Выщелачивание обожженного цинкового концентрата

 

 

 Рисунок 5 – Схема двустадийного непрерывного противоточного выщелачивания обожженного цинкового концентрата 
 

    Принцип противотока позволяет вести  выщелачивание цинка во второй стадии крепкими растворами серной кислоты (130-150 г/л H₂SO₄), а в первой стадии вести выщелачивание слабым раствором (50-60 г/л H₂SO₄), в результате чего раствор, получаемый с первой стадии, не содержит кислоты (рН = 5,2÷5,4). При таком выщелачивании нейтральный раствор содержит минимальное количество примесей, что упрощает и удешевляет его очистку перед электролизом.

    В первой стадии выщелачивания (так называемый нейтральный цикл) решаются следующие технологические задачи:

    1)   растворение из огарка сульфата  цинка и некоторой части оксида  цинка;

    2)   нейтрализация избытка серной  кислоты в растворе, поступающем  с кислого выщелачивания;

    3)   гидролитическая   очистка   раствора от примесей;

    4)  осветление раствора, отделение  его от твердой фазы;

    5)  утилизация тепла огарка.

    Конечная  цель нейтрального выщелачивания - получить цинксодержащий раствор, очищенный от гидролизующихся примесей.

    Задачи  второй стадии выщелачивания (кислый цикл):

    1) полное растворение цинка из  огарка;

    2)  по возможности избежание растворения  примесей;

    3)  окисление мышьяка и германия;

    4)  очистка раствора от примесей;

    5)  разделение фаз и отмывка растворенного  цинка от твердой фазы.

    Конечная  цель кислого выщелачивания—получить кек, не содержащий растворимых соединений цинка.

    На  некоторых заводах («Трейл» и  «Флин-Флон», Канада; «Грейт-Фолс», США), двустадийная непрерывно-противоточная  схема дополнена периодическим  довыщелачиванием сгущенной кислой пульпы  (третья стадия).

    Выбор той или иной схемы выщелачивания  зависит от качества перерабатываемого  сырья. При большом масштабе производства, устойчивом составе сырья и высоком  его качестве непрерывное выщелачивание  более рационально. Периодическое выщелачивание как более гибкий процесс целесообразно использовать при переработке сырья с повышенным содержанием примесей.

    Периодическое выщелачивание по сравнению с  непрерывным отличается меньшей  производительностью на единицу  производственной площади, большей стоимостью и сложностью оборудования, требует непрерывного наблюдения за ходом процесса. Одностадийное выщелачивание обычно осуществляют в периодическом варианте.

    При переработке концентратов низкого  качества с высоким содержанием  мышьяка (до 0,5 % As) или кремнезема (до 8 % Si0₂) рационально применять схему одностадийного выщелачивания или схему «обратного» выщелачивания, осуществленную на заводе «Монсанто» (США). Сущность «обратного» выщелачивания заключается в проведении одностадийного периодического процесса при постоянной низкой кислотности (0,05 г/л H₂SO₄). Это достигается медленным вводом отработанного электролита в нейтральную пульпу. Такой прием предотвращает переход в раствор кремнекислоты, но приводит к снижению прямого извлечения цинка. Применять этот прием следует только в тех случаях, когда стандартные схемы выщелачивания Цинковых огарков неэффективны. [2] 
 
 

    2.2 Основное оборудование  для выщелачивания 

    Для непрерывного выщелачивания обычно применяют агитаторы с пневматическим перемешиванием (пачуки). Пачук (рис.6) - это цилиндрический чан с коническим днищем, изготовленный из дерева, нержавеющей стали или железобетона и футерованный внутри листовым свинцом или кислотостойкой керамикой для защиты от разрушающего действия кислых растворов. Высота чана составляет 6-10 м, диаметр 3-4 м, рабочий объем чана 40-100 м³. Дно чана выполнено коническим для предотвращения застоя циркулирующей в нем пульпы.

