硫鐵礦摻燒硫酸亞鐵爐渣鐵資源數據研究
——渣數據計算公式

凌 云，李卓漢，楊衛國

（1.湖南金能安全科技有限責任公司，湖南 株洲 412004；2.中鹽湖南株洲化工集團 技術中心，湖南 株洲 412004）

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硫鐵礦摻燒硫酸亞鐵爐渣鐵資源數據研究
——渣數據計算公式

凌 云1，李卓漢1，楊衛國2

（1.湖南金能安全科技有限責任公司，湖南 株洲 412004；2.中鹽湖南株洲化工集團 技術中心，湖南 株洲 412004）

根據摻燒生產化學原理，參考一些工業生產實踐數據，利用數學方法建立了摻燒體系爐渣數據計算公式；計算和展示了許多不同摻燒投料條件下爐渣的鐵資源數據；可供硫酸企業制訂摻燒方案和設計有關條件作參考。有利于促進摻燒技術在國內的推廣，也有利于促進副產爐渣氧化鐵資源的利用。

摻燒投料；爐渣數據；計算

Abstract:The calculation formula about the slag data of mixed burn's system was established by mathematicalmethods according to themixed burn production chemical theory and industrial production practice data.Some iron resources data under differentmixed burn feeding-composting conditions were displayed which supported data for program design for enterprises.The data is propitious to develop in home.Aswell as be helpful for promoting the use of iron oxide.

Keywords:mixed burn feeding-composting；slag data；calculation

硫酸亞鐵主要是來源于鈦白粉副產，每生產1t鈦白粉副產FeSO4·7H2O 2.5～3t。鋼鐵酸洗，每使用1tH2SO4產出 FeSO4·H2O 約 1.9t。

硫酸亞鐵產量太大，遠遠供大于求；鐵白副產硫酸亞鐵的出路問題，一直是該行業極受關注的問題；隨著鈦白行業的不斷擴產，副產FeSO4·7H2O已經成為“三廢”即“廢渣”。目前，國內鈦白粉年產量已近160萬t；因此，鈦白副產FeSO4·7H2O的年產量大約是400萬t。

摻燒FeSO4制酸既利用了其中的S資源，也利用了其中的Fe資源，使FeSO4作為資源得以充分利用，變“廢”為寶。

國外某些發達國家，因缺乏資源，早已于上世紀60年代就推廣了利用FeSO4制酸的技術?，F在，國內也正在推廣該項技術，當然利用方式目前主要還是摻燒制酸。摻燒利用方式的技術難度相對要低一些，并且可以直接運用現硫酸生產裝置，同時也符合我國的國情。我國的硫酸產量大，其中硫鐵礦制酸裝置的產量也大，以硫鐵礦或硫黃為主摻燒FeSO4，消耗掉大量FeSO4而改變其供求關系就已經是很容易的事情了，沒有必要選擇推廣日本等國家流行的那種非摻燒的焙燒制酸利用方式——焙燒原料以FeSO4為主[3]。

國外，摻燒技術及其相關技術，應用較為普及并已有較長時間的歷史；如德國、意大利、日本、英國、前蘇聯、東歐等。

國內，近十年來，曾經有成都龍蟒集團等10家硫酸企業先后實行和試行及探索摻燒FeSO4。

1 反應原理及其討論

一般摻燒體系，在爐內主要是按以下方式反應[2-4]：

在焙燒爐內，投入FeSO4按一種反應方式反應；投入硫鐵礦按兩種方式反應，一部分硫鐵礦與FeSO4發生復分解反應，另一部分硫鐵礦與常規制酸時一樣發生單一分解反應——對應于以上兩個化學方程。

無論是摻燒體系還是非摻燒體系，在焙燒爐內所產生的Fe3O4都不是很穩定，可以部分被轉化為Fe2O3，但其轉化反應主要是發生于爐外排渣過程中，在爐外排渣過程中供氧條件相對較好。據手冊[4]：氧化鐵黑即Fe3O4可耐熱至100℃，高溫受熱易被氧化，變成紅色氧化鐵；在200～300℃灼燒時形成 r型Fe2O3。化學反應方程可表示如下：

根據反應原理可以確認，無論是FeS2還是FeSO4，焙燒產物都是鐵的氧化物和硫的氧化物一摻燒條件下幾乎都是SO2。鐵的氧化物就是Fe2O3和Fe3O4。

當然，僅僅根據反應原理難以確定焙燒產物中的Fe2O3與Fe3O4的比例。這兩種鐵的氧化物的比例隨工業焙燒條件不同而波動。針對硫鐵礦制酸的一般裝置來講，鐵的氧化物的最終產物是以Fe2O3為主還是可以確認的。

