降低煙化爐爐渣含鋅

趙紅梅，張殿彬，張得偉，范科彪

（1.云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖 655000；2.云南馳宏資源綜合利用有限公司，云南 655011）

煙化爐吹煉作業(yè)是將酸浸渣、還原爐渣和熔劑等加入煙化爐進(jìn)行煙化吹煉，具有生產(chǎn)能力大，金屬回收率高，原料適應(yīng)性強(qiáng)、可用低級煤作燃料等優(yōu)點(diǎn)[1]，且吹煉產(chǎn)生的爐渣還可用于生產(chǎn)水泥及耐火材料，因此被廣泛應(yīng)用。

云南馳宏資源綜合利用有限公司利用自身的技術(shù)和規(guī)模優(yōu)勢，以提高資源利用效率為核心，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)。鉛系統(tǒng)采用“富氧頂吹熔煉-側(cè)吹還原爐還原-煙化爐吹煉-鉛電解精煉”工藝，鋅系統(tǒng)采用常規(guī)的“焙燒-浸出-凈化-電積”工藝。鉛系統(tǒng)每年產(chǎn)出5～7萬噸還原渣，鋅系統(tǒng)每年產(chǎn)出10～12萬噸酸浸渣，兩類渣中都富含Pb、Zn、Ge、Ag等有價(jià)金屬，為了實(shí)現(xiàn)資源的高效綜合利用，需對渣中有價(jià)金屬進(jìn)行回收利用，公司根據(jù)還原渣和酸浸渣的特性，按照一定比例搭配，利用煙化爐進(jìn)行煙化揮發(fā)處理，Pb、Zn、Ge、Ag以氧化物形態(tài)富集在煙塵中，吹煉后的高溫爐渣經(jīng)急冷水淬后形成無害渣。公司2臺(tái)煙化爐爐床面積13.37㎡，以鋅系統(tǒng)浸出渣（以下簡稱“酸浸渣”）為原料，同時(shí)回收堿渣、中和渣、鈷渣等鉛鋅冶煉廢渣。經(jīng)過在生產(chǎn)中不斷地探索和改進(jìn)，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)不斷提高，工藝水平不斷優(yōu)化和提升。但是，爐渣含鋅長期在3%以上，不僅造成大量有價(jià)金屬的浪費(fèi)，而且爐渣含鋅高也不利于水淬渣外銷，嚴(yán)重影響公司效益。

針對煙化爐爐渣含鋅高的問題，系統(tǒng)分析了粉煤質(zhì)量、渣型以及空氣過剩系數(shù)等可能造成渣鋅高的因素，并在生產(chǎn)實(shí)踐中開展實(shí)驗(yàn)，以期達(dá)到降低煙化爐爐渣含鋅，減少有價(jià)金屬流失，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

煙化爐吹煉作業(yè)是將酸浸渣、還原爐渣和熔劑等加入煙化爐進(jìn)行煙化吹煉，吹煉是一個(gè)高溫強(qiáng)化還原揮發(fā)氧化的過程，其實(shí)質(zhì)是利用粉煤燃燒產(chǎn)生大量的熱和一氧化碳?xì)怏w使熔渣中的鉛、鋅等從其氧化物中被還原成金屬蒸汽而揮發(fā)出來，至爐子的上部空間再次被爐內(nèi)的二氧化碳?xì)怏w或空氣氧化成PbO、ZnO；爐渣中的鉛也有可能以PbO或PbS的形式揮發(fā)，GeO2被還原成GeO揮發(fā)等，這些金屬氧化物以煙塵形態(tài)隨煙氣一道進(jìn)入余熱鍋爐、收塵系統(tǒng)回收[2]。主要涉及的反應(yīng)如下所述[3]：

1.2 工藝流程

本研究所用工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

酸浸渣等渣物料由皮帶輸入煙化爐內(nèi)，爐內(nèi)通過粉煤燃燒來提供熱量和還原氣氛對渣物料進(jìn)行吹煉。鉛、鋅等金屬氧化物被還原為金屬或者低價(jià)氧化物隨煙氣上升，至三次風(fēng)口被吸入的空氣氧化為金屬氧化物，最后進(jìn)入收塵系統(tǒng)收集，吹煉廢渣水淬后外銷。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本研究在實(shí)際生產(chǎn)中開展，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為13.37m2的煙化爐。煙化爐由水冷夾套組成，內(nèi)腔為長方體，橫斷面為矩形，下段盛裝熔體，稱煙化熔煉池，熔池兩側(cè)相對布置粉煤噴嘴，池端設(shè)有排渣口，池底襯耐火層。結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 煙化爐結(jié)構(gòu)及其物料流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤質(zhì)量對渣含鋅的影響

