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硫铁矿弱氧焙烧的生产实践论文

 人参与  2025-02-13 10:18:15  分类 : 理学  点这评论  作者：团论文网  来源：https://www.tuanlunwen.com/
　　摘要：中国钢铁行业所需铁矿石原料大多依赖于进口，而硫铁矿焙烧产出的硫酸渣可作为钢铁行业的铁矿石原料的补充。为了得到符合钢铁行业原料要求的硫酸渣，在硫铁矿焙烧工艺中，弱氧焙烧的生产模式为铁品位提升、砷杂质开路、改善砂色等方面带来优势。最后，针对弱氧焙烧生产过程中由于控制不够精准而产生的一系列问题，提出解决优化措施，以降低这些问题对硫铁矿弱氧焙烧常态化稳定运行所造成的影响。

　　关键词：硫酸渣；硫铁矿；弱氧焙烧

　　1硫铁矿焙烧现生产现状

　　全球铁矿石市场经历了剧烈的波动，价格的极端不稳定性和供应的不确定性对钢铁产业构成了重大挑战。这种市场动态不仅影响了钢铁企业的成本结构，也对整个供应链的稳定性提出了严峻考验。中国作为世界上最大的钢铁生产国，对铁矿石的需求在全球市场占据了重要份额。由于国内铁矿石资源储量和品质问题迫使中国依赖大量进口，使得钢铁行业面临供应链风险。同时，中国的废钢存量较低，粗钢生产约90%源于铁矿石冶炼，致使国内铁矿石供需缺口在一定程度上抬高了钢铁行业的生产成本。中国属于硫酸产量大国，2022年国内通过硫铁矿制硫酸产能占硫酸总产能的17.9%［1］，在此过程中还产出大量的硫酸渣，含铁质量分数≥60%，可为钢铁行业提供铁资源，弥补部分铁矿石的缺口。硫酸渣作为一种潜在的铁矿石替代品，其在钢铁生产中的应用显得尤为重要。特别是通过硫铁矿弱氧焙烧工艺生产的硫酸渣，因其较高的铁含量和较低的杂质水平，为钢铁行业提供了一种成本效益高且可持续的原料选择。但由于各企业工艺及操控的差异，导致产出的硫酸渣铁含量、产品颜色等均存在较大区别，为使硫酸渣成分达到钢铁行业的原料要求，需选择合适的生产工艺来给予保障。

　　2硫铁矿弱氧焙烧的优势

　　硫酸渣大多是硫铁矿沸腾焙烧氧化脱硫产出，在实际入炉精矿含硫总量相等情况下，通过调整风量大小，使炉内主要呈现出氧化焙烧和弱氧焙烧两种状态。两种焙烧模式下产出硫酸渣的颜色、品位、质量，以及焙烧过程中对设备的影响均存在差异。硫酸渣按颜色划分为红渣、棕渣、黑渣［2］。在氧化焙烧状态下，硫酸渣的主要成分为Fe2O3，且颜色呈红色，称为红渣；在弱氧焙烧状态下，硫酸渣的主要成分为Fe3O4，且颜色呈黑色，称为黑渣；而介于两者之间的称为棕渣。由于黑渣颜色与铁矿石颜色相近，从市场营销的角度来讲更有利于硫酸渣的使用。

　　硫酸渣的主要物相为Fe3O4和Fe2O3，其中Fe3O4的Fe含量占72.41%，Fe2O3的Fe含量占70%，从数据可知Fe3O4的含铁品位更高，而弱氧焙烧模式对硫酸渣中铁品位的提升具有一定促进作用，由于生成的Fe3O4的铁含量相较Fe2O3高更受市场青睐，从而提升了硫酸渣的经济价值。

　　硫铁矿在弱氧焙烧条件下，反应速率相对较慢，从而有利于控制炉内气氛和提高铁的氧化程度。以硫铁矿中黄铁矿（FeS2）为例，在弱氧焙烧过程中，首先经历热分解反应，生成硫化亚铁（FeS）和元素硫（S）。这一分解反应在较低的氧分压下进行，该分解反应的活化能约为142kJ/mol，表明在较高的温度下反应速率会显著增加。随后，生成的FeS和S在弱氧条件下进一步氧化，主要是生成磁性氧化铁（Fe3O4）和二氧化硫（SO2），这些氧化反应过程中的活化能较高，促进了反应的进行。

　　反应动力学研究表明，炉内氧分压的降低会抑制Fe2O3的形成，炉内气氛的控制对于硫酸渣的颜色和结构至关重要。在弱氧条件下，硫酸渣倾向于形成黑色，这与Fe3O4的高含量有关，而氧化焙烧条件下则倾向于形成红色，主要由赤铁矿（Fe2O3）组成。在实践生产中，弱氧焙烧条件下的硫酸渣铁品位可提高约2%，验证了对铁品位提升的有效性。

