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溶液針鐵礦法沉鐵方法,如何確定表面張力等參數(shù)值

來源:中南大學(xué) 瀏覽 310 次 發(fā)布時(shí)間:2024-07-15

有色金屬礦通常與鐵的化合物伴生,濕法冶煉時(shí)鐵易于有色金屬一同進(jìn)入溶液,為了獲得高質(zhì)量的金屬產(chǎn)品,必須首先將溶液中的鐵除盡。


水溶液中凈化除鐵的基本原理是將鐵離子沉淀分離,目前常用的主要方法有:①氫氧化鐵沉淀法,即使溶液中的鐵以Fe(OH)3膠體析出,該方法主要存在固液分離困難的問題,特別是當(dāng)溶液含鐵較高時(shí),F(xiàn)e(OH)3膠體易堵塞板框壓濾機(jī)導(dǎo)致生產(chǎn)過程難以進(jìn)行;②赤鐵礦法沉鐵,使溶液中的鐵以赤鐵礦形式入渣,1968年~1970年由日本同和礦業(yè)公司發(fā)明,1972年在日本飯島煉鋅廠投入生產(chǎn),采用“復(fù)浸出—赤鐵礦法”沉鐵,國內(nèi)目前云南云錫文山鋅銦冶煉有限公司也正建設(shè)基于赤鐵礦法沉鐵技術(shù)路線的濕法煉鋅生產(chǎn)線。該法需要昂貴鈦材制造高壓設(shè)備和附設(shè)SO2液化工廠,投資費(fèi)用高,且有一個(gè)單獨(dú)還原鐵的階段;③黃鉀鐵礬法,基于有銨或堿金屬離子存在時(shí),溶液中的鐵生成黃鉀鐵礬進(jìn)入渣中而除去,但也給溶液帶入了如K+、Na+或NH4+等雜質(zhì)離子;④針鐵礦法沉鐵,使溶液中的鐵以針鐵礦形態(tài)入渣。1965年~1969年由比利時(shí)老山公司(Vieille Montagne)研制,1971年在巴倫(Balen)廠投產(chǎn)。針鐵礦法具有工藝設(shè)備簡單、除鐵成本較低、鐵沉降物呈結(jié)晶態(tài)因而過濾性能良好等優(yōu)點(diǎn),但目前大量工業(yè)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)針鐵礦法存在沉鐵渣晶型混雜難控制、沉鐵渣鐵低含量低、難以高值回收利用等突出問題。


已開展的研究表明,針鐵礦法沉鐵包括一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程,包括二價(jià)鐵離子氧化、三價(jià)鐵離子水解以及中和反應(yīng)等。這些化學(xué)反應(yīng)過程受溫度、晶種、攪拌速度、催化程度、組分濃度以及pH值等因素影響。鐵在溶液中的還原、氧化、結(jié)晶析出涉及一系列氣、液、固三相互相耦合的化學(xué)、物理反應(yīng),反應(yīng)機(jī)理非常復(fù)雜。國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究工作,目前文獻(xiàn)歸納的針鐵礦法沉鐵主要工藝條件通常為pH3~4、溫度70~90℃、溶液中Fe3+濃度小于1g/L等,可允許浮動(dòng)的范圍非常窄,參數(shù)控制要求極為嚴(yán)格。但在規(guī)?;a(chǎn)中,由于針鐵礦沉鐵工序通常由多臺(tái)連續(xù)沉鐵反應(yīng)器串聯(lián)組成,反應(yīng)溶液入口與出口存在較大的時(shí)滯,且沉鐵反應(yīng)器體積龐大,沉鐵過程溶液中不同位置處Fe2+/Fe3+濃度、pH值和溫度呈非線性、時(shí)變等特點(diǎn),尤其在實(shí)際生產(chǎn)中隨著生產(chǎn)原料、沉鐵過程上一還原工序工況等的變化,使得不同批次進(jìn)入到針鐵礦沉鐵工序的溶液量、溶液結(jié)構(gòu)等常常差異較大,依照現(xiàn)有的人員經(jīng)驗(yàn)調(diào)控方式,難以實(shí)現(xiàn)對(duì)沉鐵過程參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控,導(dǎo)致實(shí)際沉鐵時(shí)溶液中不同位置、同一位置不同時(shí)間點(diǎn)其流速、密度、粘度、pH值、溫度、離子濃度等變化很大。而針鐵礦沉鐵過程對(duì)溶液物理場(chǎng)性質(zhì)(流速、溫度、密度、粘度等)、化學(xué)場(chǎng)性質(zhì)(亞鐵離子濃度、pH值等)的變化非常敏感,不同批次的含鐵溶液采用同一針鐵礦法沉鐵工藝參數(shù)進(jìn)行沉鐵,顯然難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、穩(wěn)定地針鐵礦法沉鐵,使得針鐵礦沉鐵渣晶型常常不穩(wěn)定,導(dǎo)致所產(chǎn)鐵渣鐵品位低、渣量大、難過濾,且難以實(shí)現(xiàn)鐵渣資源化、全量化高值回收利用。本領(lǐng)域急需一種能夠在規(guī)?;樿F礦沉鐵前,能夠?qū)Τ凌F過程及沉鐵效果實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)、評(píng)估的方法及手段,并在獲得合格沉鐵評(píng)估效果后,可按照經(jīng)效果評(píng)估后的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)際針鐵礦沉鐵操作。


如何確定鐵礦沉鐵過程中與反應(yīng)有關(guān)的參數(shù)?


