含锌废渣资源化利用工艺设计毕业设计.docx

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含锌废渣资源化利用工艺设计毕业设计

毕业设计说明书

题目:

每年1万吨含锌废渣资源化利用工艺设计

2012年06月01日

摘要

氧化锌是重要的无机原料，在各个领域都有广泛的应用，随着国民经济的快速发展和人们生活水平的迅速提高，锌矿资源日益减少而锌消耗量却不断增加，使得含锌废渣的回收利用问题也越来越受到人们的关注，用氨配合法回收含锌工业废渣中的氧化锌,成为锌矿资源化利用的有效途径。

本设计以上海宝钢含锌工业废渣为原料，以氨-碳酸氢铵为浸取剂，通过实验初步摸索了含锌废渣处理的条件，并结合文献综合考虑了浸出率、工艺复杂程度等因素后，确定了本设计的工艺条件。

依据工艺设计的程序，按操作单元进行物料衡算；对工艺中涉及到的换热系统均进行了能量衡算，确定了换热面积和加热蒸汽、冷却水等加热介质和冷却介质的消耗量；在此基础上，，进行了工艺流程设计，画出了工艺流程图。

结合衡算结果和工艺设计要求，选择了适合本工艺的主要设备；依据物料性质和操作条件选择了各设备的材质和规格；并结合设备在工艺操作条件，对所用仪表规格、型号进行了选择。

关键词：

含锌废渣氨-碳酸氢氨活性氧化锌工艺流程

Processdesignofaworkshopforhandlingresiduescontainingzincwiththecapacityof10kt/a

Abstract

Zincoxideisanimportantinorganicrawmaterial,andwidelyusedinvariousfields.Withtherapidlydevelopmentofthenationaleconomyandthequicklyincreasingofpeople'slivinglevel,zincresourcesaredwindlingandzincconsumptionisincreasing,therecyclingofzincresiduehasbecometheconcernofthepublic.Recoveryofzincoxidefromzincindustrialresidueswithammoniahasbecometheeffectivewayofzincmineutilization.ThisdesigntakeShanghaiBaoGangzincindustrialresiduesasrawmaterials,andammonia-ammoniumbicarbonateastheleachingagent.Afterpreliminaryexperimentstoexploretheconditionsforthezincresiduetreatment,andrelatedliteratureconsideringtheleachingrate,processcomplexityandotherfactorstodeterminetheconditionsofthedesign.Calculatedthematerialbalanceontheoperatingunitaccordingtotheprocessdesignoftheprogramandtheenergybalanceoftheprocessesinvolvedintheheatexchangersystem,todeterminetheheattransferareaandtheconsumptionoftheheatingmediumandcoolingmediumsuchasheatingsteamandcoolingwater.Onthisbasis,theprocessdesigndrawaprocessflowdiagram.Basedonthecombinationofresultsandprocessdesignrequirements,selectedthemainequipmentforthisprocess.Accordingtothematerialandoperatingconditionstochoosethematerialandspecifications.Combinedwiththeequipmentintheprocessoperatingconditions,theinstrumentspecifications,modelselectionbasedonmaterialpropertiesandoperatingconditions.

Keywords:

WasteresiduecontainingzincAmmonia-ammoniumbicarbonateProcessActivezincoxide

目录

摘要II

AbstractIII

1绪论1

1.1研究背景1

1.2活性氧化锌的性质1

1.3活性氧化锌的用途及应用前景1

1.4工艺的最新进展2

1.5现有制活性氧化锌的方法2

1.6本设计的目的与意义3

2工艺设计3

2.1设计原则3

2.1.1设计依据3

2.1.2指导思想3

2.1.3研究设计范围4

2.2物料组成及反应原理4

2.2.1含锌工业废渣主要组成4

2.2.2反应所需试剂及其规格4

2.2.3反应原理4

2.3工艺流程5

2.3.1工艺流程简述:

