現(xiàn)代冶金技術(shù),將鋅的冶金方法劃分為兩類,即火法和濕法。按通常的概念,兩種方法最根本的區(qū)別是鋅的精煉提純工藝不同,因此也可以把火法稱為精餾法,濕法稱為電解法。

電解法(濕法)最早投產(chǎn)于1916年,即常規(guī)浸出法。在后來90年的技術(shù)發(fā)展中,浸出工藝又發(fā)生多次變革。1968年投產(chǎn)了熱酸浸出黃鉀鐵礬法,1970年投產(chǎn)了熱酸浸出針鐵礦法,1972年投產(chǎn)了熱酸浸出赤鐵礦法,1981年投產(chǎn)了硫化鋅精礦氧壓浸出法。這些方法各有優(yōu)缺點,目前在世界上均有工廠在運行,哪種方法都不能取代常規(guī)浸出法。

精餾法(火法)分為豎罐煉鋅、電熱法煉鋅和鼓風爐煉鋅三種。豎罐煉鋅法的第一座煉鋅廠投產(chǎn)于1929年,由美國NewJersey公司建設(shè)。電熱法煉鋅具有代表性的為電阻爐煉鋅,由于在工藝原理上與豎罐煉鋅有極其相似之處,可以稱為電熱豎罐煉鋅。目前,美國的莫那卡煉鋅廠和日本的三日市煉鋅廠均采用電熱豎罐煉鋅法,鋅產(chǎn)量均在10萬t/a以上。最早的電熱法煉鋅投產(chǎn)時間與豎罐煉鋅基本相同。

鼓風爐煉鋅法投產(chǎn)于1950年。以上各種火法煉鋅技術(shù)目前在世界上也都有應用。

在我國,火法煉鋅產(chǎn)量約占鋅總產(chǎn)量的30%,高于國外;2002年全國豎罐煉鋅總產(chǎn)量達38萬t,約占總產(chǎn)量的18%。

1.3.1對豎罐煉鋅技術(shù)的總體認識豎罐煉鋅技術(shù)誕生以后,在歐美國家一度發(fā)展較快。到20世紀60年代末達到鼎盛時期,年產(chǎn)量達當時世界年總產(chǎn)量的14%。20世紀70年代中期以后,受西方世界能源危機的影響,以及當時環(huán)保技術(shù)水平的制約,生產(chǎn)能力逐漸萎縮。國外豎罐煉鋅最后一條生產(chǎn)線已于1980年關(guān)閉。

我國的豎罐煉鋅技術(shù),建國后在葫蘆島鋅廠得到了快速發(fā)展。特別是到上世紀80年代末期,技術(shù)水平更加完備,其總體技術(shù)水平已遠遠超過西方國家豎罐煉鋅史上的最好水平。

國內(nèi)對豎罐煉鋅技術(shù)的評價數(shù)據(jù),多取自20世紀80年代以前,加上葫蘆島鋅廠以外的國內(nèi)豎罐煉鋅廠均采用葫蘆島鋅廠1990年以前的技術(shù)“克隆”建設(shè),葫蘆島鋅廠1990年以后的技術(shù)進步又很少公開報道,所以在一定程度上掩蓋了當代豎罐煉鋅技術(shù)的真實水平。

