硫酸渣高效生产铁精粉的研究及应用
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[摘 要] 硫酸渣富含铁，产量大。筛分实验获得100～+600目级别、产率55%的高铁低硫硫酸渣用于选铁精粉，大于100目和小于600目、产率45%的低铁高硫硫酸渣用于水泥添加剂。硫酸渣中的硫主要是以硫酸盐形式存在，通过水洗实验降低硫和提高铁的效果明显，在矿浆浓度小于150g渣/L水和搅拌15分钟的情况下，铁回收率高达95%，获得含Fe60%、S0.32%和产率91%的铁精粉。在水洗结合重选时，获得更高品质的铁精粉。
[关键词] 硫酸渣；筛分；水洗；降硫；重选；铁精粉
[中图分类号] TQ172.62 [文献标识码] A
1 前言
我国是世界上铁矿石需求量最大的国家，又是铁矿石资源贫缺的国家，矿石品位低、质量差，开采成本高，对进口铁矿依存度高达50～60%。进口矿价格涨幅不断提高，导致进口费用增加，威胁到国家经济的安全运行。
硫酸渣是硫铁矿生产硫酸过程中排出的工业废渣，每生产1吨硫酸大约产生 0.6～0.9吨烧渣。我国每年排出量约1 000万吨，加上历年积存，其总量相当大。除部分作为水泥厂的添加剂和少量高品位烧渣配进铁矿粉成炼铁原料外，绝大部分作为废弃物堆放，不仅长期占用了土地，又污染了环境。因此，开发利用烧渣对于实现节能减排，缓解矿产资源的紧张现状，提高矿产资源的综合利用率，保护环境有很大的现实意义。
国内外对硫酸渣的利用已有几十年的历史，但到目前为止，对烧渣的处理技术并无重大突破。其原因是：
一是生产工艺复杂、过程控制困难、产品指标不稳定以及利用率偏低、生产成本过高等问题所致。所选用的工艺有：磁选、重选、浮选、化学选矿、磁选―重选联合、磁化焙烧、氯化焙烧法等，磁选、重选、磁重联合虽然可获得一定品位烧渣精矿，但无法排除精矿中的硫和对精矿中的硫进行有效控制，烧渣利用率低；浮选由于经过焙烧后的矿物表面活性不足导致无法进行有效分选，效果差，与化学选矿一样都要投入较高废水处理成本；磁化焙烧、氯化焙烧，涉及高温热工，工艺流程复杂，处理成本高。
二是没有针对硫酸渣分选的专门设备。目前是以不同的分选工艺，借助原有的传统设备进行分选，这些设备虽然在一定程度上能够分选烧渣，但不完全适合烧渣的分选特点，其结果导致分选效果低下，产品质量不稳，运行成本过高和工艺过程复杂等问题出现。
因此有必要对硫酸渣的特性进行深一步探索，找出一种流程简单、成本低、易于实施、产品质量稳定、分选效果好、不产生二次污染的分选提纯方法。
鉴于上述的原因，广西柳州市洛维配矿场有限公司决定通过针对硫酸渣中铁和硫分布、硫的存在形式和溶解度等进行相应的实验，找出一条烧渣选铁精粉的新途径，也希望这一研究能为节能减排、保护环境作出一定的贡献。
2 研究内容
2.1 硫酸渣粒度分布与铁、硫含量关系的研究
2.1.1 原理
硫酸渣是在硫铁矿制硫酸的生产中高温（850～1 000 ℃）沸腾焙烧之后的产物。硫铁矿与脉石（主要是SiO2、CaO）在进入沸腾炉后从常温迅速升到高温，矿带入水（约6%）快速汽化而体积膨胀千倍，硫铁矿与空气发生反应产生SO2气体及硫酸渣（Fe2O3和Fe3O4），硫酸渣的粒度与天然形成的硫铁矿还是相当的。而脉石因为天然形成的粒度比较大，所以主要存在于粗渣中，只有极少部分是被炸成的细小粉末。
