硝酸體系鎳電解除鐵渣氨浸脫硫新工藝試驗研究

田忠元,高曉婷

(1.甘肅金川鎳鈷新材料技術創新中心有限公司 甘肅鎳鈷新材料創新中心,甘肅 金昌 737100；2.金川鎳鈷研究設計院 鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室,甘肅 金昌 737100)

鎳電解多為硫酸體系電解,在硫酸體系電解過程中,除雜質鐵多采用黃鈉鐵礬法。黃鈉鐵礬法除鐵存在堿量消耗量大、產出的鐵渣含鎳高等問題,且進入鐵渣中的鎳、鐵資源回收困難,致使硫酸體系鎳電解精煉過程中金屬直收率較低[1-3]。

為了降低鎳精煉過程中除鐵的堿耗,降低鎳精煉過程的冶煉成本,可采用硝酸體系處理含鎳物料,含鎳物料中的鐵在硝酸體系中以硝酸鐵的形式存在于溶液中,該溶液中的鐵均為三價鐵,可利用硝酸鐵低溫易分解的特點除去,生成一種含鐵約36%、含硫10%、含氮1%～4%的鐵渣,該鐵渣因含硫較高,鐵資源無法直接回用,因此,本文針對硝酸體系產出的鐵渣提出了一種氨浸脫硫的新工藝,該工藝脫硫過程中試劑消耗量小,產出的鐵渣含鐵較高,可作為鐵精礦銷售[4]。

本文對該工藝的流程、試驗原理進行了闡述,重點對影響鐵渣脫硫效率的因素進行了試驗分析,并進行了擴大試驗,以期為相關企業提供參考。

1 試驗介紹

1.1 鐵渣性質

采用掃面電鏡對鐵渣的礦物類別和礦物相對含量進行了分析,主要物質能譜分析結果見圖1和圖2,主要物質定量分析結果見表1和表2。

表1 硫酸鐵的元素能譜分析結果 %

掃描電鏡和能譜分析結果顯示,鐵渣主要以水合硫酸鐵和水合鐵氧化物的形式存在,同時,還含有少量的硅酸鹽礦物。

表2 鐵氧化物的元素能譜分析結果 %

圖1 硫酸鐵的X-ray 能譜分析譜圖

圖2 鐵氧化物的X-ray 能譜分析譜圖

1.2 原輔材料及工藝流程

鐵渣化學成分見表3,試驗用設備和輔料明細見表4。根據鐵渣礦物組成分析結果可以看出,鐵渣中的硫主要以硫酸鹽的形式存在,因此鐵渣脫硫工藝的設計原則上以將鐵和硫酸根分離,將鐵以鐵的沉淀物的形式析出,達到分離鐵與硫的目的,根據這一原則,鐵渣脫硫工藝的流程設計如圖3。

表3 鐵渣化學成分 %

表4 試驗設備和輔料明細表

圖3 除鐵渣氨浸脫硫工藝原則流程圖

1.3 試驗原理及方法

1.3.1 試驗原理鐵渣氨浸過程中發生的主要反應見式(1)。

反應所需氨水理論用量按式(2)計算。

式中:ωNH3·H2O為理論所需的純氨水量；n為式(1)中NH3·H2O 前面的系數；m為式(1)中Fe(OH)SO4前面的系數；MWNH3·H2O為NH3·H2O的分子量；MWFe為Fe的分子量；ωFe為每次試驗中加入的總鐵量。

1.3.2 試驗思路

試驗包括三類。第一類是實驗室單因素試驗,每次試驗稱取鐵渣100 g(干基),分別考察氨水用量、反應時間、反應溫度、液固比、攪拌速度對鐵渣脫硫率的影響。第二類是驗證試驗,驗證在第一類單因素試驗較優條件下的鐵渣脫硫率。第三類是擴大實驗,驗證在工業條件下的試驗結果。

1.3.3 試驗方法

氨浸試驗在玻璃燒杯中進行,用電動攪拌器進行攪拌。每次試驗稱取一定量的鐵渣,按確定的液固比加入浸出劑,加溫后進行浸出。浸出完成后,立即進行過濾,浸出渣洗滌、烘干后,制樣送檢測分析；浸出液計量容積后,混勻取樣,送檢測分析。

2 單因素試驗及分析

2.1 氨水用量的影響

每次試驗稱取鐵渣100 g(干基),控制浸出反應時間2.0 h、溫度85℃、液固比6∶1、攪拌速度180 r/min,考察氨水用量(理論量)1.0倍、2.0倍、3.0倍、4.0倍、5.0倍對鐵渣脫硫效果的影響,試驗結果見圖4。

圖4 氨水用量(理論倍數)對脫硫效果的影響

圖4表明,隨著氨水量的增加,硫酸根的脫除率逐漸上升,當升至3.0倍以上時,脫硫率均大于90%,因此,氨水的加入量以3.0倍為宜。實際上由于氨水有一定的揮發性,致使氨水用量遠大于理論數據。

2.2 反應時間的影響

每次試驗稱取鐵渣100 g(干基),控制氨水用量3.0倍(理論倍數)、溫度85℃、液固比6∶1、攪拌速度180 r/min,考察反應時間0.5 h、1.0 h、2.0 h、3.0 h 對鐵渣脫硫效果的影響,試驗結果見圖5。

