高海拔地區(qū)硫化鋅精礦氧壓浸出技術(shù)的創(chuàng)新研究與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

陳龍義

（長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410019）

1 技術(shù)背景

高海拔地區(qū)，空氣稀薄、空氣含氧量低、氣候嚴(yán)寒，這些都制約了大型冶煉工業(yè)的發(fā)展。其中由于空氣稀薄、空氣含氧量低的特征，采用傳統(tǒng)的沸騰焙燒鋅冶煉技術(shù)，會導(dǎo)致焙燒煙氣量加大，從而加大制酸系統(tǒng)負(fù)荷，增加尾氣SO2排放總量等；采用高溫高酸法鋅冶煉技術(shù)，不僅會導(dǎo)致焙燒煙氣量大的問題，還需要設(shè)置龐大的除鐵系統(tǒng)，在除鐵的同時要向溶液中鼓壓縮空氣，利用其中的氧氣將溶液中的Fe2+離子氧化成Fe3+離子進(jìn)行針鐵礦除鐵，而高海拔地區(qū)空氣含氧量低，除鐵效果也會大打折扣，從而影響后續(xù)工序的正常生產(chǎn)以及產(chǎn)品的品質(zhì)。

鋅氧壓浸出全濕法冶煉技術(shù)的主要特點是硫化鋅精礦不需要焙燒，而是在密閉壓力容器中直接浸出，浸出過程不受當(dāng)?shù)貧鈮汉涂諝夂趿康挠绊憽５趪鴥?nèi)外鮮有關(guān)于高海拔地區(qū)硫化礦氧壓浸出技術(shù)相關(guān)研究及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面的報道。

2 研究開發(fā)目標(biāo)

青藏高原地區(qū)硫化鋅精礦礦產(chǎn)資源豐富，且精礦中鐵含量較高。針對高鐵硫化鋅精礦特點及青藏高原海拔高、氣候嚴(yán)寒、生態(tài)環(huán)境脆弱、空氣稀薄含氧量低等自然環(huán)境特征，本研究致力于開發(fā)出一套適合當(dāng)?shù)刭Y源和環(huán)境特征的工藝技術(shù)，最大限度提高有價金屬回收率，減少污染物的排放，降低對周邊環(huán)境的影響。

氧壓浸出是全濕法工藝流程，生產(chǎn)過程不產(chǎn)生SO2煙氣，對環(huán)境影響小；氧壓浸出在密閉壓力容器中通入氧氣加壓浸出，不受外部氣壓和空氣含氧量的影響。因此，高海拔地區(qū)硫化鋅精礦氧壓浸出技術(shù)的創(chuàng)新研究對各國在資源豐富的高海拔地區(qū)建設(shè)硫化礦冶煉廠提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

3 研究開發(fā)內(nèi)容

國際上尚沒有關(guān)于高海拔地區(qū)采用氧壓浸出技術(shù)處理硫化鋅精礦的研究報道及可供參考的工程應(yīng)用實例，通過對已有氧壓浸出技術(shù)進(jìn)行再創(chuàng)新，使得硫化鋅精礦氧壓浸出技術(shù)在高海拔地區(qū)應(yīng)用的可行性和可靠性從理論上和實踐上都得到了保證，形成“高海拔嚴(yán)寒地區(qū)硫化礦氧壓浸出及綜合回收技術(shù)的創(chuàng)新研究與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”技術(shù)創(chuàng)新成果。

3.1 首創(chuàng)了兩段控鐵氧壓浸出技術(shù)

西部地區(qū)硫化鋅精礦鐵含量高，部分鋅精礦含鐵最高達(dá)20%以上。如果鐵在浸出過程中進(jìn)入溶液，后續(xù)需要設(shè)置龐大的除鐵系統(tǒng)。在空氣稀薄的高海拔地區(qū)因空氣含氧量低，不利于除鐵工序的進(jìn)行，且能耗高，除鐵效果差。如何實現(xiàn)控鐵氧壓浸出技術(shù)是高海拔地區(qū)硫化鋅礦氧壓浸出技術(shù)的重大研究課題之一[1]。

