高海拔地区硫化锌精矿氧压浸出技术的创新研究与产业化应用

陈龙义

（长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南 长沙 410019）

1 技术背景

高海拔地区，空气稀薄、空气含氧量低、气候严寒，这些都制约了大型冶炼工业的发展。其中由于空气稀薄、空气含氧量低的特征，采用传统的沸腾焙烧锌冶炼技术，会导致焙烧烟气量加大，从而加大制酸系统负荷，增加尾气SO2排放总量等；采用高温高酸法锌冶炼技术，不仅会导致焙烧烟气量大的问题，还需要设置庞大的除铁系统，在除铁的同时要向溶液中鼓压缩空气，利用其中的氧气将溶液中的Fe2+离子氧化成Fe3+离子进行针铁矿除铁，而高海拔地区空气含氧量低，除铁效果也会大打折扣，从而影响后续工序的正常生产以及产品的品质。

锌氧压浸出全湿法冶炼技术的主要特点是硫化锌精矿不需要焙烧，而是在密闭压力容器中直接浸出，浸出过程不受当地气压和空气含氧量的影响。但在国内外鲜有关于高海拔地区硫化矿氧压浸出技术相关研究及产业化应用方面的报道。

2 研究开发目标

青藏高原地区硫化锌精矿矿产资源丰富，且精矿中铁含量较高。针对高铁硫化锌精矿特点及青藏高原海拔高、气候严寒、生态环境脆弱、空气稀薄含氧量低等自然环境特征，本研究致力于开发出一套适合当地资源和环境特征的工艺技术，最大限度提高有价金属回收率，减少污染物的排放，降低对周边环境的影响。

氧压浸出是全湿法工艺流程，生产过程不产生SO2烟气，对环境影响小；氧压浸出在密闭压力容器中通入氧气加压浸出，不受外部气压和空气含氧量的影响。因此，高海拔地区硫化锌精矿氧压浸出技术的创新研究对各国在资源丰富的高海拔地区建设硫化矿冶炼厂提供理论依据与技术支撑。

3 研究开发内容

国际上尚没有关于高海拔地区采用氧压浸出技术处理硫化锌精矿的研究报道及可供参考的工程应用实例，通过对已有氧压浸出技术进行再创新，使得硫化锌精矿氧压浸出技术在高海拔地区应用的可行性和可靠性从理论上和实践上都得到了保证，形成“高海拔严寒地区硫化矿氧压浸出及综合回收技术的创新研究与产业化应用”技术创新成果。

3.1 首创了两段控铁氧压浸出技术

西部地区硫化锌精矿铁含量高，部分锌精矿含铁最高达20%以上。如果铁在浸出过程中进入溶液，后续需要设置庞大的除铁系统。在空气稀薄的高海拔地区因空气含氧量低，不利于除铁工序的进行，且能耗高，除铁效果差。如何实现控铁氧压浸出技术是高海拔地区硫化锌矿氧压浸出技术的重大研究课题之一[1]。

对此，通过技术攻关，首创了高铁硫化锌精矿两段逆流控铁氧压浸出的新技术。控铁氧压浸出技术是将硫化锌精矿加入到高压釜内，控制两段氧压浸出釜内反应温度约150℃、压力1100kPa，一段浸出终酸约10g/l，二段反应终酸约30g/l。在该条件下，一段浸出渣中的铁在二段浸出过程中以Fe3+离子形式部分进入溶液中，并随第二段氧压浸出上清液返回第一段氧压浸出，而Fe3+离子在第一段氧压浸出过程中作为强氧化剂起到促进氧化浸出的作用，氧压浸出过程依靠溶解的铁来加速反应。此外以硫化物形式存在的硫被氧化为单质硫，在后续工序中回收硫磺产品，锌转化到溶液中成为可溶性硫酸盐，浸出反应方程式如下：

而在该条件下，浸出进入溶液中的铁又会主要以黄钾铁矾形态沉入渣中[2]，浸出液中铁可控制在2g/l以内，仅需鼓入少量氧气替代压缩空气的方法进行针铁矿沉铁，除去溶液中少量的铁。氧压浸出过程沉铁反应方程式如下：

