楊松樺，胡 滔

（江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠，江西貴溪335499）

1989年江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠從日本住友公司引進(jìn)硫酸銅置換法處理砷濾餅，生產(chǎn)三氧化二砷，并于1992年投產(chǎn)[1]。1995年貴溪冶煉廠與北京礦冶研究總院對硫化砷濾餅進(jìn)行立式反應(yīng)釜加壓氧化浸出小試研究，2005—2008年貴溪冶煉廠分別完成半工業(yè)試驗(yàn)、設(shè)計(jì)施工和工業(yè)生產(chǎn)[2]。貴溪冶煉廠采用立式反應(yīng)釜工藝替代硫酸銅置換工藝提高了砷直收率，生產(chǎn)成本大為降低[3]。但立式反應(yīng)釜生產(chǎn)效率偏低，每釜間斷進(jìn)出液，存在壓力容器壓力急劇變化、設(shè)備老化等問題[4]。

目前廣泛運(yùn)用于鋅、鈷行業(yè)的臥式反應(yīng)釜不同于立式反應(yīng)釜的間歇作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)無間斷連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)[5]。2020年7月貴溪冶煉廠對臥式反應(yīng)釜進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，2020年9月臥式反應(yīng)釜工藝投入工業(yè)生產(chǎn)，同等容量臥式反應(yīng)釜較以往立式反應(yīng)釜制砷效率提高了近1倍。

1 立式反應(yīng)釜工藝存在問題

貴溪冶煉廠以含砷物料為生產(chǎn)原料，通過立式反應(yīng)釜加壓氧化浸出生產(chǎn)三氧化二砷。1臺釜每批次作業(yè)步驟：進(jìn)液—升溫升壓—降壓降溫—排液。

長期以來立式反應(yīng)釜作業(yè)效率低，多臺立式反應(yīng)釜占地面積大，日常操作頻繁，每臺立式反應(yīng)釜均配備各類自動(dòng)閥、手動(dòng)閥、液位計(jì)、壓力計(jì)、不同型號管道，檢修工作量大；反應(yīng)釜升壓降壓過程，容器內(nèi)壓力急劇變化，對容器管道長周期使用造成不利影響。因此，考慮開發(fā)新的工藝處理含砷物料。

2 試驗(yàn)研究

2.1 臥式反應(yīng)釜工藝試驗(yàn)流程

臥式反應(yīng)釜工藝試驗(yàn)流程見圖1。

圖1 臥式反應(yīng)釜工藝試驗(yàn)流程

還原終液通過高壓補(bǔ)液送入泵漿料儲(chǔ)槽，漿液在漿料儲(chǔ)槽內(nèi)預(yù)熱升溫，再通過高壓進(jìn)液泵送至臥式反應(yīng)釜。臥式反應(yīng)釜內(nèi)有4個(gè)腔室，漿液進(jìn)入1#腔室反應(yīng)，再逐步流入2#～4#腔室反應(yīng)后自流至閃蒸槽。閃蒸槽排出漿液由抽出泵送至冷卻槽進(jìn)入現(xiàn)有還原系統(tǒng)。

臥式反應(yīng)釜首次進(jìn)液80%后停止進(jìn)液，升溫升壓進(jìn)行反應(yīng)，控制氧化風(fēng)量500 m3/h，直至反應(yīng)后出液ρ(As3+)＜20 g/L，再進(jìn)行下一步的連續(xù)試驗(yàn)。試驗(yàn)考察反應(yīng)溫度、壓力、攪拌速率、時(shí)間、氧化風(fēng)量等參數(shù)。立式反應(yīng)釜主要反應(yīng)條件見表1。

表1 立式反應(yīng)釜主要反應(yīng)條件

2.2 物料進(jìn)液量的影響

臥式反應(yīng)釜連續(xù)進(jìn)液，在反應(yīng)溫度 110 ℃、反應(yīng)壓力 1.05 MPa、攪拌速率 900 r/min、反應(yīng)時(shí)間 2.5 h、氧化風(fēng)量500 m3/h條件下，考察物料進(jìn)液量對反應(yīng)的影響。

物料進(jìn)液量分別控制在4.0，4.5，5.0 m3/h時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2～4。

由表2可見：物料進(jìn)液量控制在4.0 m3/h時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后4#腔室ρ(As3+)平均值17.32 g/L，ρ(As3+)＜20 g/L，在此條件下試驗(yàn)可行。

表2 物料進(jìn)液量4.0 m3/h試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3可見：物料進(jìn)液量控制在4.5 m3/h時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后4#腔室ρ(As3+)平均值19.65 g/L，ρ(As3+)＜20 g/L，在此條件下試驗(yàn)可行。

表3 物料進(jìn)液量4.5 m3/h試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表4可見：物料進(jìn)液量控制在5.0 m3/h時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后4#腔室ρ(As3+)平均值25.12 g/L，ρ(As3+)＞20 g/L，在此條件下試驗(yàn)不可行。

表4 物料進(jìn)液量5.0 m3/h試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 氧化風(fēng)量的影響

臥式反應(yīng)釜連續(xù)進(jìn)液，在反應(yīng)溫度 110 ℃、反應(yīng)壓力 1.05 MPa、攪拌速率 900 r/min、反應(yīng)時(shí)間 2.5 h、物料進(jìn)液量4.5 m3/h條件下，在上述反應(yīng)的基礎(chǔ)上考察氧化風(fēng)量對反應(yīng)的影響。

