石油化工生产技术答辩毕业论文.doc
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承德石油高等专科学校毕业论文
毕业论文
说明书
设计题目：
论竖罐炼锌现状
班级：
化工1010班
学生姓名：
刘佳
指导教师：
李红耀
完成日期：
2013年6月9日
化工系毕业论文任务书
一、题目论竖罐炼锌现状
设计学生姓名：
刘佳
二、题目说明：
本题应达到的基本要求
1.认真查阅资料。
2.本着科学的态度，按照实验步骤完成实验。
三、题目进度安排（步骤、程序、时间）
第1-6周：
准备、查阅资料。
第7-13周：
跟随班长了解竖罐炼锌流程。
第14-15周：
总结数据，撰写毕业论文。
第16-18周：
整理论文、准备答辩。
交出任务时间:
2013年3月2日；完成日期6月10日
学生交出全部设计（论文）期限2013年6月12日
指导教师李红耀学生签名刘佳
摘要
本文论述了竖罐炼锌技术的现状及发展，对现代竖罐炼锌技术体系做了系统的介绍,不但全面介绍了该技术体系的主流程,也介绍了配套的辅助流程,是现代竖罐炼锌技术进步和生产经验的总结。
主要内容包括:
原料准备、氧化焙烧及制酸、团矿制备、焦结与蒸馏、精馏、有价金属综合回收、渣处理、煤气与碳化硅制品生产等。
全书以生产操作介绍为主,为说明生产操作的依据与合理性,也适当介绍了一些相关的理论知识。
关键词：
竖罐炼锌；火法炼锌原理；设备；流程；特点。
ABSTRACT
Thispaperdiscussesthepresentsituationanddevelopmentofthezincverticalretortingtechnology,madeasystematicintroductiontomodernzincverticalretortingtechnologysystem,notonlyacomprehensiveintroductiontothemainprocessofthetechnicalsystem,alsointroducedtheauxiliarysupportingprocesses,isamodernzincverticalretortingtechnologyprogressandproductionexperience.Themaincontentsinclude:
rawmaterialpreparation,oxidationroastingandacid,itspreparation,cokeanddistillation,distillation,comprehensiverecoveryofmetal,slagprocessing,gasandsiliconcarbideproductsproduction.Thebookmainlyintheproductionofintroduction,toillustratetheoperationbasisandrationality,butalsoappropriateintroducessomerelevanttheoreticalknowledge.
KEYWORDS:
zincverticalretorting;zincpyrometallurgyprinciple;equipment;technologicalprocess;characteristic
目录
前言 ………………………………………………………………………….7
第一章锌及其主要伴生元素的性质 ……………………………………………………………………………..…8
1.1锌及锌矿中主要伴生元素的物理性质 ………………………………………………………………………………………......8
1.2锌及锌矿中主要伴生元素的宏观性质 …………………………………………………………………………………………..8
1.3锌及锌矿中主要伴生元素的物质结构 …………………………………………………………………………………………...8
1.4锌及其主要伴生元素和化合物的热力学性质 ……………………………………………………………………………………......….8
1.5锌的用途…………………………………………………………………..….8
第二章竖罐炼锌原理 ……………………………………………………………………………..….9
2.1基本原理 …………………………………………..…………….……...…9
