焙烧

18:341造成矿物难以浸出的因素很多，但概括而言主要有三方面。一是矿物自身的难浸性；二是经济上的难浸性；三是环保限制上的难浸性。对矿物原料进行预处理的目的就是要消除或减少上述因素的影响，使目的组分能经济的、对环境友好的进行化学浸出。矿物预处理方法主要有焙烧法、化学预处理法和生物预处理法等焙烧法是有色金属选冶中的传统工艺，其目的是使某些矿物发生分解或转化成其它易浸出的化合物，以便为下一步的浸出提供良好的动力学条件。化学预处理是通过加压、加温和添加化学试剂对矿石中的有关矿物进行氧化和处理是目的矿物暴露，以便下一步浸出操作。生物预处理是借助于微生物的代谢来氧化某些矿物（如黄铁矿、砷黄铁矿）使包裹在其中的矿物或有价元素暴露出来供下一步浸出。18:3422.Roasting:Basics•Definition:焙烧是物料在适宜的气氛和熔点以下加热，使原料中的目的组分发生物理和化学变化的过程，它的目的在于改变物料的化学组成和物理性质，以便于下一步处理。Namely,使原料中的某些难溶目的矿物转变为易于溶出的化合物；除出有机质或某些含杂质的组分的矿物转变为难于浸出的形态；改善被浸物料的结构、构造，etc..•焙砂:焙烧后的产品。•焙烧：为多相化学反应，由气体的扩散和吸附-反应两个步骤来控制。•影响因素有：气体成分和浓度、气体的运动特性、温度以及物料的物理及化学性质（如粒度、孔隙度、矿物组成和化学组成等）。•焙烧过程一般能耗高、不易控制、劳动条件差、环境污染、投资经费高。18:3432.Roasting:Basics•实质上是在适当气氛中加热矿物原料至低于矿物组分熔点温度，使目的组分与炉气发生化学反应转变成适于续后处理作业所要求的形态。18:344焙烧过程的分类•根据焙烧在化学选矿过程中的作用和其主要化学反应性质可分为：•还原焙烧•氧化焙烧•氯化焙烧(Chlorination)•氯化离析•加盐焙烧•煅烧18:3452.Roasting:焙烧过程的理论基础•工业上实施焙烧过程，必须要考虑的两个问题。•一是在给定条件下焙烧过程的主要化学反应能否发生，若能发生又能进行到什么限度，外界条件和物质组成对于焙烧反应有什么影响。•另一问题是焙烧反应能以多大的速度进行和各种条件对于化学反应速度的影响。•前者是化学热力学研究的对象，后者属于化学动力学的范畴。18:3462.Roasting:焙烧过程的理论基础•焙烧过程热力学--研究在给定条件下，化学反应自动进行的可能性、方向与限度、以创造条件达到选择性分离有价组分的目的•热力学第二定律aA+bB=dD+hHΔG=ΔGº+RTlnbBaAhHdDaaaa在恒温恒压条件下，反应由左向右自动进行的条件是ΔG＜0，即自由焓变量为负值；当ΔG＝0时，表示反应达到了平衡状态化学热力学指出了一个解决化学反应方向问题的方法，同时也表明了化学反应等温式的重要性。18:3472.Roasting:焙烧过程的理论基础•焙烧过程动力学：在给定的焙烧条件下，若ΔG＜0，只能说明焙烧反应可能发生，但反应实际进行的速度如何，热力学并不能回答，而是属于化学动力学的研究范畴。•研究化学动力学的目的是为了控制生产过程，为此必须研究各种外界条件对于反应进度的影响，查明化学反应的历程，定量地研究反应的各个步骤及总反应，从而找出提高反应速度的有效途径。•由于影响反应速度的因素很复杂，除温度、压力、浓度等条件之外，催化、杂质甚至容器的材质与形状也会显著地改变反应的速度，加之在同一体系中常常有几种反应同时发生而使过程的分析更为困难。。18:348化学动力学的某些基本概念•化学反应速度和速度控制步骤•化学反应速度可定义为反应物浓度减小的速度或反应产物浓度增大的速度。dtdCdtdx通常的化学反应方程式代表了整个反应过程，但是实际上整个化学反应过程常常是分步进行的。