一種用于濕法鋅冶煉清潔生產的高效除鐵方法

王令明

(長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南長沙 410011)

1 引言

除鐵是濕法鋅冶煉的重要課題，濕法鋅冶煉中焙燒、浸出、凈化、電積及熔鑄基本相同，唯一區別是采用不同的除鐵方法而產生了各種濕法鋅冶煉工藝流程［1］。

1.1 常規法

鋅精礦經焙燒后，采用中性浸出及低酸浸出，鋅浸出率大約70%，渣率約60%，鐵都留在浸出渣中，由于浸出渣含鋅高，一般采用回轉窯揮發回收氧化鋅，鐵從窯渣除去，窯渣含鋅約1% ～2%，含鐵約25% ～30%，該法產出鐵渣為火法處理的固化渣，重金屬離子得到很好的固化，便于渣堆存及銷售，但該法存在焦炭或煤能耗大，耐火材料損耗大及低濃度SO2煙氣需處理等問題。

1.2 高溫高酸法

鋅精礦經焙燒后，采用高溫高酸浸出，鋅浸出率大約96% ～97%，大部分鋅被浸出進入溶液，同時大量的鐵也被浸出進入溶液，一般浸出溶液含Fe20～30g/l，需對進入浸出溶液中鐵進行單獨除鐵處理以滿足凈化要求，為此產生了三種除鐵方法。

(1)黃鉀鐵礬法

采用鉀鹽、鈉鹽或氨鹽將浸出溶液中三價鐵離子形成黃鉀鐵礬渣而除鐵，渣率約50%，渣含鋅約4% ～6%，含鐵約25% ～30%，該法產出釩渣為濕法粘狀渣，屬危險固廢，需放置防滲漏的特殊渣場堆存，對環境有不利影響。

(2)針鐵礦法

采用空氣或氧氣將浸出溶液中二價鐵離子氧化成三價鐵離子，然后采用石灰石中和，形成針鐵礦渣而除鐵，渣率約40%，渣含鋅約8%，含鐵約35% ～40%，該法產出鐵渣為濕法石膏渣，需放置防滲漏渣場堆存，表層可以草木復墾，滿足環保要求。

(3)赤鐵礦法［2］

在高溫高壓條件下，將浸出溶液中二價鐵離子氧化形成赤鐵礦渣而除鐵，渣率約20%，渣含鋅約1%，含鐵約50% ～60%，該法產出鐵渣為濕法粉狀渣，可直接銷售水泥廠。

目前唯一采用赤鐵礦法除鐵工藝的鋅廠是日本Iijima冶煉廠，該廠鋅精礦經焙燒，采用中性浸出及低酸浸出，中浸上清液即浸出硫酸鋅溶液送凈化、電積及熔鑄產出鋅錠，低酸渣經SO2加壓浸出，產出浸出渣作為回收Pb、Ag、Cu的原料，浸出上清液經二段石灰石中和后，在高溫高壓條件下，將浸出溶液中二價鐵離子氧化形成赤鐵礦渣而除鐵。

上述各種濕法鋅冶煉除鐵工藝可以歸納為二大類:一類是以常規法為代表火法處理浸出渣工藝，該法特點是一種棄渣(含鐵)，以火法固化渣排去，棄渣便于堆存及銷售，對環保有利，但存在鋅浸出率低，需采用回轉窯處理浸出渣回收氧化鋅，能耗大，低濃度SO2煙氣需處理等問題;另一類以高溫高酸法為代表濕法處理浸出渣工藝，該法特點是產二種棄渣，一種是浸出底流產出高浸渣，另一種是從上清液中除鐵產出鐵渣，由于是濕法渣需特殊渣場堆存，對環保不利，但采用高溫高酸浸出，鋅浸出率高，工藝過程簡單。

2 傳統赤鐵礦法除鐵工藝

日本Iijima鋅廠于1971年首家建成采用赤鐵礦除鐵法工廠，生產規模200kt/a電鋅，工廠建成一直生產至今已40余年。

赤鐵礦除鐵法原理是，在高溫(200℃)、高壓(1.8MPa)條件下，當硫酸濃度不高時，溶液中的Fe3+便會發生水解反應得到赤鐵礦(Fe2O3)沉淀［3］。

該工藝流程特點如下:

(1)浸出渣采用SO2還原壓力浸出，將SO2壓入反應器中，維持壓力 152～202KPa，溫度 100～110℃，反應式:ZnO·Fe2O3+2H2SO4+SO2→ZnSO4+2 FeSO4+2H2O

(2)采用硫化沉銅，中和沉鎵及銦。在H2S除銅之后，溶液分兩段用石灰石中和到pH4.5，可產出供銷售用的石膏。

(3)高壓氧氣氧化沉鐵。由于鐵以FeSO4存在，它在中和時保持在溶液中，通過加熱使溫度升到180～200℃，在1.32～2.03MPa壓力作用下，鐵以α-Fe2O3沉出，反應式:

