鋅鉛分離的理論及應(yīng)用研究.pdf

1、世界各國(guó)鋼鐵廠粉塵產(chǎn)生量約為鋼產(chǎn)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(duì)其回收處理工藝的研究已經(jīng)成為冶金界的熱點(diǎn)之一。目前國(guó)內(nèi)外處理工藝尚無(wú)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(zhì)，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(diǎn)及現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，并結(jié)合近年來(lái)冶金及材料領(lǐng)域的新技術(shù)

2、，對(duì)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(duì)其理論依據(jù)以及分離方法的選擇進(jìn)行闡述；其次對(duì)鋅鉛分離理論及方法所涉及到的含碳球團(tuán)還原的動(dòng)力學(xué)以及熱傳導(dǎo)模型進(jìn)行研究；最后在兩種含鋅物料基本特性研究的基礎(chǔ)上，對(duì)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(jí)超細(xì)氧化鋅粉分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。鋅鉛分離是利用鋅、鉛以及氧化物在一些物理化學(xué)性質(zhì)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(jìn)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(dá)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(yàn)和蒸氣壓研究表明，要抑制Pb元素的揮發(fā)失重，實(shí)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(tuán)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(shí)現(xiàn)鋅鉛分離的方法——含碳球團(tuán)鋁浴熔融還原法(簡(jiǎn)稱“鋁浴法”)。 開展了鋅鉛分離的基本理論研究，對(duì)含碳純氧化鋅和氧化鉛球團(tuán)等溫還原動(dòng)力學(xué)

4、的研究表明，在1000～1150℃范圍內(nèi)，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(yīng)的活化能都不大，但氧化鉛還原的活化能比氧化鋅??；氣相擴(kuò)散是含碳鋅、鉛氧化物球團(tuán)還原反應(yīng)主要的控制環(huán)節(jié)，其還原反應(yīng)的活化能分別為46.548～53.280kJ·mol-1和43.338～48.802kJ·mol-1。其它試驗(yàn)結(jié)果表明，改善外擴(kuò)散條件、有鋁浴存在都能提高含碳純氧化鋅球團(tuán)的還原速度；在1

5、000～1250℃溫度范圍內(nèi)，鋁基本不參與氧化鋅的還原，鋁浴對(duì)氧化鋅還原的作用主要表現(xiàn)在傳熱上。 在含碳球團(tuán)還原機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，對(duì)含碳氧化鋅球團(tuán)還原的熱傳導(dǎo)模型及球團(tuán)內(nèi)部溫度測(cè)試的研究表明，在還原初期，球團(tuán)內(nèi)部的溫度快速升高，當(dāng)達(dá)到開始還原溫度時(shí)，溫度的增長(zhǎng)幅度明顯減慢；球團(tuán)內(nèi)部的溫度分布和還原分?jǐn)?shù)分布都不均；隨球團(tuán)尺寸增加，球團(tuán)內(nèi)部溫度和球團(tuán)平均還原分?jǐn)?shù)都降低；隨還原溫度的增加，球團(tuán)內(nèi)部溫度和球團(tuán)平均還原分?jǐn)?shù)都增加；在一定

6、還原溫度和球團(tuán)尺寸下，有鋁浴存在時(shí)球團(tuán)的升溫速度和還原分?jǐn)?shù)都要高于無(wú)鋁浴存在。球團(tuán)內(nèi)部溫度和平均還原分?jǐn)?shù)的模型計(jì)算值與試驗(yàn)值比較得，球團(tuán)內(nèi)部溫度的計(jì)算值與試驗(yàn)值是比較吻合的；平均還原分?jǐn)?shù)的模型計(jì)算值與試驗(yàn)值在前5min較為吻合；但5min后，計(jì)算值要大于試驗(yàn)值。鋁浴傳熱是含碳氧化鋅球團(tuán)低溫下實(shí)現(xiàn)快速還原的重要條件。對(duì)含鋅鉛粉塵的基本特性，氧化鋅礦的特性及焙燒預(yù)處理進(jìn)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(tuán)還原的特性來(lái)進(jìn)行鋅、鉛氧化物的還原；粉塵的熔點(diǎn)在1150℃左右，隨粉塵堿度的降低，熔點(diǎn)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(zhì)，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(jìn)行焙燒，提高焙燒溫度、焙燒時(shí)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(shí)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(shè)計(jì)方案對(duì)鋁浴法實(shí)現(xiàn)鋅鉛分離進(jìn)行詳細(xì)試驗(yàn)研究，并進(jìn)行了含碳球團(tuán)自還原、含碳球團(tuán)鐵浴熔融還原法(簡(jiǎn)稱“鐵浴法”)的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，從試驗(yàn)條件和各項(xiàng)指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)的較高級(jí)別氧化鋅粉產(chǎn)品和富鉛鐵渣副產(chǎn)品。實(shí)現(xiàn)鋅鉛分離的適宜試驗(yàn)條件：鋁浴法，還原溫度1100℃，還原時(shí)間45min，球團(tuán)堿度0.44(自然堿度)，粘結(jié)劑配比0.5％。在此試驗(yàn)

9、條件下，氧化鋅粉中ZnO在90％以上(最高達(dá)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(shí)現(xiàn)了鋅鉛分離的目的以及含鋅鉛粉塵的處理。采用化學(xué)氣相反應(yīng)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(jí)超細(xì)氧化鋅粉的試驗(yàn)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(jí)超細(xì)氧化鋅粉。其適宜試驗(yàn)條件：含碳焙燒球團(tuán)礦，還原溫度1100℃，還原時(shí)

10、間45min，球團(tuán)堿度1.1。在此試驗(yàn)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(zhǎng)度上在50～500nm之間，長(zhǎng)徑比為1～15，主要晶形為棒狀或長(zhǎng)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(tuán)聚現(xiàn)象要少于中段和后段；能促進(jìn)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