第三章竖罐炼锌流程…………………………………………………………….10
3.1竖罐炼锌简化流程 ……………………………………………………………………………………………..10
3.2竖罐炼锌流程图 ………………………………………………………………….…….10
第四章焙烧…………………………………………..………………………..…11
4.1焙砂中ZnO的还原 ……………………………………………………………………………………...….11
4.2焙砂中其他物质的还原 ………………………………………………………………………………………….11
4.3焙烧的目的 ………………………………………………………………………….11
4.4焙烧的程度 ………………………………………………………………………….12
第五章Zn蒸气的冷凝 ……………………………………………………………………...……….12
5.1冷凝反应……………………………………………………………………..12
5.2还原蒸馏气体组成的组成 ……………………………………………………………………………….………….12
5.3蓝粉的生成 ………………………………………………………….……………….12
5.4冷凝设备 ……………………………………………………………….…………..13
5.4.1铅雨冷凝器的优点 ……………………………………………………………………………………..…….13
5.4.2铅雨冷凝器的缺点 ………………………………………………………………………………..………….13
5.5冷凝影响因素 ……………………………………………………………..……….13
第六章精馏法精炼 …………………………………………………………………….………….14
6.1粗锌精馏精炼的原理 ………………………………………………………………………….…….14
6.2精馏的设备与工艺 ………………………………………………………………………...………14
6.3粗锌精馏精炼的过程 ………………………………………………………………………….….….18
第七章总结 ……………………………………………….…...……...…20
参考文献 ……………………………………………………………..……22
致谢…………………………………………………………….……..……23
前言
我国锌矿资源丰富，已查明的储量居世界前列。
炼锌技术源于我国，约在十五六世纪以前我国采炼技术和规模居世界领先地位。
竖罐炼锌技术已经有近百年的发展史，该技术已经在国外消失，只在中国还表现出较强的生命力。
经过几代人的不懈努力，竖罐炼锌技术有了很大提高，其中葫芦岛锌厂代表当今竖罐炼锌技术的最高水平。
为了确保竖罐炼锌技术的不断提高，就要不断总结经验教训，以促进竖罐炼锌技术的不断发展。
第一章锌及其主要伴生元素的性质
1.1锌及锌矿中主要伴生元素的物理性质
锌是银白色的金属，断面有金属光泽，结晶为最密堆积的六方晶格。
锌矿中主要的伴生元素在元素周期表中属于ⅣB族、ⅤB族和ⅥB族的Pb、Zn、Cd、Hg、Sn、Sb、Bi、As、In、Ge和Ag、Au等。
1.2锌及锌矿中主要伴生元素的宏观性质
物理性质：
熔点、熔化热、沸点、汽化热、蒸气压、密度、摩尔体积、线膨胀系数、弹性模数、电阻率、磁化率、表面张力、粘度等
1.3锌及锌矿中主要伴生元素的物质结构
电子层结构、极化率、粒子半径、金属键半径、离子半径、离子势、原子和离子的电离能、放射性同位素、电负性、磁化率等
1.4锌及其主要伴生元素和化合物的热力学性质
锌主要化合物的热力学性质、水溶液中有关电极反应的标准氧化还原电势、水溶液体系的热力学数据等
1.5锌的用途
金属锌有着广泛的用途，用量仅次于铜和铝，在国民经济中占有重要的地位。
世界上，锌约有一半用于镀锌工业，其次是用来制造合金，如用锌、铜制造黄铜，铜、锌、锡形成青铜合金，铜、锌、铅、形成抗磨合金，以及压铸合金等。
锌的化合物也有各种各样用途。
氧化锌在橡胶工业有作添加剂，在化学工业中用作白色颜料，也可以用作防腐涂料浸润木材起保护作用。
在冶金工业中，利于锌从氰化溶液中置换会，在粗铅精致时用丁提取贵金属。
在湿法炼锌生产过程中净化溶液，除去铜、镉等杂质。
第二章竖罐炼锌原理
2.1基本原理
火法炼锌是先将锌精矿进行氧化焙烧或烧结焙烧，使精矿中的ZnS变为ZnO，然后用碳质还原剂还原得到锌蒸气，再进一步蒸馏提纯得精炼锌。
按冶炼设备不同可分鼓风炉、竖罐、电炉、平罐等炼锌方法。