5

2.3.2工艺流程框图6

3物料衡算6

3.1每批所用浸取剂的质量6

3.2除杂试剂用量计算：

7

3.2.1H2O2的加入量7

3.2.2锌粉的加入量8

3.3补充试剂及洗涤用水用量计算8

3.4滤液的量8

3.5活性氧化锌的产量9

4能量衡算9

4.1计算依据：

9

4.2热能的衡算9

4.2.1反应釜的热量衡算9

4.2.2除杂净化工段热量衡算10

4.2.4干燥工段能量衡算11

4.3电能的消耗12

4.3.1反应釜的搅拌12

4.3.2回转窑的能耗12

4.3.3蒸发器的能耗12

4.3.4电能的总消耗12

5设备选型12

5.1反应釜选型12

5.2过滤器选型14

5.3蒸发器选型14

5.4氨水储罐选型15

5.5干燥机选型15

5.6回转窑选型16

6成本核算与投资估算16

6.1原料及成品价格16

6.2投资估算17

6.2.1设备费用17

6.2.2设备安装18

6.2.3控制仪表及安装18

6.2.4管道工程18

6.2.5电气工程18

6.2.6土建工程18

6.2.7场地建设18

6.2.8公用工程设施费用18

6.2.9土地购置费18

6.2.10总固定资金18

6.3流动资金18

6.4总资金18

结论20

致谢21

参考文献22

附录锌提取条件的优化23

1绪论

1.1研究背景

锌是重要的金属资源，在各个领域应用广泛，由于国民经济的飞速发展和人们生活水平的大幅度提高，锌的消费量正逐渐增大，在生产和消费锌资源的过程中，产生大量的含锌工业废渣，由于日益减少的锌矿资源和不断增加的锌消耗量，含锌废渣的回收利用问题也越来越受到人们的关注，国内外对从工业废渣中提炼氧化锌也要越来越重视，用氨配合法回收含锌工业废渣中氧化锌制备活性氧化锌，已成为锌矿资源有效利用的重要途径。

1.2活性氧化锌的性质

氧化锌又称锌白，氧化锌粒子表面经活化处理、比表面积大于35m2/g的氧化锌可称为活性氧化锌。

它是一种白色或微黄色球状微细粉末，不溶于水、醇，易溶于碱、酸、、氯化铵、氨水等溶液。

与普通氧化锌相比，活性氧化锌具粒径较小、分散性好和大比表面积等特性。

普通氧化锌的粒径在0.5μm左右，粒子为柱状或棒状，比表面积约为1-5m2/g；而活性氧化锌的粒径在0.05μm左右，粒子为球状，比表面积约为35-55m2/g。

活性氧化锌除了具有与氧化锌同样的性质，还具备一些自身独有的性质如表面效应、量子尺寸效应等。

1.3活性氧化锌的用途及应用前景

活性氧化锌在医药、化工、电子等行业的应用相当广泛。

活性氧化锌应用于橡胶工业中，使橡胶具有良好的功能等，且能减少原料的用量，提高了橡胶制品的质量和经济效益；在化学工业中，氧化锌被用做催化剂、脱硫剂以及制取各种锌盐的原料；由于其优良的遮蔽紫外线功能，而用于制造防晒霜和膏粉。

同时，氧化锌作为一种传统功能材料，具有独特的物理、化学性能，在气体敏感材料、变阻器、光子材料以及透明导电材料等重要领域有着广泛的应用。

随着工业的飞速发展，对活性氧化锌的需求也日益增加，因此，氧化锌的研究一直受到人们的关注。

1.4工艺的最新进展

我国生产氧化锌的传统方法分为两种，主要是酸浸法、氨配合法。

酸浸法多以次质氧化锌或锌焙砂为原料，用硫酸分解浸取、除杂后得到精制的硫酸锌溶液，然后用纯碱或碳酸氢铵沉淀得到碱式碳酸锌，再经洗涤、干燥、锻烧得到符合标准的活性氧化锌。

酸浸法由于工艺比较复杂、废水量特别大、污染较严重、成本比较高，故有被氨配合法逐渐取代的趋势。

目前研究较多的是氨配合法制活性氧化锌，且中间体碱式碳酸锌较多描述为ZnCO3.Zn（OH）2。

1.5现有制活性氧化锌的方法

1.5.1有机化合物还原法用有机化合物的碱性还原废锌，用水洗净,然后高温加热，最后加入少量的硫，生产符合要求的活性氧化锌。

1.5.2二氧化碳的方法在充满含水蒸汽的二氧化碳的密闭容器中，加入高纯大粒子的氧化锌，保持一定温度使氧化锌转化为碱式碳酸锌，然后再加热分解得到粒径0.05μm左右的活性氧化锌。

