淺析鉛冶煉富氧底吹煙灰中有價金屬回收工業化應用

王占全，楚建偉

（青海西豫有色金屬有限公司，青海 格爾木 816099）

近幾年來，社會經濟的不斷進步以及科學技術的快速發展為鉛冶煉行業提供了廣闊的發展空間，同時也加快了鉛冶煉工藝水平的進步和冶煉裝備的改革換代。對新的冶煉工藝而言，其主要包括卡爾多法、基夫賽特法，富氧頂吹、氧氣底吹等工藝手法，這些方法均在工業生產過程中得到了廣泛應用，同時，在生產過程中也不會給周圍的生態環境造成污染。在鉛冶煉過程中，富氧底吹煙灰方法得到了廣泛的應用，能夠對鉛元素進行富集，提高了金屬元素的回收效率，而且需要投入的資金成本較低，在保證回收質量的同時也給生態環境提供了良好的保障。

1 鉛冶煉富氧底吹煙灰中有價金屬回收工業化的應用意義

對部分工業企業，其在處理鉛礦和再生鉛時，主要利用氧氣底吹熔煉-液態渣直接還原技術，采用富氧底吹爐，將煙灰在系統中進行循環，當Cd 含量達到20%以上時，需要將其排出系統，否則會影響氧氣底吹灰的正常生產。對煙灰而言，其成分主要包含鉛、鋅、鎘等有價金屬元素，在對這三種元素進行綜合回收時，采用水浸-鋅置換的方法能夠將其進行分離，提高綜合回收利用率。在此過程中，如果高鉛渣中的含鉛量高達60%，則要將其返回冶煉鉛系統中繼續進行回收。當Cd 元素富集以后，其會產生85%以上品位的鎘棉，然后對其進行精鎘生產，絕大部分煙灰中的新元素和投入成分會以硫化鋅的形態存在，當其到達一定濃度以后，通過凈化、中和、烘干、粉碎、焙解等工藝就能生產出納米氧化鋅產品，從而就能為公司創造巨大的經濟效益[1]。

2 煙灰的成份及物相

行業內工作人員對煙灰物進行分析并得出結果：對煙灰中的Pb 元素，其主要以PbO 和PdSO4形態存在，而Cd 元素，其主要以CdSO4形態存在。此外，對Zn 元素和As 元素，其存在的形態為氧化物，主要成分如表1 所示。

表1 底吹爐煙灰主要化學成份（質量分數%）

3 工藝流程簡述

對煙灰成份進行分析，其中的Pb、Zn、Cd 元素存在巨大的回收利用價值，同時，對Pb 元素，當其以PbO 和PdSO4形式存在，均不溶于水；對Cd 元素，其主要以CdSO4形式存在，擁有易溶于水的性質，而且，當溫度為0℃時，該化合物的溶解度為775g/l，當溫度為25℃時，該化合物的溫度為772g/l，由于不同物質其在水中的溶解度存在一定的差異性，則可在常溫狀態下，將它們都浸于水中，此時，Zn 和Cd 元素會進入液相中，而由于Pb 和As 元素均不溶于水，便會在水中富集，從而浸出渣中。然后，對進入液相的鎘和鋅元素，可以在液相中加入鋅粉將其置換出來，對置換過程中產生的鎘棉，對其進行分離便可對鎘元素進行回收，而對置換液，將其返回浸出，當置換液中的鋅元素到達規定濃度時，可以采用凈化、合成、烘干粉碎、焙解這幾個流程，最終就能生產出納米氧化鋅。主要工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 富氧底吹爐煙灰中有價金屬回收工藝流程圖

4 工藝技術條件及操作

4.1 浸出工序

對于水浸出工藝技術而言，其在工業生產過程中應用的要求分別是：常溫狀態、液體和固體的比為4：1，攪拌過程要均勻且反應時間為兩小時。在該生產條件下，產生的浸出渣內，Pb的品位含量高達60%以上，且均在固相中集中，對鋅元素和Cd元素而言，其浸出率較高，均在液相中富集。對浸出工藝操作完成以后，能夠將Pb 和Zn、Cd 元素進行有效的分離，從而為下一步相關元素的綜合回收利用提供了便利。在煙灰浸出完成以后，無需對其進行洗滌，如果進行洗滌，則會產生大量的液相，從而會給后期的操作流程造成不便。此外，水浸出工藝技術流程完成以后，Cd 元素的浸出率一般會大于88%，Zn 元素的浸出率一般會大于76%。

4.2 置換工序

對置換工序，其主要是通過鋅粉完成的，加入80%左右的鋅粉進行欠量置換，然后將PH 值調節到2.5 ～3.0 之間，在置換過程中，確保溫度不得高于60℃且不小于50℃，均勻攪拌且保證反應時間為0.5h，當PH 值無明顯變化時，即可視為置換完成。置換工序操作完成以后，只有確保鎘渣品位高達80%，才能進行后期的處理操作。對置換操作完成以后的液體而言，要在液體中加入氧化鋅進行中和反應，反應后將其浸出到工序中進行再次循環，在此過程中，液相中的鋅元素會進行富集，當PH 值到達5.0 時，硫化鋅達到飽和狀態，此時，便可進行過量置換操作，對鋅渣進行酸化處理并反用，同時，溶液中會充滿硫化氫，該溶液便可作為納米氧化鋅生產的原料[2，3]。

