铁矾渣直接还原法综合回收技术

　　1.钢铁研究总院先进流程与材料国家重点实验室2.钢研晟华科技股份有限公司

　　1 引言

　　目前，世界上金属锌年产量的80%以上采用“焙烧-浸出-电积”的湿法冶炼工艺生产[1,2]。在焙烧过程中，闪锌矿中的锌大部分生成ZnO，采用电解液即可溶解，浸出液净化除杂后进行电沉积生产锌，闪锌矿中相当部分锌与精矿中铁结合生成铁酸锌，必须采用高温高酸条件才能浸出其中的锌，与此同时铁也被溶解浸出。为了实现铁锌分离，按照浸出液除铁工艺的不同，可以分为针铁矿法、赤铁矿法和黄钾铁矾法等除铁工艺[3-9]。

　　黄钾铁矾法（jarosite process）是锌浸出液中的铁形成黄铁矾类晶体沉淀而被除去的锌热酸浸液除铁方法。当今，世界上湿法炼锌企业采用黄钾铁矾法工艺除铁的最多，少数企业采用其它方法。热酸浸出黄钾铁矾法的产生工艺是锌焙烧矿通过中性浸出后得到中性浸出渣，中浸渣经过高温高酸浸出，其中难溶铁酸锌和其它尚未溶解的锌化物发生分解，此时溶液中存在大量的铁离子，为了提高锌离子的电沉积效果，避免铁离子产生不利影响，使铁以黄钾铁矾的形式从溶液中沉淀出来，实现除铁的目的[10]。

　　中国锌产量的85%是采用湿法炼锌工艺生产的，所有湿法炼锌中“热酸浸出-铁矾除铁”工艺占到将近50%。黄钾铁矾法具有易沉淀析出、溶解度低、过滤性好、试剂消耗少和生产成本低的优点成为应用最广泛的除铁方法，但渣量大、渣中有价金属含量高、堆存稳定性差和离子浸出等是其主要缺点[11?13]。对于年产10万吨电锌的湿法炼锌厂，每年可产出铁矾渣约为3~5万吨。由于当前综合回收技术问题，一般情况下铁矾渣堆存在附近渣场。大量铁矾渣的堆存，不仅占用大量宝贵的土地资源，而且浪费其中有价金属Pb、Zn、Ag和Cu等二次资源，同时铁矾渣在自然堆存条件下Cd、Sb和As等重金属会不断溶出对地下水和土壤造成严重污染，危害人类健康[14,15]。

　　铁矾渣的处理方法主要集中在无害化固定处理和有价金属回收两方面。铁矾渣的无害化固定处理技术分为还原焙烧?磁选法、高温烧结法、高温水解法和溶剂浸出法等[16?17]。铁矾渣中的铁以铁橄榄石、铁酸盐或铁氧化物等形态存在，丰富的铁资源在颜料或建材、微晶玻璃、陶瓷材料等领域得到增值利用，重金属元素得到有效回收或固化处理。这些工艺由于运营成本高，只处于实验室研究阶段，尚未推广应用。当前已经实现工业化生产的铁矾渣处理工艺主要是烟化法，如韩国瓮山冶炼厂采用两段 Ausmelt 炉可回收渣中的有价金属，该工艺的不足之处是固定投资和运行成本较高，且高温挥发过程中还会造成空气污染。因此，如何经济有效地处理数量庞大的湿法炼锌固废铁矾渣，仍然是当今有色冶金工业面临的重要环保课题。

　　目前国内转底炉工艺的研究与应用逐渐转向有色工艺废渣（铜渣、镍渣、赤泥等）综合利用及回收领域。钢铁研究总院国家重点实验室在转底炉直接还原工艺成功的基础上，开发出了链篦机-转底炉直接还原处理废有色金属废渣的工艺技术，该工艺比单纯采用转底炉工艺可以减少煤气消耗30%以上，成本吨成本可以降低200元左右，CO2排放可以减少15%以上，而且生产效率也可以大幅度提高。本文在此基础上提出采用内配碳球团直接还原-熔分工艺对铁矾渣进行铁和铅锌的综合回收，开发铁矾渣含碳球团转底炉直接还原工艺。

　　2 实验原料和实验方法

　　2.1 铁矾渣化学成分

　　本研究选取某铅锌厂湿法炼锌工艺产生的铁矾渣，采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES）、电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）、容量法进行分析，化学成分分析结果如表1所示。可以看出，湿法炼锌工艺产生的铁矾渣属于酸性渣，有价元素包括Fe、Zn、Pb和Ag，脉石成分为CaO、SiO2、MgO和Al2O3，二元碱度CaO/SiO2=0.31。

　 　　　表1 铁矾渣化学成分（%）

\　　1）-单位为g/t；2）-H2O为渣场取样结果。

　　2.2 铁矾渣物理性质

　　2.2.1 铁矾渣物理形貌

　　铁矾渣物理形貌如图1所示。铁矾渣是湿法工艺产物，含水量相对较大，达到35%以上，渣场形态为湿土泥块状，颜色呈土黄色，强度相对较差；经过120℃鼓风干燥箱干燥后，呈现土黄色粉末和致密小块状渣；烘干态渣样经过5s振动研磨变成细粉末状态。

　　2.2.2 铁矾渣粒度分析

　　由于湿法炼锌工艺前期经过磨矿工序，故铁矾渣粒度较细，又因干燥试样密度较轻，导致传统筛分法无法准确测定铁矾渣粒度。本实验采用MASTERSIZE2000激光粒度分析仪（试验标准：ISO 13320；分散剂：纯净水）研究铁矾渣的粒度分布情况，测试结果如图2所示。可以看出，铁矾渣平均粒度为2.756μm；粒度小于1μm的比例占15.94%，1-6.31μm的比例高达70.29%，6.31-10μm的比例占8.03%，大于10μm的比例仅为5.74%。

　　Particle Size (μm)

　　图2  铁矾渣粒径分布

　　2.3 还原剂煤粉和消石灰熔剂

　　2.3.1 煤粉

　　煤基直接还原使用无烟煤，经国家煤炭质量监督检验中心分析，结果如表2所示。还原剂无烟煤固定碳质量分数为78.73%，灰分质量分数为10.16%，挥发分质量分数为8.55%，硫含量为0.28%，P含量几乎为零，该煤粉符合直接还原用煤的一般要求（GB/T 15224.1-2004），是一种良好的还原剂。灰分采用化学容量法和分光光度法进行成分测定，灰分主要由SiO2和Al2O3组成，二者之和达到79.35%。

　　表2 煤粉空气干燥基化学成分/%

　　2.3.2 消石灰

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