1.5.3草酸锌分解法将氯化锌加入到草酸铵和氯化锌两种溶液的混合溶液中，加热到一定温度得到草酸锌沉淀，然后将沉淀洗涤、干燥、再焙烧得到活性氧化锌。

该法的一个缺点是草酸铵价格太贵、成本太高，不适合工业生产。

1.5.4碱浸法碱浸法是将氢氧化钠，加入到含锌、氧化剂硝酸钠和水的混合物中。

在一定温度下完全溶解锌渣。

然后降温通入二氧化碳、过滤氧化锌和氢氧化锌沉淀,，经干燥、焙烧得到合格活性氧化锌。

1.5.5添加甲醇和水玻璃法在水中溶解锌盐同时加入氢氧化钠、甲醇和工业水玻璃混合搅拌，将生成的沉淀物滤出水洗、干燥、煅烧得到的活性氧化锌比普通氧化锌颗粒细得多，用于橡胶中能提高硫化速度2倍。

1.5.6活性氧化锌大比表面积的制备方法用甲醇或丙醇溶解氯化锌或硫酸锌，在通入氨气，然后把生成氢氧化锌沉淀用甲醇洗涤、干燥、煅烧得到大比表面积的活性氧化锌。

1.5.7碳酸钠法在硫酸锌或氯化锌溶液中加入碳酸钠溶液，生成碱式碳酸锌沉淀。

然后经过滤、洗涤、干燥、焙烧后得到活性氧化锌，产品中含有质量分数1%左右的水分和少量的二氧化碳。

1.5.8氨-碳酸氢铵法用稀硫酸做浸取剂，浸取含锌原料制得硫酸锌溶液，然后经净化除杂。

净化后的硫酸锌溶液与廉价的碳酸氢铵和氨水反应，生成碱式碳酸锌沉淀。

最后沉淀经洗涤、干燥和焙烧得到活性氧化锌产品。

该方法的优点是成本低。

1.6本设计的目的与意义

在钢铁工业生产过程中，排出的含锌废渣中含有少量的锌，若直接排放，既污染环境又浪费资源。

本设计针对目前国内氧化锌的生产及供需现状，对1万吨/年含锌废渣资源化利用项目进行工艺设计。

利用氨配合法处理含锌工业废渣的工艺相对比较简单，操作也很方便，氧化剂选用过氧化氢，除杂过程中不引入新杂质。

故用氨配合法回收含锌废渣中的氧化锌以制备活性氧化锌，已成为锌资源有效利用的重要途径。

2工艺设计

2.1设计原则

2.1.1设计依据

（1）河南工业大学化学化工学院毕业设计任务书。

（2）国家相关能源、经济和建筑等相关规定。

（3）化工工厂初步设计文件内容深度（HGT20688-2000）

2.1.2指导思想

（1）坚持设计工作的科学性、严谨性和经济性。

（2）认真贯彻国家的政策法规，遵循各地各部门的标准和法规。

（3）认真贯彻“露天化、一体化、社会化、轻型化、国产化”的设计原则。

（4）国内不成熟的技术或无法满足的设计要求的核心技术和设备从国外引进。

2.1.3研究设计范围

（1）工艺流程方案的设计

（2）设备选型及典型非标设备工艺设计

（3）物料衡算、热量计算及换热网络优化集成设计

（4）车间设备布置设计

（5）工厂总体布置设计

2.2物料组成及反应原理

2.2.1含锌工业废渣主要组成

表1含锌废渣的主要组成

组分

ZnO

Fe2O3

CaO

Al2O3

MgO

Cr2O3

Na2O

MnO

SiO2

CuO

含量%wt

22.24

13.95

10.07

4.38

0.8

0.55

0.26

0.049

9.24

0.0087

锌为该渣中价值最高金属，设计采用氨-碳酸氢铵混合溶液低温浸取，由于氨的选择络合性，可得到纯净的锌氨络合溶液，通过热解除氨而得到碱式碳酸锌沉淀，干燥、锻烧后可制得活性氧化锌。

余渣进入低温低碱氧压浸铬工艺。

2.2.2反应所需试剂及其规格

表2所用试剂的规格

名称

质量分数

摩尔质量g/mol

执行质量标准

氨水

以NH3计25.0-28.0%

17.03

GB/T631-1989

碳酸氢氨

以NH3计21.0-22.0%

79.06

GB663-78

双氧水

35%

34.01

GB/T6684-1986

锌粉

90%

65.38

Q/BJ3-639-2003

纯净水

100％

18.02

2.2.3反应原理

含锌工业废渣的主要成分为氧化锌，并含有一些杂质，用氨配合法浸取含锌废渣时发生的主要反应如下：

ZnO+（NH4）2CO3+4NH3→[Zn（NH3）4]CO3+H2O

含锌工业废渣中的锌在浸取过程中大部分被浸出，铜、镉、铅等的氧化物也发生类似反应而进入溶液，不溶性杂质则留在残渣中。

在氨浸取过程中，Fe2+、Fe3+、Pb2+、Cu2+和Cr3+在溶液中反应生成氢氧化物沉淀，以Fe2+和Fe3+为例，其反应为:

