流態化焙燒爐處理赤鐵礦渣的研究與應用

陳艷梅 湯凱樂

(長沙有色冶金設計研究院有限公司, 湖南 長沙 410019)

0 前言

在濕法煉鋅過程中,不論常規濕法還是高溫高酸浸出或氧氣直接浸出技術,都不可避免會產生大量廢渣。我國是世界第一電鋅冶煉大國,電鋅產量超過6 000 kt/a,每噸電鋅產出浸出渣(各種渣料)0.8～1.0 t,每年浸出渣產量可達4 000～5 000 kt。鋅浸出渣為危險廢物,其中的金屬大都以硫酸鹽形式存在。除了硫酸鉛,其他硫酸鹽都可以溶于水,重金屬離子和硫酸根離子均可隨雨水進入地下水中,造成地下水污染。因此,鋅浸出渣需通過高溫熔煉進行無害化處理,形成性質穩定的不溶解于水的玻璃體渣。目前,鋅浸出渣的處理方法主要有回轉窯揮發法、煙化爐法、澳斯麥特爐法、側吹熔煉法、搭配鋅浸出渣直接煉鉛技術等。

國內某企業采用硫化鋅精礦焙燒和氧化鋅原礦浸出工藝生產電鋅,主工藝流程為:硫化鋅精礦流態化焙燒脫硫→焙燒礦熱酸還原浸出赤鐵礦沉鐵→浸出液鋅粉銻鹽凈化→硫酸鋅溶液大極板電積提鋅→陰極鋅熔鑄。近年來,隨著氧化鋅原礦品位和產能降低,某企業電鋅產能下降,銷售規模及利潤均大幅下降。因此,本文充分利用赤鐵礦渣含鐵量高(≥47%)的優勢,將生產100 kt/a電鋅產出的約20 kt/a赤鐵礦渣與改造前預定要處理的硫鐵礦進行混合配料,利用現有的47 m2流態化焙燒爐焙燒,產出鐵渣(含鐵量≥55%)外售鐵廠,實現鋅系統的資源內部協同,減少噸鋅浸出渣回轉窯處理量,最大程度降本增效,提升企業的整體競爭力。

1 赤鐵礦渣與硫鐵礦流態化焙燒機理

焙燒爐是把由一定粒度組成的細粒物料層從靜置狀態進入活動狀態。這一轉變是在一種完全固定的流體速度即所謂的流態化臨界速度W臨界下實現的。當流體速度不斷增大,并超過此臨界速度,流化層的體積增大,細顆粒物料粒子的運動更激烈。在某一個速度即所謂極限速度或帶出速度W帶出下,流態化層進入懸浮狀態,并隨流體物料被帶出流化室。在W臨界和W帶出的范圍內,流態化層處于穩定狀態。因此在實際操作中,焙燒爐操作氣流速度W操作介于W臨界和W帶出之間［1］。

(1)

式中:Re臨界為臨界雷諾準數;μ為氣體實際溫度下的運動黏度,m2/S;d均為物料顆粒平均粒度,m。

由式(1)可知,W臨界與固體粒子直徑、固體性質、氣體性質有關。

硫鐵礦和赤鐵礦渣混合入爐料的粒徑見表1,其中粒徑小于200目的占60%。與鋅精礦平均粒徑相比,硫鐵礦和赤鐵礦渣混合物料的粒徑更細,其臨界速度約為鋅精礦臨界速度的2～3倍。在同一操作速度下,細料的反應更強烈,向上運動過程中受到的阻力更小,故焙燒爐改燒硫鐵礦和赤鐵礦渣混合料后,反應速度更快,停留時間更短,焙燒爐煙氣含塵量會更高,床能力(10～18 t/m2·d)是原來(6～8 t/m2·d)的2～3倍。

