蒸餾法處理直接浸出硫渣的研究

彭許文（株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司，湖南株洲 412004）

蒸餾法處理直接浸出硫渣的研究

彭許文
（株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司，湖南株洲 412004）

以株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司常壓富氧直接浸出硫渣為原料，選擇了蒸餾法對硫渣進(jìn)行系統(tǒng)處理，通過正交試驗(yàn)，得到影響硫揮發(fā)率的最主要因素是溫度，其次是硫渣厚度，最后是時(shí)間。進(jìn)行了條件試驗(yàn)，考察了溫度、時(shí)間、硫渣厚度對硫揮發(fā)率的影響。在硫渣20 g、坩堝面積為11.25 cm2的條件下，得出了最佳蒸餾條件為：蒸餾時(shí)間20 min，蒸餾溫度為460℃。試驗(yàn)中殘?jiān)蚝拷禐?9.12%，硫揮發(fā)率超過80%。

硫渣；蒸餾；硫揮發(fā)率

株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司是我國重要的鉛、鋅聯(lián)合冶煉生產(chǎn)和出口基地，同時(shí)也是全國有價(jià)金屬綜合回收最好的有色企業(yè)之一，公司引進(jìn)奧托昆普公司的先進(jìn)技術(shù)采用硫化鋅精礦常壓富氧直接浸出煉鋅新工藝，硫化鋅精礦不需焙燒脫硫就直接浸出。鋅精礦采用該工藝浸出效率高，且原料適應(yīng)性較好，但是產(chǎn)生的硫渣一直沒有很好的處理方案。該工藝每年產(chǎn)出硫渣約7萬t，硫渣中含硫平均在40%以上，同時(shí)還含有一定量的Fe、Pb、Ag、Si等元素，其中90%以上的硫元素是以單質(zhì)硫的形式存在于硫渣中。硫渣長期堆存不做妥善處置，將不可避免地污染自然環(huán)境和占用大量空間，浪費(fèi)資源，影響資金周轉(zhuǎn)，并且造成大量有價(jià)元素的流失，同時(shí)堆放時(shí)溫度控制不好還會(huì)產(chǎn)生安全隱患。

為了充分利用公司硫渣，控制環(huán)境污染，非常有必要尋找一條技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的工藝路徑，將硫渣中硫加以合理回收與綜合利用。我國是個(gè)硫資源相對匱乏的國家，在整個(gè)硫原料產(chǎn)量中，硫磺的產(chǎn)量只占到5%～7%。硫磺可以廣泛用于化工、冶金、農(nóng)藥、選礦、醫(yī)藥、染料及硫酸工業(yè)等行業(yè)，硫磺市場寬廣，供不應(yīng)求［1］。因此，通過有效的工藝路徑將硫渣中的硫綜合回收后將取得較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

常見的硫渣治理方法有高壓傾析法、浮選法、真空蒸餾法等。加拿大科明科公司和舍利特·高爾登礦業(yè)公司［2］所采用高壓傾析法回收氧壓酸浸渣中的硫元素。浮選法工藝過程簡單，只需加部分輕油或無需藥劑就可直接進(jìn)行。加拿大科明科公司［3］采用浮選法回收鋅精礦浸出礦漿中的硫，該法采用高壓釜，礦漿直接減壓，經(jīng)過調(diào)解槽、浮選、濃密，得到硫的富集物，浮選尾礦中單質(zhì)硫可降至0.07%，硫元素的回收率接近100%。真空蒸餾法又稱熔析法，加拿大A.Vizsolyi等人［4］進(jìn)行了含S039.02%的原料的蒸餾試驗(yàn)，在427℃、用氮或水蒸氣保持惰性條件，在管式反應(yīng)器中進(jìn)行硫的蒸餾，S0幾乎完全蒸餾出來，硫磺產(chǎn)品含雜質(zhì)約0.5%，主要是銅硫化物灰塵。從濕法冶金渣中回收元素硫的方法很多，如熱過濾法、制粒篩分法等，不同的原料特性決定選用不同的回收方法。株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司直接浸出硫渣含硫較高，可采用蒸餾法直接處理，處理效率高。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料與試劑

本次試驗(yàn)以該公司直接浸出工藝中產(chǎn)生的硫渣為原料，采用XRD與能譜分析硫渣的微觀結(jié)構(gòu)與其中硫磺結(jié)晶體微粒的主要成分；硫渣原料中硫元素總含量為60.42%，其中80%以上的硫元素以單質(zhì)硫的形式存在于硫渣之中。少量硫元素以硫酸鹽、金屬硫化物的形式存在，其它元素Zn、Pb、Fe、Ca等的存在形式由有機(jī)物、螯合物、復(fù)合物等組成，比較復(fù)雜，化學(xué)分析結(jié)果見表1，硫渣的SEM圖與能譜圖如圖1所示。

