器收集。锌粉在运输和处 理系统中易燃烧，另外在锌粉收集过程中，锌粉有时从 布袋收尘器漏失、在运输中散失。锌粉逸入环境，使劳 动条件恶化，锌粉损失增加，使锌粉回收率降低。 2 水力雾化锌粉研究 在湿法炼锌工艺流程中，锌粉用作置换剂，锌粉的 用量及比表面积影响置换反应的进行。锌粉的比表面积 愈大，置换反应进行得愈迅速和愈完全。锌粉粒度对置 换反应速率，特别是除钻反应速率有很大影响。因为这 些反应基本上靠表面积进行的多相接触反应。因此，湿 法炼锌工艺要求用作置换剂的锌粉粒度分布适中、比表 面积大、氧化率低、活性好。 水力雾化锌粉制取是采用高压水代替压缩空气来生 产金属锌粉的一种新的工艺方法，该工艺采用高压水为 雾化介质，把液态金属锌雾化、冷却为锌粉。加拿大电 解锌厂和诺兰达研究中心于2 0 世纪8 0 年代进行过相关 研究与工业试验，表明在同样净化工况下，采用水力雾 化锌粉较空气雾化锌粉可节省3 0 ％以上的锌粉。 株洲火炬工业炉有限责任公司从2 0 0 9 年底开始研 究水雾化锌粉制造技术，研制了一套不同于诺兰达研究 中心的中试装置，主要设备包括一台1 8 0k w 的有芯感 应熔锌电炉、一台保温炉、一台雾化塔、一个特制的环 流雾化喷嘴和一台高压水泵。经过多次的设备改进和十 多次的工业试验，摸索出了一套合理的工艺技术，总结 出主要工艺技术数据如下水压8 ～1 4M P a ，雾化前锌 液温度5 2 0 “0 0 ℃，水锌比5 ～l O 。 生产出的锌粉呈窄粒级分布、粒度粗细适中、比表 面积大、氧化率极低，产品具体性能数据与吹制锌粉和 电炉锌粉的比较见表1 。 从表1 数据可以看出，由于采用水作为雾化介质， 对锌液起保护作用、防止锌的氧化，水雾化锌粉的氧化 率较空气雾化锌粉低l ％以上，由于水的急剧冷却作用， 水雾化锌粉表面粗糙不平，其比表面积较吹制锌粉大一 个数量级、甚至比粒度更细的电炉锌粉的比表面积还要 大一倍。诺兰达研究中心的数据也表明，在平均粒径相 同的情况下，水雾化锌粉颗粒表面积实际上为空气雾化 锌粉的两倍，因而其活性很好⋯。 表1几种锌粉性能参数比较 3 新型水雾化锌粉工艺与装备 业炉有限责任公司研制了一种新型水雾化锌粉制取与输送 根据反复的工业试验结果，经分析总结，株洲火炬工工艺及装备，已申请相关的工艺技术专利。 有色金属工程2 0 1 2 年第l 期4 5 万方数据 f 一 环溃随到净化槽 3 ．1 工艺技术 工频有芯感应电炉保温流管 工频无芯感应保温炉 图l 水雾化锌粉制取与输送工艺流程图 工艺流程见图l 。金属锌在工频有芯感应电炉中熔 化后，锌液经保温流管引入工频无芯感应保温电炉中，保 温炉内的温度保持恒定，其石墨坩埚底部开有小孔，锌 液在恒压下呈细股流出，通过保温炉上的塞杆机构调节 锌液流量。在锌液细流同轴方向装有雾化喷嘴，锌液流 入高压雾化水流中被雾化、冷凝为锌粉。雾化器内的水 锌混合浆流入下部的湿式直线振动筛内，锌粉水浆中的 粗颗粒被分离出来，筛下物为合格锌粉浆。合格的锌粉 浆流入分段沉降槽，进行重力沉降，得到不同粒度的锌 粉。用户可根据工艺的要求，选择所需粒度的锌粉，加 入中性浸出液造浆，造浆工序主要是调节锌粉浆的液固 比，防止锌粉沉降。浆化后的锌粉浆用作湿法炼锌工艺 4 6 ] 二程l 应用 E n g i n e er ．n gA p p | ．c a t i o n 万方数据 的置换剂，通过耐磨泵输送到净化除杂工段的贮存、分 配槽。主要工艺技术参数见表2 。 表2 水雾化锌粉生产线主要工艺技术参数 3 ．2 主要设备 本工艺的主体设备包括工频有芯感应电炉、保温流 管、工频无芯感应保温电炉、雾化器、湿式直线振动筛、 高压水系统、分段沉降槽、造浆槽、耐磨输送泵等，各 设备分别介绍如下 1 工频有芯感应电炉作为金属锌的熔化母炉，用 于阴极锌片或锌锭的熔化，为锌粉生产提供合格的锌液。 