實際上,從1995年到現(xiàn)在,中國的鋅錠年產(chǎn)量一直位于世界第一位,年總產(chǎn)量達到了全世界鋅總產(chǎn)量的1/4,中國已經(jīng)成為世界產(chǎn)鋅大國。而采用豎罐煉鋅技術(shù)生產(chǎn)的鋅錠,占國內(nèi)鋅錠年總產(chǎn)量的比例,始終都在10%以上。由于豎罐煉鋅對原料適應性較強,因而可處理含氟、砷、銻較高的原料及二次物料;產(chǎn)品靈活性大,可生產(chǎn)純鋅、氧化鋅和鋅粉;鋅的總回收率可高達95%~96%(高于電鋅回收率的92%~92.55%);硫的回收率>94%(而ISP法僅為90%、濕法僅為93%);年產(chǎn)萬噸級以下的鋅廠單位投資低于濕法煉鋅廠。此外,我國煤、焦炭、人工等價位較低,精鋅生產(chǎn)成本往往低于電鋅生產(chǎn)成本(2002年以前),豎罐煉鋅仍有一定市場,被國內(nèi)多家中小工廠采用并延續(xù)生產(chǎn)。但因豎罐單罐生產(chǎn)能力的限制(最大日產(chǎn)鋅量僅21~22t)勞動生產(chǎn)率低;豎罐間接加熱,噸精鋅能耗高達2.2~2.4t標煤;車間粉塵含量高,污水處理難度大。從能源、環(huán)保、勞動生產(chǎn)率幾個關(guān)鍵因素考慮,從可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略看,豎罐煉鋅技術(shù)面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

1.3.2近年來我國豎罐煉鋅的技術(shù)進步對一種生產(chǎn)工藝的評價,基本上可以從五個方面考慮:能耗水平、環(huán)保水平、資源利用率、勞動安全與衛(wèi)生、一次性投資與運行費。

近年來我國對豎罐煉鋅技術(shù)的研究,重點在提高能耗水平、環(huán)保水平和資源利用率上展開。

(1)導熱耐火材料生產(chǎn)技術(shù)的進步。按通常的認識,豎罐煉鋅過程要消耗昂貴的耐火材料,且由于間接加熱,熱效率不高。近幾年,這方面的研究取得了可喜的進展。

在導熱耐火材料生產(chǎn)方面,由于我國西部地區(qū)的碳化硅資源豐富,且當?shù)氐碾妰r較低,所以直接在當?shù)夭少徧蓟枭?取消了冶煉廠的碳化硅冶煉工藝,生產(chǎn)成本大幅度降低。

同時,在黏土結(jié)合碳化硅生產(chǎn)工藝研究上也取得了重大突破。目前,豎罐罐壁磚和精餾塔盤的導熱系數(shù)等指標已經(jīng)達到國內(nèi)導熱耐火材料的最好水平,為提高豎罐煉鋅的熱利用率創(chuàng)造了極好的條件。其中,“豎罐煉鋅用高級黏土結(jié)合碳化硅磚生產(chǎn)的新工藝”2004年獲遼寧省科技進步三等獎?！按咒\精餾用碳化硅塔盤制作新工藝”2005年獲中國有色金屬工業(yè)科技進步三等獎。

(2)豎罐修補技術(shù)的進步。豎罐罐壁,生產(chǎn)使用一段時間后,會出現(xiàn)不同程度的裂、漏,致使部分鋅蒸氣進入燃燒室,造成蒸鋅直產(chǎn)率降低,蒸餾廢氣含塵升高。原有的補爐技術(shù)雖然能夠?qū)α?、漏處進行修補,但修補質(zhì)量不理想,補后爐體壽命較短。

在延長蒸餾爐壽命的研究中,成功開發(fā)出新的罐壁修補技術(shù)。該技術(shù)的應用,使豎罐修補的技術(shù)水平上升了一個臺階,爐體壽命大幅度延長。目前,蒸餾爐大修周期已經(jīng)達到22個月以上,爐體檢修成本及耐火材料消耗大大降低,工人勞動強度也顯著減輕。2005年,“煉鋅豎罐修補新技術(shù)”項目獲中國有色金屬工業(yè)科技進步三等獎。

(3)蒸餾煙氣收塵技術(shù)的進步。以前,蒸餾煙氣的收塵采用布袋收塵。由于煙氣中含有一定量的煤焦油,造成布袋極易堵死。同時,由于煙氣量較大,使用的布袋面積極大,受場地的限制,不得不采用超長布袋,布袋的清灰問題不能理想解決。蒸餾過程產(chǎn)生的煙氣采用布袋收塵工藝不但收塵效果不好,外排煙氣含塵嚴重超標,而且煙氣系統(tǒng)阻力大、阻力波動也大,對蒸餾生產(chǎn)的穩(wěn)定極其不利。