表1 硫渣中各種化學(xué)元素分析結(jié)果%

圖1 硫渣SEM與能譜圖表

從表1中結(jié)果可以看出，直浸工藝得到的硫渣樣品中含有的化學(xué)成分十分復(fù)雜。

從圖1中可以看出，SEM分析直浸工藝產(chǎn)生的硫渣中的硫磺是斜方晶體，主要呈致密的塊狀結(jié)構(gòu)，也有部分呈被膜狀，晶體表面積較大，有一定的光澤。從能譜分析可以看出：硫渣中主要存在物相為單質(zhì)硫，但含有少量雜質(zhì)，如Zn、Fe、Pb、Si等元素。未完全溶解而殘余的鋅主要以ZnS形式存在，溶解的鋅則主要以ZnSO4·6H2O形式存在，硫渣中的鐵則主要是以未完全溶解的黃鐵礦（FeS2）和溶解后以Fe2（SO4）3·9H2O的形式富集于硫渣中。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)原理

硫渣蒸餾法原理是利用元素硫沸點(diǎn)（444.6℃）較低的物理性質(zhì)，在高于450℃條件下，使元素硫升華揮發(fā)，再冷凝回收硫［4］。

1.2.2 試驗(yàn)流程

以公司直浸硫渣為原料，將硫渣原料粉碎后放入烘箱中脫除水分，將烘箱溫度設(shè)定為80℃，脫水時(shí)間為16 h。將冷凝管、坩堝清洗干凈后烘干備用。將脫水后的硫渣放入烘干的坩堝內(nèi)用天平稱量重量。待電爐升高至設(shè)定溫度時(shí)，把裝好原料的坩堝放入電爐中的高溫區(qū)，裝好冷凝管和熱電偶后，用密封材料密封。待蒸餾達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，關(guān)閉電爐電源。待電爐自然冷卻至室溫后，去除密封材料，開爐取坩堝。用天平稱量蒸餾后殘?jiān)闹亓浚鬯橹茦臃治觥Ｊ占蚧恰Ｓ涗洑堅(jiān)亓俊堅(jiān)辛虻暮俊⒘蚧堑木唧w收集情況等具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)蒸餾硫渣的溫度超過240℃時(shí)，在冷凝管口出現(xiàn)明顯的黃色的硫蒸氣，說明蒸餾溫度在240℃時(shí)，硫元素的蒸發(fā)量迅速增加。考察影響蒸餾中硫的揮發(fā)率的原因主要有：蒸餾溫度、蒸餾時(shí)間、硫渣厚度、蒸發(fā)面積。蒸發(fā)面積由于限于試驗(yàn)的設(shè)備，固定不變。采用三因素三水平正交表安排試驗(yàn)，試驗(yàn)方案和結(jié)果見表2、表3，在試驗(yàn)中，每個(gè)因子都取了三個(gè)水平：蒸餾溫度（A）：A1＝440℃，A2＝450℃，A3＝460℃；蒸餾時(shí)間（B）：B1＝10 min，B2＝20 min，B3＝30 min；硫渣重量（C）：C1＝20 g：C2＝30 g；C3＝40 g。

表2 因素水平表

表3 蒸餾的條件及試驗(yàn)結(jié)果

采用綜合平衡法先對每個(gè)指標(biāo)分別進(jìn)行單指標(biāo)的直觀分析，得到每個(gè)指標(biāo)的影響因素主次順序和最佳水平組合，然后根據(jù)理論知識和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對各指標(biāo)的分析結(jié)果進(jìn)行綜合比較和分析，得出較優(yōu)方案。進(jìn)而確定最佳的蒸餾條件。如蒸餾的溫度為440℃、450℃和460℃時(shí)，硫揮發(fā)率對應(yīng)的K和K分別為：

綜合平均值的極差R等于最大的綜合平均值減去最小的綜合平均值，即：R1＝82.63－78.41＝4.22

同理對各指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算、分析，其結(jié)果為其它因子對應(yīng)的綜合平均值：R2為1.47、R3為2.03。即：對硫渣蒸餾過程中產(chǎn)生主要影響的三種因素中，R1＝4.22＞R3＝2.03＞R2＝1.47，所以影響硫揮發(fā)率的最主要因素是溫度，其次是硫渣厚度，最后是時(shí)間。通過正交試驗(yàn)結(jié)果分析，確定試驗(yàn)條件：蒸餾的溫度為460℃，蒸餾的時(shí)間為20 min，硫渣重量為20 g，在此條件下，硫揮發(fā)率為83.04%。