2 純凈物料的出渣數據

2.1 純凈硫鐵礦的出渣數據

計算純凈硫鐵礦的出渣數據時，不考慮硫鐵礦中有雜質存在，硫鐵礦的有效成份全部是FeS2。

已知 FeS2、Fe2O3、Fe3O4的分子量分別是 119.97，159.70，231.55；則純凈硫鐵礦焙燒產物全部是Fe2O3時的出渣系數是0.6656；則純凈硫鐵礦焙燒產物全部是Fe3O4時的出渣系數是0.6434。因此，純凈硫鐵礦的出渣系數取值范圍是0.6656～0.6434，渣含鐵取值范圍是69.944%～72.36%。

已知硫鐵礦的單一分解過程，也就是常規制酸的工業焙燒過程，常溫爐渣產物中Fe3O4與Fe2O3的重量比值，十多例統計平均數據為15∶85，則該條件下的出渣系數為0.6623，渣含鐵是70.3%。計算過程如下：

0.6434×15%+0.6656×85%=0.6623

72.36%×15%+69.944%×85%=70.3%

以上純凈硫鐵礦的渣數據0.6623和70.3%是常規工業制酸條件下的焙燒工藝數據。該數據的工業意義與代表性，也可以得到經驗公式的支持；將純凈硫鐵礦含硫53.447%代入經驗公式[6]，所得到的渣含鐵數據是70.22344%。

為便于針對摻燒體系計算渣數據，現假定摻燒體系中Fe3O4排出爐外至常溫時，發生轉化的百分率與常規工業制酸體系同。假定常規工業制酸條件下，在爐內產生的Fe3O4與Fe2O3各為50%；Fe3O4經爐外排渣過程含量比由50%下降至到15%；如果設定Fe3O4在排渣前為100%，則在排渣過程中有70%被轉化，只有30%未被氧化。

在摻燒體系中，一部分硫鐵礦與FeSO4按復分解方式反應，針對這部分硫鐵礦，其純凈硫鐵礦的出渣系數為0.66，渣含鐵為70.67%，計算過程如下：

只要認定焙燒的最終產物鐵的氧化物中，Fe3O4不可能過半，則其純凈硫鐵礦的出渣系數就不可能低于0.6545；渣的含鐵就不可能高于71.152%。因此，以上設定數據“0.66”和“70.67”是可行的。

針對純凈的100%硫鐵礦FeS2來講，對應的含硫是53.447%，如果硫鐵礦的計量規格取含硫35%，則這種純凈硫鐵礦按常規制酸條件進行單一分解時的標準出渣系數為0.4337，渣含鐵70.3%；則這種純凈硫鐵礦按摻燒條件進行復分解時的標準出渣系數為0.4322，渣含鐵70.67%。計算過程如下：

2.2 純凈FeSO4的出渣數據

由于在摻燒條件下，FeSO4全部是按照與硫鐵礦發生復分解之方式來反應，因此，計算純凈硫酸亞鐵的出渣數據時在爐內只考慮這一種反應方式。

由于摻燒體系一般是使用FeSO4·H2O，故純凈硫酸亞鐵的規格取一水硫酸亞鐵。計算純凈一水硫酸亞鐵的出渣數據時，也是同樣不考慮雜質的存在。

已知 FeSO4·H2O、Fe2O3、Fe3O4的分子量分別是169.93，159.70，231.55；則純凈 FeSO4·H2O 焙燒產物全部是Fe2O3的出渣系數是0.47；則純凈FeSO4·H2O焙燒產物全部是Fe3O4的出渣系數是0.454。

已知FeSO4·H2O在摻燒體系中，爐內，焙燒產物全部是Fe3O4；同樣設定Fe3O4在排渣前為100%，在爐外排渣過程中有70%被轉化為Fe2O3；則純凈FeSO4·H2O在摻燒條件下的出渣系數為0.465，渣含鐵為70.67%計算過程如下：

3 實物原料的出渣數據

3.1 實物硫鐵礦的出渣數據

實物硫鐵礦燒渣與純凈硫鐵礦燒渣的區別也是在于有無雜質，鐵氧化物視為渣的有效成份。雖然硫鐵礦在不同焙燒條件下，其出渣系數略有區別，但其雜質數據的差異應該是更小，可以近似相等。