表1 入爐物料粒徑分析

同時,焙燒爐處理原料性狀發生變化,會引起焙燒流化過程中氣-固流化床的不均勻性和不穩定性,特別是處理像硫鐵礦這類會發生強放熱反應的物質,不正常流態化的出現會造成床層物料的燒結,致使生產過程無法進行。硫鐵礦在焙燒過程中首先發生分解,體積膨脹,粒徑增大,產生許多細微的裂紋,在氧氣的親和力和SO2向外逃逸產生的牽引力的作用下,產生空洞。當焙燒爐流化層溫度升高時,反應急劇進行,硫鐵礦顆粒會發生爆炸反應,最終形成以Fe2O3為包殼的小球形燒渣,或形成以Fe3O4為基體、以Fe2O3為包殼、Fe2O3柱狀晶釘扎在Fe3O4基體上的實心硫化鐵燒渣［2］。與此同時,赤鐵礦渣中的硫酸鹽和水分利用焙燒系統的高溫條件(1 050 ℃)和剩余熱量,可得到有效分解,最終形成以Fe2O3為主的焙燒渣。這與鋅精礦氧化時生成ZnO致密薄膜,焙燒前后粒度只減少15%不同［3］。硫鐵礦和赤鐵礦渣混合料焙燒產生的焙燒渣和煙塵更細,煙塵率更大。由于焙燒爐操作氣流速度W操作介于W臨界和W帶出之間,排渣溢流口的高度與原料的粒度和風帽氣速有關,在風帽氣速不變的情況下,為保證床層厚度,流化層的高度也相應提高。

2 現有設備改造及應用

現有鋅精礦焙燒爐流化層直徑為7 690 mm,一次擴大型,爐腹角13°,上部擴大段直徑為9 280 mm,設計有效容積為848 m3,設計爐氣停留時間為28 s,爐體側面出高溫煙氣,風帽為4個按整體圓周布置的孔徑為6 mm的改良型直通風帽,設計小孔氣速20 m/s,硫酸最高產量達到282 t/d,總轉化率平均為99.775%。但采用硫鐵礦和赤鐵礦渣焙燒混合料后,由于原料性質發生變化(表2),需對焙燒爐本體進行局部改造,保證焙燒爐產能與余熱鍋爐、收塵系統及制酸系統相配套,實現最大限度的設備利舊和減少投資。

表2 改造前后入爐物料成分表

由表2可知,改造后,入爐赤鐵礦渣和硫鐵礦混合物料中的含硫量低于30%,和原來鋅精礦含硫量相差不多,在保持現有投料量不變的情況下,配套系統的生產工況和鋅精礦生產工況相近,上料系統、爐底風機、余熱鍋爐、旋風除塵、冷卻圓筒和制酸系統可充分利舊。

由于入爐物料(尤其是赤鐵礦渣)的粒度變細,焙燒速度快,床能力提高1倍以上,需將焙燒爐流化層爐墻的厚度向內增加845 mm,將流化層直徑由 7 690 mm 改為6 000 mm,并將溢流口高度由950 mm提高到1 300 mm,防止因爐床料層太薄產生死區、溝流等流化態氣流短路或其他不穩定問題,以保證改造焙燒爐本體結構后,產品質量滿足煉鐵入爐原料(含硫量<0.5%)的要求,避免硫進入生鐵后在熱加工時產生“熱脆”現象［4］。

改燒硫鐵礦與赤鐵礦渣混合料后,煙氣含塵量約為360 g/Nm3,極端情況下焙燒爐不產生焙砂,爐料全部隨煙氣進入煙塵,進一步加劇煙氣中含塵顆粒對余熱鍋爐對流區換熱管的沖刷和磨損,降低旋風收塵器的收塵效率,加重電收塵的負荷,導致制酸凈化系統的污酸量大幅增加,廠區水處理系統超負荷運轉。為了解決爐膛高度不足導致的爐內煙氣停留時間短問題,在焙燒爐與余熱鍋爐之間新增一個尺寸為3 500 mm×9 000 mm的圓柱體二燃室。增加二燃室,一方面有利于煙塵中夾帶的生料繼續發生反應,提高產品的品質;另一方面利用重力沉降的原理,減輕煙氣對現有余熱鍋爐的沖刷及收塵設施的負荷。另外,在二燃室進口管道上增加1臺具有氧化鋯探頭的氧量分析儀,通過控制出口爐氣中的氧含量使得爐內保持弱氧磁化焙燒氣氛,控制燒渣顏色為淺黑色,達到鐵渣外售要求［5］。

3 生產中存在問題和改進措施

2022年4月27日,焙燒爐點火一次投料成功。電除塵器接氣8 h后運行正常,轉化器送氣8 h后,煙氣中SO2濃度達到轉化熱平衡要求,關閉開工電爐。

裝置操作條件為:風量20 921.88 Nm3/h、爐底壓力13 kPa、焙燒爐出口O2濃度1.8%、焙燒溫度980 ℃。試生產期間主要指標見表3。

表3 試生產期間主要生產指標

在試生產過程中,存在的問題如下:

