濕法煉鋅過濾系統工藝指標優化

李振華，胡玉琴，郭高強，朱曉智

1 總論

1.1 研究背景

浸出車間過濾系統主要以排料卸渣、渣資源漿化再回收為主，近年來車間一直追求渣指標的高度優化，以“吃干榨凈、環保排放”為基本目標。車間曾多次在老系統進行過兩渣分離和渣指標優化攻關實驗，但因老系統產能不足、設備老化陳舊，致使工藝調整困難、多次攻關未能在實踐中得到預期效果。2020 年過濾新系統鉛銀渣水溶鋅平均在2.37%左右，水溶鋅指標波動較大直接影響車間成本考核，2020 年車間零購5 臺壓濾機設備在到貨安裝運行后，過濾新、老系統設備運行產能得到了保障，尤其新系統設備的備用率、完好率、運行率均有了較大提升。依托設備基礎的優勢條件，車間在過濾新系統鉛銀渣流程末端增加了二次洗滌工序，實現了對鉛銀渣約三分之一底流量的現場攻關實驗，結果證實該項目對水溶鋅指標的優化效果顯著，也對即將投產的渣資源綜合回收利用車間的貴金屬回收工作摸索了方案、積累了經驗，起到了“投石探路”的效果，并以此驗證火法系統生產后，過濾系統可通過該系列方案促使外排渣中水溶鋅指標再次降低，也為新車間開車運行能有良好的生產基礎，更高效的回收渣中的有價金屬做好了前期的準備工作。

1.2 項目必要性

濕法煉鋅是目前世界范圍內產出鋅效率頗高的一種工藝，但同時濕法煉鋅還會產出大量的浸出渣和凈化渣，這些渣中含有2%～4%水溶鋅的比例不可忽視，若不能有效回收這些水溶鋅不僅會對環境造成污染，還會給國家資源造成大量浪費。濕法煉鋅浸出過程，是以稀硫酸溶液（主要是鋅電解過程產生的廢電解液）作溶劑，將含鋅原料中的有價金屬溶解進入溶液的過程。其原料中除鋅外，一般還含有鐵、銅、鎘、鈷、鎳、砷、銻及稀有金屬等元素。在浸出過程中，除鋅進入溶液外，金屬雜質也不同程度地溶解而隨鋅一起進入溶液。這些雜質會對鋅電積過程產生不良影響，因此在送電積以前必須把有害雜質盡可能除去。在浸出過程中應盡量利用水解沉淀方法將部分雜質（如鐵、砷、銻等）除去，以減輕溶液凈化的負擔。浸出過程的目的是將原料中的鋅盡可能完全溶解進入溶液中，并在浸出終了階段采取措施，除去部分鐵、硅、砷、銻、鍺等有害雜質，同時得到沉降速度快、過濾性能好、易于液固分離的浸出礦漿。浸出使用的鋅原料主要有硫化鋅精礦（如在氧壓浸出時）或硫化鋅精礦經過焙燒產出的礦物、氧化鋅粉與含鋅煙塵以及氧化鋅礦等。其中焙燒礦是濕法煉鋅浸出過程的主要原料，它是由ZnO 和其他金屬氧化物、脈石等組成的細顆粒物料。焙燒物質的化學成分和物相組成對浸出過程所產生溶液的質量及金屬回收率均有很大影響。

以某鋅冶煉工廠為例，年產出的23 萬噸浸出渣和凈化渣中含有水溶鋅近7000t，如此大量的水溶鋅進入環境所造成的污染可想而知，造成的經濟損失也超出億元。因此，進行濕法煉鋅中水溶鋅的加強回收十分有必要，是擴大鋅冶煉行業產能、減少行業污染的必要一環。當浸出工序體積受限時，過濾系統用水較少，兩渣中水溶鋅的回收能力欠佳，造成水溶鋅較高，鋅回收率較差。過濾新系統因備用設備數量相對富余，基礎設備、設施可滿足該項目的開展。通過該項目能為全廠鋅系統生產經營效益提升創造更好的條件，因此該工藝流程改造對過濾系統實現指標優化具有重大意義。