步驟①,對(duì)針鐵礦沉鐵過程的氣體傳質(zhì)速率、Fe2+氧化速率和中和反應(yīng)速率參數(shù)求解:根據(jù)氣體傳質(zhì)過程服從雙膜理論來推導(dǎo)溶液中氣體濃度和時(shí)間之間的微分方程,利用分光光度計(jì)測(cè)量不同時(shí)間下溶液中的氣體濃度,再進(jìn)行最小二乘法擬合,得出氣體傳質(zhì)速率;然后根據(jù)氧化反應(yīng)原理推導(dǎo)Fe2+氧化過程動(dòng)力學(xué),結(jié)合氣體傳質(zhì)速率方程,得出Fe2+和氣體濃度與時(shí)間之間的微分方程,利用滴定和ICP結(jié)合的方法測(cè)量不同時(shí)間下溶液中Fe2+濃度,再進(jìn)行最小二乘法擬合,得出Fe2+氧化速率方程;基于未反應(yīng)收縮核模型推導(dǎo)中和反應(yīng)過程動(dòng)力學(xué),得出中和劑濃度與時(shí)間之間的微分方程,通過滴定和ICP結(jié)合的方法測(cè)量不同時(shí)間下溶液中中和劑濃度,再進(jìn)行最小二乘法擬合,得出中和反應(yīng)速率方程;


步驟②:對(duì)針鐵礦沉鐵過程的含鐵溶液密度、粘度、表面張力和導(dǎo)熱系數(shù)溶液性質(zhì)參數(shù)求解:溶液密度、粘度、表面張力和導(dǎo)熱系數(shù)分別利用密度儀、烏式粘度儀、表面張力儀和導(dǎo)熱系數(shù)儀通過控制變量法進(jìn)行測(cè)量,通過測(cè)量不同F(xiàn)e2+濃度、Zn2+濃度和溫度溶液的密度、粘度、表面張力和導(dǎo)熱系數(shù)得到測(cè)量結(jié)果,再利用最小二乘法擬合處理,得到溶液密度、粘度、表面張力和導(dǎo)熱系數(shù)各自與Fe2+濃度、Zn2+濃度和溫度之間的關(guān)系表達(dá)式。


步驟1中,根據(jù)實(shí)際沉鐵反應(yīng)器結(jié)構(gòu)建立仿真模型是根據(jù)實(shí)際沉鐵反應(yīng)器幾何形狀及尺寸,以及實(shí)際沉鐵反應(yīng)器中攪拌槳、進(jìn)液口、出液口、進(jìn)氣口、出氣口、進(jìn)料口和加熱套管的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)建立仿真模型。

步驟2包括以下過程:


對(duì)所建立仿真模型以實(shí)際生產(chǎn)所用進(jìn)氣流量、進(jìn)液流量、投料量、攪拌速率和加熱介質(zhì)流量參數(shù)為基準(zhǔn),以±20%為范圍,作為邊界條件;然后基于當(dāng)前仿真過程對(duì)于精度的要求進(jìn)行網(wǎng)格劃分。


步驟3包括以下過程:


對(duì)流場(chǎng)、化學(xué)傳質(zhì)場(chǎng)、溫度場(chǎng)耦合模擬沉鐵過程通過瞬態(tài)非線性求解器求解偏微分方程;并輸出針鐵礦沉鐵反應(yīng)器內(nèi)不同區(qū)域、不同時(shí)間下的溶液流速、溫度、密度、粘度、壓力以及Fe2+


濃度和pH的變化范圍作為計(jì)算結(jié)果。


步驟4中,根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)沉鐵反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,是通過改變沉鐵反應(yīng)槽槽型、攪拌器類型以及槽內(nèi)擋板控制溶液流出方式,并根據(jù)改變后的計(jì)算結(jié)果是否提高來進(jìn)行的。


步驟4中,針鐵礦法沉鐵最佳反應(yīng)條件區(qū)間為75℃-80℃、進(jìn)液流速為100m3/h~300m3/h、pH值為3.5~4.0、氧氣流量為100m3/h~400m3/h、攪拌速度為48rpm~136rpm和反應(yīng)時(shí)間為4000s~6000s。


在進(jìn)行模擬仿真時(shí),是采用有限元多物理場(chǎng)模擬仿真軟件實(shí)現(xiàn),其中有限元多物理場(chǎng)模擬仿真軟件為ANSYS,ADINA,ABAQUS,MSC和COMSOLMultiphysics中的一種。