設1t含S 35%的硫鐵礦燒出非鐵氧化物雜質X1t，已知常規工業制酸條件下該硫鐵礦燒渣的實際含鐵為C1，對應純凈硫鐵礦的標準出渣系數為0.4337，對應純凈鐵礦燒渣含鐵70.3%；則根據C1可計算出X1，根據X1可計算出C1，計算公式如下：

當硫鐵礦按常規工業制酸條件進行單一分解時，其標準出渣系數A1可按下式計算：

A1′=0.4337＋X1

當硫鐵礦按摻燒條件進行復分解時，針對那一部分硫鐵礦來講，其標準出渣系數A2可按下式計算：

A2′=0.4322＋X1

3.2 實物FeSO4·H2O的出渣數據

同理，雖然硫酸亞鐵在不同焙燒條件下，其出渣系數有差異，但其渣中雜質數據的變化應該是很小，可以近似相等。

測試硫酸亞鐵燒渣中的雜質數量可以采用單一焙燒原理，在實驗室實施。在單一焙燒條件下，硫酸亞鐵燒渣的鐵氧化物全部是Fe2O3，反應原理如下[2]：

設1t折100%FeSO4·H2O的燒渣雜質數據為X2，實驗室燒渣含鐵為C2′，實驗室焙燒出渣系數為B′；已知 Fe2O3的鐵含量是69.944%，1t折 100%FeSO4·H2O可以燒出0.47t Fe2O3；則計算數據X2與分析檢測數據C2′之間和計算數據X2與測試實驗數據B′之間存在有如下等量關系：

以上B′是非摻燒條件下FeSO4·H2O的實際出渣系數。在摻燒條件下FeSO4·H2O的實際出渣系數B可按下式計算：

通過實驗焙燒硫酸亞鐵測試其燒渣含鐵C2′可計算出X2。X2數據還有另一種來源方式，那就是對硫酸亞鐵原料作元素分析和數據推算。針對株化集團即湖南永利化工股份有限公司的副產綠礬來講，據樣品分析和數據推算，焙燒1t折100%FeSO4·H2O所產生的爐渣雜質非鐵氧化物X2為0.02t。

4 摻燒體系燒渣數據計算

4.1 出渣系數計算

在摻燒體系中，標準硫鐵礦投料重量比值為1，折100%FeSO4·H2O比值為K，這種混合體系中分配于復分解的硫鐵礦以標礦計是2.156K，分配于單一分解的硫鐵礦以標礦計是1－2.156K，計算過程如下：

根據以上硫鐵礦的反應分配數據以及已經已知的 B、A2、A1、C1等數據，可以歸總計算摻燒體系的出渣系數Ab：

在摻燒體系中，針對產品H2SO4的出渣系數就是相當于針對全部投入物料的出渣系數，實用性更好。已知投入350kg S可產出1tH2SO4，折100%FeSO4·H2O含S18.8%；則在出渣系數Ab的基礎上再引入系數繼續運算就可得到摻燒體系的標準出渣系數A0：

4.2 渣含鐵計算

經過前述討論，計算渣含鐵的基礎數據及子公式已經齊備，待整理和歸總即得總公式。如果硫鐵礦計量規格為含硫35%，硫鐵礦在摻燒體系中的投料重量比值為1，該硫鐵礦在常規工業制酸條件下的燒渣含鐵為C1，折100%FeSO4·H2O在摻燒體系中的投料重量比值為K；則摻燒體系的爐渣含鐵數據CT作為因變量，K和C1作為自變量，構成以下數學函數關系式：

式中 N1：硫酸亞鐵燒渣鐵；N2：硫鐵礦復分解燒渣鐵；N3：硫鐵礦單一分解燒渣鐵。

4.3 計算公式中變量數據的說明

C1是原料硫鐵礦的特性數據，含義是常規工業制酸燒渣含鐵。該數據來源于分析測定。

K是摻燒重要數據，含義是FeSO4·H2O相對于硫鐵礦的投料比值，硫鐵礦的計量規格為含硫35%，硫鐵礦的投料比值為1，重量比。該數據K來源于生產工藝數據設計。

摻燒投料比K一般是用于投料設計，在對摻燒工藝技術進行考核時，一般是針對產品硫酸來計算硫酸亞鐵的投料比即用量消耗比。也就是說，同樣的道理，與出渣系數一樣，FeSO4·H2O投料比值也有兩種表達方式。

