典型锑-金冶炼过程金和铅物质流分析.pdf
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1、d o i:j i s s n 收稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目(Y F C )作者简介:王科(),男,硕士,工程师典型锑金冶炼过程金和铅物质流分析王科,刘红召,王威,柳林,王洪亮,(中国地质科学院 郑州矿产综合利用研究所,郑州 ;自然资源部多金属矿综合利用评价重点实验室,郑州 ;河南省黄金资源综合利用重点实验室,郑州 )摘要:应用物质流分析锑金火法冶炼系统.以金、铅为目标元素,建立了基于生产系统的物质平衡表和物质流图,构建了有关系统直接回收率、废物回收率、资源利用效率的评价指标体系.结果表明:系统内金的资源利用效率为 ,挥发熔炼、挥吹炉挥吹、还原熔炼和除杂精炼过程金的直收率分别为 、
2、和 .同时,每产出t金属锑,会有 k g的铅进入到冶炼系统中.重点分析冶炼过程中有价元素金及有害元素铅在主要单元过程中的分布转化行为.最后,基于物质流分析提出提高资源利用效率和清洁生产的建议.关键词:锑冶金;物质流分析;分布规律;资源利用;污染排放中图分类号:T F 文献标志码:A文章编号:()G o l da n dL e a dS u b s t a n c eF l o wA n a l y s i s i nT y p i c a lA n t i m o n y G o l dP y r o m e t a l l u r g i c a lP r o c e s sWANGK e,
3、L I U H o n g z h a o,WANG W e i,L I UL i n,WANG H o n g l i a n g,(Z h e n g z h o uI n s t i t u t eo fM u l t i p u r p o s eU t i l i z a t i o no fM i n e r a lR e s o u r c e s,C A G S,Z h e n g z h o u ,C h i n a;K e yL a b o r a t o r yf o rP o l y m e t a l l i cO r e s E v a l u a t i o na
4、 n dU t i l i z a t i o n,M i n i s t r yo fN a t u r a lR e s o u r c e s,Z h e n g z h o u ,C h i n a;K e yL a b o r a t o r yo fC o m p r e h e n s i v eU t i l i z a t i o no fG o l dR e s o u r c e i nH e n a nP r o v i n c e,Z h e n g z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:S u b s t a n c e f l o
5、wa n a l y s i sw a s a p p l i e d t oa n t i m o n y g o l dp y r o m e t a l l u r g i c a l s y s t e m T a k i n gg o l da n dl e a da s t h e t a r g e t e l e m e n t s,t h em a t e r i a l b a l a n c e t a b l e a n ds u b s t a n c e f l o wd i a g r a mb a s e do n t h ep r o d u c t i o
6、ns y s t e m w e r ee s t a b l i s h e d,a n dt h ee v a l u a t i o ni n d e xo fd i r e c tr e c o v e r yr a t e,w a s t er e c o v e r yr a t ea n dr e s o u r c ee f f i c i e n c yo f t h es y s t e mw a sc o n s t r u c t e d T h er e s u l t ss h o wt h a t t h er e s o u r c ee f f i c i e