因为颗粒大小不同，与空气接触时间和接触面不同，因而硫铁矿与空气反应完全程度也不同，与脉石没有解离、颗粒较大部分因与空气接触面小，残硫是比较高的；另一方面，颗粒较细的部分由于受到鼓风和抽风影响，从沸腾炉烟道吹出较快，与空气接触时间较短，残硫也比较高；颗粒解离、粒度适中部分与空气接触时间较长和接触面较大，反应比较完全，残硫较低。
硫铁矿焙烧过程中主要反应：
H2O（液态）高温H2O（气态）
硫铁矿：4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2
（弱氧化时）：3FeS2+8O2=Fe3O4+6SO2
磁黄铁矿：Fe8S7+13O2=4Fe2O3+7SO2
2.1.2 供试原料：原料是取自广西鹿寨化肥厂历年来堆存混合硫酸渣（粗细渣混合）15kg。
2.1.3 实验步骤
原料干燥和称样筛分测定
2.1.4 实验结果与分析
2.1.4.1 实验结果
2.1.4.1.1 原样样品：Fe 44.40%，S 2.36%
2.1.4.1.2 筛分后样品：
2.1.4.2 分析讨论
从图1、图2看，在不同粒度级别的烧渣中，其铁品位和含硫量是有较大差别的，所以将烧渣按粒度大小分类之后，可以获得比较好的部分用于选铁精粉。硫酸渣粒度大于100目部分含铁量较低，含硫高，产率约35%；粒度小于600目部分含铁量低，含硫特别高，产率约10%；粒度处于100～250目之间部分含铁量较高，含硫特别低，产率约41%；粒度处于250～600目部分含铁量高，含硫高，产率约14%。总之，处在100～600目之间的烧渣（占55%）用于选铁精粉，大于100目和小于600目的烧渣含铁低（占45%）用于水泥添加剂，是烧渣合理利用的好方法。
2.2 水洗法降低硫酸渣中硫的研究
2.2.1 原理
硫酸渣主要成分为Fe2O3、Fe3O4、SiO2、CaO、FeS2和铁的硫酸盐，而硫酸盐主要以FeSO4和Fe2（SO4）3为主。Fe2O3、Fe3O4、FeS2和SiO2不溶于水，而FeSO4和Fe2（SO4）3有一定溶解度。水可以溶解大部分的硫酸盐，从而降低了烧渣的含硫量，提高了含铁品位。利用Fe2O3、Fe3O4和脉石比重差、粒度不同沉降速度不同的性质，从而实现了分类回收。
2.2.2 供试原料：使用“2.1.3”分出原料10 kg。
2.2.3 实验流程
原料准备筛分收集烧渣中硫存在形式测定水洗法搅拌时间探索水洗法矿浆浓度探索水洗结合重洗探索
2.2.4 实验步骤
原料干燥、筛分和称样
使用100目和600目筛对全部样品进行两级筛分，收集-100～+600目烧渣，按照四分法混合均匀后取样，分别称2份50g样和14份200g样品，保留剩下的样品，做好记录和标记。
2.2.4.1 测定
2.2.4.2 烧渣中硫存在形式测定
2.2.4.2.1 硫存在形式的结果与分析
从图3可以得知，硫酸渣中的硫主要是以硫酸盐形式存在的，而以硫化物形式存在的较少。
2.2.4.3 水洗法――搅拌时间探索
2.2.4.3.1 搅拌时间对降硫影响的结果与分析
从图4、图5看，水洗降硫容易操作，搅拌时间越长，降硫和提高铁的效果越好。在达到15分钟后降硫趋于平稳，再增加搅拌时间降硫效果并不明显，因此搅拌时间在10～15分钟比较合适。
