高硅、高鉛鋅精礦的流態(tài)化冷態(tài)實(shí)驗(yàn)研究

丁 喻，陳文勇，米嵐岳，楊玲妮，吳 杰，趙偉祖

（1.長沙礦冶研究院有限責(zé)公司，湖南長沙 410012；2.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南長沙 410083）

高硅、高鉛鋅精礦的流態(tài)化冷態(tài)實(shí)驗(yàn)研究

丁 喻1，陳文勇1，米嵐岳2，楊玲妮2，吳 杰1，趙偉祖2

（1.長沙礦冶研究院有限責(zé)公司，湖南長沙 410012；2.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南長沙 410083）

針對(duì)國內(nèi)一種高硅、高鉛鋅精礦進(jìn)行了流態(tài)化冷態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，獲取了顆粒臨界流化速度、顆粒終端速度及床層膨脹比等數(shù)據(jù)，并與國內(nèi)一些有代表性的鋅冶煉廠采用的標(biāo)準(zhǔn)鋅精礦數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，分析了其中的差異，提出了工業(yè)上沸騰焙燒這種非標(biāo)鋅精礦時(shí)應(yīng)引起注意的地方。

鋅精礦；流態(tài)化；冷態(tài)實(shí)驗(yàn)

采用流態(tài)化焙燒爐對(duì)鋅精礦進(jìn)行焙燒，是鋅精礦濕法冶煉工藝的頭道加工工序，焙砂的質(zhì)量對(duì)鋅的浸取率和浸取液中雜質(zhì)的控制具有舉足輕重的影響。目前工業(yè)上對(duì)達(dá)標(biāo)鋅精礦進(jìn)行焙燒的工藝操作已比較成熟，但由于近年來鋅礦資源的快速消耗，高品質(zhì)的鋅精礦越來越少，出產(chǎn)的高雜鋅精礦占比越來越大，特別是高硅、高鉛鋅精礦給流態(tài)化焙燒爐的操作帶來了較大的困難。因此對(duì)高硅、高鉛鋅精礦的流態(tài)化焙燒開展實(shí)驗(yàn)研究，有助于鋅冶煉企業(yè)了解此類鋅精礦的性質(zhì)和流態(tài)化特性，對(duì)流態(tài)化焙燒爐適應(yīng)不同原料生產(chǎn)、調(diào)整相關(guān)操作工藝參數(shù)具有一定的指導(dǎo)作用。

顆粒的臨界流化速度是進(jìn)行流態(tài)化裝置設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)參數(shù)，是顆粒流態(tài)化操作的最小氣速。鼓泡流態(tài)化床的操作氣速通常介于臨界流化速度和顆粒終端速度之間，因此測(cè)定顆粒的臨界流態(tài)化速度是固體顆粒流態(tài)化性能研究的一項(xiàng)重要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。本實(shí)驗(yàn)即是針對(duì)國內(nèi)一種高硅、高鉛鋅精礦進(jìn)行的臨界流化速度（umf）、顆粒終端速度（ut）和床層膨脹比的冷態(tài)實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料為國內(nèi)某鉛鋅礦經(jīng)浮選生產(chǎn)的一種高硅、高鉛鋅精礦，礦物的化學(xué)組成見表1。由表1可見，精礦的Zn元素含量較低，僅達(dá)到Y(jié)S／T 320－2007（鋅精礦）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的三級(jí)品要求，SiO2和Pb含量則遠(yuǎn)高出標(biāo)準(zhǔn)5.5%和2%的值。實(shí)驗(yàn)用鋅精礦為一種灰褐色的顆粒，測(cè)得該鋅精礦的堆密度為1 670 kg／m3。根據(jù)國內(nèi)一些典型的鋅精礦組成及顆粒密度值（見表2），推測(cè)該鋅精礦的真密度為4 000～4 100 kg／m3。

表1 高硅、高鉛鋅精礦的化學(xué)組成 %

表2 國內(nèi)一些典型鋅冶煉企業(yè)所用鋅精礦的Zn含量、真密度、堆密度及粒度指標(biāo)［1］

實(shí)驗(yàn)用鋅精礦的粒度組成（干篩）見表3。

表3 鋅精礦的粒度組成

鋅精礦的平均粒度計(jì)算數(shù)據(jù)見表4。式中：dp為顆粒平均粒度／mm。

表4 鋅精礦顆粒平均粒度計(jì)算數(shù)據(jù)

根據(jù)Geldart［2］分類規(guī)則，實(shí)驗(yàn)用鋅精礦的密度＞4 000 kg／m3，平均粒徑＜500μm，介于B、D類顆粒之間。進(jìn)一步根據(jù)Baeyens等［3］提出的關(guān)于D類顆粒的判別式計(jì)算：（ρp－ρg）d1.24p＝0.027＜0.23。

式中：ρp、ρg分別為氣體和顆粒的密度（本實(shí)驗(yàn)空氣密度取值1.290 kg／m3，顆粒密度取值4 050 kg／m3，以下同），判別實(shí)驗(yàn)用鋅精礦應(yīng)為B類而不是D類顆粒。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)裝置

