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）

煙化爐吹煉作業是將酸浸渣、還原爐渣和熔劑等加入煙化爐進行煙化吹煉，具有生產能力大，金屬回收率高，原料適應性強、可用低級煤作燃料等優點[1]，且吹煉產生的爐渣還可用于生產水泥及耐火材料，因此被廣泛應用。

云南馳宏資源綜合利用有限公司利用自身的技術和規模優勢，以提高資源利用效率為核心，大力發展循環經濟。鉛系統采用“富氧頂吹熔煉-側吹還原爐還原-煙化爐吹煉-鉛電解精煉”工藝，鋅系統采用常規的“焙燒-浸出-凈化-電積”工藝。鉛系統每年產出5～7萬噸還原渣，鋅系統每年產出10～12萬噸酸浸渣，兩類渣中都富含Pb、Zn、Ge、Ag等有價金屬，為了實現資源的高效綜合利用，需對渣中有價金屬進行回收利用，公司根據還原渣和酸浸渣的特性，按照一定比例搭配，利用煙化爐進行煙化揮發處理，Pb、Zn、Ge、Ag以氧化物形態富集在煙塵中，吹煉后的高溫爐渣經急冷水淬后形成無害渣。公司2臺煙化爐爐床面積13.37㎡，以鋅系統浸出渣（以下簡稱“酸浸渣”）為原料，同時回收堿渣、中和渣、鈷渣等鉛鋅冶煉廢渣。經過在生產中不斷地探索和改進，各項經濟技術指標不斷提高，工藝水平不斷優化和提升。但是，爐渣含鋅長期在3%以上，不僅造成大量有價金屬的浪費，而且爐渣含鋅高也不利于水淬渣外銷，嚴重影響公司效益。

針對煙化爐爐渣含鋅高的問題，系統分析了粉煤質量、渣型以及空氣過剩系數等可能造成渣鋅高的因素，并在生產實踐中開展實驗，以期達到降低煙化爐爐渣含鋅，減少有價金屬流失，提高經濟效益的目的。

1 實驗

1.1 實驗原理

煙化爐吹煉作業是將酸浸渣、還原爐渣和熔劑等加入煙化爐進行煙化吹煉，吹煉是一個高溫強化還原揮發氧化的過程，其實質是利用粉煤燃燒產生大量的熱和一氧化碳氣體使熔渣中的鉛、鋅等從其氧化物中被還原成金屬蒸汽而揮發出來，至爐子的上部空間再次被爐內的二氧化碳氣體或空氣氧化成PbO、ZnO；爐渣中的鉛也有可能以PbO或PbS的形式揮發，GeO2被還原成GeO揮發等，這些金屬氧化物以煙塵形態隨煙氣一道進入余熱鍋爐、收塵系統回收[2]。主要涉及的反應如下所述[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，爐內通過粉煤燃燒來提供熱量和還原氣氛對渣物料進行吹煉。鉛、鋅等金屬氧化物被還原為金屬或者低價氧化物隨煙氣上升，至三次風口被吸入的空氣氧化為金屬氧化物，最后進入收塵系統收集，吹煉廢渣水淬后外銷。

1.3 實驗設備

本研究在實際生產中開展，實驗設備為13.37m2的煙化爐。煙化爐由水冷夾套組成，內腔為長方體，橫斷面為矩形，下段盛裝熔體，稱煙化熔煉池，熔池兩側相對布置粉煤噴嘴，池端設有排渣口，池底襯耐火層。結構形式如圖2所示。

圖2 煙化爐結構及其物料流程圖

2 結果與討論

2.1 粉煤質量對渣含鋅的影響

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

原煤揮發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分的關系曲線，可以看出，隨著原煤質量提升后，冶煉溫度升高，有利于熔池內的金屬的還原反應，可以縮短還原時間和降低水渣含鋅。