    В центре чана установлена вертикальная труба-аэролифт, по которой снизу подают сжатый воздух (0,2-0,25 МПа). Воздух, смешиваясь с пульпой, образует легкую смесь пузырьков воздуха и пульпы, которая вытесняется снизу более тяжелой пульпой и выбрасывается на поверхность пульпы. С наружной стороны аэролифта более тяжелая, не насыщенная воздухом пульпа опускается вниз и снова поступает в аэролифт.

    В результате этого достигается интенсивная  циркуляция перемешиваемой пульпы, способствующая протеканию основных процессов выщелачивания: в нейтральном цикле — гидролиза и нейтрализации образующейся при этом кислоты; в кислом цикле — растворения окисленных соединений цинка и других металлов, присутствующих в огарке, и окисления железа (II) и других окисляющихся соединений.

    Для обеспечения необходимой продолжительности  выщелачивания устанавливают несколько последовательно соединенных пачуков. Исходную пульпу подают в головной пачук, а из последнего пачука пульпу направляют в сгустители. [5]

    

    Рисунок 6 – Пачук 

    При периодическом выщелачивании огарка процесс проводят в агитаторах с  механическим перемешиванием. Агитатор или мешалка (рис.7) состоит из цилиндрического корпуса с коническим днищем и перемешивающего устройства. Внутреннюю поверхность корпуса футеруют листовым свинцом или кислотостойким кирпичом на кислотостойком цементе, подслой делают из рубероида или полиизобутилена. Емкость механического агитатора достигает 150 м³. [2] 

Рисунок 7 – Агитатор 

    Перемешивающее  устройство состоит из пропеллерной мешалки, выполненной из кислотоупорной стали, и диффузора. Применение диффузора способствует интёнсивному перемешиванию. Внутри диффузора пульпа движется сверху вниз, снаружи поднимается снизу вверх и сливается в диффузор через окна. Для защиты от агрессивного и абразивного воздействия пульпы диффузор и пропеллер мешалки гуммируют кислотостойкой резиной.

    Иногда  агитаторы оборудуют змеевиками из кислотоупорной стали, по которым подают пар для нагревания пульпы во время выщелачивания.

    Пульпу, полученную при   выщелачивании   обожженного цинкового   концентрата    (нейтральную и кислую), разделяют на твердую и жидкую фазы. Для разделения фаз применяют отстаивание (сгущение)  и фильтрацию.[5] 

Рисунок 8 – Сгуститель 

    Сгуститель (рис. 8) представляет собой чан диаметром 10-18 м и высотой 4-5 м с подвешенным на ферме перегребающим устройством. Чан изготовляют из дерева, железобетона или листовой стали и футеруют кислотоупорным кирпичом по рубероиду или полиизобутилену. Днище сгустителя делают с небольшим уклоном (8-15°), что помогает оседающему твердому материалу передвигаться к центральному разгрузочному отверстию. Этому же способствует перегребающий механизм, состоящий из привода и вертикального вала с прикрепленной к нему крестовиной с гребками. Перегребающий механизм выполняют из кислотостойкой стали либо гуммируют.

    Пульпу, содержащую 50-100 г/л твердого, подают в приемник с решеткой для   улавливания из пульпы случайных предметов (тряпок, щепок и др.).

    В сгустителе твердые частицы пульпы оседают на дно, собираются перегребающим  механизмом к центру аппарата и выгружаются, а жидкая фаза пульпы вытесняется вновь поступающей более тяжелой пульпой вверх и переливается в кольцевой желоб. Для интенсификации процесса отстаивания в пульпу добавляют полиакриламид (ПАА), способствующий агрегации мелких частиц в более крупные и тяжелые флокулы. Слив сгустителя, почти не содержащий твердого, направляют на очистку, а сгущенную пульпу с отношением ж:т=2-3 подвергают фильтрации.