Fe2++2OH-→Fe（OH）2↓

Fe3++3OH-→Fe（OH）3↓

浸取混合物经过滤得到澄清的锌氨配合溶液，其中含有的杂质离子Pb2+、Cu2+等离子在加入锌粉时，与锌发生置换反应生成海绵状的沉淀物而从溶液中沉淀除去。

其反应式如下:

Zn+Cu（NH3）42+→Zn（NH3）42++Cu

Zn+Pb（NH3）42+→Zn（NH3）42++Pb

浸取液经过除杂净化再经加热蒸氨，使锌离子沉淀为碱式碳酸锌。

然后经干燥、锻烧即可制得合格的活性氧化锌。

氨配合法制活性氧化锌是一个复杂的多相过程，化学反应和内、外扩散，相转变等现象。

一般将其分为三个阶段：

①氨浸取制配合物阶段

②蒸氨沉锌过程阶段

③煅烧制活性氧化锌阶段

2.3工艺流程

2.3.1工艺流程简述:

1.把碳酸氢氨投入溶解釜中,然后加入氨水、去离子水,将夹套通入水蒸汽加热,使温度升到45℃

溶解后用泵压入袋搅拌的反应釜内,在一定的转速下搅拌,并加入含锌废渣.控制反应温度为45℃左右.

2.维持2h至反应结束后,将反应液送入板框式压滤机中进行压滤.

3.滤渣进入浸铬工艺,滤液进入除杂装置,在滤液中依次加入氧化剂（双氧水）、锌粉进行除杂.

4.除杂后的滤液加热蒸氨沉锌,蒸出氨经氨回收槽循环回溶解釜,滤液在与沉锌过滤分离后也经氨回收槽循环回溶解釜.

5.沉锌经过滤后送往干燥器,干燥一定时间后,在煅烧炉内煅烧制备活性氧化锌产品.

2.3.2工艺流程框图

图1　工艺流程框图

3物料衡算

年处理1万吨含锌废渣,按每年生产300天,则每天的处理量为：

Md=10000t÷300=33.33t/d

生产为间歇式生产，每批浸取时间为2h,两批间间隔1h,则一天生产八批

每批的产量为M=33.33t÷8=4.167t

3.1每批所用浸取剂的质量

设以处理一批（4.167t）含锌工业废渣为基准

浸取剂单耗如下：

含锌工业废渣：

M=4.167t

液固比L:

S=6:

1

则每批的浸取液的量为L=25m3

浸取液中氨水的浓度为6mol/L

氨水用量与碳酸氢铵用量配比为5，则碳酸氢铵的浓度为1.2mol/L

则浸取液中氨水与碳酸氢铵的用量分别为：

M氨水＝25m3×6mol/L×17.03g/mol÷25％＝8.515t

M碳酸氢铵＝25m3×1.2mol/L×79.06g/mol＝2.372t

氨水的体积：

Ｖ＝M氨水÷ρ＝8.515t÷0.91g/cm3＝9.357m3

忽略碳酸氢铵溶解及氨水稀释时体积的变化，需纯净水的体积

Ｖ水＝25－9.357＝15.643m3

则所需纯净水的质量为：

M水＝15.643m3×1000Kg/m3=15.643t

3.2除杂试剂用量计算：

3.2.1H2O2的加入量

溶液中的杂质离子用H2O2除杂时，可由低价的氢氧化合物氧化为更小溶解度的Mn（OH）4、Pb（OH）4、Fe（OH）3,经过滤可从溶液中除去。

以Mn2+为例的主要反应为：

Mn2++NH3·H2O→Mn（OH）2

Mn（OH）2+H2O2→MnO2·nH2O

将H2O2加入到浸取液中,将Fe（OH）2、Pb（OH）2、Mn（OH）2这类物质氧化成MyOx·xH2O沉淀,经过滤即可将沉淀杂质除去。

由表3可见,这些杂质中锰的除去最为困难,因此杂质的净化效果可用锰的净化程度作为控制指标。

表3相关离子氢氧化物的溶度积常数KSP（298.15K）

化合物

KSP

Mn（OH）2

1.9×10-13

Pb（OH）2

1.2×10-15

Pb（OH）4

3.2×10-66

Hg（OH）2

1.0×10-26

Cd（OH）2

2.5×10-14

Fe（OH）2

8.0×10-16

Fe（OH）3

4.0×10-38

表4相关配合物的稳定常数β（298.15K）

化合物

Zn（NH3）2+4

Cu（NH3）2+4

Cd（NH3）2+4

Ag（NH3）+2

Hg（NH3）+4

β

2.88×109

2.08×1013

1.32×107

1.91×1019

1.91×1019

在氨-碳酸氢铵溶解过程中H2O2的加入量对除锰结果及锰的去除量与脱锰时间的关系表明，当H2O2的加入量为含锌废渣量的2.0%,除杂时间为30min~40min时,锰与锌的比值R≤2.0×10-6,满足深度除锰的要求。

