锌之冶炼法与资源再生
发布时间:2011-10-21 来源:文档文库
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锌之冶炼法与资源再生
一、前 言
锌之冶炼法有湿式冶炼法(电解法)与干式冶炼法(水平蒸馏法、垂直蒸馏法、电热蒸馏法、ISP法、电炉蒸馏法等)。水平蒸馏法又称横罐法及垂直蒸馏法又称竖罐法,因为是劳力密集,作业环境差,效率低,现已被淘汰。目前80%的锌系由电解法生产。
锌的矿石主要为硫化矿石,氧化矿石一般都是次生矿石。自然界主要还是硫化矿石存在者多。主要矿石有闪锌矿(Zinc Blende,ZnS)、异极矿(Calamine,Zn(OH2.ZnSiO3)、菱锌矿(Smithsonite,ZnCO3)等,但实际上作为冶炼用的矿石多为闪锌矿。一般的硫化矿石以单硫化矿石在自然界存在者非常少,一般都与其它金属硫化物伴生。常见的有铅锌矿、铅锌铁矿、铜锌矿、铜铅锌矿等。硫化锌矿的含锌量约为8~15%,直接冶炼不很经济,通常都经浮游选矿(flotation)提高锌含量,浮游精矿(concentrate)含锌量为50%以上(S约30%)。
锌在地壳中的平均含量为0.2%,世界的锌产量(或消费量)年年增加,锌矿床的发现又不多,锌已成为资源枯竭的金属。今后对于含锌废料之锌再生将是一个重要的课题,不但可以减少锌资源的消耗,尚可解决废弃物处理等环保问题。其中尤以含有20~25%锌之炼钢电炉集尘灰最被重视。本文将对电炉集尘灰中所含之Fe、Pb、F、Cl等在冶炼过程中之反应为重心,同时对粗氧化锌之再生处理也考虑在内,以简述目前被采用的锌之冶炼法及资源再生。
二、锌之冶炼法
1. 湿式冶炼法(电解法)
本法系以硫酸为电解液之电解法,综合后述的溶解工程之反应式与电解工程之反应式,爰将电解法之基本原理简述如下:
ZnO(原料)=Zn(阴极)+1/2 O2(阳极)
可以说,基本上不需硫酸以及其它任何补充,即可自行循环之方法。 (1 焙烧(roasting)工程
将硫化锌精矿利用流体焙烧炉在约1,000℃下加热氧化焙烧,使成容易溶解于硫酸之氧化锌(焙烧矿)。将原料中F、Cl等挥发而排除于SO2气体系统;焙烧矿中几乎不再有F、Cl等残留。因此也有将电炉集尘灰处理所得之粗氧化锌经过焙烧而除去F、Cl后,直接作为电解法之原料。
因此,流体焙烧炉内之矿石若含有较多Pb等低熔点成分时,会发生矿石粒之凝集而产生焙烧不良的情形。供给流体焙烧炉原料之Pb含量必须限制在2~3%以下,电炉集尘灰经处理所得之粗氧化锌以流体焙烧炉处理时,因为Pb质量与热平衡的关系只能配用10~15%以下。 (2 溶解工程
烧矿中之ZnO以稀硫酸溶解使成ZnSO4溶液。
ZnO + H2SO4 → ZnSO4 + H2O 将硫酸溶液之pH值调整为5左右。则Fe即可加水分解而沉淀。这时一部分F、Cl会随着Fe之沉淀而被吸着除去。Pb则以PbSO4残留于残渣内。 (3 净液工程(purification)
溶解液中之Cu,Cd等杂质,就以锌粉将其还原除去。
CuSO4 + Zn → ZnSO4 + Cu
CdSO4 + Zn → ZnSO4 + Cd (4 电解工程(electrolysis)
以铝板为阴极,含银铅板(Ag 1 %)为不溶性阳极(Insoluble anode)将ZnSO4溶液电解使Zn析出于阴极。24~48小时电解后,将析出于铝板上之Zn剥离。
ZnSO4 + H2O → Zn(阴极)+ 1/2 O2(阳极)+ H2SO4 电解后之尾液会伴生硫酸(H2SO4),可送回溶解工程循环使用。
电解液中之F浓度高时会使铝阴极发生腐蚀(孔蚀),电解析出之Zn便会渗入蚀孔内以至于发生剥离困难,成为操作上非常棘手的问题。因此电解液中之F浓度必须管理在10~20mg/l以下。又F、Cl也会促进腐蚀Pb-Ag阳极,使阳极寿命减短。因此Cl通常必须管理在300mg/l以下。
以电解法无法处理粗氧化锌之理由,就是因为电炉炼钢时会添加萤石(CaF2)作为熔剂,灰尘中便会有F残留,同时废钢中含有含氯物质混入,因此粗氧化锌中便会含有F、Cl等成分。
再生原料之粗氧化锌能否在现有的电解法大量处理,需视如何将卤素元素,尤其是F以很经济的方法除去。 2. 火法冶炼 (1 ISP法
ISP法是一种鼓风炉法,与电解法相比,卤素元素的限制没有那么严格。比较适合于处理再生原料粗氧化锌。但是原料中F、Cl含量如果过高也会发生操作上的困扰,期望值为F<0.01%,Cl<0.1%。至于Pb,因为ISP法是Zn、Pb同时制炼为目的方法,故不会发生问题。
A. 焙烧、烧结工程(Roasting and Sintering)
锌、铅之硫化矿以DL烧结机焙烧脱硫,同时为确保鼓风炉内的通气性而烧结、块状化。F、Cl若过高,则由烧结机排出之SO2排气中灰尘会增多,且粘着性增高以致Cyclone、电气集尘机等排气除尘系统会频发灰尘附着之困扰。
至于再生原料之粗氧化锌系以ZnO为主成分,所以没有脱硫的必要,只要块状化即可,通常以压球机(Briquetting Machine)球化。
B. 鼓风炉还原工程(