圖1是日本Iijima鋅廠工藝流程圖［4］

圖1 日本Iijma鋅廠工藝流程圖

1979年日本幫助德國魯爾鋅廠(Datteln)建成了世界上第二個赤鐵礦法煉鋅廠，生產規模135kt/a電鋅，由于種種原因，該廠于1993年中止了赤鐵礦除鐵方法，據報導主要原因為:一是生產成本高，二是系統工程化問題多，如給料、釜內結垢等，該廠于1991年增加了一套鋅精礦直接加壓氧浸裝置，鋅精礦氧壓浸出產出Pb-Ag渣外售，沒有設置鋅浸出渣處理設施，該工廠已于1994年停產［5］。

3 高效除鐵工藝流程描述

本方法是一種用于濕法鋅冶煉清潔生產過程中的高效除鐵工藝，鐵渣能作為資源綜合利用。本高效除鐵方法包括下列步驟:

(1)鋅精礦經焙燒進入中性浸出，控制溫度約60℃，終點pH5.0，中浸上清液即浸出硫酸鋅溶液;

(2)將中浸底流進行熱酸還原浸出，把以鐵酸鋅等形式存在的難溶鋅在高溫高酸下進一步浸出，同時加入過量還原劑硫化鋅精礦，把溶液中Fe3+還原成Fe2+，控制溫度約90℃，終酸50g/l，底流渣進濃密過濾;

(3)采用氧化鋅煙塵對熱酸還原浸出上清液進行預中和，控制溫度約50℃，終點pH1.5。對預中和上清液采用鋅粉置換沉銦，控制溫度約60℃，終點pH4.0，富銦渣送銦回收系統。

(4)將沉銦后液泵入反應器，采用中溫中壓條件進行高效除鐵，通入濃度98%以上氧氣，控制溫度約170～180℃，壓力約1000～1200kPa，在中溫中壓有氧情況下，沉銦后液中鐵沉錠進入渣中，除鐵后礦漿通過閃蒸槽降溫降壓后，送除鐵濃密機分離，濃密上清液即除鐵后液送中性浸出，濃密底流經壓濾洗滌為鐵渣;

(5)將步驟(1)所述中浸上清液即浸出硫酸鋅溶液送凈化、電積及熔鑄生產鋅錠。

本方法與傳統的赤鐵礦除鐵方法相比，具有以下優點:

(1)比較表

表1 比較表

圖2 高效除鐵法工藝流程圖

(2)本高效除鐵是在中溫中壓條件下進行，與傳統的高溫高壓赤鐵礦除鐵比較，能耗較低;

(3)本高效除鐵要求除鐵前液含Fe＜25g/l，可得到除鐵后液最終含Fe＜2g/l，除鐵效率高;

(4)本高效除鐵后液含鐵低，可直接返回中性浸出，能穩定體系的正常生產工況;

(5)本高效除鐵渣含Zn＜1%，鋅損失小，鋅回收率高;

(6)本高效除鐵渣含Fe50～60%，鐵渣可直接外售水泥廠或鋼鐵廠，資源綜合利用好;

(7)本高效除鐵渣可直接外售，不需渣場堆存，滿足日益嚴格的環保要求;

(8)本高效除鐵是在一個密閉的反應器內完成，屬濕法鋅冶煉清潔生產。

圖2是本方法工藝流程圖［6］。

4 結語

濕法鋅冶煉中的赤鐵礦除鐵方法目前只有日本Iijima冶煉廠使用，相關資料報道不多，技術保密性強。國內也有工廠做了赤鐵礦除鐵小型試驗研究及半工業試驗，取得了預期效果，試驗結果表明:稀散金屬的回收率有較大提高，鐵渣能資源化利用，環保條件好，由于國內大規模鋅精礦加壓氧浸工廠的建成已達產達標，加壓氧浸技術及設備的工程化難題在國內可以解決，國內已具備條件自主研發用于工業生產的高效除鐵裝置，雖然有很大的挑戰性，但對于濕法鋅冶煉中鐵渣的處理，將是一個發展方向，具有節能降耗，資源再利用，環境友好的優勢。

［1］戴江洪.當今鋅濕法冶金現狀及發展趨勢［M］.中國有色冶金，2012(4):27-30.

［2］岳明.鋅浸出液三價鐵直接水解赤鐵礦法除鐵的探討［J］.中國有色冶金，2012(4):80-84.

［3］彭容秋.鉛鋅冶金學［S］.北京:科學出版社，2003:347-349.

［4］H.Arima，Y.kudo.Autoclave application for zinc leach residue treatment by Akita Zinc Co.Ltd.

［5］E.Ozberk，M.J.Collins，Zinc pressure leaching at Ruhr-Zinc refinery.

［6］傅永良.高銦鋅精礦非礬渣提鋅銦及除鐵新工藝試驗研究［J］.中南大學，2009.