2化学选矿焙烧

第2章矿物原料的焙烧•1概念：焙烧是在适宜的气氛和低于物料熔点的温度条件下，使矿物原料中的目的组分矿物发生物理和化学变化的工艺过程。该过程通常是作为选矿准备作业，以使目的组分转变为易浸出或易于物理分选的形态。第2章矿物原料的焙烧•第一节概述•第二节还原焙烧•第三节氧化焙烧与硫酸化焙烧•第四节氯化焙烧与氯化离析•第五节煅烧与其他焙烧方法第一节概述•一、焙烧过程的分类焙烧是物料在熔点以下加热的一种过程，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。焙烧后的产品称焙砂。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：(1)还原焙烧；(2)氧化焙烧；(3)氯化焙烧；(4)氯化离析；(5)加盐焙烧；(6)煅烧。一、焙烧过程的分类•(1)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；贫赤铁矿还原为磁铁矿石可以磁选富集。•(2)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在空气中焙烧成氧化物，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。一、焙烧过程的分类•(3)氯化焙烧在添加氯化剂(食盐、氯化钙或氯)的条件下，焙烧矿石、精矿、冶金过程的中间产品，使其中某些金属氧化物、硫化物转化为氯化物的过程叫氯化焙烧。根据所用温度的不同、分为高温和中温氯化焙烧。在高温氯化焙烧中，使生成的金属氯化物挥发丽在收尘系统中捕集；在中温氯化焙烧中，使可溶性氯化物仍保留于焙砂中，而用稀酸溶液浸出回收。这种方法可用于处理黄铁矿烧渣，以回收有色金属、稀贵金属，残渣则用作高炉炼铁原料。一、焙烧过程的分类•(4)氯化离析是将破碎至适当粒度的矿石与少量的固体氯化剂、碳质还原剂混合，在700～800‘c的中性或弱还原性气氛中焙烧，有价金属氯化物挥发并同时在碳粒表面沉积还原成金属颗粒，这一过程称为氯化还原焙烧，又称氯化离析。•(5)加盐焙烧为了从物料中提取钒、钨、铬等有价金属，在焙烧过程中加入盐类添加剂，使之转化成相应的可溶性盐，便于浸出，这类焙烧称为加盐焙烧。一、焙烧过程的分类•(6)煅烧在低于熔点的适当温度下，加热物料，使其分解，并除去所含结晶水、二氧化碳或|三氧化硫等挥发性物质的过程称为煅烧。例如，经煅烧后石灰石失去二氧化碳而生成生石灰；氢氧化铝脱水而生成氧化铝；碱式硫酸钛失水和三氧化硫而成二氧化钛等。二、焙烧炉•焙烧是在焙烧炉中进行的。工业焙烧设备最基本的要求就是能创造良好的气固接触条件。目前工业实践中常用的焙烧炉有以下几种类型：•（1)回转窑。(2)多膛焙烧炉。(3)沸腾焙烧炉（1)回转窑•它是一种连续生产的旋转高温窑炉。窑身为衬育耐火材料的钢制圆筒，斜卧在钢制的托轮上，绕轴缓缓旋转。煤粉、气体燃料或液体燃料自低的一端与空气一同喷入并燃烧，废气从另一端排出。物料则循相反方向缓缓移动，逐渐烧成排出。回转窑优缺点•优点：回转窑的特点是结构简单、搅拌良好、热分布均匀，可广泛用于还原焙烧、氧化焙烧、挥发焙烧等过程。•缺点：温度难以控制，一旦形成所谓的环状炉结，会给操作带来困难，生产率和热效率都比较低。回转窑的结构(2)多膛焙烧炉是一种较为古老的适合于粉状物料焙烧的设备，有韦氏焙烧炉和赫氏焙烧炉两种型式，其结构大致相似。多膛炉是间隔多层炉膛的竖式圆筒型炉，在其中心部装有空心的旋转轴带动伸在各层炉膛中的搅拌臂不断回转。其搅拌臂全部采用空气内冷。物料由炉顶最上部装入，通过搅拌由周边向中心集中，又从中心向周边分散逐层地下移，经过干燥、焙烧之后从最下层的排砂口排出，炉气在炉内与物料相反方向流动，当炉料一层层向下运动时，被炉子下部焙烧反应产生的上升热气流逐渐加热，最后达到所要求的焙烧温度，并在炉膛内作逐层运动中完成焙烧反应。