铸造厂含锌粉尘的资源化处理方法
吴景峰1，易天晟 2,于晓梅3，鲁永杰3
（1.一汽铸造有限公司技术中心，吉林长春 130028；2. 昆明晟旭锌业有限公司，云南昆明 650000；3.一汽铸造有限公司生产控制部, 吉林长春 130028）
摘要：对一种碱浸-电解生产金属锌粉工艺进行了调研和试用。经过1年多的运行，该法效果良好，不但使所产生的含锌粉尘全部得到了处理，清洁了环境，防止了污染，而且还创造了一定的经济效益。
关键词：铸造厂含锌粉尘；锌灰；锌粉；碱浸-电解生产金属锌粉工艺
Resolution for Treatment of Foundry Dust Containing Zinc as Resource
WU Jing-Feng1, YI Tian-Cheng2,YU Xiao-Mei3, LU Yong-Fiei3
(1. R. &D. Center of China First Automobile Works Foundry Co., Ltd., Changchun 130062, Jilin ,China; 2. Kunming Chengxu Zinc Metallurgy Co., Ltd., Kunming 650000, Yunnan, China; 3.Production Department of FAW Foundry Co., Ltd., Changchun 130028, Jilin, China;)
Abstract: we carried out a investigation and a testing-use to an alkali leaching electrolytic process for metal zinc powder. Results showed the process had been very successful during 1 year use., not only made all dust containing zinc be reused ,cleaned the environment and prevent the pollution ,but brought some economic benefits.
Key words: foundry dust containing zinc; zinc dust; zinc powder; alkali leaching electrolytic process for metal zinc powder
1含锌粉尘的来源及处理难点分析
一汽铸造有限公司长春基地的铸造一厂和特种铸造厂大量采用汽车生产中产生的含锌废钢进行铸铁的熔炼，在除尘器中产生了大量含锌粉尘，又名 “锌灰”。据初步统计，每生产1t铸铁件约产生20～40Kg的锌粉尘，目前每年约产生”锌灰”8000多ｔ。经荧光光谱分析，这些”锌灰”的ZnO含量高达 80%，还有Fe2O3 约5%，其它为SiO2 及S、 Mn、Cr、Ca等杂质。这些粉尘，以前都当作废弃物处理掉了。这种处理，实际上非常简单，即委托一些人进行深埋处理。随着公司产量不断加大，这种“锌灰”的处理量越来越大，并逐渐引起了环保和当地居民的不满。因为有时“锌灰”没有掩埋好，它会随风漂散，到处污染环境；有时还发生起火自燃，易引起火灾；有人还怀疑它可能造成地下水的污染。环保部门因此不断督促我公司采取有效措施妥善解决这一问题。