2 具體內容

2.1 方案內容

傳統濕法煉鋅工藝中采用洗滌、凈化、萃取的工藝完成對浸出渣和凈化渣中水溶鋅的回收，借助攪拌機攪拌洗滌，將水溶鋅洗滌入溶液，然后加入熟石灰中和后進行溶液萃取，獲得相對純凈的、富含水溶鋅的溶液，最后將溶液在電解環節中實現鋅的回收。浸出過程在整個濕法煉鋅的生產過程中起著重要的作用。生產實踐表明，濕法煉鋅的各項技術經濟指標，在很大程度上取決于浸出所選擇的工藝流程和操作過程中所控制的技術條件。該項目在過濾工段新系統原設備基礎上，利用備用壓濾機、漿化槽、泵等設備進行現場實驗，在通過增加管道輸送路線后，可使鉛銀渣部分實現三次壓濾、兩次洗滌的工序流程，以增加洗滌次數的方式強化鋅金屬的回收率，最終達到優化水溶鋅指標的效果。為驗證該方案的可行性，對鉛銀渣底流進行現場實驗，該項目試驗分多次進行，分別對洗滌液的體積、濃度、漿化時間三方面因素實行了控制變量的對照試驗。

具體方案如下：

（1）在正常過濾工序流程的基礎上，當鉛銀渣底流第一次壓濾后，濾餅在一次漿化槽內漿化，一次濾液進入濾液槽后返浸出工序。

（2）一次漿化液在第二次壓濾時采用一次備用壓濾機（兩臺），將二次濾餅在一次備用漿化槽內用新水再漿化，濾液返回一次漿化工序。

（3）二次漿化液打入（原）二次壓濾機進行第三次壓濾。三次壓濾后濾渣排放，三次濾液返回二次漿化工序。

2.2 試驗操作

洗滌試驗的設備組成主要包括機械攪拌設備、恒溫水浴加熱器等。每一次洗滌試驗中，需稱量100g 的渣以燒杯盛裝；洗滌主要以稀硫酸水洗液為材料，按照固定的固體、液體比例傾倒入燒杯之中；混合后的稀硫酸水洗液與100g 的渣混合物一邊接受恒溫水浴加熱器的溫度控制，一邊接受機械攪拌設備的旋轉攪拌，使100g 渣中的水溶鋅能夠盡可能進入到稀硫酸水洗液中，完成從渣中的剝離；洗滌完成后的溶液加入固體中和劑，中和掉溶液中的鐵等物質，完成凈化步驟，使溶液保持在一定的酸堿度范圍內；凈化后的渣和溶液過濾分離。在洗滌中和環節中，熟石灰是常用的中和劑，這種中和劑不僅價格低廉而且中和過程不產生氣體，實驗中不必擔心發生“冒”現象，保證實驗安全。而且熟石灰中存在大量的固體顆粒物，為鐵等物質的沉淀提供了下沉核心。

萃取試驗的設備組成主要包括振蕩器、分液漏斗等。渣與水相溶液進入萃取試驗環節，先要被盛裝入分液漏斗，然后將分液漏斗安裝在振蕩器上；然后設定好震蕩器械的震蕩時間，靜待震蕩完成、兩相充分混合；最后將分液漏斗靜置，慢慢等待混合的渣與水相溶液自然分相，水相溶液取出分析。萃取試驗中的水相溶液通常不是水，比如在濕法煉鋅工藝中萃取試驗多以P204+磺化煤油為震蕩混合的對象，其中P204 就是最常見的、針對鋅的萃取水相溶液，能夠借助陽離子交換反應來實現鋅離子與P204 中氫離子發生交換，從而將水溶鋅從渣中萃取出來。

除萃取試驗外，實驗室可借助反萃取試驗完成對水相溶液中有機相的回收。反萃取試驗中以每升50g 的鋅和150g 的硫酸混合，組成模擬貧電積液。當貧電積液中的氫離子與P204 中的鋅離子碰撞時，二者可發生相互交換，使P204 恢復到萃取前的狀態，從而實現對有機相的循環再利用。