多膛焙烧炉优缺点•优点：多膛炉外形结构简单、散热量少、热效率高，如果依次进行不同的焙烧反应，该炉使用却很方便。•缺点：该炉缺点是温度难以控制、物料停留时间长、生产能力低。(3)沸腾焙烧炉这是一种较为新型的焙烧工艺设备。适合于处理粉状物料，气固接触效率高，而且结构简单。在炉体底部设有许多空气通入孔，由于通入空气而保持沸腾状态，在炉内形成沸腾层完成焙烧。矿粉可以直接地给入，也可以与水制成矿浆给入（称为流态输送矿泥）。焙烧的矿粉一部分做为溢流焙砂，从沸腾层上部连续排出，另一部分做为载运焙砂与炉气一起从炉顶逸出，被旋风收尘器捕集。二者都经过了焙烧，合并在一起做为最终的焙砂。沸腾焙烧炉优缺点•优点：焙烧反应温度可通过给入的矿量或设在层内的水冷管以及矿浆的加水量等进行控制，因此氧化焙烧可以在沸腾炉内极好地进行。沸腾焙烧容易实现大型化和自动化，成为目前处理硫化矿的代表设备。•缺点：焙烧过程一般都是能耗很高、不易控制、劳动条件差、对环境有污染、投资经费高，一般需经过技术经济论证后才可采用。沸腾焙烧炉结构第2章矿物原料的焙烧•2焙烧理论：化学热力学和动力学理论3焙烧理论•化学热力学•化学热力学对任意一可逆的化学反应:aA+dD≒eE+fF△G=△G￠T+RT1nQ=-RT1nK+RT1nQ=RT(1nQ-1nK)式中：△G－指定条件下的过程自由能变化（焦/摩）△G￠T－标准状态下的过程自由能变化；R－理想气体常数（8.314焦/开·摩）T－绝对温度（开）K－平衡常数Q－指定条件下，反应生成物与反应物的活度商•化学热力学•化学热力学•化学动力学3焙烧理论•3影响焙烧反应速度的主要因素：气体中反应气体的浓度；气流的运动特性；温度；物料的物理和化学性质（如粒度，空隙度，化学组成及矿物组成等）第2章矿物原料的焙烧4分类：根据焙烧的气氛条件及过程中目的组分发生的主要化学变化，可将焙烧过程大致分为：氧化焙烧与硫酸焙烧还原焙烧氯化焙烧与氯化离析钠盐焙烧煅烧1.1氧化焙烧与硫酸化焙烧硫化矿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）。在焙烧条件下，硫化矿转变为金属氧化物和金属硫酸盐的反应可表示为：2MS+2O２=2MO+2SO２⑴2SO2+O22SO3⑵MO+SO32MSO4⑶反应⑴是不可逆的，而⑵，⑶是可逆的。1.1氧化焙烧与硫酸化焙烧32122osoppK反应的平衡常数为：在一定温度下，硫化矿氧化焙烧产物取决于气相组成和金属硫化物、氧化物及金属硫酸盐的离解压。223222ososopppK)(3431MSOsopK2MS+2O2=2MO+2SO22SO2+O22SO3MO+SO32MSO41.1氧化焙烧与硫酸化焙烧当炉气中的三氧化硫分压大于金属硫酸盐的分解压即：)(24323MSOsoosoPPkP焙烧产物为金属硫酸盐，过程属硫酸化焙烧当炉气中的三氧化硫分压小于金属硫酸盐的分解压即：)(24323MSOsoosoPPkP焙烧产物为金属氧化物，过程属氧化焙烧1.1氧化焙烧与硫酸化焙烧各种金属硫酸盐的分解温度和分解自由能不同，控制被烧温度和炉气成分即可控制焙烧产物组成，以达到选择硫酸化焙烧的目的。Al2(SO4)3NiSO4CuSO4ZnSO4FeSO4PbSO412341:10.1%SO2+5.05%O2;2:7.0%SO2+10%O2;3:4.0%SO2+14.6%O2;4:2.0%SO2+18.0%O2;毫米汞柱温度实线——PSO3(MSO4)与温度关系虚线——PSO3与温度关系1.1氧化焙烧与硫酸化焙烧1.1.1铁的硫化物4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO23FeS+5O2=2Fe3O4+3SO22FeS+3.5O2=Fe2O3+2SO2温度300-500℃及以上，最后一个反应在700℃时立即向右移动。