臥式反應釜連續加壓氧化浸出工藝的研究

楊松樺，胡 滔

（江西銅業股份有限公司貴溪冶煉廠，江西貴溪335499）

1989年江西銅業股份有限公司貴溪冶煉廠從日本住友公司引進硫酸銅置換法處理砷濾餅，生產三氧化二砷，并于1992年投產[1]。1995年貴溪冶煉廠與北京礦冶研究總院對硫化砷濾餅進行立式反應釜加壓氧化浸出小試研究，2005—2008年貴溪冶煉廠分別完成半工業試驗、設計施工和工業生產[2]。貴溪冶煉廠采用立式反應釜工藝替代硫酸銅置換工藝提高了砷直收率，生產成本大為降低[3]。但立式反應釜生產效率偏低，每釜間斷進出液，存在壓力容器壓力急劇變化、設備老化等問題[4]。

目前廣泛運用于鋅、鈷行業的臥式反應釜不同于立式反應釜的間歇作業，可實現無間斷連續生產作業[5]。2020年7月貴溪冶煉廠對臥式反應釜進行工業試驗，2020年9月臥式反應釜工藝投入工業生產，同等容量臥式反應釜較以往立式反應釜制砷效率提高了近1倍。

1 立式反應釜工藝存在問題

貴溪冶煉廠以含砷物料為生產原料，通過立式反應釜加壓氧化浸出生產三氧化二砷。1臺釜每批次作業步驟：進液—升溫升壓—降壓降溫—排液。

長期以來立式反應釜作業效率低，多臺立式反應釜占地面積大，日常操作頻繁，每臺立式反應釜均配備各類自動閥、手動閥、液位計、壓力計、不同型號管道，檢修工作量大；反應釜升壓降壓過程，容器內壓力急劇變化，對容器管道長周期使用造成不利影響。因此，考慮開發新的工藝處理含砷物料。

2 試驗研究

2.1 臥式反應釜工藝試驗流程

臥式反應釜工藝試驗流程見圖1。

圖1 臥式反應釜工藝試驗流程

還原終液通過高壓補液送入泵漿料儲槽，漿液在漿料儲槽內預熱升溫，再通過高壓進液泵送至臥式反應釜。臥式反應釜內有4個腔室，漿液進入1#腔室反應，再逐步流入2#～4#腔室反應后自流至閃蒸槽。閃蒸槽排出漿液由抽出泵送至冷卻槽進入現有還原系統。

臥式反應釜首次進液80%后停止進液，升溫升壓進行反應，控制氧化風量500 m3/h，直至反應后出液ρ(As3+)＜20 g/L，再進行下一步的連續試驗。試驗考察反應溫度、壓力、攪拌速率、時間、氧化風量等參數。立式反應釜主要反應條件見表1。

表1 立式反應釜主要反應條件

2.2 物料進液量的影響

臥式反應釜連續進液，在反應溫度 110 ℃、反應壓力 1.05 MPa、攪拌速率 900 r/min、反應時間 2.5 h、氧化風量500 m3/h條件下，考察物料進液量對反應的影響。

物料進液量分別控制在4.0，4.5，5.0 m3/h時的試驗數據見表2～4。

由表2可見：物料進液量控制在4.0 m3/h時，反應結束后4#腔室ρ(As3+)平均值17.32 g/L，ρ(As3+)＜20 g/L，在此條件下試驗可行。

表2 物料進液量4.0 m3/h試驗數據

由表3可見：物料進液量控制在4.5 m3/h時，反應結束后4#腔室ρ(As3+)平均值19.65 g/L，ρ(As3+)＜20 g/L，在此條件下試驗可行。

表3 物料進液量4.5 m3/h試驗數據

由表4可見：物料進液量控制在5.0 m3/h時，反應結束后4#腔室ρ(As3+)平均值25.12 g/L，ρ(As3+)＞20 g/L，在此條件下試驗不可行。

表4 物料進液量5.0 m3/h試驗數據

2.3 氧化風量的影響

臥式反應釜連續進液，在反應溫度 110 ℃、反應壓力 1.05 MPa、攪拌速率 900 r/min、反應時間 2.5 h、物料進液量4.5 m3/h條件下，在上述反應的基礎上考察氧化風量對反應的影響。