通过查找资料1,2,3，我们看到锌粉尘也是钢铁冶金行业转炉和电炉熔炼过程中所产生的有毒固体废弃物。目前，对钢铁厂锌粉尘的处理方法主要有湿法、火法和安全填埋。湿法处理锌粉尘主要是硫化焙烧、氯化焙烧和酸浸取工艺。焙烧方法比酸浸有更大的选择性，锌铅去除比较彻底，但硫化焙烧对原料要求较苛刻(不含大量碳)，硫污染严重，烧渣硫含量过高，不宜作为钢铁厂原料。氯化焙烧对设备的腐蚀过于严重，有些厂已为此而倒闭。酸浸法工艺虽较成熟，但在常温常压下锌铅浸出率较低，且单元操作过多，浸出剂消耗较多，成本较高。火法工艺按锌含量可分高、中、低三类，分别有等离子法、Inred、Wala Kiln、烟化工艺等。火法工艺具有生产效率较高、单元操作较少等优点，但其设备投资大，能耗高。由于锌粉尘属于危险固体废弃物，在填埋前需要进行固化或稳定化处理，处理成本高，且填埋法没有对锌粉尘中的有用成分进行回收利用，是一种资源的浪费。目前甚至还没有一种比较合适的方法来处理钢铁行业的锌粉尘，致使很多钢厂的锌粉尘堆积如山，既造成了严重的环境污染，也使占地和二次资源浪费问题日益严重4,5,6。
作者曾经联系过通钢和鞍钢的有关部门，寻求资源化处理方法。这些企业对锌粉尘的要求很严，再加上量太小，根本不感兴趣。通过大量的调研，发现昆明晟旭锌业有限公司采用碱浸电解锌工艺非常适合我公司的粉尘处理，而且该公司正缺少这种原料。经协商，双方达成了供销协议，经一年多的运行，效果良好。
2我公司含锌粉尘的处理方法
根据双方达成的协议，一汽铸造有限公司负责进行“锌灰”的收集和杂物清理。在除尘器旁设置了储存库，派专人把除尘器中的“锌灰”放入储存库进行临时储存。晟旭公司派人进行装袋等储运操作，达到一定量后，通过公路发往昆明（铁路运输正在联系，由于易燃等原因，铁路目前不同意进行铁路运输）。昆明晟旭锌业有限公司不但把我们感应电炉产生的富锌粉尘全部处理掉，还把冲天炉产生的贫锌粉尘也进行了处理。这样，一汽铸造有限公司铸造一厂和特种铸造厂熔炼系统产生的可收集粉尘基本都实现了资源化处理。不但为公司节省了大笔处理费用，还获得了一定的销售收入，彻底实现了“锌灰”的资源化处理。
现代锌冶炼工艺分为火法炼锌和湿法炼锌两大类7,8,9,10，湿法炼锌又包括酸法炼锌和碱法炼锌。火法炼锌由于消耗大量的还原剂和能源，在不同程度上对环境都有污染。酸性湿法炼锌工艺，也是世界锌生产的主导工艺，该工艺对原料的选择性比较强，此外，该法浸出、电积温度都较高，电解液蒸发损失大，操作环境恶劣。碱性湿法炼锌苛性碱法，处理对象主要是氧化锌矿或含氧化锌的二次资源。这类矿或二次资源常因锌品位较低、杂质复杂多变等原因，而不适合采用传统酸法工艺处理。
苛性碱法炼锌工艺最早在1897年就已提出，1907年被认为是从锌资源中回收金属锌的最佳技术。从20世纪50年代到80年代，该工艺先后在美国、法国和比利时等国家进行了中试，然而，由于采用Zn粉置换法不能彻底去除溶液中的Pb等杂质，使得阴极电积锌产品杂质含量偏高，导致该工艺一直没被大规模推广应用。昆明同越科技开发有限公司依托同济大学对碱法炼锌工艺进行了多年深入研究，发明的X净化分离剂能够将强碱溶液中的Pb、Cu、Cd等杂质彻底去除，净化过程中几乎无锌损失，打开了该工艺的技术瓶颈，简化了工艺流程，净化后的碱锌溶液经电解可获得纯度超过99.95 %的金属锌。在解决相关电极板、固液分离、锌粉洗涤、真空干燥、细磨等技术问题和设备研发、选型基础上，提出了全新的碱浸-电解生产锌粉工艺，并于2003年起先后在云南、贵州、浙江、新疆、福建、江西等地进行了大规模的工业化生产，结果证实了碱法-电解工艺的技术经济环境优势。自2012年1月1日起长春一汽铸造公司产生的含“锌灰”料全部由昆明晟旭锌业有限公司采用碱浸电解锌工艺回收处理，整个回收处理过程未产生任何的二次污染。
碱浸-电解生产金属锌粉工艺主要包括浸出工段、净化工段、电解工段、锌粉洗涤和干燥、锌粉分级和粉磨等5个单元11,12,13。
3.1.1浸出工段