3.1 入爐混合料水分含量大于12%,配料不均勻

赤鐵礦渣含水量約為20%,現場采用抓斗配料,入爐物料中時常發現塊狀物,造成下料口局部堵塞,流化床不穩定,如不及時人工干預,易造成死爐生產事故。為此,提高配料要求,保證入爐料含水量為8%～10%和均勻性,增加焙燒爐流化層測溫熱電偶,根據溫度指導生產,提高現場作業率。

3.2 現場操作環境差,煙塵無組織排放超標

赤鐵礦渣與硫鐵礦混合配料的焙塵粒度細、易飛揚,從焙燒爐出口至制酸凈化系統入口的各設備接連處(包括冷卻圓筒的前后設備連接),都是無組織排放點,現場環境臟、亂、差。

為了解決上述問題,采取以下改進措施:1)保持設備處于負壓狀態下運行,并在設備連接處設置環集裝置;2)在冷卻圓筒出口端增設噴淋裝置,噴頭伸入圓筒內1.8 m,以保證混合后的焙燒礦、塵充分增濕,增濕后的鐵精粉水分含量控制在15%～18%,以確保不產生揚塵。

3.3 產品殘硫量高,產品質量不達標

由表3可知,試生產期間鐵精粉殘硫量大于0.5%,焙燒礦、塵銷售不暢,經濟效益不顯著,生產無法維續。為了解決上述問題,采取以下改進措施:1)增加焙燒爐流化層冷卻盤管面積,提高流化層焙燒溫度至1 050 ℃,提高脫硫率,保證焙砂殘硫量小于0.5%;2)控制入爐礦指鐵含量和硫含量之和≥88%,以保證產品的鐵含量≥55%,鉛含量和銅含量之和≤1.0%,從而減少高溫下Pb和Cu生成的低熔點化合物與焙燒礦粘結成團,從而避免焙燒礦的脫硫受阻,降低產品殘硫量,同時減少爐內粗顆粒的富集沉降,維持物料的流態化效果,避免排料不暢,爐床惡化。

4 經濟效益

經過不斷的摸索與改進,目前赤鐵礦渣與硫鐵礦混合配料后入焙燒爐焙燒,焙燒礦塵的品質可控在含硫量<0.5%、鐵含量≥55%,可直接以100元/t的價格外售煉鐵廠,相比于赤鐵礦渣直接以30元/t的價格外售水泥廠,企業效益直接提升140萬元/a。

其次,鋅浸出渣的清潔生產和無害化處理是鋅冶煉企業需解決的重要問題。目前,該企業主要采用回轉窯處理鋅浸出渣,而采用赤鐵礦渣搭配硫鐵礦焙燒爐處理后,實現了自熱平衡,每噸電鋅產出的需要經回轉窯進一步處理的浸出渣由0.8 t降低到0.6 t,每年總共可減少約20 kt浸出渣的處理量,這些浸出渣采用回轉窯處理需要消耗焦炭10 kt,折合標準煤9 710 t,因此可節約生產成本約1 165萬元。

最后,采用回轉窯處理鋅赤鐵礦渣,漏風率高,煙氣量大,SO2濃度低,無法回收,若直接排放又不能滿足環保要求,必須進行脫硫處理。脫硫一般采用堿吸收法或氧化鋅煙塵吸收法,堿吸收法產生的副產品銷售困難,產生廢水,建設投資、生產成本增加;氧化鋅作為脫硫吸收劑活性低,脫硫效率較低,生產中易堵塞噴淋頭和管道,導致尾氣無法穩定達標,而且ZnSO4產品返回濕法煉鋅主系統,影響系統酸水平衡。但采用焙燒爐處理赤鐵礦渣,通過調整配料后,渣中的硫可經制酸系統產出硫酸,產量達2 183 t/a。按當地硫酸50元/t計,每年可增加經濟效益11萬元。

5 結束語

在我國有色金屬工業轉型升級、提質增效,邁入世界有色金屬工業強國行列的關鍵時期,焙燒爐處理赤鐵礦渣技術為有色金屬行業處置工業廢渣(赤鐵礦渣)提供了一條新思路,不僅增加了企業的經濟效益,同時也貫徹執行了“創新、協調、綠色、開放、共享”的五大發展理念。對該技術進行推廣和實施,能有效提高不可再生資源綜合利用水平,減少重金屬污染物排放,增強了產業發展的可持續性,實現綠色低碳發展。