1.1氧化焙烧与硫酸化焙烧1.1.1铁的硫化物16Fe2O3+FeS2=11Fe3O4+2SO210Fe2O3+FeS=7Fe3O4+SO26Fe2O3+Cu2S=2Cu+4Fe3O4+SO29Fe2O3+ZnS=ZnO+6Fe3O4+SO2Fe2O3+MO=MO·Fe2O3焙烧过程生成的氧化铁与其他金属化合物发生相互反应：600-800℃时，最后三个反应进行甚为完全。1.1氧化焙烧与硫酸化焙烧1.1.2铜的硫化物焙烧过程铜的硫化物的反应：4332222222422222CuSO650SOCuOSO650O21SOOO2Cu10004CuOSO2CuO3002OSCu2CuSOCuO300~2005OS2CuSCuS4002CuSS2FeSCuS5502CuFeS1.1氧化焙烧与硫酸化焙烧1.1.2铜的硫化物当有硫化物存在时，反应生成的硫酸铜会在很低的温度下进行相互反应而分解，见下式。因此，铜的硫酸化焙烧应该温度低于650℃，氧化焙烧要高于650℃。2224224SO3O2Cu400~300SCu2CuSO2SOO2Cu1003CuSCuSO1.1氧化焙烧与硫酸化焙烧1.1.3锌硫化物焙烧过程闪锌矿的反应：2232234424332222O2SO3ZnO700SO23ZnOO21SO2SO3ZnO2003ZnSOZnSO2OZnSZnSO300~200SOZnOSO400O21SOSOZnOO23ZnS着火温度550度，生成硫酸锌和氧化锌薄层致密，较难氧化。1.1氧化焙烧与硫酸化焙烧1.1.4铅硫化物焙烧过程方铅矿的反应：24244332222SOPbO950PbSOSO44PbO5503PbSOZnSOSOPbOSOO21SOSOPbO23PbSPbSO焙砂中铅主要呈氧化铅形态存在。方铅矿的焙烧宜在低温下进行。1.1氧化焙烧与硫酸化焙烧1.1.5砷硫化物砷常呈毒砂（FeAsS）和雌黄（As2S3)中性条件下分解：322OAsO232AsFeSAsFeAsS氧化气氛中：332232332322SO3OAsO29SAsSO2OAsOFe5OFeAsS1.1氧化焙烧与硫酸化焙烧1.1.5砷硫化物As2O3易挥发，120℃时挥发已显著，其挥发率随温度的升高而快速增加，500℃时的蒸汽压可达1个大气压，部分在氧气剂的作用下可转变为发挥性小的As2O5，升高温度和增大空气过剩量将促进的氧化砷生成。生成的氧化砷将与金属氧化物（PbO\CuO\FeO等)作用生成砷酸盐:2435224352)(AsOPbOAs3FeO)(AsOPbOAs3PbO生成的砷酸盐很稳定，只在高温时才离解，因此，氧化焙烧时通常难予将砷全部除去。1.1氧化焙烧与硫酸化焙烧1.1.6其它硫化物银的硫化物(Ag2S):焙烧产物灰银矿、金属银和硫酸银金（Cu)：不发生变化锑化合物(Sb2S3、脆硫锑铅矿Pb2Sb2S3）：同砷相似镉化合物(CdS)：氧化镉和硫酸镉，高温时挥发富集与烟尘中铊和铟:800－1000℃时以氧化态挥发。1.1氧化焙烧与硫酸化焙烧1.1.7脉石矿物脉石矿物石英、方解石、白云石、菱镁矿、石膏等，焙烧时会发生下列反应：22323234442332323SiO2MO2MOSiOOFeCaOOFeCaO2SOCaO1250CaSOMOCaSOMSOCaO2COMgOCaO700MgCOCaCOCOCaO900CaCOCOMgO600MgCO1.1氧化焙烧与硫酸化焙烧1.1.8氧化焙烧实践氧化焙烧温度应高于相应硫化物的着火温度，而硫化物的着火温度与其粒度有关。粒度（毫米）该粒度下着火温度（℃黄铜矿黄铁矿磁硫铁矿闪锌矿方铅矿0.1~0.153644224606377200.15~0.203754234656447300.2~0.33804244716467300.3~0.53854264756467300.5~1.03954264806467401.0~2.041042848