煙化爐主要能耗占比中，原煤占比達(dá)到80%以上，是最重要的能耗指標(biāo)，原煤中主要成為有固定碳、揮發(fā)分、灰分，固定碳發(fā)熱值較高，但不宜燃燒，揮發(fā)分易燃燒，利于快速提溫。

原煤揮發(fā)份高有助于降低水渣含鋅。如圖3所示，水渣含鋅與原煤揮發(fā)分的關(guān)系曲線，可以看出，隨著原煤質(zhì)量提升后，冶煉溫度升高，有利于熔池內(nèi)的金屬的還原反應(yīng)，可以縮短還原時(shí)間和降低水渣含鋅。

圖3 原煤揮發(fā)分與水渣含鋅的關(guān)系曲線

按圖中擬合的公式測算，采用高揮發(fā)分的原煤后，水渣中的含鋅將降低0.142%。

原煤在煙化爐冶煉過程中既是燃料也是還原劑，其內(nèi)在成分的優(yōu)劣與穩(wěn)定性直接影響到煙化爐爐況和鋅金屬加工成本的高低，通過生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)，是原煤當(dāng)中的揮發(fā)分起到至關(guān)重要的作用。提升原煤指標(biāo)后，能夠降低單耗和用煤成本、提升煙塵品質(zhì)、降低水渣含鋅、提升冶煉溫度。經(jīng)過長期的生產(chǎn)實(shí)踐和理論分析，確定了適宜煙化爐作業(yè)的粉煤質(zhì)量為：含碳量≥50%；灰分（A）≤30%；揮發(fā)分（V）≥16%，粉煤粒度<200目占60%以上，水分<1.0%，粉煤合格率>90%。

為了研究粉煤質(zhì)量對爐渣含鋅的影響，隨機(jī)抽查進(jìn)行質(zhì)量檢測，結(jié)果如圖4所示。

圖4 粉煤質(zhì)量檢測結(jié)果

由圖4可知，粉煤來源比較穩(wěn)定，各主要成分波動(dòng)不大。粉煤球磨機(jī)磨煤粒度200目以下>75%，水分<1%，煤質(zhì)量合格率為91.7%。因此，粉煤質(zhì)量對渣含鋅影響不大。

2.2 渣型對渣含鋅的影響

煙化爐熔渣型的控制主要是合理控制FeO、SiO2、CaO的含量及比例，CaO可提高爐溫，SiO2粘度大，SiO2含量過高會(huì)惡化爐況，降低鉛、鋅、鍺等的揮發(fā)速度。因此，研究CaO/SiO2對渣含鋅的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 CaO/SiO2比對爐渣ZnO含量的影響

由圖5可知，隨著CaO/SiO2比的增大，ZnO的含量逐漸下降，當(dāng)CaO/SiO2≥0.6時(shí)，爐渣中的ZnO含量小于2%。CaO/SiO2過大意味著CaO含量增大，不僅會(huì)增大爐渣渣量，而且占用有效物料的處理量，降低爐床能力。因此，適宜的渣型為CaO/SiO2≥0.6。

合理控制渣型可有效降低渣含鋅?？刹扇∪缦麓胧┛刂圃停簩€原渣每班進(jìn)行抽樣分析，采用手持式X光分析儀對熔渣成分進(jìn)行快速分析，若鈣硅比較低，煙化爐補(bǔ)入石灰石調(diào)整渣型；煙化爐放渣時(shí)監(jiān)控熔渣流動(dòng)性，定期對煙化爐熔渣、水淬渣取樣分析，煙化爐配料方面，充分利用酸浸渣倉小圓盤，使配料均勻；由于艾薩爐要配石英砂，而還原爐要配石灰石，存在矛盾，如何從源頭調(diào)整渣型，避免浪費(fèi)，提高物料處理效率，同時(shí)產(chǎn)出適合煙化爐吹煉的還原渣非常關(guān)鍵，煙化爐補(bǔ)入瓜子石僅作為極端情況的補(bǔ)救措施。

2.3 鋅的物相對渣含鋅的影響

為了研究熔渣中鋅的物相對爐渣含鋅的影響，抽取含鋅較高的爐渣對鋅的物相進(jìn)行檢測，結(jié)果如表1所示。

表1 熔渣中鋅的物相對渣含鋅的影響

由表1可知，渣含鋅的爐渣中的鋅多以Zn2SiO4和ZnFe2O4存在，這是因?yàn)閆n2SiO4和ZnFe2O4化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定以及熔池溫度較低[4]，該部分化合物沒有被充分還原成金屬蒸汽揮發(fā)而富集在爐渣中，造成渣含鋅升高。Zn2SiO4、ZnFe2O4以及ZnO的還原溫度如表2所示。

