在高溫下，用碳作還原劑從氧化鋅物料中還原提取金屬鋅的過程就叫做火法煉鋅。
基本介紹
- 中文名：火法煉鋅
- 外文名：Method zinc
類型介紹,豎罐,密閉鼓風爐,電爐,
類型介紹
火法煉鋅技術又分為豎罐煉鋅、密閉鼓風爐煉鉛鋅、電爐煉鋅和橫罐煉鋅。前兩種方法是中國現行的主要煉鋅方法，電爐煉鋅僅為中小煉鋅廠採用，橫罐煉鋅已經淘汰。
豎罐
在高於鋅沸點的溫度下，於豎井式蒸餾罐內，用碳作還原劑還原氧化鋅礦物的球團，反應所產生鋅蒸氣經冷凝成液體金屬鋅。中國葫蘆島鋅廠是中國惟一和世界僅存的兩家豎罐煉鋅廠之一。豎罐煉鋅的生產工藝由硫化鋅精礦氧化焙燒、焙砂制團和豎罐蒸餾三部分組成。
1.硫化鋅精礦的氧化焙燒
一般硫化鋅精礦的成分是：Zn 46%-62%，S27%-34%，Pb<2%，Cu<1%，Fe2%-9%。焙燒的目的是使精礦中的ZnS轉變成ZnO，而將S、Pb、Cd、As、Sb等除去。經在1000℃以上高溫和小於1.1的過剩空氣係數條件下焙燒，產物焙砂中的鋅全部以ZnO及其鹽類形態存在，98%Cd被揮發除去，Pb脫除率70%。主要焙燒反應為：
2ZnS+3O2====2ZnO+2SO2
2SO2+O2====2SO3
ZnO+SO3====ZnSO4
4FeS2+11O2====2Fe2O3+8SO2
ZnO進而與Fe2O3生成鐵酸鋅ZnO.Fe2O3。
氧化焙燒鋅精礦的設備已從歷史上採用的多膛爐逐漸過渡到沸騰焙燒爐。沸騰爐結構簡單，易操作，生產能力大於多膛爐3-4倍，煙氣SO2濃度在10%以上，現已成為最常用的焙燒設備。沸騰爐正向大型化、自動控制方向發展，葫蘆島鋅廠於1991年建成了一座世界上面積最大的45m2高溫氧化焙燒爐，處理能力305t/d。
大型沸騰爐斷面為圓形，下部設有耐高溫爐底，爐底上等距離按一定規則排列著風帽。爐底以上lm高左右設有焙砂溢流口，爐頂有煙氣出口。加料室建在爐底局部擴出部分。含水6%左右的鋅精礦自前室加進爐內，在風帽吹出風力鼓動下，迅速混入流態化層，被加熱，發生焙燒反應。通過溢流口產出的焙砂送去制球團，煙氣淨化後送硫酸生產系統，捕集的煙塵供綜合利用。
沸騰焙燒的主要技術經濟指標是：脫硫率90%，鋅回收率99.5%，鎘回收率85%，煙塵率23%。
2.焙砂制團與焦結
豎罐蒸餾煉鋅是氣固反應過程，要求加入的物料必須具有良好透氣性和傳熱性能，以及相當的熱強度，抗壓強度在4.9MPa以上。為此將鋅焙砂製成團塊並焦結處理。工藝上首先將鋅焙砂和還原用粉煤、膠粘劑充分混合、碾磨、壓製成團塊，然後送入機械化燃油乾燥庫乾燥。乾燥後團礦用機械提升從爐頂加入焦結爐，在800℃溫度下，在團礦中的焦性煤產生粘結作用下使團塊焦結，同時乾團礦中的殘存水分揮發分被徹底除去。
3．豎罐蒸餾
豎罐本體是用機械強度高、傳熱性能好、高溫下化學性穩定的碳化矽材料砌成的直井狀爐體，橫斷面成狹長矩形，高8-12m，受熱面積100-110m2。近代大型豎罐的尺寸為(2535mm×2mm）×290mm×12261mm，兩長邊罐壁外側各有煤氣燃燒室，對罐內團礦進行間接加熱。來自焦結爐的熱團礦經密封料鐘加入罐頂，下降過程中被加熱到1000℃以上，團礦中ZnO還原反應開始激烈進行：
ZnO+CO====CO2+Zn （1）
CO2+C====2CO （2）
ZnO還原反應主要是氣一固反應，體系中（團礦中）配入過量的碳在1000℃高溫下產生的CO在數量上完全可以保證反應（1）順利完成。固體碳與ZnO間固一固還原反應只具有極次要的意義。還原產生的爐氣中含氣體鋅約35%，經罐口下的上延部進入裝有石墨轉子的冷凝器，在轉子揚起的鋅雨捕集下，鋅蒸氣冷凝成了液態鋅，定時從冷凝器中放出液態鋅並鑄成鋅錠。出冷凝器的氣體經過洗滌淨化除去剩餘的鋅，成為含CO 80%左右、含H2約10%的罐氣，全部返回豎罐作為燃料。豎罐底部有連續運轉的排渣機，蒸鋅後的團塊經此機械排出。豎罐煉鋅的主要技術經濟指標如下：鋅冶煉回收率>94%；棄渣含鋅<1.0%；煤耗2.3 t/t Zn;罐體壽命2年；電耗550 kWt/t Zn;設備運轉率93%以上。