對此，通過技術(shù)攻關(guān)，首創(chuàng)了高鐵硫化鋅精礦兩段逆流控鐵氧壓浸出的新技術(shù)。控鐵氧壓浸出技術(shù)是將硫化鋅精礦加入到高壓釜內(nèi)，控制兩段氧壓浸出釜內(nèi)反應(yīng)溫度約150℃、壓力1100kPa，一段浸出終酸約10g/l，二段反應(yīng)終酸約30g/l。在該條件下，一段浸出渣中的鐵在二段浸出過程中以Fe3+離子形式部分進(jìn)入溶液中，并隨第二段氧壓浸出上清液返回第一段氧壓浸出，而Fe3+離子在第一段氧壓浸出過程中作為強氧化劑起到促進(jìn)氧化浸出的作用，氧壓浸出過程依靠溶解的鐵來加速反應(yīng)。此外以硫化物形式存在的硫被氧化為單質(zhì)硫，在后續(xù)工序中回收硫磺產(chǎn)品，鋅轉(zhuǎn)化到溶液中成為可溶性硫酸鹽，浸出反應(yīng)方程式如下：

而在該條件下，浸出進(jìn)入溶液中的鐵又會主要以黃鉀鐵礬形態(tài)沉入渣中[2]，浸出液中鐵可控制在2g/l以內(nèi)，僅需鼓入少量氧氣替代壓縮空氣的方法進(jìn)行針鐵礦沉鐵，除去溶液中少量的鐵。氧壓浸出過程沉鐵反應(yīng)方程式如下：

在氧壓浸出過程中，硫化鋅精礦中的銦、銅等貴重金屬一起浸出至溶液中，在后續(xù)工序得到綜合回收。

3.2 首創(chuàng)了高海拔地區(qū)氧壓浸出礦漿降溫降壓緩釋能技術(shù)

調(diào)節(jié)槽是硫化鋅精礦氧壓浸出技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，直接影響后續(xù)硫回收工序的正常運轉(zhuǎn)及硫磺產(chǎn)率，而調(diào)節(jié)槽的冒槽問題較為常見，尤其在高海拔地區(qū)氣壓低，溶液沸點低，導(dǎo)致調(diào)節(jié)槽進(jìn)出礦漿溫降加大，需要釋放的能量也更大。高溫高壓礦漿在上升過程中隨著壓力的下降，礦漿會劇烈的沸騰，導(dǎo)致調(diào)節(jié)槽冒槽現(xiàn)象的頻發(fā)。高溫高腐蝕礦漿從調(diào)節(jié)槽頂部冒出，極易發(fā)生高溫燙傷等安全事故，且腐蝕性礦漿冒槽易造成設(shè)備和廠房腐蝕，嚴(yán)重時會造成人力和物力的損耗。

針對上述情況，開展了大量的分析研究工作，得出如下結(jié)論[3]：

（1）合理設(shè)計調(diào)節(jié)槽尺寸。調(diào)節(jié)槽的主要功能是控制硫黃結(jié)晶過程，并實現(xiàn)礦漿的降溫降壓。氧壓浸出高溫礦漿在調(diào)節(jié)槽內(nèi)要從溫度～120℃、壓力～100KPa(g)降至常溫常壓，在此過程中要釋放巨大的熱量，這些熱量絕大部分要通過降溫降壓過程中產(chǎn)生的蒸汽帶走。

根據(jù)降溫降壓槽設(shè)計原理，降溫降壓槽設(shè)計的關(guān)鍵尺寸為槽子的直徑。礦漿量越多、降溫越多，釋放的蒸汽量越大，要求降溫降壓槽直徑也越大。如果調(diào)節(jié)槽設(shè)計尺寸過于保守，會導(dǎo)致槽內(nèi)礦漿能量不能及時釋放，槽內(nèi)液面劇烈沸騰形成假液位，最終導(dǎo)致冒槽。