4.3 一次凈化工序

對于一次凈化工序而言，其主要是將硫酸鋅溶液中的鐵、錳雜質元素去除。對二價鐵元素而言，其相比于金屬鋅元素，存在的沉淀PH 值較高，而對三價鐵元素，其沉淀PH 值小于金屬鋅元素。因此，在工業生產過程中，一般都會利用高錳酸鉀溶液當做一次凈化工序的氧化劑，這既能做到去除鐵元素，還不會造成大量金屬鋅元素的損失。對高錳酸鉀溶液，其能夠將二價鐵元素氧化成三價鐵元素，同時，三價鐵元素自身存在水解反應，在水解過程中會以氫氧化鐵的沉淀形式存在并最終可以去除。在反應過程中，氧化水解過程會產生酸，因此，在進行一次凈化工序時，要向溶液中不斷加入氧化鋅，以此來中和掉反應過程中產生的酸，工業要求反應的時間不得低于90h 且最高反應時間為150h，反應的溫度為80℃～90℃，當滿足以上工藝條件時，能夠去除99%以上的錳雜質，而且，在反應完成以后，能夠保證錳含量小于1mg/L。該過程中涉及到的化學反應方程式如下所示：

（1）10FeSO4+2KMnO4+8H2SO4=K2SO4+2MnSO4+5Fe2（SO4）3+8H2O

（2）Fe2（SO4）3+H2O=2Fe（OH）3+3H2SO4

（3）3MnSO4+2KMnO4+2H2O=5MnO2+K2SO4+2H2SO4

4.4 二次凈化工序

對二次凈化工序，其主要是將一次凈化液中的Cd、Cu、Pb這三種雜質元素去除，然后就能制出精致的硫化鋅溶液，同時，在此過程中可以利用325 目的工業鋅粉作為還原劑，這就不會產生新的雜質。二次凈化工序的反應時間不得少于20min，最高反應時間為40min，最高反應溫度為60℃，最低反應溫度為50℃，只要滿足以上工藝技術條件，就能去除99%的鎘元素且反應完成以后鎘濃度小于等于1mg/L。二次凈化工序過程中涉及到的化學反應方程式如下所示：

（1）CuSO4+Zn=ZnSO4+Cu ↓

（2）CdSO4+Zn=ZnSO4+Cd ↓

4.5 中和工序

在中和工序操作過程中，其主要是碳酸鈉和硫酸鋅進行反應，反應過程中能生成堿式碳酸鋅，該生成物存在焙解性能好的特點，同時，對中和工序而言，其技術操作條件為，反應的時間為30min ～50min，最高反應溫度為80℃，最低反應溫度不得小于70℃。此外，由于氧化鋅的質量與堿式碳酸性的質量存在直接聯系，因此，在堿式碳酸鋅物質生成完成以后，要對其進行洗滌，洗滌的過程直接影響著堿式碳酸鋅的質量，在洗滌過程中，利用液體和固體比例為8：1 的離子水進行兩次洗滌，這才能保證堿式碳酸鋅產品的質量滿足實際的使用需求。

4.6 烘干、焙燒工序

首先要對溶液進行壓濾操作，然后才能進行烘干和焙燒工序。在烘干操作過程中，要將溫度控制在105℃左右，烘干完成以后將濾液送到煅燒室中，將煅燒室的溫度控制在550℃以下且大于500℃，同時，確保焙燒的時間不得低于四小時，滿足以上焙燒條件以后，就能在焙燒完成以后制得納米級高活性氧化鋅。

5 綜合回收產品及產量

在以上操作工序完成以后，要對生成的高鉛渣、鎘棉、納米氧化鋅產品進行檢查。對高鉛渣而言，如果其含量大于等于60%，則要繼續返回到鉛熔煉系統中對鉛元素進行再次的回收。對鎘棉而言，如果該元素大于等于80%，則可以將其投入在精鎘生產系統中，進行精鎘的再次生產。對納米氧化鋅物質而言，其在生產完成以后，要確保質量穩定且成分含量達到國際的標準規定要求。一般而言，使用鉛冶煉富氧底吹煙灰工藝，每年大概能夠回收鉛金屬1500 多噸，鎘金屬500 多噸，鋅金屬400 多噸，為工業企業帶來300 多萬元的經濟利益。納米氧化鋅的化學成分如表2 所示。

表2 納米氧化鋅化學成分（%）

6 結語

綜上所述，對鉛冶煉富氧底吹爐煙灰操作而言，其涉及的工藝主要包括水浸、置換、凈化、中和、焙解。該過程主要是對鎘元素進行回收，對鉛元素進行富集，同時，這些流程還會將煙灰中的鋅元素直接轉化為納米氧化鋅產品，存在流程短、投資成本低、操作簡單、方便、過程無污染物、無固廢、無廢液產出，不會給周圍生態環境造成污染等優點，因而得到了廣泛的應用。