碱浸电解生产金属锌粉技术.pdf

第6 0 卷第3 期 20 08 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 0 ．N o ．3 A u g u s t2 008 碱浸电解生产金属锌粉技术 张承龙1 ．一，刘清3 ，赵由才1 , 3 ，朱清渭3 ，易天晟3 1 ．华东理工大学资源与环境工程学院，上海2 0 0 2 3 7 ；2 ．上海第二工业大学城市建设 与环境工程学院，上海2 0 1 2 0 9 ；3 ．同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海2 0 0 0 9 2 摘 要介绍碱浸一电解湿法直接生产金属锌粉的新工艺。在国内外率先将该技术实现产业化．目前生产规模已达2 0 0 0 ～ 5 0 0 0 t ／a 三级金属锌粉。生产实践表明．技术指标稳定、工艺简单、原料适应性广、成本低、环境友好，对锌冶炼技术的可持续发展 将起到积援促迸作甩。 关键词冶金技术；锌粉；碱法浸出；电解；清洁工艺 中图分类号T F S l 3 ；T F S 0 3 ．2 ；T F n l ．3文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 t 2 0 0 8 0 3 0 0 6 6 0 4 在现代经济建设中，锌已成为国计民生必不可 少的重要金属材料，锌的生产量和消费量在世界有 色金属材料中仅次于铝和铜居第三位。我国锌储量 居世界第一位，是锌的主要生产和消费国，但随着高 品位优质锌矿资源的减少，部分锌生产企业将面临 原料短缺的困难，研究开发应用贫杂锌矿、含锌废渣 等二次资源的冶炼方法，成为今后我国锌冶炼工业 的重要和迫切的任务。 ． 我国氧化锌矿资源十分丰富，主要分布在云南、 四川、贵州，青海、广西及湖南等省 区 ，仅云南省初 步探明的氧化铅锌矿 含P b 7 ％。Z n 9 ％ 就有 2 0 0 0 万t 以上【1 | 。另外，含锌废渣等二次资源种类 多、数量大 主要指由锌铅冶炼、炼钢、锌电镀、锌合 金及电池行业等产生的锌浮渣、烟道灰、下脚料等 ， 据有关资料统计，我国的锌铅渣累计已达1 0 0 0 多万 t ，并还在以3 2 万t ／a 的速度增长【2J 。由于锌废渣 中含有大量锌、铅、镉等重金属元素，根据国家危险 废物名录的规定，属于危险废物，这些含锌铅危险 废物如不能得到有效处理还会对环境造成巨大危 害。而传统的酸法炼锌工艺在处理这些原料时，存 在耗酸量大、杂质分离困难、流程极其复杂、过程难 于控制、环境技术经济指标差的缺点。 法国和比利时曾采用碱溶液浸取一除杂一电解 法从炼钢厂烟尘中提取金属锌。该工艺在实验室研 究、工厂中试后，完全显示出了碱法炼锌工艺的优越 性。然而，由于未能解决除杂问题，采用金属锌粉去 收稿日期2 0 0 6 0 8 2 0 作者简介张承龙 1 9 7 5 一 ．男，江苏昆山市人。讲师．博士生．主要 从事周俸废物处理与资源化等方面的研究。 除杂质，除杂效果非常差，使金属产品质量无法达到 有关标准[ 3 | 。1 9 9 7 年以来，同济大学的赵由才等对 从氧化锌矿、锌浮渣、锌渣、锌泥、炼钢厂烟尘等原料 中碱浸一电解生产高纯度锌粉的技术进行了一系列 研究，取得了极大成功，申请了专利[ 4 - 8 ] “一种利用 氧化锌矿生产高纯度金属锌的方法”。2 0 0 4 年同济 大学污染控制与资源化研究国家重点实验室与贵州 凯捷锌业有限公司合作，在贵州赫章县建设2 0 0 0 t ／a 碱浸电解锌粉电锌示范厂，在国内外率先实现碱浸 电积生产锌粉技术的产业化。现该产业化示范工程 已建设完毕，从2 0 0 5 年下半年试生产至今，取得了 较好的指标，达到国际先进水平锌浸出率≥9 0 ％， 碱耗3 0 0 k g ／t 一锌粉。 1工艺基本原理 氧化锌矿或锌渣、锌烟尘中的锌的存在形态主 要是Z n O ，Z n C 0 3 ，Z n O H 2 ，Z n S i 0 3 ，它们能够与氢 氧根反应，锌生成羟合锌配离子进人溶液，原料中的 铜、镉、铁、钙、镁等元素均不会或很少溶解而留在渣 中Z n O 2 N a O H H 2 0 N a 2 Z n O H 4 ；Z n C 0 3 4 N a O H N a 2 Z n O H 4 N a C 0 3 ；Z n S i 0 3 4 N a O H N a 2 Z n O H 4 N a S i 0 3 ；Z n O H 2 2 N a O H N a 2 Z n O H ‘o 电解时，在碱性环境中，羟合锌配离子发生阳极 反应2 0 H 一一1 ／2 0 2 H 2 0 2 e 和阴极反应Z n O H 4 2 2 e Z n 4 0 H 一，总的电极反应为Z n O H ‘ 2 “ - ．．Z n H z O 2 0 H 一十1 ／2 0 2 H 2 0 。从电 解反应可知，电解时再生浸出剂氢氧化钠，浸出液可 循环利用。 万方数据 第3 期张承龙等碱浸电解生产金属锌粉技术6 7 2工艺流程和设备 2 ‘1 害嚣淼后进球磨机粉碎，粒度应达 碱浸电解生产金属锌粉技术工业性试验及产业 化工艺流程见图1 ，设备连接示意图见图2 。