浅析铅冶炼富氧底吹烟灰中有价金属回收工业化应用

王占全，楚建伟

（青海西豫有色金属有限公司，青海 格尔木 816099）

近几年来，社会经济的不断进步以及科学技术的快速发展为铅冶炼行业提供了广阔的发展空间，同时也加快了铅冶炼工艺水平的进步和冶炼装备的改革换代。对新的冶炼工艺而言，其主要包括卡尔多法、基夫赛特法，富氧顶吹、氧气底吹等工艺手法，这些方法均在工业生产过程中得到了广泛应用，同时，在生产过程中也不会给周围的生态环境造成污染。在铅冶炼过程中，富氧底吹烟灰方法得到了广泛的应用，能够对铅元素进行富集，提高了金属元素的回收效率，而且需要投入的资金成本较低，在保证回收质量的同时也给生态环境提供了良好的保障。

1 铅冶炼富氧底吹烟灰中有价金属回收工业化的应用意义

对部分工业企业，其在处理铅矿和再生铅时，主要利用氧气底吹熔炼-液态渣直接还原技术，采用富氧底吹炉，将烟灰在系统中进行循环，当Cd 含量达到20%以上时，需要将其排出系统，否则会影响氧气底吹灰的正常生产。对烟灰而言，其成分主要包含铅、锌、镉等有价金属元素，在对这三种元素进行综合回收时，采用水浸-锌置换的方法能够将其进行分离，提高综合回收利用率。在此过程中，如果高铅渣中的含铅量高达60%，则要将其返回冶炼铅系统中继续进行回收。当Cd 元素富集以后，其会产生85%以上品位的镉棉，然后对其进行精镉生产，绝大部分烟灰中的新元素和投入成分会以硫化锌的形态存在，当其到达一定浓度以后，通过净化、中和、烘干、粉碎、焙解等工艺就能生产出纳米氧化锌产品，从而就能为公司创造巨大的经济效益[1]。

2 烟灰的成份及物相

行业内工作人员对烟灰物进行分析并得出结果：对烟灰中的Pb 元素，其主要以PbO 和PdSO4形态存在，而Cd 元素，其主要以CdSO4形态存在。此外，对Zn 元素和As 元素，其存在的形态为氧化物，主要成分如表1 所示。

表1 底吹炉烟灰主要化学成份（质量分数%）

3 工艺流程简述

对烟灰成份进行分析，其中的Pb、Zn、Cd 元素存在巨大的回收利用价值，同时，对Pb 元素，当其以PbO 和PdSO4形式存在，均不溶于水；对Cd 元素，其主要以CdSO4形式存在，拥有易溶于水的性质，而且，当温度为0℃时，该化合物的溶解度为775g/l，当温度为25℃时，该化合物的温度为772g/l，由于不同物质其在水中的溶解度存在一定的差异性，则可在常温状态下，将它们都浸于水中，此时，Zn 和Cd 元素会进入液相中，而由于Pb 和As 元素均不溶于水，便会在水中富集，从而浸出渣中。然后，对进入液相的镉和锌元素，可以在液相中加入锌粉将其置换出来，对置换过程中产生的镉棉，对其进行分离便可对镉元素进行回收，而对置换液，将其返回浸出，当置换液中的锌元素到达规定浓度时，可以采用净化、合成、烘干粉碎、焙解这几个流程，最终就能生产出纳米氧化锌。主要工艺流程图如图1 所示。

图1 富氧底吹炉烟灰中有价金属回收工艺流程图

4 工艺技术条件及操作

4.1 浸出工序

对于水浸出工艺技术而言，其在工业生产过程中应用的要求分别是：常温状态、液体和固体的比为4：1，搅拌过程要均匀且反应时间为两小时。在该生产条件下，产生的浸出渣内，Pb的品位含量高达60%以上，且均在固相中集中，对锌元素和Cd元素而言，其浸出率较高，均在液相中富集。对浸出工艺操作完成以后，能够将Pb 和Zn、Cd 元素进行有效的分离，从而为下一步相关元素的综合回收利用提供了便利。在烟灰浸出完成以后，无需对其进行洗涤，如果进行洗涤，则会产生大量的液相，从而会给后期的操作流程造成不便。此外，水浸出工艺技术流程完成以后，Cd 元素的浸出率一般会大于88%，Zn 元素的浸出率一般会大于76%。

4.2 置换工序

对置换工序，其主要是通过锌粉完成的，加入80%左右的锌粉进行欠量置换，然后将PH 值调节到2.5 ～3.0 之间，在置换过程中，确保温度不得高于60℃且不小于50℃，均匀搅拌且保证反应时间为0.5h，当PH 值无明显变化时，即可视为置换完成。置换工序操作完成以后，只有确保镉渣品位高达80%，才能进行后期的处理操作。对置换操作完成以后的液体而言，要在液体中加入氧化锌进行中和反应，反应后将其浸出到工序中进行再次循环，在此过程中，液相中的锌元素会进行富集，当PH 值到达5.0 时，硫化锌达到饱和状态，此时，便可进行过量置换操作，对锌渣进行酸化处理并反用，同时，溶液中会充满硫化氢，该溶液便可作为纳米氧化锌生产的原料[2，3]。