平罐炼锌在20世纪前是唯一的炼锌方法，是一种简单而又落后的炼锌方法，由于能耗高，生产率低，目前已基本淘汰。
第三章竖罐炼锌流程
3.1竖罐炼锌简化流程
焙烧 还原蒸馏 精炼
3.2竖罐炼锌流程图
第四章焙烧
4.1焙砂中ZnO的还原
火法炼锌是基于在高温（>1273K）ZnO能被碳质还原剂还原，主要反应为：
ZnO（s）+CO（g）=Zn（g）+CO2（g）
C（s）+CO2（g）=2CO（g）
总反应为：
ZnO（s）+C（s）=Zn（g）+CO（g）
4.2焙砂中其他物质的还原
存在于焙砂中的铁酸锌（ZnO.Fe2O3）在蒸馏过程中可被CO还原：
ZnO.Fe2O3+CO=ZnO+2FeO+CO2
ZnO+CO=Zn+CO2
焙砂中的硅酸锌在配入石灰后也容易还原，但焙砂中的ZnSO4和ZnS不被还原完全进入蒸馏残渣中而引起锌的损失。
4.3焙烧的目的
完全脱硫，得到金属氧化物组成的焙烧矿（焙砂），从而可使蒸馏得到的锌较纯，避免蒸馏过程锌成为硫化锌而造成的锌的损失。
4.4焙烧的程度
焙烧是完全的氧化焙烧（死焙烧）。
这是因为火法冶炼是在强还原性气氛中使氧化锌被一氧化碳还原成金属锌，在现有工艺条件下硫化锌是不能被还原成金属锌的。
第五章Zn蒸气的冷凝
5.1冷凝反应
还原蒸馏得到的锌蒸气必须在冷凝器中冷凝成液体锌。
Zn（g）→Zn（l）
锌蒸气的冷凝是相变过程，为使气态锌转化为液态锌，必须使锌蒸气温度降到沸点下（<1180K）。
实际生产中，降低冷凝温度直到接近锌的熔点，使剩余的锌蒸汽压接近零，可获得最大冷凝效率。
5.2还原蒸馏气体组成的组成
还原蒸馏产生的气体是Zn蒸气、CO和少量的CO2的混合气，锌蒸汽的含量不超过50%。
5.3蓝粉的生成
如锌蒸汽刚冷凝成小液滴，其表面即被氧化，生成氧化物薄膜，最终凝固成细粉，即蓝粉。
引起蓝粉的主要因素为CO2，这是因为反应：
ZnO+CO=Zn（g）+CO2
为吸热反应，所以当炉气中温度下降时CO2将使产出的锌蒸气再氧化成ZnO，并包裹在锌液滴的表面，形成蓝粉，降低冷凝效率。
为了防止氧化反应的发生，尽可能在高温下直接将锌蒸气导入冷凝器内，使之急冷。
5.4冷凝设备
有锌雨飞溅式冷凝器和铅雨飞溅式冷凝器两类。
鼓风炉炼锌得到的Zn蒸气浓度低，因此生产中采用高温密闭炉顶和铅雨冷凝的方法。
利用铅雨冷凝时，利用锌在液体铅中有一定溶解度，降低冷凝下来的锌的活度，从而保护锌不被炉气中的CO2所氧化。
5.4.1铅雨冷凝器的优点
铅的价格便宜，熔点较锌低而沸点较锌高，在锌的冷凝温度下呈液态且蒸气压低；
在锌的冷凝温度下铅不易氧化，且与锌部分互溶，溶解度随温度的升高而增大；
锌在铅液中的活度系数小于1，冷凝炉气对铅液中锌的氧化比纯锌液要困难。
5.4.2铅雨冷凝器的缺点
由于锌在铅中的溶解度随温度的变化率很小，使铅液的循环量很大，是冷凝锌量的417倍。
5.5冷凝影响因素
（1）过冷蒸汽中凝结核心出现的速度。
（2）蒸气压降低速度。
（3）冷凝器排出热量的速度。
第六章精馏法精炼
6.1粗锌精馏精炼的原理
粗锌精馏精炼的基本原理是利用锌与各杂质的蒸气压和沸点的差别，在高温下使它们与锌分离。
粗锌中可能含有的杂质金属，按其蒸气压或沸点分两类：
（1）蒸气压高于（或沸点低于）锌的杂质如Cd等。
（2）蒸气压低于（或沸点高于）锌的杂质元素如Pb、In、Fe、Cu等
生产中常将脱除沸点高于锌的杂质金属的过程称为脱铅过程；脱除沸点低于锌的金属杂质的过程称为脱镉过程。
6.2精馏的设备与工艺
粗锌精馏精炼的的主要设备是铅塔和镉塔，此外还有熔化炉、铅塔冷凝器、镉塔冷凝器、熔析炉、铸锭炉等。
粗锌精馏精炼在精馏塔内完成。
精馏塔包括铅塔和镉塔两部分，一般是由两座铅塔和一座镉塔组成的三塔型精馏系统构成。
铅塔的主要任务是从锌中分离出沸点较高的Pb、Fe、Cu、Sn、In等元素，镉塔则实现锌与镉的分离。
6.3粗锌精馏精炼的过程
粗锌精馏精炼在精馏塔内完成。
锌精馏塔一般由两座铅塔和一座镉塔组成一生产组，铅塔由50-60个碳化硅盘所叠成，铅塔下部四周用煤气或重油加热，铅塔燃烧室的温度控制在1323~1423K之间，上部保温。
加热部分的塔盘为浅W型，叫蒸发盘。
上部塔盘为平盘，叫回流盘。
蒸发盘设在下部，以保证大量金属锌的蒸发。
相邻两塔盘互成180℃交错砌成。
为了不使铅蒸气达到塔的上部，在蒸发盘与回流盘之间，有一空段，高约1米，不装塔盘，被蒸发的铅在此被冷凝下来