生产工 艺分为原料预处理、浸取、净化、电积、锌粉清洗及烘 干等5 个工段。 图1 碱浸电解生产金属锌粉工艺流程 F i g ．1F l o w s h e e to fZ np o w d e rp r o d u c t i o no fb y a l k a l i n el e a c h i n ga n de l e c t r o w i n n i n g l 一干燥设备；2 一破碎机；3 一授取槽；4 一净化槽；5 一板框压滤 机；6 一浸化渣；7 一电解液储存池；8 一变压器；9 一整流器；1 0 一 电解槽；1 1 一锌粉清洗压滤机；1 2 一锌粉真空干燥机；1 3 一锌粉 加工装置；1 4 一包装；1 5 一成品；1 6 一锅炉；1 7 一澄清槽；1 8 一浸 取渣 图2 碱浸电解生产金属锌粉设备连接示意 F i g ．2S c h e m eo fe q u i p m e n ta s s e m b l i n gf o rZ n p o w d e rp r o d u c t i o nb ya l k a l i n e l e a c h i n ga n de l e c t r o w i n n i n g 0 ．1 5 m m o 2 ．2 浸取工段 该工段设有圆柱形浸取槽，单座有效容积2 8 m 3 ，锌矿边搅拌边用蒸汽加热。浸取完毕，从槽底 出料口用抗碱砂浆泵抽入澄清槽澄清降温后板框压 滤，滤液进入进化槽，浸取渣进行清洗，洗涤液压滤 后返回作为浸取原液。 2 ．3 净化工段 分析浸取液中P b ，F e ，C u ，C A ，A s 等微量元素含 量后，投入相应的分离剂，使其转化为沉淀物，经板框 压滤，滤液进入电解液储液池，滤渣作铅精矿出售。 2 ．4 电解工段 电解液在储液池经过陈化后，取上清液进行分 析，杂质含量应P b 1 0 m g ／L ，C u 5 m g ／L ，F e 1 0 m g ／L ，A s 1 0 0 m g ／L ，A I 2 9 ／L 。电解液分批进入 电解槽，在阴极板上沉积金属锌。槽电压为2 ．7 ～ 2 ．9 V ，电流密度为8 0 0 ～1 0 0 0 A ／m 2 。 2 ．5 锌粉清洗及烘干工段 电解结束后从槽底部将废电解液及析出锌一起 重力排出，直接进入压滤机过滤，并用N a O H 溶液 和清水清洗，清洗过滤后锌粉进入真空干燥箱烘干。 烘干后的锌粉根据产品要求粉磨至所需粒度。 3工业试验结果及主要生产技术指标 以氧化锌矿、锌浮渣、锌渣、锌烟尘等为原料，工 业试验及试生产期间所用几种原料的锌浸出率见表 1 。试验及生产结果显示，碱性浸出电积生产技术指 标稳定，充分显示碱浸电积生产金属锌粉的优越性。 表1 工业试验碱性浸出锌浸出率统计值 T a b l e1R e s u l t so fa l k a l i n el e a c h i n ge x p e r i m e n t s 工业试验结束后，碱浸电积生产金属锌粉技术 已转入正常的工业化生产。工业实践表明，工艺配 置合理，工艺流程顺畅。技术指标稳定，彻底实现了 全湿法冶炼直接生产金属锌粉。 万方数据 有色金属第6 0 卷 主要生产技术指标为生产规模，2 0 0 0 - - 5 0 0 0 t ／a ； 产品质量，国家锌粉标准 G B ／T 6 8 9 0 2 0 0 0 三级以 上 金属锌含量9 2 ％～9 7 ％ ；浸出率，8 6 ％～9 3 ％； 总回收率，8 2 ％- - 9 0 ％；电解电流效率，8 8 ％- - 9 2 ％； 燃料耗量，2 t 烟煤／t 一锌；水耗量，3 ．5 t 水／t 一锌；电 耗量，3 5 0 0 ～4 0 0 0 k w h ／t 一锌 其中电解锌耗电 2 5 0 0 ～3 0 0 0k w h ／t 一锌 ；电极电压，2 ．4 ～2 ．9 V ；电 流密度，8 0 0 ～1 0 0 0 A ／m 2 。 4 项目技术特点 相对于传统湿法炼锌工艺，碱浸电解生产金属 锌粉技术有以下特点。 1 原料适应性强。可以使用酸法根本无法应 用的贫杂氧化锌矿、渣、泥、烟尘等作为原料。 2 生产流程简单。因碱浸很多杂质不能溶出， 其电解液的净化工艺简单。电解析出产品为锌粉， 为锌粉成品，大大降低了锌粉的生产成本。因此，整 个生产流程远比酸法简单，电解金属锌的耗电量比 酸法低2 0 ％，总生产成本低3 0 ％。 3 锌粉产品质量好、活性高。相对于传统工艺 生产的电炉球状锌粉，生产的锌粉为片状、活性高、 用途广，用于置换酸法锌溶液中所含的铜、钴、镍，镉 等杂质时可节省用量1 5 ％以上。 4 环境友好，实现锌冶炼的清洁生产。碱浸电 解生产金属锌粉生产过程中。含锌原料直接在常压 下浸取，整个生产过程无二氧化硫产生，彻底消除了 制酸尾气中排放的二氧化硫对环境的污染，彻底实 现全过程湿法冶炼。工艺生产用水是全循环使用， 基本无生产废水排放。浸取产生的渣，经清洗过滤 滤液回前工序使用 后排放的滤渣经毒性浸取试 验，滤渣无毒性，带有弱碱性，可作为一般的固体废 物进行处理，可制建筑材料、填埋，见表2 。因此，整 不需要剥锌工艺。