1.2.1 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)固體顆粒進(jìn)行臨界流化速度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，一般根據(jù)流化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出的床層壓降－表觀氣速曲線，采用降速法作圖，水平線代表顆粒開始流化后壓降不變，斜線代表未達(dá)到流化狀態(tài)時(shí)壓降隨氣速線性增加，兩線延長線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氣速即為顆粒的臨界流化氣速。

對(duì)于B類顆粒，有Leva［4］關(guān)聯(lián)公式：當(dāng)Remf＜10：

當(dāng)Remf＞10：

式中：Remf為臨界雷諾數(shù)／m·s－1；umf為臨界流化速度／m·s－1；μ為氣體粘度／Pa·s。

同理顆粒終端速度ut在不同的雷諾數(shù)范圍內(nèi)可采用以下公式計(jì)算［5］：

式中：ut為終端流化速度／m·s－1；Ret為終端雷諾數(shù)。

對(duì)于鋅精礦沸騰爐焙燒，生產(chǎn)中也總結(jié)出如下計(jì)算公式［1］：

式中：Ar為阿基米德數(shù)。當(dāng)Ret＞0.3時(shí)，公式（7）的計(jì)算結(jié)果需乘以校正系數(shù)f帶出。

將以上計(jì)算公式計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，可觀察各種計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的差異，有助于了解哪些計(jì)算方法更接近于實(shí)際。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

流態(tài)化冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置主要由氮?dú)馄?、氣體干燥器、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、流化床、U型壓力計(jì)組成，如圖1所示。流化床為有機(jī)玻璃筒制成，外徑Φ70，內(nèi)徑Φ60，分上下兩段。其中上段長度為700 mm，下段為195 mm。上下兩段用法蘭連接，法蘭間夾有氣體分布板。氣體從筒體下段進(jìn)入，通過氣體分布板后從床上段側(cè)端引出。原料顆粒從上段頂部加入。氣體分布板為多孔板，開孔率為22.5%，孔徑1.5 mm，在氣體分布板上鋪有1 000目的不銹鋼篩網(wǎng)，以防粉粒漏至筒底。

圖1 高硅、高鉛鋅精礦流態(tài)化冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 臨界流態(tài)化速度umf的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和顆粒終端速度ut的計(jì)算

將鋅精礦顆粒預(yù)先加入流化床內(nèi)，靜態(tài)床高為200 mm。隨后調(diào)節(jié)氣體流量由小至大通過床層，記錄不同流量下的床層壓降值。當(dāng)至流量計(jì)最大刻度時(shí)，逐漸減小氣體流量直至流量為零，同樣記錄下床層的壓降值。表5為氣體流量上升和下降過程的床層壓降－表觀氣速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖2為根據(jù)表5所作 的床層壓降－表觀氣速曲線。

表5 實(shí)驗(yàn)表觀氣速－床層壓降值

圖2 床層壓降－表觀氣速曲線

由圖2可見，實(shí)驗(yàn)鋅精礦流化的床層壓降－表觀氣速曲線與經(jīng)典流化曲線接近，且上升曲線和下降曲線重合性較好。沿起始點(diǎn)和折點(diǎn)作斜線，與水平線相交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氣速即為顆粒的臨界流化氣速umf，其值為0.02 m／s。

表6為根據(jù)公式（1）、（4）、（6）、（7）試算法計(jì)算的臨界流化氣速umf和顆粒終端速度ut，其中ρp取值4 050 kg／m3，ρg＝1.16 kg／m3（21.1℃），μ＝1.754× 10－5Pa·s（25℃）。鋅精礦顆粒按近似球形處理。實(shí)驗(yàn)為常溫（20℃左右）、1大氣壓下進(jìn)行。由表6計(jì)算的結(jié)果看，臨界流化速度umf很接近且與實(shí)驗(yàn)值相差不大，說明前面對(duì)顆粒性質(zhì)的分析和采用的計(jì)算公式是正確的。顆粒終端速度ut計(jì)算結(jié)果相對(duì)分散些，但相差也不是很大，可采用公式（7）計(jì)算的結(jié)果。表7為國內(nèi)一些鋅加工廠沸騰焙燒時(shí)所使用的鋅精礦性質(zhì)及臨界流化速度和顆粒帶出速度。

表6 計(jì)算的鋅精礦臨界流化氣速umf和顆粒終端速度ut

表7 國內(nèi)部分鋅加工廠所使用的鋅精礦性質(zhì)及臨界流化速度和顆粒帶出速度

對(duì)比表6和表7中的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)高硅、高鉛鋅精礦的的臨界流化速度與顆粒終端速度與生產(chǎn)中焙燒的鋅精礦相比要小得多，特別是顆粒終端速度，約為標(biāo)準(zhǔn)鋅精礦的1／3～1／2，這主要是因?yàn)楦吖琛⒏咩U鋅精礦的平均粒度要小得多的緣故，而粒度小的原因是因?yàn)樵V組成復(fù)雜，磨礦時(shí)為保證金屬礦與脈石充分的解離而須磨至一定粒度以下。因此采用沸騰爐焙燒高硅、高鉛鋅精礦時(shí)，氣體線性操作速度必須要做較大調(diào)整，否則有可能大量顆粒會(huì)被氣體帶出而無法正常生產(chǎn)。