7、 n c yo fg o l di s ,a n dt h ed i r e c tr e c o v e r yr a t eo fg o l di nv o l a t i l es m e l t i n g,v o l a t i l ef u r n a c eb l o w i n g,r e d u c t i o ns m e l t i n ga n d i m p u r i t yr e m o v a l r e f i n i n gi s ,a n d ,r e s p e c t i v e l y A t t h es a m et i m e,f o re v
8、 e r yt o fm e t a l a n t i m o n yp r o d u c e d,k go f l e a dw i l l e n t e r t h e s m e l t i n gs y s t e m T h ed i s t r i b u t i o na n dt r a n s f o r m a t i o nb e h a v i o ro fg o l da n dl e a di nt h em a i nu n i tp r o c e s sa r ea n a l y z e d F i n a l l y,s u g g e s t i
9、o n so ni m p r o v i n gr e s o u r c eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c ya n dc l e a n e rp r o d u c t i o na r ep u tf o r w a r db a s e do ns u b s t a n c e f l o wa n a l y s i s K e yw o r d s:a n t i m o n yp y r o m e t a l l u r g y;s u b s t a n c ef l o wa n a l y s i s;r e g u l
10、 a r i t yo fd i s t r i b u t i o n;u t i l i z a t i o no fr e s o u r c e s;p o l l u t i o ne m i s s i o n有色金属(冶炼部分)(h t t p:y s y l b g r i mm c n)年第期锑是支撑我国经济发展和国防建设的重要战略金属,广泛应用于军工、电子、航空航天等领域 .我国是世界最大的锑资源国、生产国,但近年来我国锑资源消耗速度远大于可开采储量增长速度,锑资源保障能力不断下降 .随着全球锑金属消耗量的增加,国内优质单一辉锑矿资源大量消耗,且随着锑资源日趋复杂以及企业为
11、谋求更大的生产效益,锑金精矿被大量使用,对现有鼓风炉挥发熔炼反射炉还原熔炼工艺带来了挑战 .目前有关提高锑生产效率和含 砷固废无 害化处 理 方 面 的 研 究 较多 ,但很少有关注锑金联合生产过程锑、金有价金属及杂质元素在系统中的流动分布情况.而各物质流动状况对生产系统的资源效率和环境负荷有深刻影响,因此深入分析锑、金及杂质元素的分布行为,对提高系统资源效率、伴生元素资源再生,以及降低污染物排放水平具有十分重要的意义.物质流分析(S u b s t a n c ef l o wa n a l y s i s,S F A)作为一种分析工具,是研究给定系统(生产、经济和社会等)在一定范围内物质流
12、动状态的重要手段 .S F A主要应用于废物管理 、污染防治、资源循环以及全产业链分析 等领域.过去大多数研究关注地区或国家层面的物质流动和废物管理.应用S F A跟踪生产过程中物质的数量和迁移,可以确定过程的代谢效率,揭示污染物产生的途径,有利于工厂的资源管理和污染控制,对企业及行业的资源高效利用、污染物防控,以及环保方针和政策的制定具有重要的指导意义 .T I AN等 将S F A应用于红土镍矿高压酸浸工艺,分析研究了系统中镍、钴、锰、钪、铁和铝元素的物质流动情况,明确了有价有害元素的分布特征规律,为红土镍矿高压酸浸工艺的排放控制和资源循环利用提供了相应改进建议.CHA I等 对典型铅冶炼