氧化風(fēng)量由500 m3/h調(diào)整到600 m3/h試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表5 氧化風(fēng)量600 m3/h試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表5可見：氧化風(fēng)量控制在600 m3/h時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后4#腔室ρ(As3+)平均值19.32 g/L，ρ(As3+)＜20 g/L，在此條件下試驗(yàn)可行。

氧化風(fēng)量下降，出液三價(jià)砷含量上升，氧化風(fēng)量大小影響臥式反應(yīng)釜反應(yīng)出液的三價(jià)砷含量。分析其主要原因是試驗(yàn)用臥式反應(yīng)釜內(nèi)徑2.2 m，氧化風(fēng)量在釜內(nèi)停留時(shí)間較短，部分空氣未與漿液發(fā)生氧化反應(yīng)，氧化空氣未得到充分利用即進(jìn)入尾氣。因此過大的風(fēng)量不僅增加了空壓機(jī)的能耗，氧化效果也得不到顯著提升。氧化風(fēng)量、能耗、反應(yīng)出液指標(biāo)互相關(guān)聯(lián)，氧化風(fēng)量需要合理控制。

2.4 反應(yīng)壓力的影響

在加壓氧化浸出中，氧作為一種極為重要的反應(yīng)物質(zhì)被引入浸出系統(tǒng)，由于氧在液相中的溶解度取決于其分壓，因此反應(yīng)壓力對反應(yīng)結(jié)果影響較大。臥式反應(yīng)釜連續(xù)進(jìn)液，在反應(yīng)溫度 110 ℃、攪拌速率900 r/min、反應(yīng)時(shí)間2.5 h、物料進(jìn)液量4.5 m3/h、氧化風(fēng)量500 m3/h條件下，將試驗(yàn)反應(yīng)壓力由1.05 MPa調(diào)整至1.15 MPa時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

由表6可見：反應(yīng)壓力在1.15 MPa時(shí)，反應(yīng)前后，氧化效果無明顯變化，ρ(As3+)＜20 g/L，在此條件下試驗(yàn)可行。

表6 反應(yīng)壓力1.15 MPa試驗(yàn)數(shù)據(jù)

壓力調(diào)整前后，氧化效果無明顯變化但壓力增加后，空壓機(jī)能耗急劇上升，因此試驗(yàn)終止。

3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

該技術(shù)有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

1）實(shí)現(xiàn)多腔室連續(xù)氧化反應(yīng)。目前在銅冶煉廢渣無害化處理技術(shù)方面，無論是常壓氧化還是加壓氧化處理含砷物料，基本上采用單體式設(shè)備間斷性分批次生產(chǎn)。貴溪冶煉廠采用臥式反應(yīng)釜加壓連續(xù)浸出濕法煉砷工藝為行業(yè)首創(chuàng)，臥式反應(yīng)釜內(nèi)多腔室連續(xù)反應(yīng)，具有工藝流程短、生產(chǎn)成本低、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。

2）反應(yīng)熱能高效回收。臥式反應(yīng)釜連續(xù)加壓氧化浸出含砷物料時(shí)反應(yīng)熱量在各腔室梯級利用，最大程度地利用了反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，維持了系統(tǒng)反應(yīng)熱平衡，進(jìn)入循環(huán)水的熱量減少。建立了各腔室溫度自動(dòng)控制模型，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)熱能高效回收利用。

3）含砷物料三步連續(xù)法浸出。該含砷物料連續(xù)加壓氧化浸出技術(shù)可實(shí)現(xiàn)直接連續(xù)漿化、反應(yīng)熱回收利用、底吹連續(xù)加壓氧化浸出三步法連續(xù)生產(chǎn)，含砷物料自動(dòng)化全封閉綠色環(huán)保處理。

4 工業(yè)實(shí)踐

經(jīng)過4個(gè)月的試驗(yàn)研究后，硫化砷濾餅加壓連續(xù)氧化浸出技術(shù)投入工業(yè)試生產(chǎn)。在反應(yīng)壓力1.05 MPa、氧化風(fēng)量 500 m3/h、在反應(yīng)溫度 110 ℃、攪拌速率900 r/min、反應(yīng)時(shí)間2.5 h、物料進(jìn)液量4.5 m3/h的條件下，臥式反應(yīng)釜連續(xù)加壓氧化反應(yīng)平穩(wěn)，2020年7—10月洗凈殘?jiān)黽(As)月均值在3.53%～6.47%，具體數(shù)據(jù)見表7。

表7 2020年7—10月洗凈殘?jiān)楹拷y(tǒng)計(jì) w： %

5 結(jié)語

采用臥式反應(yīng)釜連續(xù)加壓氧化浸出技術(shù)處理含砷物料屬行業(yè)首創(chuàng)，該技術(shù)具有工藝流程短、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，同等體積的臥式反應(yīng)釜較立式反應(yīng)釜生產(chǎn)效率提高了1倍，洗凈殘?jiān)楹恐笜?biāo)控制平穩(wěn)，有利于實(shí)現(xiàn)全過程自動(dòng)化控制。該技術(shù)的成功應(yīng)用，提高了企業(yè)的競爭力。該技術(shù)解決了長期困擾我國冶煉加工企業(yè)含砷物料無害化處理難題，實(shí)現(xiàn)了有價(jià)金屬的回收利用，具有良好的推廣和應(yīng)用前景。