其中进行得最慢的反应步骤决定着整个反应过程的速度，所以叫做速度控制步骤18:349化学动力学的某些基本概念•浓度对反应速度的影响——质量作用定律在一定温度下反应速度与各个反应物浓度的若干次方成正比aA+bB=gG+hHbBaAGbBaAACKCdtdCCKCdtdC或只有当化学反应式能表示反应的真实过程时才能应用质量作用定律。对于大多数反应方程式并不知道它是否代表反应的真实过程，因而只能用实验来测定反应物浓度与速度之间的关系。根据实测反应速度与浓度之间的关系可将反应分为零级、一级、二级、三级和分数级。反应的级数即质量作用定律中各反应物浓度的指数之和18:3410化学动力学的某些基本概念•温度对反应速度的影响：速度常数K与温度的关系可用著名的阿仑尼乌斯方程(ArrLenius)表示K＝ARTEelogK＝logA-RTE303.2logK-1/T成直线关系，从直线的斜率可求反应的活化能E；直线的截距给出了logA，从而可求出A值18:3411多相反应的动力学：多相反应及其步骤•在多于一相之间发生的反应称为多相反应。虽然反应体系中可能存在着更多的相，但实际上只可能有两个相参加反应其理由在于反应过程的总速度只被其中某些反应步骤的速度所决定(即速度控制步骤)。如金的氰化反应过程是在固体金、NaCN溶液和氧气三相之间发生的，但氧由气相转入液相的速度很快，所以可简化成固-液反应。多相反应可分为五类：固-气（与焙烧过程直接相关的多相反应）、固-液、固-固、液-气、液-液。18:3412•依照焙烧过程主要化学反应的不同，可进一步将焙烧反应分为以下四种类型：多相反应的动力学：多相反应及其步骤(1)固体+气体（Ⅰ）→气体（Ⅱ）+气体（Ⅲ）高温氯化焙烧(2)固体（Ⅰ）+气体→固体（Ⅱ）金属氧化物和金属硫化物的硫酸化焙烧(3)固体（Ⅰ）+气体（Ⅰ）→固体（Ⅱ）+气体（Ⅱ）金属氧化物的还原焙烧和金属硫化物的氧化焙烧(4)固体（Ⅰ）→固体（Ⅱ）+气体加热条件下金属化合物的分解反应18:3413多相反应的动力学：多相反应及其步骤•上述焙烧过程之固-气反应的共同特征，整个反应过程包括几种中间步骤(亦称“环节”)。典型的中间步骤可归纳如下：•(1)反应气体从气流本体通过围绕着固体反应物表面的气膜层扩散到固体的外表面，即外扩散；•(2)反应气体进一步通过固体反应产物层的孔隙扩散到固体产物-固体反应物之间的界面，即内扩散；•(3)反应气体在固-固界面上的化学吸附并与固体反应物发生化学反应，然后气体产物从反应界面上解吸；•(4)气体产物通过固体产物层的孔隙(内扩散)排到固体产物层的外表面；•(5)反应气体产物通过固体的气膜层扩散到气流本体中去。多相反应的动力学是比较复杂的，尤其是在总反应的步骤多而各步骤的速度又相差不大时，每一步骤的速度都对总反应速度有影响。但在通常情况下往往只是某个步骤的速度要比其它步骤速度小得多而成为总反应速度的控制步骤，它决定了总反应的速度。因此必须首先查明在一定条件下的控制步骤以便采取措施加速总反应速度。18:3414影响焙烧反应速度的主要因素•(1)焙烧反应中的气相传质过程•(2)固体反应物粒度与致密度•(3)温度的影响•(4)反应气体浓度(分压)的影响18:3415化学动力学讨论焙烧过程的动力学，其最终目的是通过对具体矿物原料的试验研究查明过程的控制步骤，从而找出加速反应过程的途径。首先必须用实验测定在不同反应时间内产物的数量或反应物浓度(分压)变化的数据，然后根据实验数据确定反应的级数(n)，并将反应级数n代人相应的反应速度的微分方程式，积分便可求出速度常数K。再通过实验确定若干温度下的K值，即可由阿仑尼乌期公计算反应的表观活化能E，并可由logK-1/T坐标曲线分析速度常数随温度的变化关系。根据E值便能判定反应是在什么区域进行，也就是说可以查明反应的控制步骤。1、若反应在动力学区域进行，则常用的措施是提高反应温度、增大反应气体浓度(分压)、活化反应界面与增大比表面积、提高固体孔隙率以及采用催化剂等；2、若过程受外扩散限制，那么较有效的措施是提高气流速度，增加气流的紊流程度；3、如果固体中的内扩散是控制步骤，那么强化过程速度的方法是减小物料粒度以及增大孔隙率。