　　硫铁矿中通常伴生有砷、氟、铅、锌等有害杂质元素，对焙烧过程具有一定的影响。以砷为例，砷易与Fe2O3反应生成五价砷化合物（FeAsO4）［3］，造成砷的残留影响硫酸渣的品质。在弱氧焙烧状态下，当空气含量不足时，沸腾层氧分压低，铁的氧化过程受到抑制，硫酸渣的主要成分为Fe3O4，渣中Fe2O3较少，大部分砷伴随炉气排出。由于弱氧焙烧所需空气量少，炉气中生成的SO3含量低，SO2的分压高，在氧分压和SO3分压较低时，即使生成了FeAsO4，在高温下也易发生分解，有利于硫酸渣中砷的脱除。

　　氧化焙烧较弱氧焙烧炉内氧浓度更高，除去参与正常氧化反应的氧气外，多余的氧气继续与烟气中的SO2参与氧化反应生产SO3，因烟尘中的Fe2O3具有一定的催化促进作用，导致烟气中生成SO3概率更大。SO3量的增多，一方面使烟气系统中锅炉系统、旋风系统和电收尘等温度偏低区域的设备腐蚀加剧，在一定程度上限制了生产系统开机率和设备使用寿命；另一方面烟气中的SO3在下游烟气净化系统中，净化洗涤后形成多余的稀酸而造成废酸量和废酸浓度上升，直接提高了后续废酸处理成本和增多了危废渣量。

　　3硫铁矿弱氧焙烧的问题分析

　　在冶金领域中，硫酸渣的质量与品质提升至关重要。从目前的情况来看，硫铁矿弱氧焙烧在质量、品质提升以及市场需求等方面相较氧化焙烧具有更大优势。然而弱氧焙烧也存在一定弊端，生产过程需高度关注及精细化操控，以确保生产系统稳定运行并发挥其优势。

　　弱氧焙烧具有风量低、料量大的特性，在生产进程中必须更加关注炉内风料比的匹配度、投入产出的平衡情况、升华硫控制及炉温管控等细节。在硫铁矿弱氧焙烧过程中，企业面临着多种技术挑战，若处理不当，将严重影响生产效率和产品质量。

　　3.1升华硫堵塞

　　在炉内高温条件下，硫铁矿中的硫会升华形成升华硫。升华硫可能在设备内部沉积，阻碍气体流动，降低炉内热交换效率和反应速率。不仅会影响生产进度，还可能导致炉内压力异常，影响整个生产系统的稳定性。为解决升华硫堵塞问题，企业可采取优化炉内温度分布、调整通风系统等措施，以减少升华硫的生成和沉积。

　　3.2炉内积料过多

　　炉内积料通常与原料的粒度分布、炉内温度分布不均以及风量控制不当有关。当原料粒度不均匀时，容易导致物料在炉内堆积；炉内温度分布不均会使部分区域物料反应不完全，从而形成积料；风量控制不当则可能使物料无法顺利排出炉外。过多的炉内积料会导致炉内压力上升，破坏投入产出平衡。此外，炉内积料过多还可能引发局部过热，增加设备损坏的风险。为避免炉内积料过多，企业可以优化原料粒度分布、改进炉内温度控制系统以及精确控制风量等。

　　3.3炉温管控

　　炉温控制是硫铁矿弱氧焙烧的另一个关键生产参数。炉温的波动对硫酸渣的铁品位和杂质含量有着重要影响。炉温过高可能导致炉内物料熔化，形成炉渣结块，损坏设备并影响生产安全；炉温过低则可能使反应不完全，降低硫酸渣的品质。因此，企业需要采用先进的温度监测和控制技术，确保炉温稳定在合适的范围内。

　　4解决措施

　　为确保硫铁矿弱氧焙烧可以常态化稳定运转，可从以下方面规避其所存在的弊端问题。

　　4.1控制合理的风料比

　　在满足炉内热平衡以及确保脱硫效果良好的前提下，合理选定炉底风量、炉料硫含量、入炉料量的参数范围，通过三者的协同作用来确定最佳的风料比，从而实现弱氧焙烧的正常状态。风量偏低或者炉料过量时，会导致炉子压力逐步升高，使风机负荷加重，极易进入喘振区，同时炉内沸腾效果变差，反应不充分，从而致使渣残硫升高；风量过大时，炉内固定层会降低，热容也随之降低，进而导致物料在炉内的停留时间变短，使得脱硫反应不完全，渣残硫偏高。而且当固定层偏低时，炉温和炉内压力波动较大，不利于维持系统稳定。当风量和炉料量保持不变时，炉内硫氧比能够通过调整入炉含硫量来达成。在单位风量条件下，炉内硫分多少直接影响着硫酸渣颜色的变化，硫分越高，渣就越趋近于黑渣。