13、厂内砷的分布行为进行了研究,识别了冶炼过程中的主要含砷固废,并对其环境释放风险进行了评估.柴祯 对典型废杂铜冶炼过程进行物质流分析,明确了主金属铜及其它重金属元素的流动分布状态,识别了冶炼过程中产出的特征污染物及其环境释放特性.有关锑的物质流分析研究主要集中于锑在国家范围内的存量、消耗、循环,以及含锑产品在使用过程中所造成的环境影响 .本研究前期已开展了锑冶炼过程中锑、砷元素的物质流分析,针对锑金冶炼系统及各个单元过程中金、铅有价有害元素的物质流动和分布情况,研究设置金属回收率、废物回收率和资源利用效率等为评价指标,揭示生产过程中金资源的损耗节点及铅污染物的产生和排放特征,为锑产业污染减排与治
14、理等工作提供基础数据.试验 物质流研究分析方法 单元过程中物质流分类及定义将生产系统中的一个单元过程定义为过程j,那么过程j的物质流模型可以分解为个物质流.周凤禄 定义了氧化铝生产过程物质流分析模型.锑冶炼生产过程与之有所不同,下面解释了种物质流,单元过程的物质流模型如图所示.)输入物质流,Aj.)输入上游产品物质流,Pj.)循环物质流:上游循环物质流,Rj,k,表示上游过程(j)重复使用过程j产出的物质流;下游循环物质流,Ri,j,表示物质流从下游过程i回流到过程j.)排放物质流,Ej.该流程包括工艺j排放至目标系统外的副产品和污染物.)输出产品物质流,Pj.)库存物质流,Sj.此类产品暂时
15、储存在仓库中,需要时将投入生产.图单元过程物质流分解图 F i g D e c o m p o s i t i o no f s u b s t a n c e f l o wc h a r t o fau n i tp r o c e s s 根据稳态过程的质量平衡原则,单元过程j的质量守恒式可表示为:AjPjRi,jPjRj,kEjSj()整体系统物质流通过按既定工艺顺序连接所有单元过程,可以获得整个系统的物质流模型(图).各物质流的组成如下.年第期有色金属(冶炼部分)(h t t p:y s y l b g r i mm c n)图系统物质流分解图 F i g D e c o m p o
16、 s i t i o no f s u b s t a n c e f l o wc h a r t o f t h e e n t i r e s y s t e m)输入物质流A:AnjAj()循环物质流R:RninjRi,j()库存物质流S:SnjSj()排放物质流E:EnjEj()输出物质流P,每个单元过程的输出物质流即为Pj.质量平衡计算分析特定元素的物质流需要两部分数据.一部分是“流速”Mi(t d),这是生产系统中包含目标元素的每种物质流的质量.这部分数据从企业的生产报告中收集、计算.另一部分是每种材料中目标元素的含量Ci(质 量 分 数,下 同),通 过 对 每 种 物料(原料
17、、中间产品、产品)进行取样和分析获得.以锑为例:每股物质流中锑的含量mi(t d)可通过下式获得:miMiCii,m()在本研究中,单元工艺和整个系统的质量平衡计算以生产系统产出含t锑的产品为基准开展.将平衡区域内每产出含t锑的合格产品所需各物质流i的元素质量定义为流量系数fi,计算公式如下:fimimm()其中mm是生产系统最终产品输出中目标元素(S b)的数量(t d).系统内意外损失做到“完全质量平衡”在物质流分析是十分困难的.即使将质量平衡原理应用于生产系统中的每个单元过程,也无法始终精确地获得 的质量平衡.通常,当一个过程的输出物质量少于输入物质量时,这表明在该过程中发生了一些物质损
18、失.在大多数冶金企业中,原材料和产品的一般计量单位是吨.然而,一些污染物排放,如尾气,需要精确到千克甚至克.因此,测量误差是质量平衡失效的主要原因之一.此外,无组织排放 生产过程中产生的无法有效收集的污染物也是一个重要的影响因素.例如,在挥发熔炼、进料、排渣等操作过程中,会导致一些粉尘排放到环境中,导致质量平衡失效.为了获得每个过程和整个系统的“质量平衡”,本研究将由测量误差和无组织排放物引起的意外损失视为虚拟物质流.考虑到这部分质量损失没有进入系统中的任何产品,将此部分未预料到的损失视为异常排放物质流.对各单元过程的输入和输出进行了测量和计算.以金为例,通过以下公式计算质量平衡的误差大小(I
19、g o l d为输入,Og o l d为输出):Ig o l dOg o l dIg o l d ()以往研究表明,投入和产出之间 的平衡差异是可以接受的,对结论无显著影响 .物质流分析评价指标为了解释系统内物质流动与资源效率和环境负荷之间的关系,本研究提出了个指标.)单元过程直接回收率().合格产品中目标元素占工艺总输出流量的比例().对于过程j,j计算如下:jPj(PjRjSjEj)()废物循环回收率().循环物质流在未包含在最终产品中的所有物质流中的比例():R(RSE)()资源利用效率().最终产品中目标元素占总投入流的比例():(ASE)APA ()系统范围确定及数据收集本研究以锑金