近年,研究成功了新的焦結(jié)煙氣燃燒室,能使焦結(jié)煙氣中的揮發(fā)分充分燃燒,有效消除了焦油對收塵工藝的影響。研究成功了煙塵改性技術(shù),降低了氧化鋅粉塵的比電阻,為使用靜電除塵工藝奠定了基礎(chǔ)。

在以上兩項技術(shù)的支撐下,采用最新的靜電除塵技術(shù),同時引進國外先進的振打技術(shù),對蒸餾煙氣系統(tǒng)進行了全面的提升改造。實踐證明,改造后的排放煙氣含塵完全達到環(huán)保要求,回收了大量的含銦氧化鋅,煙氣系統(tǒng)阻力大幅度降低且阻力波動極小,蒸餾生產(chǎn)過程更加穩(wěn)定?！柏Q罐煉鋅焦結(jié)煙氣收塵新工藝”獲2007年遼寧省科技進步三等獎。

(4)高溫流態(tài)化焙燒過程煙塵處理技術(shù)的進步。豎罐煉鋅用硫化鋅礦一直都采用高溫流態(tài)化焙燒工藝。該工藝除生產(chǎn)焙砂供下道工序使用外,在流態(tài)化爐余熱鍋爐中及鍋爐后的電收塵器中均收集到一定量的粉塵。這些粉塵含硫較高,且富含鎘、鉛等元素,不能直接用做蒸餾過程的原料。

余熱鍋爐收集的粉塵,粒度相對粗些,采用回轉(zhuǎn)窯焙燒揮發(fā),使鎘、鉛等雜質(zhì)元素揮發(fā)進入煙氣中,硫也在這個過程中發(fā)生反應成為二氧化硫進入煙氣系統(tǒng)。窯內(nèi)剩余的塵可以滿足蒸餾工藝的要求,用于制團。這個工藝使用了多年,最大的不足是煙氣中的二氧化硫濃度太低不能回收,只好無組織排放,對環(huán)境影響很大。近年,對回轉(zhuǎn)窯的煙氣處理系統(tǒng)做了系統(tǒng)研究和改進,將布袋收塵器改為立式電收塵器,用以提高煙氣收塵過程中的溫度,消除煙氣露點高對收塵設(shè)備的影響。同時,采用氨水吸收煙氣中的二氧化硫生產(chǎn)亞硫酸銨副產(chǎn)品,不但使煙氣排放二氧化硫達到了環(huán)保要求,還開發(fā)了新的產(chǎn)品增加了效益。

流態(tài)化爐電收塵器中和回轉(zhuǎn)窯電收塵器中收集的粉塵,鋅、鉛、鎘含量很高,且一大部分以硫化物形態(tài)存在。先前,采用常規(guī)浸出工藝處理這些雜料生產(chǎn)鋅鹽、精鎘和高含鉛物料,但這些硫化物在常規(guī)浸出工藝下基本不反應,造成鋅、鎘的回收率較低。近年研究成功的“高溫高酸法處理豎罐煉鋅中間物料”項目,主要針對這部分粉塵,項目的應用顯著提高了有價金屬的回收率。該項目2003年獲遼寧省科技進步三等獎。

(5)蒸餾爐大型化方面的進步。在努力提高蒸餾過程熱能利用率的過程中,葫蘆島鋅廠一直致力于推進蒸餾爐大型化,擴大單罐受熱面積,減少噸鋅的散熱損失。到20世紀90年代初,建設(shè)了豎罐煉鋅史上單罐受熱面積最大的豎罐,單罐受熱面積達110m2,并于2005—2008年分批、全部淘汰了單罐受熱面積80m2及以下規(guī)格的蒸餾爐,大幅度提高了單罐的產(chǎn)能,降低了噸鋅能耗。