浸出工段主要包括原料浸取、固液分离两个步骤。含锌物料锌的浸出过程在浸取釜中进行，首先利用电解废液和洗锌废水配制预设NaOH浓度的浸取液，并将浸取液加热到预定温度，然后在搅拌条件下投加一定量的含锌物料，浸取过程开始。浸取结束后，在搅拌条件下，将液浆泵送至板框压滤机进行渣、液分离，浸出液直接送至净化釜净化除杂，浸出渣在压滤机中经水洗后送渣场堆存，出售水泥等建筑材料厂。
3.1.2净化工段
净化工段也包括浸出液净化、固液分离两个步骤。浸出液在净化釜首先被加热到预定温度，然后在搅拌条件下投加X净化分离剂。杂质净化去除后，将液浆泵送至净化段板框压滤机进行渣、液分离，净化液送至陈化罐陈化、待电解，净化渣在压滤机内水洗后送渣场单独堆存，出售给其他金属回收厂。
3.1.3电解工段
电解工段主要包括锌电积、阴极剥锌、固液分离三个步骤。将电解液从陈化罐泵送至电解槽后，在一定的温度、电流密度和电解液循环速率条件下进行碱液锌电积操作（见图１）。随着电解过程的进行，阴极沉积锌层不断变厚，达到一定厚度时锌粉在自身重力作用下与阴极板分离，自动脱落并在电解槽底部聚积，无需提板、不影响锌电积过程的正常进行。电解结束后，打开电解槽底部阀门，锌粉与电解废液一同经溜槽自流至中转池，在搅拌条件下迅速用泵送至离心机进行固液分离，电解废液送至废液罐储存，用作下一次含锌物料浸取，实现碱性液体的全闭路循环，无须向外排放工业废水。
图1碱浸-电解生产金属锌粉
Fig.1 alkali leaching electrolytic process
for metal zinc powder
3.1.4锌粉清洗和干燥
锌粉清洗也是在离心机内进行。锌粉在高速转动的离心机内与电解废液分离后，在离心机内壁形成锌粉层，自来水经泵提后喷洒在锌粉层上，开始2-3 min洗锌废水碱浓度较高送至电解废液储罐，后面的废水用于浸出渣、净化渣清洗，以及浸取釜内碱浓度调节。锌粉清洗完毕，停机卸料，快速将锌粉经溜管送至干燥机进行干燥。
3.1.5锌粉分级和粉磨
干燥后的锌粉粒径大小不均，需根据客户或市场需求进一步加工。根据要求，可将锌粉用筛分设备分级，大颗粒筛上物经粉磨设备磨细后，混匀包装、外售。
3.2环境效益
碱浸-电解生产金属锌粉工艺的环境效益体现在整个工艺无危险废渣产生，无废水外排，工艺使用传统酸法不适宜处理的含锌危险废物，为全湿法工艺流程，避免了火法炼锌回转窑能耗大、温室气体排量、污染高等缺点14,`15。
对本项目所产生的渣专门做了浸出毒性实验（表1）16，结果表明各种含锌废物的浸沥液中主要是Zn、Pb或Cd元素含量超出危险废物浸出毒性鉴别标准值（GB5085.3-2007），而经过碱法浸出后，废物中Zn、Pb和部分Cd被碱浸出，渣中的Zn、Pb、Cd等经过碱浸稳定化后，浸沥液中含量非常少，低于标准值，即对4种含锌危险废物碱法浸出处理后，其浸出渣均为一般废物。含锌危险废物的碱法处理，不仅可以回收其中的Zn、Pb等有价金属，还可以将危险废物“解毒”为一般废物，减少了此类废物对周围环境的危害，符合“减量化、资源化和无害化”处理原则。
表1 浸出毒性实验结果
Table 1 test results of toxicity for zinc dust
|
含锌废物
|
名称
|
浸出液元素浓度值, mg/L
|
|
Zn
|
Pb
|
Ba
|
Cd
|
Cr
|
Ni
|
Cu
|
As
|
Be
|
|
铸铁厂烟尘
|
原料
|
176.480
|
9.337
|
3.482
|
35.935
|
-
|
0.043
|
0.394
|
0.004
|
-
|
|
浸出渣
|
1.845
|
1.002
|
0.138
|
-
|
0.002
|
0.020
|
0.051
|
0.036
|
-
|
|
锌浮渣
|
原料
|
8.159
|
0.182
|
-
|
68.959
|
-
|