20、精矿火法冶炼生产锑锭工艺为系有色金属(冶炼部分)(h t t p:y s y l b g r i mm c n)年第期统边界.该工艺包括挥发熔炼、还原熔炼、除杂精炼、挥吹炉挥吹等主要操作单元,以及炉渣、烟尘和尾气处理的辅助工艺.目标工艺的简化流程如图所示.图锑金火法冶炼简化流程图F i g S i m p l i f i e df l o w s h e e t o fp y r o m e t a l l u r g i c a l p r o c e s s f o ra n t i m o n yp r o d u c t i o n锑金精矿搭配大约 的石灰进行造粒,以获得粒度合适的粒状
21、矿石.将锑品位为 的粒矿与系统产出的返料、燃料和熔剂一起送入鼓风炉内.挥发熔炼过程中产生的熔体通过前床处理产出熔炼渣、锑锍和毛锑.然后毛锑在挥吹炉中处理,产出贵锑、锑氧和挥吹渣,贵锑被送往黄金生产系统.同时,烟气冷凝处理系统得到的锑氧以及挥吹炉产出的锑氧作为生产精锑的原料.还原熔炼工艺是将上步骤所得的锑氧粉还原处理得到粗锑,同时产出锑含量较高的泡渣(因其在固态时呈现蜂窝状,故称之为泡渣)返回鼓风炉处理;粗锑含有砷、铅、铜、铁等其他杂质元素,需要进一步精炼.在除杂精炼过程中,通过采用除砷剂(纯碱)和除铅剂(磷酸),将粗锑中的杂质元素砷和铅降低到满足国家标准要求.砷和铅分别富集于砷碱渣和铅渣中,最
22、终通过铸造获得锑锭.在本研究中,选定金、铅为目标元素,研究它们在上述生产系统中的流动分布状况及迁移转化行为.系统中各物质流的输入、循环、排放、库存和输出数据均来自企业的生产报告.为了确定每个物流中金、铅的含量,在稳定生产日对系统中的所有材料进行取样和分析.采样周期为连续天,对样品有价有害金属含量进行了检测,并与企业的生产数据进行了比较,并结合生产工艺流程数据开展物质流分析.结果与讨论 金物质流分析该冶炼工艺使用锑金精矿作为原料,除回收主金属锑外,对贵金属金的回收也是企业所关注的重 年第期有色金属(冶炼部分)(h t t p:y s y l b g r i mm c n)点.以生产系统产出t锑的
23、锑锭为基准,建立了系统中金的物质平衡表,各单元过程中金的物质流如表所示.根据生产工艺和金物质流数据,建立了金的物质流图如图所示,图中每个金物质流对应于表中的物质流.表显示了有关分析评价指标的结果.其中,挥发熔炼、挥吹炉挥吹、还原熔炼和除杂精炼工艺的金 直 收 率 分 别 为 、和 .整个生产过程的资金源利用效率达 到 .废物循环回收率达到了 ,这意味着生产过程中“损失”的 的金会返回生产系统得到回收利用.表生产系统各物质流中金的输入和输出流量T a b l e I n p u t a n do u t p u t f l o wr a t i o so f g o l d i ne a c h
24、s u b s t a n c e f l o wo fp r o d u c t i o ns y s t e m(gtS b)序号单元过程输入输出物质流流量物质流流量制粒锑金精矿(A)粒矿(P)总输入 总输出 鼓风炉挥发熔炼粒矿(P)锑锍(R,)挥吹渣(R,)返灰(R,)泡渣(R,)总输入 熔体(P,)烟尘(P,)挥发熔炼损失(E)总输出 前床分离熔体(P,)总输入 毛锑(P)锑锍(R,)熔炼渣(E )前床分离损失(E )总输出 挥吹炉挥吹粗锑(P)总输入 贵锑(P)锑氧(P,)挥吹渣(R,)挥吹炉挥吹损失(E)总输出 烟气冷凝分离烟尘(P,)总输入 返灰(R,)锑氧(P)锑氧(S)鼓风炉
25、尾气(E )烟气冷凝分离损失(E )总输出 反射炉还原熔炼锑氧(P)锑氧(P)总输入 粗锑(P)泡渣(R,)反射炉尾气(E )反射炉还原熔炼损失(E )总输出 反射炉除杂精炼粗锑(P)总输入 精锑(P)砷碱渣(E )除铅渣(E )反射炉精炼损失(E )总输出 铸锭精锑(P)锑锭(P)总输入 总输出 有色金属(冶炼部分)(h t t p:y s y l b g r i mm c n)年第期图冶炼系统中金物质流图F i g G o l ds u b s t a n c e f l o wc h a r t o fa n t i m o n y g o l dp y r o m e t a l l
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