2.2.4.4 水洗法――矿浆浓度探索 2.2.4.4.1矿浆浓度对降硫影响的结果与分析
从图6、图7看，矿浆浓度越低，降硫效果越好，矿浆浓度越大，降硫效果越差。矿浆浓度大于150 g渣/L水时降硫效果下降明显。选用水洗降硫时，矿浆浓度不应超过150 g渣/L水。使用水洗降硫方法，降硫效果好，铁品位提高明显，铁回收率高达95%，可获得含Fe60%、S0.32%和产率91%铁精粉指标。
2.2.4.5 水洗结合重选探索
2.2.4.5.1重选提高品位的结果与分析
从表1数据看，利用水洗降硫时结合重选，可对铁精粉进一步分级，获得更高品位和更低含硫的产品。铁总回收率达96%，主产品含Fe61.14%、S0.24%，产率81%；其副产品含Fe57.14%、S0.59%，产率10%。
3 生产实践
洛维配矿场有限公司在2005年到2008年五年之间，①购进硫酸渣原料4万吨（Fe40%～50%，S1.5%～3.5%），每吨购进价60～250元。②生产出铁精粉2.5万吨（Fe60%～61%，S0.2%～0.4%），每吨售出价350～700元，产率62.5%。③生产出尾矿渣（大于100目和小于600目的烧渣，）1.3万吨（Fe35%～40%，S3%～5%）。每吨售出价20～40元，产率32.5%，卖到水泥厂。总的回收率达到95.0%。扣除原材料、人工、水电等成本，所获得的利润150万元左右。生产实践与实验研究课题，吻合得很好。
4 结论
4.1 通过筛分分级，可以将硫酸渣中颗粒解离、粒度适中部分（高铁低硫）分离出来，并通过实验数据找出不同粒度范围的烧渣与硫、铁含量之间有一定的规律，100～+600目粒度级别的硫酸渣以用于选铁精粉，其余的可以用作水泥的添加剂，进一步提高原料的利用率和价值。
4.2 烧渣中的硫主要以硫酸盐的形式存在，利用硫酸盐能溶于水而其他成分难溶于水的特性，通过简单实用的水洗法，降低硫的效果好，铁品位得到明显的提高。在矿浆浓度小于150g渣/L水和搅拌15分钟的情况下，铁回收率高达95%，获得含Fe60%、S0.32%和产率90%的铁精粉。
4.3 将水洗法与重选相结合时，发现可以进一步分级，得到更高品质的铁精粉。
4.4 研究课题及生产实践表明，此项目流程简单、易于实施、成本低、安全、环保、能耗低，所获产品铁精粉指标稳定。本研究课题易于放大和工业化，不产生新的污染源、没有“三废”排放，实施这个项目能够促进硫酸渣的回收利用和环境保护，同时也具有良好的经济效益。
5 问题与讨论
5.1 硫酸渣选铁精粉，筛分这一步是关键。水洗时搅拌速度要控制合适。在同样的时间下，搅拌速度偏低降硫的效果差很远。
5.2 此项目外排的废水虽然能达到国家标准排放，但水洗降硫方法耗水量大，可以通过加入石灰乳使石灰和硫酸盐反应生成沉淀物，除去溶解的硫酸盐，水就可以实现循环利用，做到零排放。
5.3 原料是取自鹿寨化肥厂历年来堆存混合硫酸渣（粗细渣混合），含铁量低，售价低，混合烧渣筛分工作量大，不利于综合利用。有机会与硫酸厂多交流，提出合理化建议，建议硫酸厂改进烧渣排渣工艺，在生产过程中把烟渣（粗粒）烟灰（细粒）分开排放、分开堆放，硫酸厂的烧渣含铁量高，售价也高。回收烧渣时可以减少筛分量，降低筛分成本，提高利用率。
作者简介：温继红（1964-），女，本科，工程师，研究方向：环保专业。
陈基文（1964-），男，本科，工程师，研究方向：机械专业。