2.3 操作細節

根據實驗室反復試驗操作可知，影響洗滌的因素主要包括洗滌時間、洗滌溫度、洗滌環境酸堿度、固液比，影響萃取的因素主要包括P204 濃度、萃取相比、混合時間。

洗滌時間對洗滌的影響較小，只需不超出60min 基本不會影響水溶鋅的回收效果，但建議選擇將時長控制在30min，提高試驗整體效率；洗滌溫度對鉛銀渣中水溶鋅回收的影響稍大，鉛銀渣中水溶鋅的回收溫度在60℃至更高的溫度中表現穩定，在20℃～60℃之間有較大回收效果波動，表現出明顯的回收率降低情況，因此建議將洗滌溫度控制在60℃以上；洗滌環境酸堿度對鉛銀渣水溶鋅回收影響也不可忽視，在2 ～15 的酸堿度范圍內，鉛銀渣在酸堿度5 和10 處分別表現出一個小的回收高峰，而鐵礬渣只在酸堿度5 處表現出了小的回收高峰，且渣中金屬水溶鋅的洗出需要酸環境，所以應當將環境酸堿度控制在5 的位置；洗滌固液比從4：1 ～7：1 的變化區間內整體變化幅度較小，鉛銀渣呈現出小幅度上揚的態勢，而鐵礬渣在5：1 的比例出表現出一個小回收高峰，因此應當將酸堿度控制在5：1。

萃取試驗中P204 濃度、有機相與水相體積比、混合時間都是影響萃取回收效果的因素。萃取濃度對萃取回收效果影響較大，在15%～40%的萃取濃度變化區間內，回收效果一路成上揚態勢，且在萃取濃度40%時水溶鋅的回收率已經超出80%，鑒于繼續增加萃取濃度會增加萃取溶液整體粘度，且會提高萃取成本，建議將P204 濃度控制在40%左右。萃取有機相與水相體積比直接關系到萃取效率和萃取成本，在常見的萃取體積比1：5/1：4/1：3/1：2/2：3/3：4/1：1/3：2 之 中，P204 的濃度不同會產生不同的萃取效果。以萃取體積比1：2 為例，當P204 濃度為15%時，磺化煤油85%，水溶鋅萃取率接近50%，如果選擇相同的體積比而提高P204 的濃度到20%，水溶鋅萃取率上升為56%，如果進一步提高P204 濃度到30%，水溶鋅萃取率進一步上升到65%。由此可見，在萃取試驗中需先確定P204濃度，然后再進行萃取有機相與水相的體積比，才能獲得相應的水溶鋅萃取效率，是一個受到影響干擾較大的條件。但從整體發展態勢上來看，P204 濃度越高，萃取體積比越高，水溶鋅回收率越高，P204 濃度30%、萃取體積比3：2 時可達到80%的水溶鋅回收率。萃取混合時間對水溶鋅的萃取回收效率影響較小，混合時間延長和縮短都不會引起萃取回收效率的大幅度波動，混合3min 后就可以將萃取回收率穩定在60%。因此，在進行萃取試驗時，萃取混合時間控制在3min 即可，不僅可以保證萃取效果，而且可以節約整個試驗所消耗的時間，提高萃取反應的整體效率。

反萃取試驗中模擬貧電積液的配比基本固定，有機相與水相體積比是影響反萃取效果的主要因素，當體積比在4：1 時反萃取的效果較好，水溶鋅的回收率高達90%；當體積比為2：1時理論上反萃取的效果更高，回收率可達到100%。但實際實驗室操作時無法消除系統誤差，無法切實達到100%。

3 實驗過程及結果

3.1 試驗過程

本次實驗控制兩次漿化洗滌液體積總量不變，兩次漿化時間不變，均為：15min，兩種漿化洗滌液控制變量加入的操作進行對照實驗，通過四組實驗對照，在一次漿化中濾液遞減、新水量遞增，二次漿化洗滌時濾液體積遞增，新水體積遞減的操作，結果顯示一次漿化洗滌多用濾液，二次漿化洗滌多用新水的操作效果顯著。分別在一次、二次漿化洗滌時濾液體積遞減，新水體積遞增的操作，結果顯示一次、二次漿化過程中多用新水的洗滌效果顯著。本次實驗水溶鋅最佳指標相對第一次明顯優化。

在通過不同洗滌液的漿化對照后，車間再次對洗滌液的漿化時間進行了探索，本次實驗基于上兩次實驗結論，以較優洗滌方式，通過不同洗滌液、不同加入量、不同時間再次探索了漿化洗滌效果。