圖3 原煤揮發分與水渣含鋅的關系曲線

按圖中擬合的公式測算，采用高揮發分的原煤后，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，其內在成分的優劣與穩定性直接影響到煙化爐爐況和鋅金屬加工成本的高低，通過生產實踐證實，是原煤當中的揮發分起到至關重要的作用。提升原煤指標后，能夠降低單耗和用煤成本、提升煙塵品質、降低水渣含鋅、提升冶煉溫度。經過長期的生產實踐和理論分析，確定了適宜煙化爐作業的粉煤質量為：含碳量≥50%；灰分（A）≤30%；揮發分（V）≥16%，粉煤粒度<200目占60%以上，水分<1.0%，粉煤合格率>90%。

為了研究粉煤質量對爐渣含鋅的影響，隨機抽查進行質量檢測，結果如圖4所示。

圖4 粉煤質量檢測結果

由圖4可知，粉煤來源比較穩定，各主要成分波動不大。粉煤球磨機磨煤粒度200目以下>75%，水分<1%，煤質量合格率為91.7%。因此，粉煤質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含量過高會惡化爐況，降低鉛、鋅、鍺等的揮發速度。因此，研究CaO/SiO2對渣含鋅的影響，結果如圖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CaO/SiO2≥0.6時，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。可采取如下措施控制渣型：對還原渣每班進行抽樣分析，采用手持式X光分析儀對熔渣成分進行快速分析，若鈣硅比較低，煙化爐補入石灰石調整渣型；煙化爐放渣時監控熔渣流動性，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，如何從源頭調整渣型，避免浪費，提高物料處理效率，同時產出適合煙化爐吹煉的還原渣非常關鍵，煙化爐補入瓜子石僅作為極端情況的補救措施。

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行檢測，結果如表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，這是因為Zn2SiO4和ZnFe2O4化學性質穩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 空氣過剩系數對渣含鋅的影響

空氣過剩系數直接影響粉煤的燃燒速率和燃燒程度，進而影響爐溫和煙氣量[4]。圖6所示為空氣過剩系數與氣相成分和發熱值的關系。

圖6 空氣過剩系數對氣相成分及發熱值的影響

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含量和發熱值逐漸增大。這是因為空氣系數增大，氧氣充足，C發生完全燃燒生成CO2，單位質量的C釋放的熱量增大，空氣系數小，氧氣濃度低，C發生不完全燃燒生成CO，熱量未全部釋放。

圖7所示為空氣過剩系數對爐渣含鋅的影響。

圖7 空氣過剩系數對渣含鋅的影響

由圖7可知，隨著空氣過剩系數的增大，爐渣含鋅呈先降低后升高的趨勢，當空氣過剩系數在0.5～0.7時，廢渣含鋅降到了2.5以下。可能是因為空氣系數過低，粉煤燃燒速率慢，單位時間釋放的熱量少，導致爐溫偏低，含鋅化合物的還原速率減慢[5]。空氣系數過高，粉煤完全燃燒，爐內還原氣氛弱，鋅的化合物還原揮發率低，導致爐渣含鋅升高。

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個階段：進料、提溫、吹煉、放渣。進料階段將會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，吹煉階段內熔池是一個高溫強還原的氣氛，放渣階段時熔池溫度最高，熔渣流動性好利于排渣。4個階段中，進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，節省提溫時間。而吹煉階段加入氧氣將會破壞降低還原氣氛，不利于鋅金屬的還原，因此，煙化爐用氧并不是連續的，只能在進料和提溫階段使用富氧。

在氧氣的實際使用過程中，入爐工藝風富氧濃度約高，將會導致煙化爐內溫度過高，將會導致系統工藝溫度過高，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，而是受系統溫度上限的限制。經過長期的探索和調整，供氧量≤700m3/h時，煙化爐系統溫度基本能在工藝要求范圍內，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個百分點。

圖8 富氧吹煉對熔池溫度的影響

3 結論

（1）公司粉煤質量達到煙化爐用沒質量標準，成分穩定，不是導致渣含鋅高的原因。

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

（3）導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的增大呈現先降低后升高的趨勢，適宜的空氣過剩系數為0.5～0.7。

（5）采用富氧吹煉可有效降低渣含鋅。