2 保温流管采用特种石墨管为锌液导流管，外加 电热保温装置和耐火材料及钢管，确保锌液小凝固、流 动畅通。 3 工频无芯感应保温炉用于锌液的恒温，其底部 开有锌液自流孔，可通过塞杆机构调节锌液流量；坩埚 上部设有锌液流入口，通过电热流管与工频有芯感应电 炉形成一个“U ”形连通器。 4 雾化器由雾化喷嘴及雾化塔组成。均采用不锈 钢制造。锌液流入雾化器内被快速雾化、冷却为锌粉。 5 湿式直线振动筛采用不锈钢制造，为单层筛网 结构。把从雾化器流入的锌粉水浆中的粗颗粒分离出来， 筛下物为合格锌粉浆。 6 高压水系统，主体设备为2 台高压水泵及配套 的安全阀、溢流阀，管路上装有手动阀及电动截止阀， 在不同泵工作时作为转换用。管路上还装有流量、压力 测量与变送仪表，用以测量与控制水压和水量。高压水 泵采用变频调速器控制，为生产合格锌粉提供适宜的水 压及流量。此外，高压管路上配备安全阀和溢流阀对管 路及设备进行超载保护。 7 分段沉降槽用于锌粉水浆中不同粒度锌粉的分 段沉降，经湿式直线振动筛分级后的锌粉浆输送到沉降 槽进行沉降。锌粉浆中的锌粉颗粒按重量递减规律依次 沉降在不同的槽内，从而得到不同粒级的锌粉。 8 造浆槽由不锈钢罐体与电动搅拌机组成。通过 电动抓斗将分段沉降后的锌粉送到造浆槽并与中性浸出 液搅拌、造浆。在造浆工序中，先将中性浸出液加入造 浆槽内，再加入定量锌粉，通过测量造浆槽内的液位深 度来调节锌粉浆的固液比。 9 采用耐磨输送泵将锌粉浆输送到净化除杂工段 的贮存、分配槽内。在实际生产中通常配备两台耐磨输 送泵，一用一备，保证锌粉浆的输送过程连续、稳定。 1 0 电气与自动控制。 水雾化锌粉工艺中的工频有芯熔锌感应电炉、工频 无芯感应保温炉电源均为工频逆变电源。根据设定温度， 熔锌炉和保温炉自动调节功率，将温度值保持在设定值。 与以往采用的电源相比，逆变电源在操作灵活性、控温 准确性、节能经济性方面具有明显的优势。 阴极锌片加料机动作与工频有芯感应电炉液面联 琐。只有当液面在某一范围内时才进行加料动作，当液 面高于设定值时，停止加料，以确保炉内液面恒定。 采用一台P L c 对整个水雾化锌粉制取与输送进行 自动控制，并配有一台工控机对系统工作状态显示、对 相关参数进行调整，构成一个车间D c s 系统。 2 0 1 0 年5 月，株洲火炬工业炉有限责任公司承接了 江西铜业铅锌有限公司的6k 如水雾化锌粉制造项目， 全部采用了由株洲火炬工业炉有限责任公司开发的以上 工艺技术和装备。目前成套设备正处于安装调试阶段， 将于2 0 1 2 年初投产。 4 本工艺的技术优势 采用水雾化锌粉制取工艺生产的锌粉具有锌粉粒度 较小、比表面积大、氧化率低、活性好等优点，能满足 湿法炼锌工艺、尤其是大极板电解工艺所需求的深度净 化对置换锌粉的高品质要求。此外，本工艺生产的产品 为锌粉浆，采用耐磨输送泵直接将锌粉浆输送到净化除 杂工段的高位储存、分配槽，提高了生产的自动化水平， 改善工人劳动条件，减少锌粉逸入环境的损失，使产品 的回收率得以提高。具体技术优势如下 1 本水雾化锌粉制取工艺实现了连续生产，单条 生产线锌粉产能较空气雾化法大幅提升。水力雾化锌粉 单条生产线的产量达2 3 0t ，d ，比空气雾化锌粉单条生 产线的日产量提高一倍以上。 2 在水雾化锌粉生产系统中，可以通过调节高压 水泵的压力和流量，实现对锌粉粒度的控制，此外，工 频无芯感应保温炉上设有专门的塞杆机构，用以调节锌 液的流速及流量，也可达到调节锌粉粒度的目的。从而 满足不同工艺对锌粉粒度及活性的要求。 3 由试验数据分析知，水雾化锌粉的活性好、比 表面积大、氧化率低。在平均粒径相同的情况下，水雾 化锌粉比表面积达0 ．1 1 7m 2 幢，为空气雾化锌粉比表面 有色金属工程2 0 1 2 年第1 期 4 7 万方数据 积的十倍，为电炉锌粉比表面积的两倍。资料表明，水 雾化锌粉在湿法炼锌的净化过程中用量较空气雾化锌粉 少3 0 ％，使电解工序费用降低。 