密閉鼓風爐
該方法是在密閉爐頂的鼓風爐中，用碳質還原劑從鉛鋅精礦燒結塊中還原出鋅和鉛，鋅蒸氣在鉛雨冷凝中冷凝成鋅，鉛與爐渣進入爐缸，經中熱前床使渣與鉛分離。此方法是英國帝國熔煉公司（Imperial Smelting Corp.）研究成功的，簡稱ISP,對原料適應性強，既可以處理原生硫化鉛鋅精礦，也可以熔煉次生含鉛鋅物料，能源消耗也比豎罐煉鋅法低。
燃料燃燒和金屬氧化物還原是密閉鼓風爐中的基本反應。加入爐內的焦炭在高溫下與風口鼓入空氣中的氧發生燃燒，產生煉鋅過程所需的熱量。主要熔煉反應為：
C+O2====CO2
CO2+C====2CO
ZnO+CO====Zn+CO2
CdO+CO2====Cd+CO2
PbO+CO====Pb+CO2
ISP的技術特點是：①採用密封高溫爐頂（1000-1100℃），以防止鋅蒸氣進入鉛雨冷凝器之前降溫氧化；②採用高密度、低熔點、低蒸氣壓的鉛作冷凝捕收鋅蒸氣介質，有利於鋅蒸氣的快速冷凝，防止氧化和鉛鋅分離；③採用高鈣渣系（CaO/SiO2=1.0-1.5），渣型熔點高（125℃），密度較低，為降低爐渣含鋅和渣與鉛分離創造了有利條件。
密閉鼓風爐煉鉛鋅流程主要包括含鉛鋅物料燒結焙燒、密閉鼓風爐還原揮發熔煉和鉛雨冷凝器冷凝三部分。
1.燒結焙燒
一般鉛鋅精礦含Pb+Zn在45%-60%，與其他含鋅物料混合配料後，在燒結機上脫硫燒結成塊。燒結塊要有一定的熱強度，以保證爐內的透氣性，燒結塊的成分是（%）：Zn41.4、Pb 19.2、FeO 12、CaO 5.7、SiO2 3.8、S 0.8。
2．密閉鼓風爐還原揮發熔煉
早期爐子風口區斷面積為5.1-6.4m2，目前最大的達27.2m2，多數工廠採用10m2和17.2m2。爐內料柱高度6m，爐高10.66m，風口內徑159mm，共16個。爐頂設雙層料鐘密封加料器，爐身上部內砌輕質高鋁磚，下部為高鋁磚，爐缸用鎂磚砌成，鋼板外壁三杯水冷卻。熔煉時，燒結塊、石灰熔劑和經預熱的焦炭分批自爐頂加入爐內，燒結塊中的鉛鋅被還原，鋅蒸氣隨CO2、CO煙氣一道進入冷凝器，熔煉產物粗鉛、銅鋶和爐渣經過爐缸流進電熱前床進行分離，爐渣煙氣處理回收鋅後棄去，鋶和粗鉛進一步處理。
3．鋅蒸氣冷凝
冷凝設備為鉛雨飛濺冷凝器，冷凝器外形長7-8m，高3m，寬5-6m，內設8個轉子，浸入冷凝內的鉛池中。轉子揚起的鉛雨使含鋅蒸氣爐氣迅速降溫到600℃以下，使鋅冷凝成鋅液溶入鉛池，鉛液用泵不斷循環，流出冷凝器鉛液在水冷流槽中被冷卻到450℃，然後進入分離槽，液體鋅密度小在鉛液上層，控制一定深度使其不斷流出，澆鑄成鋅錠。
鼓風爐煉鉛鋅的主要技術經濟指標為：熱風溫度950-1150℃，冷凝效率90%-92%，煙化爐渣含Pb 0.15%、Zn 1.35%，粗鋅含鋅大於98%、含鉛1.2%-1.5%，粗鉛含鉛大於98%、含鋅0.1%，冶煉回收率Pb>93%、Zn>94%，原料中S利用率90%-92%。
電爐
20世紀30年代在國外出現電爐煉鋅技術。80年代，中國開始採用電爐煉鋅技術，至今已有10多處小型火法煉鋅廠推廣套用，生產規模為500-2500 t/a。
電爐煉鋅是以電能為熱源，在焦炭或煤等還原劑存在條件下，直接加熱爐料使其中的ZnO成分連續還原成鋅蒸氣並冷凝成金屬鋅。該工藝可以處理高銅高鐵鋅礦，但要求原料含S不得大於1%，對於含S高的碳酸鹽鋅礦需要預脫除處理。
電爐形狀為圓形或矩形，臥式，功率有500kW、1250kW、200kW和2250kW多種。爐床面積4-8m2，電極直徑200-350mm。主要指標為：熔煉溫度1250一1350℃，電能消耗4600kWh/t Zn，殘渣含鋅3%-5%，粗鋅品位98.7%，直收率80%，總回收率95%。