氧化風量由500 m3/h調整到600 m3/h試驗數據見表5。

表5 氧化風量600 m3/h試驗數據

由表5可見：氧化風量控制在600 m3/h時，反應結束后4#腔室ρ(As3+)平均值19.32 g/L，ρ(As3+)＜20 g/L，在此條件下試驗可行。

氧化風量下降，出液三價砷含量上升，氧化風量大小影響臥式反應釜反應出液的三價砷含量。分析其主要原因是試驗用臥式反應釜內徑2.2 m，氧化風量在釜內停留時間較短，部分空氣未與漿液發生氧化反應，氧化空氣未得到充分利用即進入尾氣。因此過大的風量不僅增加了空壓機的能耗，氧化效果也得不到顯著提升。氧化風量、能耗、反應出液指標互相關聯，氧化風量需要合理控制。

2.4 反應壓力的影響

在加壓氧化浸出中，氧作為一種極為重要的反應物質被引入浸出系統，由于氧在液相中的溶解度取決于其分壓，因此反應壓力對反應結果影響較大。臥式反應釜連續進液，在反應溫度 110 ℃、攪拌速率900 r/min、反應時間2.5 h、物料進液量4.5 m3/h、氧化風量500 m3/h條件下，將試驗反應壓力由1.05 MPa調整至1.15 MPa時試驗數據見表6。

由表6可見：反應壓力在1.15 MPa時，反應前后，氧化效果無明顯變化，ρ(As3+)＜20 g/L，在此條件下試驗可行。

表6 反應壓力1.15 MPa試驗數據

壓力調整前后，氧化效果無明顯變化但壓力增加后，空壓機能耗急劇上升，因此試驗終止。

3 技術創新點

該技術有以下創新點：

1）實現多腔室連續氧化反應。目前在銅冶煉廢渣無害化處理技術方面，無論是常壓氧化還是加壓氧化處理含砷物料，基本上采用單體式設備間斷性分批次生產。貴溪冶煉廠采用臥式反應釜加壓連續浸出濕法煉砷工藝為行業首創，臥式反應釜內多腔室連續反應，具有工藝流程短、生產成本低、運行效率高等優點。

2）反應熱能高效回收。臥式反應釜連續加壓氧化浸出含砷物料時反應熱量在各腔室梯級利用，最大程度地利用了反應產生的熱量，維持了系統反應熱平衡，進入循環水的熱量減少。建立了各腔室溫度自動控制模型，實現了反應熱能高效回收利用。

3）含砷物料三步連續法浸出。該含砷物料連續加壓氧化浸出技術可實現直接連續漿化、反應熱回收利用、底吹連續加壓氧化浸出三步法連續生產，含砷物料自動化全封閉綠色環保處理。

4 工業實踐

經過4個月的試驗研究后，硫化砷濾餅加壓連續氧化浸出技術投入工業試生產。在反應壓力1.05 MPa、氧化風量 500 m3/h、在反應溫度 110 ℃、攪拌速率900 r/min、反應時間2.5 h、物料進液量4.5 m3/h的條件下，臥式反應釜連續加壓氧化反應平穩，2020年7—10月洗凈殘渣w(As)月均值在3.53%～6.47%，具體數據見表7。

表7 2020年7—10月洗凈殘渣砷含量統計 w： %

5 結語

采用臥式反應釜連續加壓氧化浸出技術處理含砷物料屬行業首創，該技術具有工藝流程短、生產效率高等優點，同等體積的臥式反應釜較立式反應釜生產效率提高了1倍，洗凈殘渣砷含量指標控制平穩，有利于實現全過程自動化控制。該技術的成功應用，提高了企業的競爭力。該技術解決了長期困擾我國冶煉加工企業含砷物料無害化處理難題，實現了有價金屬的回收利用，具有良好的推廣和應用前景。