1.3. Окислительный обжиг сульфидных цинковых концентратов

Главная цель окислительного обжига цинковых концентратов – как можно быстрее и эффективнее перевести сульфид цинка и сульфиды других металлов в форму оксидов и получить продукт обжига, удовлетворяющий требованиям его последующей переработки. Кроме того, необходимо получить газы, пригодные для последующего извлечения из них серы, а также по возможности максимально утилизировать тепло, выделяющееся в больших количествах при окислении сульфидов металлов, содержащихся в концентрате.

Цинковый огарок, направляемый на выщелачивание, должен удовлетворять следующим требованиям:

 содержание сульфидной серы не более 0,5 %;

 содержание сульфатной серы в пределах 2-4 % для компенсации расходования и потерь серной кислоты в цикле выщелачивания огарка и очистки раствора от примесей;

 размер частиц огарка не более 0,15-0,2 мм;

 минимальное содержание ферритов и силиката цинка.

В современном промышленном производстве цинка для получения огарка такого качества практически повсеместно обжиг цинковых концентратов проводят в печах кипящего слоя при температурах 900-1000 С (чаще 930-980 С).

Конечный продукт обжига концентрата для последующей переработки пирометаллургическим способом – агломерат – должен отвечать другим требованиям:

 достаточная прочность и пористость;

 содержание сульфидной и сульфатной серы в сумме не более 1 %;

 размер частиц после дробления, соответствующий типу печи для дистилляции цинка (например, для плавки агломерата в рудно-термических электрических печах чаще всего 4-12 мм, для плавки в шахтных печах –20-60 мм).

В настоящее время при переработке пирометаллургическим методом только цинковых концентратов обжиг их проводят обычно в две стадии. Сначала концентрат обжигают частично или полностью в печах кипящего слоя при 1050-1200 ^оС, а затем проводит агломерирующий обжиг полученного огарка на прямолинейных спекательных машинах при температурах в зоне горения и спекания до 1200-1400 С. Потребности тепла обеспечиваются как за счет реакций окисления сульфидов, так и за счет ввода в шихту необходимого количества коксика.

Если на заводе плавкой агломерата в шахтных печах перерабатывают совместно цинковые и свинцовые концентраты, то обжиг шихты проводят в одну стадию на агломерационных машинах аналогично одноступенчатому спекающему обжигу свинцовых концентратов.

При взаимодействии сульфида цинка с кислородом возможны следующие первичные реакции:

ZnS + 2O₂ = ZnSO₄ + 777,4 кДж; (1.1)

ZnS + 1 ½ O₂ = ZnO + SO₂ + 441,8 кДж; (1.2)

ZnS + O₂ = Zn + SO₂ + 83,7 кДж. (1.3)

Как видно, реакции (1.1)-(1.3) являются экзотермическими^*. Они имеют очень большие отрицательные значения энергии Гиббса G⁰ и константы равновесия K_р  1, т.е. их равновесие сильно сдвинуто в правую сторону. Это относится и к сульфидам других металлов, находящихся в цинковых концентратах. Многочисленными исследованиями установлено, что от температуры заметного окисления сульфида цинка до температур 900-1000 С основным твердым продуктом является оксид цинка, следовательно, окисление сульфида цинка до температур 900-1000 С протекает по реакции (1.2). При более высоких температурах может частично протекать реакция (1.3). Парообразный цинк затем окисляется в газовой фазе с образованием оксида цинка. В газовой фазе имеет место также реакция 2SO₂ + O₂   2SO₃, приводящая к образованию некоторого количества триоксида серы, который может взаимодействовать с оксидом цинка с образованием вторичного нормального (ZnSO₄) или основного (3ZnO  2SO₃) сульфатов цинка по реакциям

ZnO + SO₃   ZnSO₄; 3 ZnO + 2SO₃   3ZnO  2SO₃.

Из других вторичных процессов необходимо отметить возможность образования при обжиге феррита и силиката цинка по реакциям

ZnO + Fe₂O₃ = ZnFe₂O₄ ; 2ZnO + SiO₂ = Zn₂SiO₄.

Таким образом, цинк в огарке или агломерате может находиться в виде следующих соединений: ZnO, ZnFe₂O₄, Zn₂SiO₄, ZnSO₄, 3ZnO  2SO₃, ZnS.

По реакциям, аналогичным приведенным выше, будут происходить при обжиге превращения сульфидов и других металлов, присутствующих в цинковых концентратах.

Окислительный обжиг цинковых концентратов является типичным гетерогенным процессом в системе газ – твердое и состоит из нескольких последовательных стадий, главными из которых являются следующие:

 доставка кислорода к реагирующей поверхности частицы концентрата;

 активированная адсорбция кислорода по поверхности сульфида;

 взаимодействие сульфида металла с кислородом;

 десорбция газообразных продуктов реакции (SO₂ и SO₃);

 их отвод от реакционной поверхности в газовую фазу.

на скорость обжига влияют, в основном, следующие факторы: температура, размер и пористость частиц концентрата, пористость продукта обжига, концентрация кислорода в газовой фазе, скорость движения газового потока по отношению к твердым частицам.

Таблица 1.1