如果設定針對硫酸產品的FeSO4·H2O投料比值為K0，則K與K0之間有如下換算公式：

5 摻燒體系渣數據計算公式的應用示范

5.1 計算不同投料條件下的渣含鐵等數據

已知或設定K和C1計算摻燒體系渣含鐵CT，計算摻燒體系出渣系數Ab和A0，數據匯總見表1。

表1 摻燒體系在不同投料條件下渣數據列舉Tab.1 Data formixed burning system under different feeding conditions

5.2 計算摻燒體系渣含鐵達60%所對應條件

當渣含鐵達到60%時可以直接作為煉鐵原料鐵精礦出售；因此，渣含鐵上升達到60%時，其市場價格也就突然大幅度上揚；所以，力求達到渣含鐵60%也是硫酸企業應該追求的目標。

當已知CT等于60%時，計算CT的函數關系式就可以變成兩個關于C1與K的函數關系式：

用C1來反映硫鐵礦的質量狀況也還是比較準確，但不直觀。在實際生產中反映硫鐵礦質量的常見數據是含硫，含硫高，含鐵必高，雜質也就自然是很少。根據硫鐵礦燒渣含鐵C1可以推測硫鐵礦含硫Cs，有人已經得到了經驗公式[6]：

要使摻燒體系的爐渣含鐵達到60%，應用上述公式計算可求出對應條件K或K0數據與C1或Cs數據，實例列舉見表2。

表2 摻燒體系爐渣含鐵60%對應條件數據列舉Tab.2 Conditions data of for 60%iron contentof boiler slag in mixed burning system

6 結語

針對同一批礦來講，如果實物含硫大于35%，則其按標礦計算的出渣系數總是小于實物礦的出渣系數。在實際生產中，應該是提倡按標礦計算出渣系數。

不難理解，即使同一批礦，如果渣的含水不同，其標礦出渣系數也是可以不相同。以上計算公式，其渣的含水情況是比較特殊，屬于“絕對干基”，是指水合水和極少量游離水。估計，絕對干基與一般干基相比，其出渣系數可能有%以下的相對偏差；也就是說計算公式中標準礦出渣系數有可能“偏小”5%以下。

代數符號注釋

C1：實際硫鐵礦燒渣含鐵重量比。

X1：實物硫鐵礦焙燒，當按標準礦計量并取投料重量比值為1時所出爐渣雜質非鐵氧化物的重量比值。

A1：實物硫鐵礦按單分解方式的標礦出渣系數。

A2：實物硫鐵礦按復分解方式的標礦出渣系數。

X2：焙燒實物硫酸亞鐵，當硫酸亞鐵的計量規格為折100%一水硫酸亞鐵和投料重量比為1時所出爐渣非鐵氧化物雜質的重量比值。

C2′：實物硫酸亞鐵在實驗室單獨焙燒所出燒渣含鐵重量比。

B′：一水硫酸亞鐵按單分解方式的出渣系數，一水硫酸亞鐵以折100%計，重量比值為1。

B：一水硫酸亞鐵按復分解方式的出渣系數，一水硫酸亞鐵以折100%計，重量比值為1。

K：當硫鐵礦按標礦計量和投料重量比值取1時所對應的折100%一水硫酸亞鐵摻燒重量比值。

Ab：相對于重量比值為1的標準硫鐵礦，摻燒體系的出渣系數。

A0：相對于重量比值為1的硫酸產品，摻燒體系的出渣系數。

CT：摻燒體系所出爐渣含鐵，以重量計。

K0：產品硫酸重量比值為1時摻燒折100%一水硫酸亞鐵原料的重量比值。

Cs：實物硫鐵礦含硫，以重量計。

［1］ 蔡劍秋.無機鹽工業手冊下冊第二版［M］.北京：化學工業出版社，1996.131.

［2］楊衛國.摻燒硫酸亞鐵制酸調查研究報告［J］.鈦白，2010，（4）；2010，（5）：41-43.

［3］司徒杰生.無機化工產品（第二版）［M］.北京：化學工業出版社，1993.981.

［4］袁耀瑜.硫鐵礦燒渣利用的設想與實踐［J］．硫酸工業，2008，（1）：46-48.

Fe resources data research of pyritem ixed ferrous sulfate combustion slag——Slag data calculated

LING Yun1，LIZhuo-han1，YANGWei-guo2
（1.Hunan Kenon Safety Technology Co.,Ltd.,Zhuzhou 412004,China;
2.Technology Center of China Salt Zhuzhou Chemical Industry Group,Zhuzhou 412004,China）

TQ111.14

A

1002-1124（2011）03-0012-05

2011-01-30

凌 云（1970-），男，工程師，1991年畢業于華南理工大學，現就職于湖南金能安全科技有限責任公司。