在氧压浸出过程中，硫化锌精矿中的铟、铜等贵重金属一起浸出至溶液中，在后续工序得到综合回收。

3.2 首创了高海拔地区氧压浸出矿浆降温降压缓释能技术

调节槽是硫化锌精矿氧压浸出技术的关键设备，直接影响后续硫回收工序的正常运转及硫磺产率，而调节槽的冒槽问题较为常见，尤其在高海拔地区气压低，溶液沸点低，导致调节槽进出矿浆温降加大，需要释放的能量也更大。高温高压矿浆在上升过程中随着压力的下降，矿浆会剧烈的沸腾，导致调节槽冒槽现象的频发。高温高腐蚀矿浆从调节槽顶部冒出，极易发生高温烫伤等安全事故，且腐蚀性矿浆冒槽易造成设备和厂房腐蚀，严重时会造成人力和物力的损耗。

针对上述情况，开展了大量的分析研究工作，得出如下结论[3]：

（1）合理设计调节槽尺寸。调节槽的主要功能是控制硫黄结晶过程，并实现矿浆的降温降压。氧压浸出高温矿浆在调节槽内要从温度～120℃、压力～100KPa(g)降至常温常压，在此过程中要释放巨大的热量，这些热量绝大部分要通过降温降压过程中产生的蒸汽带走。

根据降温降压槽设计原理，降温降压槽设计的关键尺寸为槽子的直径。矿浆量越多、降温越多，释放的蒸汽量越大，要求降温降压槽直径也越大。如果调节槽设计尺寸过于保守，会导致槽内矿浆能量不能及时释放，槽内液面剧烈沸腾形成假液位，最终导致冒槽。

（2）合理设计调节槽搅拌强度。闪蒸槽过来的高温高压矿浆从底部进入调节槽，矿浆在上升过程中温度和压力不断降低，矿浆上升至液面时温度达到沸点温度，压力为常压。但当调节槽搅拌强度不够，不能使过热矿浆及时平稳的上升时，大量的能量会聚集在调节槽底部无法释放出来，当能量在调节槽底部过度聚集时，会在底部形成高能势区，矿浆温度也会上升，在矿浆里面会产生高压气泡，气泡压力达到临界值时会破裂，产生“放炮”现象。气泡在底部破裂会产生剧烈震动，对设备造成损伤；当气泡上升到液面后破裂则会导致液面剧烈沸腾，产生假液位，导致冒槽。调节槽搅拌强度要足够大，才能将过热矿浆快速平稳的抬升，从而避免能量在槽底部聚集。

3.3 对高压釜结构进行了大量的创新设计

高压釜是氧压浸出技术的核心，由于没有在高海拔地区应用氧压浸出技术的先例，而高海拔地区氧气稀缺，制氧能耗高。通过对高压釜流场数值进行仿真模拟研究，创新设计了高压釜氧气喷嘴结构以及搅拌形式，提高了氧气利用率，达到了节能降耗的目的。

4 产业化应用

研究成果可实现高铁硫化锌精矿控铁氧压浸出，解决了硫化锌精矿湿法冶炼过程除铁工序复杂而庞大、高海拔地区气压低而导致的调节槽冒槽以及高压釜氧气利用率低在空气稀薄地区带来的能耗高等的问题，工艺过程节能、环保，非常适合应用于高海拔地区的硫化锌精矿冶炼工厂。

该成果已经成功在青海某锌冶炼项目中产业化应用，该项目于2015年9月建成投产，是国际上首次在2500m以上的高海拔地区采用硫化矿氧压浸出炼锌工艺的工厂，项目投产近五年以来的生产实践证明：高海拔严寒地区硫化锌精矿氧压浸出技术创新研究的产业化应用系统运行稳定，生产过程日趋顺畅，技术优势明显，与常规流程比较减少了SO2对环境的污染，环保等社会效益显著；同时锌浸出率均超过预设指标，简化了除铁流程，锌总回收率达到预设指标，各项技术指标达到国内同行业先进指标，有些甚至优于国内外先进指标，经济效益明显。该项目的成功实施，不仅为我国锌冶炼行业的技术进步和发展增添了新的活力，也为企业发展循环经济和进一步推行节能减排提供了新的思路，代表了锌冶炼行业节能、环保及清洁生产的发展方向。

5 结论

高海拔地区硫化锌精矿氧压浸出技术的创新研究及产业化应用，能满足日益严格的环保、节能降耗要求，且综合回收效果好，原料适应性强，环境适应性广，推动了湿法冶金技术的发展。

该成果对核心设备进行了大量的技术创新和改进，不仅为生产系统的连续、稳定运行提供了保障，为企业降低投资，减小维修成本创造了有利条件，也使得氧压浸出这种先进清洁高效的冶炼技术不再受到地域的限制。