H2O2的加入量为：

M双氧水=2.0%×4.167t=83.34kg

3.2.2锌粉的加入量

锌粉的量按3g/L加入

则锌粉的用量为：

M锌粉=25m3×3g/L=75kg

3.3补充试剂及洗涤用水用量计算

设氨水的损失率为3%

则每批需补充氨水的量为：

8.515t×%=255.45kg

过滤过程洗涤用水量为：

3t

3.4滤液的量

滤液的量=浸取剂的量+洗涤水的量

V=25m3+3m3=28m3

3.5活性氧化锌的产量

本设计的浸取率为91.5%,原料含锌废渣中氧化锌的含量为22.24%

则每批所得活性氧化锌产品的量

M=4.167×103kg×22.24%×91.5%=847.97kg

4能量衡算

4.1计算依据：

能量衡算的主要依据是能量守恒定律，能量守恒定律是以车间物料衡算的结果为基础而进行的，还必须收集有关物料的热力学数据。

4.2热能的衡算

表5主要装置物料及加热气进出口的温度

装置

进口温度℃

出口温度℃

反应釜

物料

20

45

热水

90

50

净化装置

滤液

40

55

热水

100

60

蒸发器

滤液

40

95

蒸汽

200

100

干燥机

物料

40

90

蒸汽

300

100

回转窑

物料

90

550

4.2.1反应釜的热量衡算

表6浸出工段的热量衡算主要体现在反应釜和夹套

物质

比热容kJ/（kg·℃）

物质

比热容kJ/（kg·℃）

水

4.18

ZnO

0.498

空气

1.009

Fe2O3

0.649

CaO

1.12

MgO

0.929

MnO

0.534

SiO2

0.694

CuO

0.532

Al2O3

0.775

氨水

4.3

不锈钢

0.50

含锌废渣的比热容

Cp≈ΣωCp

=0.2224×0.498+0.1395×0.649+0.1007×1.12+0.0438×0.775+0.008×0.929+0.00049×0.543+0.0924×0.694+0.000087×0.532

=0.42kJ/（kg·0C）

反应釜物料升温所需的能量

Q1=MCp△t

=4.167×103×0.42×（45-20）kJ

=43753.5kJ=4.37×104kJ

浸取液升温所需的能量

Q2=∑MCp△t

=8.515×103×4.3×（45-20）+15.643×103×4.18×（45-20）kJ

=915362.5+1634693.5kJ

=2550056kJ

=2.55×106kJ

消耗在加热或冷却设备上的热量

，对于间歇反应可忽略。

热水的消耗量

M=Q/Cp△t=2.594×106÷4.18÷（90-50）kg=1.55×104kg

4.2.2除杂净化工段热量衡算

浸取液进口温度40℃，出口温度55℃

蒸汽进口温度100℃，出口温度60℃

取浸取液的比热容Cp=4.1kJ/（kg·℃）

浸出液升温所需的能量

Q=MCp△t

=25×103×4.1×（55-40）

=1.538×106kJ

热水的消耗量

M=Q/Cp△t=1.538×106÷4.18÷（100-60）kg=9.199×103kg

4.2.3蒸氨工段的热量衡算

锌氨络合物溶液进口温度40℃，出口温度95℃

蒸汽进口温度200℃，出口温度100℃

取浸取液的比热容Cp=4.1kJ/（kg·℃）

浸出液升温所需的能量

Q=MCp△t

=25×103×4.1×（95-40）

=5.638×106kJ

热水的消耗量

M=Q/Cp△t=5.638×106÷4.35÷（200-100）kg=1.296×104kg

4.2.4干燥工段能量衡算

干燥阶段的热量衡算，主要是体现在管束式干燥机和空气加热器上。

干燥机的热量衡算。

以3h（每批）为计量单位。

取湿物料进口温度

℃，物料出口温度

90℃；

空气进加热器前温度