2.2 床層膨脹比的測(cè)量

床層膨脹比是指顆粒流化高度值與靜態(tài)床高的比值，床層膨脹比越高說明顆粒流化越好。床層膨脹比也是衡量顆粒流化性能的一個(gè)重要指標(biāo)。表8為不同氣速下觀察到的鋅精礦流化的高度值及計(jì)算的床層膨脹比。靜態(tài)床高為200 mm。

表8 不同氣速下觀察到的鋅精礦流化的高度值及計(jì)算的床層膨脹比

由表8可見，在臨界流化速度附近的床層膨脹比較小，且隨氣速增加緩慢，當(dāng)氣速增加至臨界流化速度約10倍時(shí)，床層膨脹比才增加明顯，因此實(shí)際操作氣速范圍可適當(dāng)控制接近顆粒的終端速度。圖3為鋅精礦床層剛開始出現(xiàn)鼓泡時(shí)的照片，床層表面出現(xiàn)了幾個(gè)小氣孔。隨著氣速的增大，氣泡明顯增多，且當(dāng)氣速增大一定時(shí)小氣泡合并成大氣泡，直徑可達(dá)床直徑的1／3左右，最后撕裂床層表面而沖出，如圖4所示。

圖3 鋅精礦開始鼓泡時(shí)照片

圖4 鋅精礦劇烈沸騰時(shí)照片

3 結(jié)論與建議

1.實(shí)驗(yàn)用高硅、高鉛鋅精礦在常規(guī)流化床內(nèi)能很好地流化，所獲得的氣體壓降－表觀氣速曲線很接近經(jīng)典流化曲線，實(shí)驗(yàn)獲得的臨界流化速度為0.02 m／s。

2.實(shí)驗(yàn)用高硅、高鉛鋅精礦顆粒為B類顆粒，所采用的計(jì)算公式結(jié)果也驗(yàn)證了這種鋅精礦屬于這類顆粒。

3.高硅、高鉛鋅精礦顆粒的平均粒度遠(yuǎn)低小于國內(nèi)一些有代表性的鋅冶煉企業(yè)所采用的鋅精礦的平均粒度，因此其臨界流化速度和顆粒終端速度也遠(yuǎn)低于這些鋅精礦的相應(yīng)值。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)應(yīng)注意調(diào)整這種高硅、高鉛鋅精礦的線性操作速度。

4.高硅、高鉛鋅精礦的實(shí)驗(yàn)床層膨脹比在開始流化的一段速度范圍內(nèi)比較小，只有當(dāng)表觀氣速達(dá)到臨界流化速度的10倍以上時(shí)，床層膨脹比才明顯增加，因此實(shí)際操作氣速應(yīng)盡可能接近顆粒的終端速度，以獲得良好的傳質(zhì)、傳熱效果。

5.高硅、高鉛鋅精礦正常流化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的直徑較大的氣泡，不利于沸騰焙燒時(shí)的傳質(zhì)、傳熱，因此采用沸騰爐進(jìn)行焙燒時(shí)可考慮在床內(nèi)增加一些內(nèi)構(gòu)件，以使大氣泡破碎為小氣泡或改變氣泡的上升路徑，有利于強(qiáng)化過程的傳質(zhì)。

［1］ 《有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2000.434－467.

［2］ 《化學(xué)工程手冊(cè)》編委會(huì).化學(xué)工程手冊(cè)（第20篇）—流態(tài)化［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1987.2－3.

［3］ 楊富軍，王嘉駿，顧雪萍，等.D類顆粒節(jié)涌流態(tài)化的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬［J］.過程工程學(xué)報(bào)，2005，（6）：597－600.

［4］ 郭慕孫，李洪鐘.流態(tài)化手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.171－172.

［5］ 李士琪，郭曉東，高金濤，等.超細(xì)磁鐵礦粉冷態(tài)流態(tài)化實(shí)驗(yàn)研究［J］.過程工程學(xué)報(bào)，2010，10（增1）：118－121.

Fluidized Cold Experimental Study of a High Silicon，High Lead and Zinc Concentrate

DING Yu1，CHENWen-yong1，MILan-yue2，YANG Ling-ni2，WU Jie1，ZHAOWei-zu2
（1.Changsha Research Institute of Mining＆Metallurgy Co.，Ltd，Changsha 410012，China；2.College of Chemistry and Chemical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China）

Fluidized cold experiment of a high silicon，high lead and zinc concentrate was investigated，to obtain the particle critical fluidization velocity，particle terminal velocity and bed expansion ratio and other data，and some representative with the domestic zinc smelter using standard zinc concentrate data were compared，the difference is analyzed，and it put forward the industrial fluidized roasting the zinc concentrate on a few problems that should be noticed.

zinc concentrate；fluidization；cold experiment

TF813

：A

：1003－5540（2014）06－0025－04

2014－10－12

丁 喻（1963－），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事冶金工程研究及設(shè)計(jì)工作。