鋅鉛分離的理論及應用研究.pdf

1、世界各國鋼鐵廠粉塵產生量約為鋼產量的1％-2％，其中大多含有鋅和鉛，這類粉塵已經(jīng)被確定為有毒固體廢物，不能返回原工藝處理，對其回收處理工藝的研究已經(jīng)成為冶金界的熱點之一。目前國內外處理工藝尚無法處理含鉛高、含鐵低的含鋅鉛粉塵。低品位氧化鋅礦含有鉛、硫、砷等雜質，現(xiàn)有處理該類氧化鋅礦的工藝發(fā)展較為緩慢，有必要研制新的處理方法。 本文在回顧了含鋅鉛粉塵和低品位氧化鋅礦處理工藝的特點及現(xiàn)狀的基礎上，并結合近年來冶金及材料領域的新技術

2、，對這兩種含鋅物料的處理提出新的理論及方法。首先提出鋅鉛分離理論，并對其理論依據(jù)以及分離方法的選擇進行闡述；其次對鋅鉛分離理論及方法所涉及到的含碳球團還原的動力學以及熱傳導模型進行研究；最后在兩種含鋅物料基本特性研究的基礎上，對含鋅鉛粉塵中鋅、鉛分離并分別回收，以及從低品位氧化鋅礦直接獲取高等級超細氧化鋅粉分別進行實驗研究。鋅鉛分離是利用鋅、鉛以及氧化物在一些物理化學性質的差異，將粉塵中鋅、鉛氧化物還原成金屬鋅、鉛，金屬鋅以鋅蒸氣形式揮

3、發(fā)并進行氧化收集；金屬鉛很少揮發(fā)，留在渣中以鉛渣形式回收，從而達到鋅鉛一次性分離及分別回收的目的。鋅、鉛及其氧化物的熱分析試驗和蒸氣壓研究表明，要抑制Pb元素的揮發(fā)失重，實現(xiàn)鋅鉛分離，需要鋅、鉛氧化物在低溫下快速還原。含碳球團的還原特性和鋁浴的傳熱可以解決低溫與氧化物快速還原的矛盾，并就此提出實現(xiàn)鋅鉛分離的方法——含碳球團鋁浴熔融還原法(簡稱“鋁浴法”)。 開展了鋅鉛分離的基本理論研究，對含碳純氧化鋅和氧化鉛球團等溫還原動力學

4、的研究表明，在1000～1150℃范圍內，還原溫度愈高，氧化鋅的還原速度愈快，而氧化鉛則變化不大或有所降低；各控制環(huán)節(jié)下氧化鋅和氧化鉛還原反應的活化能都不大，但氧化鉛還原的活化能比氧化鋅小；氣相擴散是含碳鋅、鉛氧化物球團還原反應主要的控制環(huán)節(jié)，其還原反應的活化能分別為46.548～53.280kJ·mol-1和43.338～48.802kJ·mol-1。其它試驗結果表明，改善外擴散條件、有鋁浴存在都能提高含碳純氧化鋅球團的還原速度；在1

5、000～1250℃溫度范圍內，鋁基本不參與氧化鋅的還原，鋁浴對氧化鋅還原的作用主要表現(xiàn)在傳熱上。 在含碳球團還原機理研究的基礎上，對含碳氧化鋅球團還原的熱傳導模型及球團內部溫度測試的研究表明，在還原初期，球團內部的溫度快速升高，當達到開始還原溫度時，溫度的增長幅度明顯減慢；球團內部的溫度分布和還原分數(shù)分布都不均；隨球團尺寸增加，球團內部溫度和球團平均還原分數(shù)都降低；隨還原溫度的增加，球團內部溫度和球團平均還原分數(shù)都增加；在一定

6、還原溫度和球團尺寸下，有鋁浴存在時球團的升溫速度和還原分數(shù)都要高于無鋁浴存在。球團內部溫度和平均還原分數(shù)的模型計算值與試驗值比較得，球團內部溫度的計算值與試驗值是比較吻合的；平均還原分數(shù)的模型計算值與試驗值在前5min較為吻合；但5min后，計算值要大于試驗值。鋁浴傳熱是含碳氧化鋅球團低溫下實現(xiàn)快速還原的重要條件。對含鋅鉛粉塵的基本特性，氧化鋅礦的特性及焙燒預處理進行研究表明，粉塵中Zn、Pb主要是以ZnO、PbO的形態(tài)存在，粉塵的成球

7、性好，并含有一定量的碳，可以利用含碳球團還原的特性來進行鋅、鉛氧化物的還原；粉塵的熔點在1150℃左右，隨粉塵堿度的降低，熔點有所降低。氧化鋅礦屬低品位礦石，含有一定量鉛、硫、砷、鎘等雜質，鋅的物相主要是碳酸鹽和硅酸鹽；采用高溫氧化焙燒方法進行焙燒，提高焙燒溫度、焙燒時間和礦石粒度都有利于脫鉛率、脫砷率、脫硫率以及鋅富集率的提高，合理的焙燒條件為：溫度1200℃、時間120min、粒度15～20mm；焙燒礦中鋅的主要物相是氧化鋅和硅酸鋅

8、。 采用單因素和二次回歸正交設計方案對鋁浴法實現(xiàn)鋅鉛分離進行詳細試驗研究，并進行了含碳球團自還原、含碳球團鐵浴熔融還原法(簡稱“鐵浴法”)的對比試驗。試驗結果表明，從試驗條件和各項指標的角度上，鋁浴法最適合用于鋅鉛分離及粉塵的處理，可一次性直接得到符合標準的較高級別氧化鋅粉產品和富鉛鐵渣副產品。實現(xiàn)鋅鉛分離的適宜試驗條件：鋁浴法，還原溫度1100℃，還原時間45min，球團堿度0.44(自然堿度)，粘結劑配比0.5％。在此試驗

9、條件下，氧化鋅粉中ZnO在90％以上(最高達92.52％)，PbO小于5％，渣中Pb含量15％左右，鋅揮發(fā)率和鉛富集率都在90％以上，基本上實現(xiàn)了鋅鉛分離的目的以及含鋅鉛粉塵的處理。采用化學氣相反應法(CVD)和鋅鉛分離的理論及方法，從低品位氧化鋅礦中用火法冶金方法直接獲取高等級超細氧化鋅粉的試驗研究表明，與碳還原法和鐵浴法相比，鋁浴法更適合用于從氧化鋅礦制備高等級超細氧化鋅粉。其適宜試驗條件：含碳焙燒球團礦，還原溫度1100℃，還原時

10、間45min，球團堿度1.1。在此試驗條件下，獲得的氧化鋅粉中ZnO大于98％，PbO在1％左右，鋅揮發(fā)率在90％以上。鋁浴法所得的氧化鋅顆粒尺寸徑向上在20～50nm之間，長度上在50～500nm之間，長徑比為1～15，主要晶形為棒狀或長柱狀。收集系統(tǒng)前段的氧化鋅粉體的粒度分布范圍比中段和后段窄，＜100nm的尺寸所占比例高于中段和后段，且團聚現(xiàn)象要少于中段和后段；能促進氧化鋅快速還原、鋅蒸氣快速氧化以及氧化鋅快冷卻的因素都有利于氧化