电解析出物经烘干粉碎后就可成个生产工艺是一种环境效益显著的清洁工艺。 表2 碱性浸出渣毒性浸出试验分析值／ m g L - 1 l T a b l e2R e s u l t so ft o x i c i t yl e a c h i n gt e s tf o rl e a c h i n gr e s i d u e 1 取自标准G B 5 0 8 5 ．3 1 9 9 6 5结语 通过工业试验和试生产调试，在国内外率先将 碱浸电解生产金属锌粉技术推向产业化，实现贫杂 氧化锌矿、渣、泥、烟尘等原料的碱性浸出直接生产 金属锌粉，提升了我国湿法冶金的技术水平，工艺具 有流程简单、金属回收率高、原料适应性强、产品质 量好、有利于环境保护和资源综合利用等优越性。 项目的成功实施可推动碱浸电解生产金属锌粉技术 在我国的应用，将对处理我国贫杂氧化锌矿及含锌 二次资源的综合利用起到示范作用，促进实现锌冶 炼技术的可持续发展。 参考文献 [ 1 ] 铅锌冶金学 编委会．铅锌冶金学[ M ] ．北京中南工业大学出版社，2 0 0 3 l 一2 5 ． [ 2 ] 黄可龙．重有色金属精细化工产品生产技术[ M ] ．长沙中南工业大学出版社，1 9 9 7 1 7 7 1 8 0 ． [ 3 ] H i s s e lJ ，F r e n a yJ ，H e m 诅nJ ．P i l o ts t u d yo fac a u s d cs o d at r e a t m e n tp r o c e s sf o rr e d u c i n gt h ez i n ca n dl e a dc o n t e n to fw a s t e p r o d u c t so f w a s t ep r o d u c t s f r o m i r o n a n ds t e a ls t e e l m a k i n gp r o c e s s 【C ] I I P r o c e e d i n g s o f t h e P r o c e s s T e c h n o l o g y C o n f e r e n c e ． W a s h i n g t o nD E ，1 9 8 0 1 7 8 1 8 3 ． 【4 ] Y o u c a iZ h a o ，R o b e r tS t a n f o r t h ．P r o d u c t i o no fZ np o w d e rb ya l k a l i n et r e a t m e n to fs m i t h s o n i t ez n P bO r e s 【J ] ．H y d r o m t a l ． 1 t t r g y ，2 0 0 0 ，5 6 2 2 3 7 2 4 9 ． [ 5 ] Y o u e a iZ h a o ，S t a n f o r t hR ．E x t r a c t i o no fz i n cf r o mz i n cf e r r i t e sb yf u s i o nw i t hc a u s t i cs o d a [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 0 0 ，1 3 1 3 1 4 1 7 1 4 2 1 ． [ 6 ] Y o u c a iZ h a o ，S t a d o r t hR ．I n t e r g r a t e dh y d r o m e t a l h r g i c a lp r o c e s sf o rp r o d u c t i o no fz i n cf r o me l e c t r i ca l cf u r m e ed u s ti na l k a l i n e m e d i u m [ J ] ．J o u r n a lo fH a z a r d o u sM a t e r i a l s ，2 0 0 0 ，8 0 1 3 2 2 3 2 4 0 ． [ 7 ] Y o u c a iZ h o ，S t a n f o r t hR ．S e l e c t i v eS e p a r a t i o no fl e a df r o ma l k a l i n ez i n cs o l u t i o nb ys u l f i d ep r e c i p i t a t i o n [ J ] ．S e p a r a t i o nS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，3 6 1 1 2 5 6 1 2 5 7 0 ． 万方数据 第3 期 张承龙等碱浸电解生产金属锌粉技术6 9 [ 8 ] 赵由才．碱浸一电解法从氧化锌 矿、泥、尘、渣 中生产高纯度金属锌粉中国0 3 1 1 6 7 4 ．3E P ] ．