    Производительность  сгустителя нейтрального цикла составляет 2,5-4,0 м³ осветленного раствора на 1 м² в сутки, кислого цикла 6-7 м³ на 1 м² в сутки. В сгущенной пульпе содержится твердого от 20 до 50 %, в нейтральном сливе 1-2 г/л, в кислом 30-50 г/л. Для первой стадии     фильтрации    применяют     рамный     вакуум-фильтр периодического действия. Он состоит из нескольких железобетонных бункеров, покрытых изнутри кислотостойкой футеровкой, и нескольких фильтрующих «корзин». Корзина представляет собой набор фильтрующих элементов - рам (10-20 рам).[2] 

    Раму (рис. 9) составляет деревянный брус, к которому прикреплена медная изогнутая труба диаметром 25 мм. Один торец трубы заглушён, другой соединен с вакуум-насосом. Нижний горизонтальный участок трубы перфорирован. Между трубой и деревянным брусом установлены деревянные рифленые планки. Всю раму обтягивают фильтровальной тканью. Размер рамы 2,5×3 м. При работе вакуум-насоса внутри тканевого мешка создается разрежение, в результате чего жидкость просачивается сквозь ткань, стекает по бороздкам деревянных планок вниз и отводится через отверстия трубы. Твердые частицы пульпы задерживаются тканью и образуют на ней осадок (кек).[2] 
 

    

    Рисунок 9 – Отдельная рама вакуум-фильтр  

    Корзину с рамами мостовым краном погружают в бункер с пульпой, перемешиваемой воздухом. Включают вакуум. Жидкая фаза пульпы под действием разрежения проходит внутрь рам и по трубам отводится в вакуум-ресивер, в котором с помощью вакуум-насоса поддерживается постоянное разрежение. Фильтрат скапливается на дне ресивера, откуда   перекачивается в чан-сборник.

    Когда слой кека на поверхности рам достигнет толщины 30-40 мм, корзину поднимают краном и, не выключая вакуума, чтобы не отпал кек, переносят в промывной бункер. Для удаления цинкового раствора, содержащегося в порах кека, через кек фильтруют воду. После промывки и подсушки кека вакуум отключают, в фильтр вводят сжатый воздух и кек сбрасывают в бункер с промывной водой. Корзину с рамами возвращают в бункер с пульпой на новой цикл фильтрации. Кек в промывном бункере репульпируют и откачивают на вторую стадию фильтрации.

    Производительность  рамного фильтра по сухому кеку составляет около 0,3 т/сут на 1 м² фильтрующей поверхности. Влажность кека равна 40 %.

    Вторую  стадию фильтрации проводят на дисковых вакуум-фильтрах непрерывного действия (рис.10). Дисковый фильтр состоит из нескольких фильтрующих дисков, вращающихся на центральном валу в металлическом корыте специальной формы. Каждый диск имеет 8-10 отдельных секторов, изготовленных из дерева. На сектора надеты мешки из фильтровальной ткани. В полом валу внутри вдоль стенок отлиты продольные каналы по числу секторов в диске с отверстиями для подсоединения секторов всех дисков. Другой конец каналов соединен с распределительной головкой, к которой подведены трубы вакуумной линии и сжатого воздуха.[2] 

    

Рисунок 10 – Дисковой вакуум-фильтр 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2.3 Расчет технологического процесса выщелачивания обожженного 

           цинкового концентрата                                           

     Расчет  технологического процесса выщелачивания обожженного цинкового концентрата заключается в расчете металлургического процесса (расход серной кислоты на выщелачивания,выход и состав цинковых кеков, состав нейтрального раствора) и составление материальных балансов выщелачивания обожженного цинкового концентрата (на 100 кг огарка, на годовую производительность и на суточную производительность).                                         

     Используется  непрерывное одностадийное нейтральное выщелачивание, схема которого приведена на рис.11. [7] 

       

Рисунок 11 – Схема выщелачивания цинкового  огарка 
 

     Производительность  – 160 тыс. тонн огарка в год.

     Химический состав цинкового огарка, %: Zn – 47,6; Pb – 1,8; Fe – 5,6; Cu – 1,4; Cd – 0,6; SiO₂ – 3,8; CаO – 1,3; Al₂O₃ – 1,7; сера – из вещественного состава, прочие.

     Цинк  присутствует в виде: ZnO – 85,0%; ZnSO₄ – 10,0%; ZnO∙ Fe₂O₃ – 2,9%;  ZnS – 2,1%; свинец в виде: PbO – 75,0%; PbS – 6,5; остальной - PbSO₄;