圖5 反應時間對脫硫效果的影響/%

圖5表明,當反應時間＞1 h 后,脫硫效果變化不明顯,因此,反應時間選擇1.0 h為宜,此時鐵渣脫硫率＞90%。

2.3 反應溫度的影響

每次試驗稱取鐵渣100 g(干基),控制氨水用量3.0倍、反應時間1.0 h、液固比6 ∶1、攪拌速度180 r/min,考察反應溫度25℃(常溫)、65℃、85℃對鐵渣脫硫效果的影響,試驗結果見圖6。

圖6 反應溫度對脫硫效果的影響/%

圖6表明,隨著反應溫度的升高脫硫效果明顯升高,當反應溫度為85℃時,鐵渣脫硫效果＞95%。考慮實際生產中,溫度太高時,能耗較高,因此,綜合考慮,選擇反應溫度為85℃。

2.4 液固比的影響

每次試驗稱取鐵渣100 g(干基),控制氨水用量3.0倍、反應時間1.0 h、溫度85℃、攪拌速度180 r/min,考察液固比4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1對鐵渣脫硫效果的影響,試驗結果見圖7。

圖7表明,在氨水用量一定的條件下,液固比＜6∶1時,脫硫效果均在90%以下,液固比較低時,氨水濃度較大,氨水揮發嚴重,造成脫硫效果不理想；液固比＞6∶1時,氨水濃度逐漸降低,反應效率變慢,也造成脫硫效果不理想,因此綜合考慮,選擇液固比為6∶1。

圖7 液固比對脫硫效果的影響/%

2.5 攪拌速度的影響

每次試驗稱取鐵渣300 g(干基),控制氨水用量3.0倍、反應時間1.0 h、溫度85℃、液固比6∶1,考察攪拌速度60 r/min、120 r/min、180 r/min、240 r/min、300 r/min 對鐵渣脫硫效果的影響,試驗結果見圖8。

圖8表明,在攪拌速度較小或較大時,脫硫效果均未達到最大值,分析認為攪拌速度較小時,反應效率變慢,造成脫硫效果不理想,攪拌速度較大時,氨水揮發速度逐漸變快,也造成脫硫效果不理想,因此綜合考慮,選擇攪拌速度180 r/min。

圖8 攪拌速度對脫硫效果的影響

3 驗證試驗

驗證試驗每次稱取鐵渣100 g(干基),在氨水用量3.0倍、反應時間1.0 h、反應溫度85℃、液固比6∶1、攪拌速度200 r/min的條件下,考察單因素較優條件鐵渣脫硫效果,試驗結果見圖9。

圖9 驗證試驗脫硫效果

圖9表明,驗證試驗脫硫效率均大于95%,與條件試驗結果一致。驗證試驗產出的鐵精礦成分見表5,GB/T25953—2010 和GB/T32545—2016的鐵精礦成分標準見表6。

表5 驗證試驗鐵精礦成分 %

表6 國標鐵精礦成分標準 %

對比表5和表6發現,鐵渣氨浸脫硫后產出的鐵精礦達到了《有色金屬選礦回收鐵精礦》(GB/T25953—2010)中三級鐵精礦的成分要求,也達到了《鐵礦石產品等級的劃分》(GB/T32545—2016)中五級赤鐵精礦的成分要求。

4 擴大試驗

在驗證試驗的基礎上,開展了鐵渣氨浸脫硫-蒸氨全流程擴大試驗,氨浸擴大試驗在30 L 密閉玻璃釜中進行,蒸氨試驗在5 L 玻璃燒杯中進行,共處理鐵渣10 kg,氨浸擴大試驗條件與驗證試驗條件一致,即氨水加入量3.0倍(理論量倍數),反應時間1 h,反應溫度85℃,液固比6∶1、攪拌速度200 r/min。蒸氨試驗條件為氧化鈣加入量1.0倍,蒸氨溫度80℃,蒸氨時間0.5 h。氨浸脫硫-蒸氨全流程擴大試驗物料平衡見表7。

表7 全流程擴大試驗物料平衡表

從全流程擴大試驗結果可以看出,氨浸脫硫-蒸氨工藝除了產出符合國標要求的鐵精礦外,還會產出硫酸鈣渣和氨水,硫酸鈣可作為制作水泥的原料銷往水泥廠[5-6],氨水經回收后可繼續作為浸出劑返回利用,減少浸出劑的用量。

5 結論

1)采用氨浸脫硫工藝處理硝酸體系鎳電解鐵渣,在氨水用量3.0倍、反應時間1 h、反應溫度85℃、液固比6∶1、攪拌速度180～200 r/min的條件下,可產出含鐵＞58%,含硫＜0.3%的鐵精礦。

2)氨浸脫硫工藝處理硝酸體系鎳電解鐵渣,浸出劑可實現循環利用或用于生產硫酸銨,生成的硫酸鈣渣可銷往水泥廠,生成的硝酸鈣溶液用于回收硝酸,是一項清潔脫硫的新工藝。

該工藝為實驗室新工藝,設備還不夠完善,若在浸出過程中采用密封性較高的設備可降低浸出劑的用量,改善浸出效果。