4.3 一次净化工序

对于一次净化工序而言，其主要是将硫酸锌溶液中的铁、锰杂质元素去除。对二价铁元素而言，其相比于金属锌元素，存在的沉淀PH 值较高，而对三价铁元素，其沉淀PH 值小于金属锌元素。因此，在工业生产过程中，一般都会利用高锰酸钾溶液当做一次净化工序的氧化剂，这既能做到去除铁元素，还不会造成大量金属锌元素的损失。对高锰酸钾溶液，其能够将二价铁元素氧化成三价铁元素，同时，三价铁元素自身存在水解反应，在水解过程中会以氢氧化铁的沉淀形式存在并最终可以去除。在反应过程中，氧化水解过程会产生酸，因此，在进行一次净化工序时，要向溶液中不断加入氧化锌，以此来中和掉反应过程中产生的酸，工业要求反应的时间不得低于90h 且最高反应时间为150h，反应的温度为80℃～90℃，当满足以上工艺条件时，能够去除99%以上的锰杂质，而且，在反应完成以后，能够保证锰含量小于1mg/L。该过程中涉及到的化学反应方程式如下所示：

（1）10FeSO4+2KMnO4+8H2SO4=K2SO4+2MnSO4+5Fe2（SO4）3+8H2O

（2）Fe2（SO4）3+H2O=2Fe（OH）3+3H2SO4

（3）3MnSO4+2KMnO4+2H2O=5MnO2+K2SO4+2H2SO4

4.4 二次净化工序

对二次净化工序，其主要是将一次净化液中的Cd、Cu、Pb这三种杂质元素去除，然后就能制出精致的硫化锌溶液，同时，在此过程中可以利用325 目的工业锌粉作为还原剂，这就不会产生新的杂质。二次净化工序的反应时间不得少于20min，最高反应时间为40min，最高反应温度为60℃，最低反应温度为50℃，只要满足以上工艺技术条件，就能去除99%的镉元素且反应完成以后镉浓度小于等于1mg/L。二次净化工序过程中涉及到的化学反应方程式如下所示：

（1）CuSO4+Zn=ZnSO4+Cu ↓

（2）CdSO4+Zn=ZnSO4+Cd ↓

4.5 中和工序

在中和工序操作过程中，其主要是碳酸钠和硫酸锌进行反应，反应过程中能生成碱式碳酸锌，该生成物存在焙解性能好的特点，同时，对中和工序而言，其技术操作条件为，反应的时间为30min ～50min，最高反应温度为80℃，最低反应温度不得小于70℃。此外，由于氧化锌的质量与碱式碳酸性的质量存在直接联系，因此，在碱式碳酸锌物质生成完成以后，要对其进行洗涤，洗涤的过程直接影响着碱式碳酸锌的质量，在洗涤过程中，利用液体和固体比例为8：1 的离子水进行两次洗涤，这才能保证碱式碳酸锌产品的质量满足实际的使用需求。

4.6 烘干、焙烧工序

首先要对溶液进行压滤操作，然后才能进行烘干和焙烧工序。在烘干操作过程中，要将温度控制在105℃左右，烘干完成以后将滤液送到煅烧室中，将煅烧室的温度控制在550℃以下且大于500℃，同时，确保焙烧的时间不得低于四小时，满足以上焙烧条件以后，就能在焙烧完成以后制得纳米级高活性氧化锌。

5 综合回收产品及产量

在以上操作工序完成以后，要对生成的高铅渣、镉棉、纳米氧化锌产品进行检查。对高铅渣而言，如果其含量大于等于60%，则要继续返回到铅熔炼系统中对铅元素进行再次的回收。对镉棉而言，如果该元素大于等于80%，则可以将其投入在精镉生产系统中，进行精镉的再次生产。对纳米氧化锌物质而言，其在生产完成以后，要确保质量稳定且成分含量达到国际的标准规定要求。一般而言，使用铅冶炼富氧底吹烟灰工艺，每年大概能够回收铅金属1500 多吨，镉金属500 多吨，锌金属400 多吨，为工业企业带来300 多万元的经济利益。纳米氧化锌的化学成分如表2 所示。

表2 纳米氧化锌化学成分（%）

6 结语

综上所述，对铅冶炼富氧底吹炉烟灰操作而言，其涉及的工艺主要包括水浸、置换、净化、中和、焙解。该过程主要是对镉元素进行回收，对铅元素进行富集，同时，这些流程还会将烟灰中的锌元素直接转化为纳米氧化锌产品，存在流程短、投资成本低、操作简单、方便、过程无污染物、无固废、无废液产出，不会给周围生态环境造成污染等优点，因而得到了广泛的应用。