在铅塔中未被冷凝的锌、镉蒸气从铅塔最上层逸出，经铅塔冷凝器冷凝为液体（含镉＜1%）后进入镉塔分离锌和镉，燃烧室温度控制在1100℃左右，发生与在铅塔中相同的冷蒸发和冷凝过程。
最后，从镉塔最上层逸出的富镉蒸气，进入进入镉冷凝器冷凝为Cd-Zn合金（5~15%Cd），这种合金是生产镉的重要原料。
镉塔的最下层聚积了除去镉纯锌液，铸锭后即为商品纯锌。
第七章总结
现代冶金技术，将锌的冶金方法划分为两类，即火法和湿法。
按通常的概念，两种方法最根本的区别是锌的精炼提纯工艺不同，因此也可以把火法称为精馏法，湿法称为电解法。
在我国，火法炼锌产量约占锌总产量的30%，高于国外；2002年全国竖罐炼锌总产量达38万t，约占总产量的18%。
竖罐炼锌技术的总体认识竖罐炼锌技术诞生以后，在欧美国家一度发展较快。
到20世纪60年代末达到鼎盛时期，年产量达当时世界年总产量的14%。
20世纪70年代中期以后，受西方世界能源危机的影响，以及当时环保技术水平的制约，生产能力逐渐萎缩。
国外竖罐炼锌最后一条生产线已于1980年关闭。
我国的竖罐炼锌技术，建国后在葫芦岛锌厂得到了快速发展。
特别是到上世纪80年代末期，技术水平更加完备，其总体技术水平已远远超过西方国家竖罐炼锌史上的最好水平。
国内对竖罐炼锌技术的评价数据，多取自20世纪80年代以前，加上葫芦岛锌厂以外的国内竖罐炼锌厂均采用葫芦岛锌厂1990年以前的技术“克隆”建设，葫芦岛锌厂1990年以后的技术进步又很少公开报道，所以在一定程度上掩盖了当代竖罐炼锌技术的真实水平。
实际上，从1995年到现在，中国的锌锭年产量一直位于世界第一位，年总产量达到了全世界锌总产量的1/4，中国已经成为世界产锌大国。
而采用竖罐炼锌技术生产的锌锭，占国内锌锭年总产量的比例，始终都在10%以上。
由于竖罐炼锌对原料适应性较强，因而可处理含氟、砷、锑较高的原料及二次物料；产品灵活性大，可生产纯锌、氧化锌和锌粉；锌的总回收率可高达95%~96%（高于电锌回收率的92%~92.55%）；硫的回收率>94%（而ISP法仅为90%、湿法仅为93%）；年产万吨级以下的锌厂单位投资低于湿法炼锌厂。
此外，我国煤、焦炭、人工等价位较低，精锌生产成本往往低于电锌生产成本（2002年以前），竖罐炼锌仍有一定市场，被国内多家中小工厂采用并延续生产。
但因竖罐单罐生产能力的限制（最大日产锌量仅21~22t）劳动生产率低；竖罐间接加热，吨精锌能耗高达2.2~2.4t标煤；车间粉尘含量高，污水处理难度大。
从能源、环保、劳动生产率几个关键因素考虑，从可持续发展战略看，竖罐炼锌技术面临严峻挑战。
近年来我国竖罐炼锌的技术进步对一种生产工艺的评价，基本上可以从五个方面考虑：
能耗水平、环保水平、资源利用率、劳动安全与卫生、一次性投资与运行费。
近年来我国对竖罐炼锌技术的研究，重点在提高能耗水平、环保水平和资源利用率上展开。
参考文献
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[2]张全，何金桥.《锌精馏铅塔燃烧室热工问题诊断》[J].中南工业大学学报，2001-06.
[3]王贤林.《滴状冷凝的实验研究》[J].中南大学，2005.
[4]樊建章.《竖罐炼锌冷凝效率理论计算》[M].有色金属，1980-02.
[5]郭兴忠，张丙怀.《氧化锌矿的基本物性及高温氧化焙烧实验》[J].重庆大学学报（自然科学版），2002-04.
致谢
本论文是在李红耀老师的亲切关怀和悉心指导下完成的您严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。
从题目的选择到项目的最终完成，李红耀老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。
在此，我还要感谢在一起愉快的度过承德石油高等专科学校生活的各位同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入题目到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！
最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！
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评阅人2013年月日
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