（2）合理設(shè)計調(diào)節(jié)槽攪拌強度。閃蒸槽過來的高溫高壓礦漿從底部進(jìn)入調(diào)節(jié)槽，礦漿在上升過程中溫度和壓力不斷降低，礦漿上升至液面時溫度達(dá)到沸點溫度，壓力為常壓。但當(dāng)調(diào)節(jié)槽攪拌強度不夠，不能使過熱礦漿及時平穩(wěn)的上升時，大量的能量會聚集在調(diào)節(jié)槽底部無法釋放出來，當(dāng)能量在調(diào)節(jié)槽底部過度聚集時，會在底部形成高能勢區(qū)，礦漿溫度也會上升，在礦漿里面會產(chǎn)生高壓氣泡，氣泡壓力達(dá)到臨界值時會破裂，產(chǎn)生“放炮”現(xiàn)象。氣泡在底部破裂會產(chǎn)生劇烈震動，對設(shè)備造成損傷；當(dāng)氣泡上升到液面后破裂則會導(dǎo)致液面劇烈沸騰，產(chǎn)生假液位，導(dǎo)致冒槽。調(diào)節(jié)槽攪拌強度要足夠大，才能將過熱礦漿快速平穩(wěn)的抬升，從而避免能量在槽底部聚集。

3.3 對高壓釜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的創(chuàng)新設(shè)計

高壓釜是氧壓浸出技術(shù)的核心，由于沒有在高海拔地區(qū)應(yīng)用氧壓浸出技術(shù)的先例，而高海拔地區(qū)氧氣稀缺，制氧能耗高。通過對高壓釜流場數(shù)值進(jìn)行仿真模擬研究，創(chuàng)新設(shè)計了高壓釜氧氣噴嘴結(jié)構(gòu)以及攪拌形式，提高了氧氣利用率，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

4 產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

研究成果可實現(xiàn)高鐵硫化鋅精礦控鐵氧壓浸出，解決了硫化鋅精礦濕法冶煉過程除鐵工序復(fù)雜而龐大、高海拔地區(qū)氣壓低而導(dǎo)致的調(diào)節(jié)槽冒槽以及高壓釜氧氣利用率低在空氣稀薄地區(qū)帶來的能耗高等的問題，工藝過程節(jié)能、環(huán)保，非常適合應(yīng)用于高海拔地區(qū)的硫化鋅精礦冶煉工廠。

該成果已經(jīng)成功在青海某鋅冶煉項目中產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，該項目于2015年9月建成投產(chǎn)，是國際上首次在2500m以上的高海拔地區(qū)采用硫化礦氧壓浸出煉鋅工藝的工廠，項目投產(chǎn)近五年以來的生產(chǎn)實踐證明：高海拔嚴(yán)寒地區(qū)硫化鋅精礦氧壓浸出技術(shù)創(chuàng)新研究的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用系統(tǒng)運行穩(wěn)定，生產(chǎn)過程日趨順暢，技術(shù)優(yōu)勢明顯，與常規(guī)流程比較減少了SO2對環(huán)境的污染，環(huán)保等社會效益顯著；同時鋅浸出率均超過預(yù)設(shè)指標(biāo)，簡化了除鐵流程，鋅總回收率達(dá)到預(yù)設(shè)指標(biāo)，各項技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)同行業(yè)先進(jìn)指標(biāo)，有些甚至優(yōu)于國內(nèi)外先進(jìn)指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。該項目的成功實施，不僅為我國鋅冶煉行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展增添了新的活力，也為企業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和進(jìn)一步推行節(jié)能減排提供了新的思路，代表了鋅冶煉行業(yè)節(jié)能、環(huán)保及清潔生產(chǎn)的發(fā)展方向。

5 結(jié)論

高海拔地區(qū)硫化鋅精礦氧壓浸出技術(shù)的創(chuàng)新研究及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，能滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保、節(jié)能降耗要求，且綜合回收效果好，原料適應(yīng)性強，環(huán)境適應(yīng)性廣，推動了濕法冶金技術(shù)的發(fā)展。

該成果對核心設(shè)備進(jìn)行了大量的技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)，不僅為生產(chǎn)系統(tǒng)的連續(xù)、穩(wěn)定運行提供了保障，為企業(yè)降低投資，減小維修成本創(chuàng)造了有利條件，也使得氧壓浸出這種先進(jìn)清潔高效的冶煉技術(shù)不再受到地域的限制。