Процесс производства цинка методом термического плавления

 

Обожженный цинк нагревают до температуры около 1100°C (необходима температура выше точки кипения) с добавлением антрацита или кокса. При такой температуре происходит восстановление оксида цинка, и образуется моноксид углерода из источника углерода. Моноксид углерода вступает в реакцию с другой молекулой оксида цинка, в результате чего образуется диоксид углерода:

ZnO + C®

 

ZnO + CO®

 

CO2 + C®

Zn(газ+

 

Zn(газ+

 

2CO

CO Реакция 1

 

CO2 Реакция 2

 

Реакция 3

 

Поскольку реакция 2 является обратимой (при более низких температурах происходит преобразование оксида цинка), необходимо понизить концентрацию диоксида углерода. Концентрация диоксида углерода может быть снижена в результате реакции с источником углерода.

Наконец, парообразный цинк конденсируется во внешних конденсаторах.

Ни рисунке 2.2 показана общая схема процесса производства цинка методом термического плавления.

 

 

сульфата

 

 

 

Руда Обжиг

Раствор

ОбожженныйАккумуляторная сырого

Концентрат кислота

Цинка

 

 

Рисунок 2.2 Схема процесса для категории источника

 

Очищение Цин

 

 

При использовании методов производства из основного сырья цинк получают из руд, содержащих 85% сульфида цинка (по весу) и 8–10% сульфида железа, с общей концентрацией цинка около 50%.

Руды также содержат сульфиды металлов, таких, как свинец, кобальт, медь, серебро, кадмий и сульфид мышьяка. Руды окисляют с подачей воздуха, в результате чего получают оксид цинка, окись серы и цинковое железо. Хлор и фтор удаляют из дымового газа, а двуокись серы в результате каталитических реакций превращается в серную кислоту.

Металлургический комбинат, занимающийся производством цинка из вторичного сырья, - это любое предприятие или завод, на котором обрабатываются цинкосодержащий металлолом или цинкосодержащие материалы, не являющиеся цинкосодержащими концентратами (рудами), полученными в ходе добычи полезных ископаемых (Barbouretal., 1978). Но, как правило, по инвентаризации выбросов ЕМЕП/ЕАОС 2009 4 металлургические комбинаты, занимающиеся производством цинка из основного сырья, тоже часто используют цинковый металлолом или переработанную пыль в качестве исходного материала.

Производства цинка с использованием лома включает три основные операции: предварительная обработка, плавление и очистка. Металлолом подается в устройство обработки вторичного сырья цинка в виде слитков, бракованных отливок, отходов металлургического производства и другого смешанного металлолома, содержащего цинк (USEPA, 1995). Предварительная обработка металлолома включает сортировку, очистку, измельчение и просеивание, осаждение влаги и выщелачивание. При сортировке цинкосодержащий металлолом вручную отделяется с учетом содержания цинка и в соответствии с любыми требованиями к дальнейшей обработке. При очистке удаляют инородные материалы, чтобы улучшить качество продукта и эффективность процесса восстановления. Измельчение облегчает процесс отделения цинка от примесей. При просеивании и пневмосепарации происходит концентрация металлического цинка для дальнейшей обработки. При выщелачивании с помощью раствора карбоната натрия происходит превращение окалины и шлаков в оксид цинка, из которого можно восстановить металлический цинк (USEPA, 1995). Чистый цинкосодержащий металлолом подвергается плавлению в котле, тигле, отражательной и индукционной электропечи. В этих печах используется флюс для отделения примесей из расплавленного цинка. В результате перемешивания флюс и примеси распространяются по поверхности металла в виде шлака, откуда их в дальнейшем снимают. Оставшийся расплавленный цинк можно отлить в формы или подвергнуть дальнейшей очистке в расплавленном состоянии (USEPA, 1995). В процессе очистки происходит дальнейшее удаление примесей из лома, содержащего чистый цинковый сплав, а также из цинка, выпаренного во время этапа плавления в муфельных печах. Расплавленный цинк нагревают до тех пор, пока он не начнет испаряться. Пары цинка конденсируют и улавливают в различных видах, в зависимости от температуры, времени улавливания, отсутствия или наличия кислорода и оборудования, используемого в процессе конденсации паров цинка. Конечные продукты в результате процессов очистки включают слитки цинка, цинковую пыль, оксид цинка и цинковые сплавы (USEPA, 1995).