2.2 溫度對硫揮發(fā)率的影響

蒸餾法處理硫渣工藝中，溫度是最主要的影響因素，溫度過高還會(huì)引起不必要的成本升高。溫度優(yōu)化試驗(yàn)采用硫渣20 g在不同的溫度條件下蒸餾20 min。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，蒸餾溫度與硫揮發(fā)率并不成正比關(guān)系，蒸發(fā)溫度在460℃時(shí)，蒸餾效果最好。分析原因主要是因?yàn)楫?dāng)溫度較高時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的硫單質(zhì)回流，所以導(dǎo)致硫揮發(fā)率反而下降。蒸餾的溫度控制在460℃為宜。

圖2 蒸餾溫度與硫揮發(fā)率的關(guān)系曲線圖

2.3 料層厚度對硫揮發(fā)率的影響

料層厚度與硫的揮發(fā)率密切相關(guān)，料層越厚底層的硫經(jīng)蒸餾后越不容易揮發(fā)出來。料層厚度試驗(yàn)采用不同重量的硫渣在揮發(fā)溫度為460℃、揮發(fā)時(shí)間20 min的條件下進(jìn)行蒸餾。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 硫渣厚度與硫揮發(fā)率的關(guān)系曲線圖

從圖3可以看出，隨著硫渣厚度的增加，硫渣的揮發(fā)率反而降低，分析原因主要是由于隨著料層厚度的增加，單質(zhì)硫的揮發(fā)阻力也不斷增大。因此硫渣的厚度在2.0 cm內(nèi)為宜，也就是硫渣重量在20 g以內(nèi)。

2.4 時(shí)間對硫揮發(fā)率的影響

蒸餾時(shí)間也是影響硫揮發(fā)率的一個(gè)重要因素，時(shí)間優(yōu)化試驗(yàn)采用硫渣20 g，在揮發(fā)溫度為460℃條件下蒸餾不同的時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，蒸餾時(shí)間與硫揮發(fā)率之間沒有明顯的規(guī)律性，由此可見蒸餾的時(shí)間在20 min左右時(shí)，蒸發(fā)效果比較好。蒸餾時(shí)間延長脫硫率反而降低，分析原因主要是蒸發(fā)出的硫單質(zhì)又透過硫渣層回流，影響了硫的揮發(fā)率。考慮經(jīng)濟(jì)因素，蒸餾時(shí)間控制在20 min左右為宜。

圖4 蒸餾時(shí)間與硫揮發(fā)率的關(guān)系曲線圖

3 結(jié) 論

采用常壓蒸餾方法對直浸工藝產(chǎn)生的硫渣進(jìn)行系列試驗(yàn)，通過正交試驗(yàn)得出影響硫元素?fù)]發(fā)率的最主要因素是溫度，其次是硫渣厚度，最后是時(shí)間。通過條件試驗(yàn)考察了溫度、時(shí)間、原料厚度對硫揮發(fā)率的影響。在硫渣20 g、坩堝面積為11.25 cm2的條件下，得出了最佳蒸餾條件為：蒸餾時(shí)間20 min，蒸餾溫度為460℃。試驗(yàn)中殘?jiān)蚝拷禐?9.12%，硫揮發(fā)率超過80%。

［1］ 周勤儉.濕法冶金渣中元素硫的回收方法［J］.濕法冶金，1997，（3）：50－54.

［2］ W.A.Jankola.Zitlc pressure lcaching at cominco［J］.Hydrometallurgy，1995，（39）：63－70.

［3］ E.G.Parker，余楚蓉.鋅精礦的加壓浸出流程［J］.有色冶煉，1983，（2）：26－33.

［4］ 夏光祥，方兆珩.高鐵硫化鋅精礦直接浸出新工藝研究［J］.有色金屬（冶煉），2001，（3）：8－10.

Study on Direct Leaching of Sulfur Residue by Distillation Process

PENG Xu-wen
（Zhuzhou Smelting Group Co．，Ltd．，Zhuzhou 412004，China）

Take the atmospheric oxygen direct leaching sulfur slag as raw materials，select the distillation of sulfur slag system processing.Through the orthogonal experiment，the main factor influencing the sulfur volatilization rate is temperature，followed by sulfur slag thickness，it is time finally.The effects of temperature，time and the thickness of sulfur slag on the volatilization rate of sulfur were investigated.Under the conditions of 20 g，the crucible area is 11.25 cm2，the optimal distillation conditions are obtained as follows：the distillation time is 20min，the distillation temperature is 460.In the experiment，the sulfur content of the residue was reduced to 19.12%，and the sulfur volatilization rate wasmore than 80%.

sulfur residue；distillation；sulfur volatilization rate

TF803.14

A

1003－5540（2016）02－0043－04

2016－02－24

彭許文（1982－），男，工程師，主要從事重金屬有色冶煉工作。