　　4.2氧浓度控制

　　硫铁矿的弱氧焙烧可分为热分解和氧化反应两个阶段。主要反应过程如式（1）~（6）：

　　分解反应：

　　FeS2=FeS+S↑（1）

　　4Fe7S8=FeS+7S↑（2）

　　氧化反应：

　　4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2↑（3）

　　4Fe7S8+53O2=14Fe2O3+32SO2↑（4）

　　3FeS+5O2=Fe3O4+3SO2↑（5）

　　S+O2=SO2↑（6）

　　从上述反应可知，硫铁矿热分解产生升华硫，并在氧化阶段被氧化生成二氧化硫。然而，鉴于弱氧焙烧风量低的特性，空气中的氧在沸腾层与FeS、FeS2、Fe7S8发生氧化反应之后，难以再与烟气中的升华硫反应，所以烟气中的升华硫进入下游制酸系统，经过净化洗涤后生成单质硫。由于单质硫在水中会形成具有一定黏性的白色悬浊液，致使制酸净化系统管道、洗涤喷头等部位出现了不同程度的堵塞，从而影响生产。

　　因此，为避免升华硫进入下游制酸净化等系统造成堵塞的问题，引入了二次风和三次风的补救措施，即在沸腾炉中上部位置鼓入空气，使其与弱氧焙烧过程中生成的升华硫发生氧化反应生成二氧化硫。在实践生产中，二三次风量依据炉气出口的氧浓度数据进行判断，据资料查阅显示，沸腾炉炉气出口的氧浓度控制在2.5%~3.0%［4］，这样既能保证弱氧焙烧稳定常态化运行，同时也能消除升华硫进入下游制酸系统的情况。

      4.3炉温严格管控

　　硫铁矿焙烧的炉温取决于风量、料量和入炉含硫量的高低，合理选定三者的参数范围可实现弱氧焙烧的稳定常态化运行。硫铁矿在弱氧焙烧过程中，既有硫化物、氧化物的氧化放热反应，又有硫化物的高温分解吸热反应，主要反应的热效应，如表1所示［5-6］。
 

 
　　从上述反应参数可以看出，弱氧焙烧相较于氧化焙烧，增加了分解吸热和磁性氧化铁氧化放热过程。因此，将炉温严格控制在合理范围内，需要更为严格且精细化的管控。倘若炉温偏低，硫酸渣的残硫量便会偏高，影响其品质；要是炉温偏高，则存在温度反弹以及高温死炉风险。当入炉料量波动大、入炉硫含量波动大或出现突发性断料的情况，炉温必然急剧反弹上升。依据实践生产经验数据，最高反弹温度约200℃。若正常生产中炉温控制偏高（超过1000℃),一旦温度反弹，高温死炉的风险就会加剧。生产实践炉温与渣残硫量的关系如图1所示。
 

 
　　由图1可知，随着炉温的升高，渣残硫量降低，即提高炉温有助于降低渣残硫。当炉温超过900℃时，渣残硫量降低趋势放缓；但温度过高接近炉渣熔点，易形成高温结疤和温度反弹导致高温死炉，因此最佳炉温在900~1000℃。

　　5结语

　　文章探讨了硫铁矿弱氧焙烧工艺在提升硫酸渣铁品位、去除杂质以及改善砂色等方面的优势。通过生产工业实践，验证了弱氧焙烧在提高铁品位、降低砷含量、优化炉温控制等方面的显著效果。这些成果不仅对钢铁行业具有重要的经济意义，也对促进资源的可持续利用和环境保护具有积极影响。

　　硫铁矿弱氧焙烧产出的硫酸渣相较氧化焙烧具有一定优势，如渣全铁品位高、杂质脱除效果好、渣色更符合市场需求等。然而，在进行硫铁矿弱氧焙烧常态化运行时，需要着重规避其中引发的弊端，例如，选择合理的风料比、控制烟气出口氧浓度以及把控合理的炉温范围等关键问题，以确保硫铁矿弱氧焙烧能够安全稳定地运行。

　　尽管文章研究取得了一定的成果，但仍存在一些局限性。相关数据及论点主要基于特定条件下的工业规模生产，可能需要在更广泛的不同原料、不同炉型及生产控制条件下进行验证。未来的研究可以进一步探索弱氧焙烧工艺的优化，包括炉内气氛精细化控制和实时动态监测、设备设施自动化提升和升华硫能否作为副产品收集回收等方面。同时，对硫铁矿弱氧焙烧技术在不同类型、品位的硫铁矿和不同规模生产中的应用进一步研究对比分析，将有助于更全面地评估其在经济效益、环境效益和综合能耗效益等方面存在的优势之处。

　　参考文献

　　［1］廖康程，杨曼.2022年我国硫酸行业生产运行情况及展望［J］.磷肥与复肥，2023，38（8）：1-6.

　　［2］纪长洋.硫酸渣在炼铁流程中的适宜使用方法研究［D］.重庆：重庆大学，2015.

　　［3］张付群.河北杏树台磁硫铁矿弱氧焙烧制酸试生产实践［J］.硫酸工业，2014（2）：28-31.

　　［4］杨洪忠.高硫精矿弱氧焙烧制酸技术研究［D］.北京：中国科学院大学（中国科学院过程工程研究所），2017.

　　［5］李正贤.低硫高铁精矿焙烧应用实践［J］.硫酸工业，2015（4）：45-47.

　　［6］尚钰姣.FeS2热自燃动力学机理及其热危险性评估研究［D］.武汉：武汉理工大学，2015.
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