2 0 0 5 0 9 0 8 ． P r o d u c t i o no fZ nP o w d e rb yA l k a l i n eL e a c h i n ga n dE l e c t r o w i n n i n g Z H A N GC h e n g - l o n 9 1 ．- ，L I UQ i n 9 3 ，Z H A OY o u ．c a i l ”，Z H UQ i n g o ∞e i 3 。Y IT i a n ，s h e n 9 3 1 ．C o l l e g eo fR e s o u r c ea n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，E a s tC h i n aU n i v e r s i t ya n dT e c h n o l o g y ，S h a n g h a i2 0 0 2 3 7 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lD ，U r b a nD e v e l o p m e n ta n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，S h a n g h a iS e c o n dP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 1 2 0 9 ， C h i n a ；3 ．T h eS t a t eK e yla b o r a t o r yo fp o l l u t i o nC o n t r o la n dR e s o u r c eR e u s e ，T o n g i iU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 0 0 9 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h en e wt e c h n o l o g yo fp r o d u c t i o no fZ np o w d e rb ya l k a l i n el e a c h i n ga n de l e c t r o w i n n i n gi sd e s c r i b e d ．T h e 2 0 0 0 - - 5 0 0 0 t ／aZ np o w d e rp r o d u c t i o np l a n tu s i n gt h i sn e wt e c h n o l o g yi s c o m m e r c i a l l yo p e r a t e d ，i ti st h ef i r s t b o t hi nd o m e s t i ca n da b r o a d ．T h ei n d n s t r i a lp r a c t i c es h o w st h a tt h et e c h n i c a li n d e x e sa r es t a b l e ．t h ef l o w s h e e ti s s i m p l e ，t h ea d a p t a b i l i t yf o rr a wm a t e r i a li sw i d e ，o p e r a t i o nc o s ti sl o w 。a n di ti se n v i r o n m e n tf r i e n d s h i p ．T h e s u s t a i n a l b ed e v e l o p m e n to ft h ez i n cm e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g yw i l lb ea c c e l e r a t e db yt h ea p p l i c a t i o no ft h i sn e w t e c h n o l o g y ． K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ；Z np o w d e r ；a l k a l i n el e a c h i n g ；e l e c t r o w i n n i n g ；c l e a n e rt e c h n o l o g y 上接第3 5 页，C o n t i n u e df r o mP ．3 5 O p t i m i z i n gT e c h n o l o g i c a lP a r a m e t e r so fC o p p e r N a n o p a r t i c l e sP r e p a r a t i o nb yO r t h o g o n a lE x p e r i m e n t H U A N GL i n ，Z H A ND a n ，X I A 0Z u o - 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