0.065
|
0.015
|
0.015
|
-
|
|
浸出渣
|
1.011
|
0.760
|
-
|
-
|
-
|
0.094
|
0.044
|
0.069
|
-
|
|
铜厂”锌灰”
|
原料
|
494.372
|
1.834
|
3.655
|
1.119
|
0.002
|
0.120
|
3.384
|
0.004
|
0.013
|
|
浸出渣
|
1.589
|
0.001
|
-
|
-
|
-
|
0.046
|
0.070
|
0.084
|
-
|
|
浸出毒性限值[50]
|
100
|
5
|
100
|
1
|
15
|
5
|
100
|
5
|
0.02
|
注：“-”表示未检出
4结束语
碱浸-电解锌生产金属锌粉工艺在基建、生产成本及锌粉性质上均比传统锌粉生产方法具有竞争优势，是处理利用含锌废物的清洁工艺，具有显著的经济、环境和社会效益及良好的推广应用前景。特别适合于铸造企业进行锌灰处理和资源化利用。基于目前国内锌资源严重匮乏、重金属的二次污染等问题，在铸造行业进行更大范围、更大规模地推广应用是非常有必要的。
参考文献
[1]张江徽，陆钟武．锌再生资源及中国再生锌现状．资源科学, 2006（9）:33-36.
[2]蒋继穆．我国再生锌面临的问题与建议．资源再生, 2010（8）:13-16.
[3]奚甡．海外铅锌资源开发现状及其利用．资源再生, 2010（5）:31-33.
[4]张承龙，郭翠香，刘清，等．含锌危险废物碱法浸出处理研究, 2007（4）:23-24.
[5]国家环保部，国家质检总局．GB5085.3-2007．危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别．北京：中国环境科学出版社，2007, 2010（9）:33-36. , 2010（9）:33-36., 2010（9）:33-36.
[6]赵由才，郭翠香，易天晟等.一种用含锌铅废渣或氧化铅锌矿生产金属铅和锌的方法.中国专利，CN0610148366
[7]赵由才，刘清，易天晟.一种用氧化锌矿和”锌灰”渣生产锌精矿和铅精矿的方法.中国专利，CN0610027346
[8]赵由才，刘清，易天晟.一种用锌粉尘和锌浮渣生产金属锌粉的方法.中国专利，CN0610024601
[9]赵由才，易天晟.一种用氧化锌矿生产高纯度金属锌的方法.中国专利，CN03116754
[10]张承龙，刘清，赵由才等.碱浸电解生产金属锌粉技术.有色金属, 2006（6）:21-24.
[11]邱媛媛，张承龙，赵由才.碱浸-电解锌工艺中杂质对锌电积的影响.有色金属, 2005（4）:12-15.
[12]张承龙，郭翠香，邱媛媛等.碱浸-电解法生产锌粉过程的生命周期评价研究.环境科学研究, 2004（7）:11-12.
[13]张承龙，郭翠香，赵由才等.含锌危险废物碱法再生锌的生命周期评价.环境工程, 2004（8）:15-17.
[14]赵由才，易天晟，朱清渭．金属薄片粉碎装置．中国专利，公开号CN2902457
[15]国家环境保护总局，国家质量监督检验检疫总局．危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别．中华人民共和国国家标准，GB5080.3-2007
作者简介：吴景峰(1960-)，男，高级工程师，工学硕士，主要从事造型材料研究和铸造检测的技术工作。电话：0431-85906634
易天晟（1973-）男 高级工程师 工商硕士 主要从事碱介质无害化提取金属铅锌的技术研究。电话：13808753748
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