18:3416还原焙烧还原焙烧是在低于炉料熔点和还原气氛条件下，使矿石中的金属氧化物转变为相应低价金属氧化物或金属的过程。除了汞和银的氧化物在低于400℃温度条件下于空气中加热可分解析出金属外，绝大多数金属氧化物不能用热分解的方法还原，只能采用添加还原剂的方法将其还原，其中最常用的是CO、氢气和固体碳.金属氧化物的还原可用下式表示:即PO2（RO）PO2（MO）因此凡是对氧的亲和力比被还原的金属对氧的亲和力大的物质均可作为该金属氧化物的还原剂18:3417Reductionmethodsforproducingsomecommonmetals.•Note:•Ingeneral,theeaseofreducinganoretothefreemetalincreasesfromlefttorightoftheperiodictable.18:3418还原焙烧•金属氧化物矿石等在还原剂（氢、碳等）作用下的焙烧。目的在于将物料还原为较低价的氧化物或金属，以便于分离和富集，如镍矿石还原成金属后利于浸出；难选氧化铜的还原焙烧；贫赤铁矿还原为磁铁矿石可以弱磁选富集。•凡是对氧的化学亲和力比被还原金属对氧的亲和力大的物质，均可作为该金属氧化物的还原剂。18:3419examples•1、氧化铁矿石的磁化焙烧•2、结合氧化铜（e.g.CuO.Fe2O3)的还原焙烧（原生硫化铜.次生硫化铜.自由氧化铜.结合氧化铜）18:3420Adiagramofablastfurnaceforreductionofironore.•Modernblastfurnacesareaslargeas60minheightand14mindiameter.Theyaredesignedforcontinuousoperationandproduceupto10,000tonsofironperday.•Note:theapproximatetemperaturesandthechemicalreactionsthatoccurinthevariousregionsofthefurnace.18:3421各种煤气的主要成分煤气种类煤气成分CO2CnH2nO2COH2CH4N2QH千卡/标米3焦炉煤气3.02.80.48.858261.14800混合煤气13.00.40.522.314.35.144.41552高炉煤气15.36——25.372.110.3656.8830水煤气8.0—0.637.050.00.44.0243018:3422金属硫化矿的石灰还原焙烧制取金属•新工艺：即在有硫的吸收、净化剂石灰存在下，用气体和固体还原剂，直接还原金属硫化矿以制取金属。•无石灰的反应：MeS+H2=Me+H2S•MeS+CO=Me+COS•MeS+0.5C=Me+0.5CS2•石灰的作用：CaO+H2S=CaS+H2O•CaO+COS=CaS+CO2•CaO+0.5CS2=CaS+0.5CO2•除CdS和ZnS外，其他的石灰强化还原均可实现；CaS可煅烧再生石灰，同时回收硫。18:3423氧化焙烧•这是一种最常用的焙烧方法。将金属的硫化物矿石或精矿利用空气中氧焙烧成氧化物，或将低价氧化物转变为高价氧化物，有时还可脱去挥发性物质，如砷、锑、硒等。如果将金属的硫化物矿石在氧化气氛中进行焙烧，使之转化为易溶的硫酸盐，以便用水浸出，则称为硫酸化焙烧。•氧化焙烧：是焙烧方法中应用最广的一种。•反应：2MeS+3O2=2MeO+2SO2•2SO2+O2=2SO3•MeO+SO3=MeSO4•可控制焙烧条件(Pso3)得到所需要的焙烧产物.硫化矿物在氧化气氛条件下加热，将全部(或部分)硫脱除转变为相应的金属氧化物(或硫酸盐)的过程，称为氧化焙烧(或硫酸化焙烧)。2232OSOPP22322OSOSOPPP)(431MSOSOP因此，在一定温度下，硫化矿物氧化焙烧产物取决于气相组成