本次實驗再次證實，在確保漿化洗滌液體積、成分不變的基礎上，當兩次漿化總時間不變時，二次漿化時間越長，洗滌效果越好。

3.2 實驗結論

以上三次實驗均采用三次壓濾液返回二次漿化，二次壓濾液返回一次漿化，一次壓濾液返回浸出工序的方式開展了攻關，經過兩次洗滌三次壓濾所得數據，每次試驗數據均相比日常一次洗滌效果明顯偏好。鑒于實際用水量的控制和漿化時間的調節，最終綜合得出結論：一次洗滌時濾液量加大，新水適量加入，二次洗滌時新水量加大，濾液量少量加入或不加入的方案顯示，水溶鋅指標優化效果最明顯，也最適合實際生產；同時在兩次漿化總時間不變時，二次洗滌時間越長效果越顯著。依據該實驗結果，實現攻關實驗后的該部分鉛銀渣水溶鋅平均值達到了1.4%以下，相對2020 年新系統水溶鋅平均值2.37%，下降約1%。該項目攻關還處于進一步探索階段，為達到更良效果，還需在日常生產中不斷掌握洗滌液成分、體積、漿化時間等方面的控制。

4 產生的效益

4.1 安全環保

該項目不產生固廢危害，項目總體布局合理，車間布置滿足生產流程、環境保護，以及防火、安全、衛生、施工及檢修等要求；對地表水環境、大氣環境、聲環境均不造成影響。

4.2 效益估算

注：因該項目是借以新系統備用設備的基礎開展的，無法對系統所有渣餅實行兩次漿化洗滌，目前項目中只能漿化新系統渣總量的三分之一，而渣排放時處于混合狀態，如果按照正常取樣所得則是綜合渣樣，因此渣樣的提取化驗及指標制定需要分類界定。

4.2.1 指標優化

經多次試驗結果，在項目攻關后鉛銀渣水鋅指標可定為：1.4%，相比2020 年生產報表平均值2.37%可降低0.97%。

綜合渣樣水鋅指標：2.37%*0.67+1.4%*0.33=2.05%，相比2020 年生產報表平均值2.37%可降低0.32%。

4.2.2 提升鋅金屬回收

經項目攻關后該部分鉛銀渣支流水溶鋅可降為1.4%以下，創造經濟效益：

660×0.4×0.33×180×0.97%×14000 ≈212.956 萬元/年（根據2020 年生產統計，焙砂加入量約660 噸/天，渣率40%，其中約三分之一可實現攻關項目。冬季10 月及次年3 月實行效果較差，車間不計劃項目攻關，項目實行有效時間180 天/年，鋅精礦：14000 元/噸）。

按照綜合渣樣計算：660×0.4×180×0.32%×14000≈212.89萬元/年。

電能成本：[（5.5+0.75）×3+45×2]×4×3×30×12×0.38≈17.85萬元/年。

廂壓機油泵功率：5.5KW/臺，拉板小車功率：0.75KW/臺，廂壓機按照最大運行量3 臺計算，增設泵2 臺，功率45KW/臺，項目增加設備運行時間4 小時/班，電費0.38/度。

人力成本：5 萬/年.人×8 人≈40 萬/年。

綜合效益：213-17.85-40 ≈155.15 萬/年。

5 優化結果

（1）解析槽SO2穩定析出，SO2風機將其連續抽送至煙氣制酸系統，焙燒爐負壓工況可穩定控制。

（2）系統Mn2+平衡得到控制，輔料成本降低。

（3）廢液含F-≤30mg/L，含Cl-≤300mg/L，可保證電解正常生產。

（4）低浸渣避免頻繁轉運，濕法系統體積得到控制，廠區環境風險降低。

6 結論及建議

對工藝進行優化后，浸出渣綜合回收處理系統和主系統能夠有效銜接，提高各流程工藝適用性，實現資源綜合回收和清潔生產雙贏的目的。相關企業在進行浸出工藝優化時需注意以下兩點：

（1）銅渣除氯存在AsH3 逸出風險點，要注意廠房通風，必要時安裝AsH3 在線監測系統，避免劇毒氣體造成職業危害。

（2）解析、中和和高浸工段的槽體、濃密機均需密封處理，并定期檢修，同時保持各槽體微負壓工況，避免SO2逸出危及人員健康。