Дистилляция цинка может осуществляться осуществляется в различных агрегатах: горизонтальных ретортах, вертикальных ретортах, электрической печи, шахтной печи.

Принципиальная технологическая схема производства металлического цинка дистилляцией из сульфидных концентратов представлена на рисунке 2.1

 

 

Рисунок 3. Принципиальная технологическая схема получения металлического цинка дистилляцией.

 

Свинец конденсируется, в основном, в конденсаторе. Таким образом, цинк, получаемый дистилляционным способом в значительной степени загрязнён кадмием и свинцом.

После окончания процесса дистилляции реторту, один цикл которой составляет порядка 24 часов, отделяют от конденсатора и выгружают из неё оставшийся после дистилляции твёрдый спек, который называют раймовкой. В раймовке содержится порядка 6-12% цинка, поэтому раймовка направляется на переработку с целью дополнительного извлечения цинка.

Извлечение цинка невелико и составляет 86,4-87,8%. Процесс дистилляции в ретортах малопроизводителен. Кроме того, в результате получают цинк, загрязнённый свинцом и кадмием. На рисунке 2.2 представлено устройство установки для дистилляции цинка в горизонтальной реторте.

 

Рисунок 3.1 Устройство для получения цинка дистилляцией в горизонтальной реторте

1- горизонтальная реторта; 2 –конденсатор; 3- аллонжа; 4

Распределение цинка между продуктами дистилляции характеризуется показателями, %: черновой цинк- 85-86; раймовка 5-7; пусьера-3-5.

 

Производство цинка в шахтных печах или процессом Imperial Smelting было впервые реализовано в промышленном масштабе в 1952 г. в Англии на заводе «Эвонмаунт». Сейчас процесс используется более чем на 10 заводах в разных странах.

Технология дистилляции цинка в шахтной печи («Imperial Smelting – процесс») позволяет получать 90% цинка, содержащегося в шихте в виде металла. Особенностью процесса является совместная переработка цинковых и свинцовых концентратов или свинцово- цинкового концентрата с отношением Zn:Pb= 2:1. Схема процесса «Imperial Smelting» представлена на рисунке 2.4

В этом процессе свинцово- цинковая шихта предварительно подвергается спекающему обжигу на ленточных агломерационных машинах. Полученный агломерат характеризуется составом, %: Zn-35-45; Pb- 15-20; SiO₂ – 3-8; CаO – 4-10; Fe- 6-9; S-0,7-1,5.

Шихта, загружаемая в печь, состоит из агломерата и кокса. Кокс предварительно прокаливается при температуре 800^ос и в горячем состоянии поступает на плавку. Расход кокса составляет порядка 40% от массы агломерата. В печь подают дутьё, нагретое до 600-950^оС

 

Газ

Штейн

Черновой свинец

Шлак

Газ на промывку

Pb(Zn)

Pb

Цинк

Горячее дутье

Слив на отстаивание (пусьера)

Рис.4 Схема процесса Imperial Smelting

 

1 – циклон-брызг уловитель; 2 – скруббер; 3 – водяные форсунки; 4 – конденсатор; 5 – роторные мешалки; 6 – загрузочное устройство; 7 – насос для перекачки свинца; 8 – сифон для выпуска оборотного свинца;

9 – приемник для цинка; 10 – локационная ванна; 11 – корпус шахтной печи; 12 – отстойник для разделения шлака и чернового свинца; 13 – горн печи; 14 – фурмы; 15 – воздухонагреватель; 16 – воздуходувка

 

В результате взаимодействия шихты с горячими газами образуется свинец и шлак, которые собираются в горне печи периодически выпускаются в отстойник, где происходит их разделение по плотности. Свинец через сифон выпускают из отстойника и направляют на рафинирование. Шлак поступает на грануляцию и отправляется в отвал