4 本工艺在自动化生产程度高、回收率及劳动生 产率也较电炉锌粉和空气雾化锌粉大大提高。从造浆槽 出来的锌粉浆，通过耐磨泵及管道输送到净化车间，实 现了产品的自动输送及远距离输送，大大降低了工人的 劳动强度，提高了劳动生产率。 5 水力雾化锌粉制取与输送工艺更为安全、环保。有 效解决了干燥锌粉在窄气中易燃、易爆的问题，保证生产过 程的安全可靠，为作业人员创造了安全、清洁的工作环境。 6 水力雾化锌粉制取工艺简单、流程短、便于操作， 工程占地面积小，主体设备少，投资费用较低。 5 结论 采用株洲火炬工业炉有限责任公司研发的水雾化锌 粉制造与输送工艺具有流程短、设备成熟可靠、控制先 进、操作简单、生产安全稳定、劳动生产率高等诸多优点。 通过对电炉锌粉、空气雾化锌粉、水雾化锌粉三种 锌粉进行分析和数据对比可知，水雾化锌粉的粒度、比 表面积、总锌及有效锌等性能数据均优于电炉锌粉和空 气雾化锌粉，产品质量高、性能稳定且可控，用量减少，在 一定程度上降低电解锌成本。 综上所述，采用本工艺制取的水雾化锌粉更符合湿 法炼锌净化除杂工艺对置换锌粉的性能要求。随着国内 电解锌产能的不断扩大，该工艺技术将得到广阔的应用， 有助于湿法冶炼技术的整体进步。 参考文献 [ 1 】梅炽，马进，王忠实，等．铅锌冶金学[ M 】．北京科 学出版社，2 0 0 3 ． [ 2 】张建，蒋继穆，孙倬，等．重有色金属冶炼设计手册 铅锌 铋卷 【M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 5 ． [ 3 】郭天立，熊家政，周炳利，等．锌粉及合金锌粉生产[ M 】．长 沙中南大学出版社，2 0 1 0 ． 上接第3 1 页 表6 三山岛新立选矿厂生产技术指标 指标名称数量指标名称数量 平均日处理量／t ．d _ 1 3 0 0 0选矿比／倍1 7 处理原矿品位／g ．f ‘ 2 ．0 9钢球，k g f 1O ．8 5 尾矿品位／g ．t ‘1 0 ．1 l 黑药幢f 1 0 ．0 2 浮选理论回收率／％ 9 5 ．0 9Q X 油／g - f 13 ．0 6 磨矿机作业率，％ 9 6 ．9 4 石灰／l 【g f 1 O ．5 5 磨矿机利用系数“t m ’3 台时 1 ．1 8新水／ t f ‘1 ．2 4 从表6 可看出，经过多年的海水选矿生产的实践及优 化，三山岛金矿选矿厂的牛产指标与材料达到了一个较高 的水平。实践证明，海水在金属选矿中的应用是完全可行的。 5 海水选矿的现实意义 海水选矿有其优越性，也存在地域性，不管是进行 何种矿物的选别，要想获得很好的指标，选矿试验研究 是前提也是关键。对于海水选矿从现代选矿设计、设备 防护、基建施工、生产应用方面都必须给予足够的重视， 才能确保海水选矿工艺的效果。 海水选矿顺应了当今资源综合利用、节能与清洁生 产的发展主题。近二十年海水选矿从工艺、经济指标、 设备防腐，新材料的应用等方面都取得了很大的进展， 实践证明，对于滨海地区水资源短缺的矿山来说，各选 矿厂因地制宦，只要充分发挥海水选矿工艺的优势，就 能获取最大经济效益、社会效益和生态效益。 参考文献 【l 】殷俊良．国外利用海水选矿的经验【J 】．有色矿山，1 9 8 2 6 2 8 ．3 2 ． [ 2 】谢纪元．岱山选矿厂使用海水选矿的考察报告叨．有色矿 山，1 9 8 2 6 2 6 ．2 8 ． [ 3 】姜启秀．海水选矿与氰化四．有色矿山，1 9 9 3 2 3 2 3 5 ． 【4 】谢纪元．加拿大莱特公司关于海水选矿的介绍田．有色矿 山，1 9 8 2 6 3 4 3 8 ． 【5 】冶金工业部长沙矿冶研究院．山东莱州市仓上金矿大露天原 生矿选冶工艺实验报告【R 】．1 9 9 l 2 4 2 6 ． 4 8 工程应用 E n g i n e er ．n gA p p I i c a t j o n 万方数据