(6)發(fā)生爐煤氣生產(chǎn)技術(shù)的進步。豎罐煉鋅使用的熱源一直是發(fā)生爐煤氣。受固定床煤氣發(fā)生爐工藝本身的限制,必須使用優(yōu)質(zhì)中塊煤,煤源保證不穩(wěn)定,而且煤氣凈化工序產(chǎn)出大量含焦油的廢水和廢煤灰渣難以回收,環(huán)保壓力很大。近年開發(fā)成功了將粉煤氣化技術(shù)應用于冶金燃氣的造氣過程,不但可以使用原煤,還可以完全消除煤氣凈化水中的焦油。

1.3.3研究開發(fā)中的技術(shù)伴隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展,豎罐煉鋅技術(shù)也在不斷進步。目前的豎罐煉鋅技術(shù),早已不再是先前資料中介紹的水平。當然,不足也是存在的,克服這些不足,不斷提高豎罐煉鋅技術(shù)水平的研發(fā)工作正全面展開。

(1)豎罐煉鋅殘渣回收技術(shù)的研究。豎罐煉鋅殘渣,富含大量的碳及一定量的銀、鉛、鋅等有價金屬,從前長期堆存,造成能源和資源的浪費,環(huán)保壓力也很大。曾經(jīng)開發(fā)了旋渦爐熔煉技術(shù)處理豎罐殘渣,但并不十分理想。近年,正研究將這部分殘渣用于頂吹熔池熔煉技術(shù)下煉銅,并取得了發(fā)明專利。以該項專利的應用為前提的技術(shù)改造項目已經(jīng)列入國家支持東北老工業(yè)基地振興項目(第一批),正在實施中。

(2)蒸餾過程煙氣余熱的回收研究?，F(xiàn)階段,蒸餾過程產(chǎn)生的高溫煙氣,部分熱量通過給蒸餾爐使用的煤氣和空氣預熱以及給焦結(jié)爐供熱回收,部分采用余熱鍋爐生產(chǎn)過熱蒸汽用于小發(fā)電機組,但發(fā)電的效率不高,總的熱能回收水平不夠理想。

目前,正研究改進余熱鍋爐,并生產(chǎn)飽和蒸汽,采用飽和蒸汽發(fā)電技術(shù)最大限度地回收熱能。

總之,繼續(xù)提高豎罐煉鋅技術(shù)水平的研究仍然在全方位展開,特別是結(jié)合國情,從可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略考慮,在降低綜合能耗,改善環(huán)保等方面取得新的突破。

1.3.4豎罐煉鋅發(fā)展方向豎罐煉鋅技術(shù)的工業(yè)化已有70余年的歷史。雖然它有一定的缺點并影響了發(fā)展,但它固定資產(chǎn)投資小,可以使用一次能源(煤)為能源,成本低,且產(chǎn)品質(zhì)量具有其他煉鋅方法所不具備的特點,因此,在一定時期內(nèi),仍有一定的生命力。目前國內(nèi)豎罐煉鋅的發(fā)展趨勢大體如下。

1)豎罐蒸餾爐的結(jié)構(gòu)改進豎罐蒸餾爐的結(jié)構(gòu)改進總的趨向是提高罐單產(chǎn)能力。包括改進豎罐罐體結(jié)構(gòu),以求改變熱輻射狀態(tài)以及罐內(nèi)氣流運動和分布;減薄罐壁厚度以求降低罐壁熱阻;改進罐體材質(zhì),提高罐壁導熱系數(shù)等。此外,強化換熱器提高熱效率,使用大型磚砌筑罐體,減少砌縫和裂漏,也是今后研究的方向。

2)擴大還原用煤種,降低煤耗實行合理混合配煤,降低配煤比例,為豎罐煉鋅開辟了廣闊的前景。實驗證明,非單一煤種配煤較單獨使用焦煤效果更好,可獲得較理想的蒸餾效率,并可擴大煤源,降低煤耗。

3)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟,綜合利用豎罐殘渣罐渣不僅含有多種有價元素,特別是銀、金等,而且含有20%~30%未反應的殘?zhí)?可以成為重要的有價資源。關(guān)于該殘渣的回收利用技術(shù)及發(fā)展,將在后面的專門章節(jié)介紹。