表2 鋅化合物的還原溫度/℃

由表2可知，ZnO的還原溫度最低，Zn2SiO4、ZnFe2O4的還原溫度較高。因此，在同等的爐況條件下，Zn2SiO4、ZnFe2O4的還原速率低于ZnO。

2.4 空氣過剩系數(shù)對渣含鋅的影響

空氣過剩系數(shù)直接影響粉煤的燃燒速率和燃燒程度，進(jìn)而影響爐溫和煙氣量[4]。圖6所示為空氣過剩系數(shù)與氣相成分和發(fā)熱值的關(guān)系。

圖6 空氣過剩系數(shù)對氣相成分及發(fā)熱值的影響

由圖6可知，隨著空氣過剩的增大，CO含量逐漸降低直至為0，CO2含量和發(fā)熱值逐漸增大。這是因?yàn)榭諝庀禂?shù)增大，氧氣充足，C發(fā)生完全燃燒生成CO2，單位質(zhì)量的C釋放的熱量增大，空氣系數(shù)小，氧氣濃度低，C發(fā)生不完全燃燒生成CO，熱量未全部釋放。

圖7所示為空氣過剩系數(shù)對爐渣含鋅的影響。

圖7 空氣過剩系數(shù)對渣含鋅的影響

由圖7可知，隨著空氣過剩系數(shù)的增大，爐渣含鋅呈先降低后升高的趨勢，當(dāng)空氣過剩系數(shù)在0.5～0.7時(shí)，廢渣含鋅降到了2.5以下。可能是因?yàn)榭諝庀禂?shù)過低，粉煤燃燒速率慢，單位時(shí)間釋放的熱量少，導(dǎo)致爐溫偏低，含鋅化合物的還原速率減慢[5]?？諝庀禂?shù)過高，粉煤完全燃燒，爐內(nèi)還原氣氛弱，鋅的化合物還原揮發(fā)率低，導(dǎo)致爐渣含鋅升高。

2.5 富氧濃度對渣含鋅的影響

煙化爐采用富氧吹煉工藝，熔池整體溫度得到大幅提升，可有效降低渣含鋅。

煙化爐吹煉分為4個(gè)階段：進(jìn)料、提溫、吹煉、放渣。進(jìn)料階段將會(huì)使熔池溫度驟然下降，完成加料后需要對熔池快速提溫至1150℃以上溫度條件，吹煉階段內(nèi)熔池是一個(gè)高溫強(qiáng)還原的氣氛，放渣階段時(shí)熔池溫度最高，熔渣流動(dòng)性好利于排渣。4個(gè)階段中，進(jìn)料和吹煉階段通入富氧，可降低冷料加入后都熔池溫度的影響，節(jié)省提溫時(shí)間。而吹煉階段加入氧氣將會(huì)破壞降低還原氣氛，不利于鋅金屬的還原，因此，煙化爐用氧并不是連續(xù)的，只能在進(jìn)料和提溫階段使用富氧。

在氧氣的實(shí)際使用過程中，入爐工藝風(fēng)富氧濃度約高，將會(huì)導(dǎo)致煙化爐內(nèi)溫度過高，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工藝溫度過高，收塵布袋除塵器入口溫度升高超過150℃，存在工藝安全隱患。因此，煙化爐使用氧氣的量并不是越多越好，而是受系統(tǒng)溫度上限的限制。經(jīng)過長期的探索和調(diào)整，供氧量≤700m3/h時(shí)，煙化爐系統(tǒng)溫度基本能在工藝要求范圍內(nèi)，收塵布袋除塵器入口溫度不超過170℃。

通過工藝探索，煙化爐富氧吹煉，其富氧濃度不能超過23.5%，氧氣使用量不得超過700m3/h，在進(jìn)料和提溫階段使用氧氣，吹煉和放渣階段不使用氧氣，煙化爐使用氧氣后提溫效果非常明顯，熔池整體溫度由大幅升高（見圖8），渣含鋅可降低0.2-0.5個(gè)百分點(diǎn)。

圖8 富氧吹煉對熔池溫度的影響

3 結(jié)論

（1）公司粉煤質(zhì)量達(dá)到煙化爐用沒質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，成分穩(wěn)定，不是導(dǎo)致渣含鋅高的原因。

（2）隨著CaO/SiO2比的增大，ZnO的含量逐漸下降，當(dāng)CaO/SiO2≥0.6時(shí)，爐渣中的ZnO含量小于2%。

（3）導(dǎo)致渣含鋅偏高的主要物相為ZnSiO4和ZnFe2O4。

（4）爐渣含鋅隨著空氣過剩系數(shù)的增大呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，適宜的空氣過剩系數(shù)為0.5～0.7。

（5）采用富氧吹煉可有效降低渣含鋅。