含锌废渣资源化利用工艺设计毕业设计.docx

1、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

2、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Process design of a workshop for handling residues containing zinc with the capacity of 10kt/aAbstractZinc oxide is an i

3、mportant inorganic raw material, and widely used in various fields. With the rapidly development of the national economy and the quickly increasing of peoples living level, zinc resources are dwindling and zinc consumption is increasing, the recycling of zinc residue has become the concern of the pu

4、blic. Recovery of zinc oxide from zinc industrial residues with ammonia has become the effective way of zinc mine utilization. This design take Shanghai BaoGang zinc industrial residues as raw materials, and ammonia-ammonium bicarbonate as the leaching agent. After preliminary experiments to explore

5、 the conditions for the zinc residue treatment , and related literature considering the leaching rate , process complexity and other factors to determine the conditions of the design. Calculated the material balance on the operating unit according to the process design of the program and the energy

6、balance of the processes involved in the heat exchanger system, to determine the heat transfer area and the consumption of the heating medium and cooling medium such as heating steam and cooling water. On this basis, the process design draw a process flow diagram. Based on the combination of results

7、 and process design requirements, selected the main equipment for this process. According to the material and operating conditions to choose the material and specifications. Combined with the equipment in the process operating conditions, the instrument specifications , model selection based on mate

8、rial properties and operating conditions. Keywords: Waste residue containing zinc Ammonia-ammonium bicarbonate Process Active zinc oxide 目 录摘要 IIAbstract III1 绪论 11.1 研究背景 11.2 活性氧化锌的性质 11.3 活性氧化锌的用途及应用前景 11.4 工艺的最新进展 21.5 现有制活性氧化锌的方法 21.6 本设计的目的与意义 32 工艺设计 32.1 设计原则 32.1.1 设计依据 32.1.2 指导思想 32.1.3 研

9、究设计范围 42.2 物料组成及反应原理 42.2.1 含锌工业废渣主要组成 42.2.2 反应所需试剂及其规格 42.2.3 反应原理 42.3 工艺流程 52.3.1 工艺流程简述: 52.3.2 工艺流程框图 63 物料衡算 63.1 每批所用浸取剂的质量 63.2 除杂试剂用量计算： 73.2.1 H2O2的加入量 73.2.2锌粉的加入量 83.3 补充试剂及洗涤用水用量计算 83.4 滤液的量 83.5 活性氧化锌的产量 94能量衡算 94.1 计算依据： 94.2 热能的衡算 94.2.1 反应釜的热量衡算 94.2.2 除杂净化工段热量衡算 104.2.4 干燥工段能量衡算 1

10、14.3 电能的消耗 124.3.1 反应釜的搅拌 124.3.2 回转窑的能耗 124.3.3 蒸发器的能耗 124.3.4 电能的总消耗 125设备选型 125.1 反应釜选型 125.2 过滤器选型 145.3 蒸发器选型 145.4 氨水储罐选型 155.5 干燥机选型 155.6 回转窑选型 166成本核算与投资估算 166.1 原料及成品价格 166.2 投资估算 176.2.1 设备费用 176.2.2设备安装 186.2.3控制仪表及安装 186.2.4管道工程 186.2.5 电气工程 186.2.6 土建工程 186.2.7 场地建设 186.2.8 公用工程设施费用 18

11、6.2.9 土地购置费 186.2.10 总固定资金 186.3 流动资金 186.4 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 231 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

12、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0.5m左右，粒子为柱状或棒状，比表面积约为1-5 m2/g；而活性氧化锌的粒径在0.05m左右，粒子为球状，比表面积约为35-55 m2/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

13、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

14、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0.05m左右的活性氧化锌。1.5.3

15、 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

16、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

17、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

18、）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ZnOFe2O3CaOAl2O3MgOCr2O3Na2OMnOSiO2CuO含量%wt22.2413.9510.074.380.80.5

19、50.260.0499.240.0087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%17.03GB/T631-1989碳酸氢氨以NH3计21.0-22.0%79.06GB663-78双氧水35%34.01GB/T6684-1986锌粉90%65.38Q/BJ3-639-2003纯净水10018.022.2.3 反

20、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)4CO3 +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

21、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+CuZn+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：氨浸取制配合物阶段蒸氨沉锌过程阶段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

22、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= 10000t300= 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

23、八批每批的产量为M=33.33t8=4.167t3.1 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25m36mol/L17.03g/mol258.515tM碳酸氢铵25m31.2 mol/L79.06g/mol2.372t氨水的体积：M氨水8.515t0.91g/cm39.357m3忽略碳酸氢铵溶解及氨水稀释时体积的变化，需纯净水的

24、体积水259.35715.643m3则所需纯净水的质量为：M水15.643 m31000Kg/ m3=15.643t3.2 除杂试剂用量计算：3.2.1 H2O2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+NH3H2OMn(OH)2 Mn(OH)2+ H2O2MnO2nH2O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MyOxxH2O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

25、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KSPMn(OH)21.910-13Pb(OH)21.210-15Pb(OH)43.210-66Hg(OH)21.010-26Cd(OH)22.510-14Fe(OH)28.010-16Fe(OH)34.010-38表4 相关配合物的稳定常数(298.15K)化合物Zn(NH3)2+4Cu(NH3)2+4Cd(NH3)2+4Ag(NH3)+2Hg(NH3)+42.881092.0810131.321071.9110191.911019在氨-碳酸氢铵溶解过程中H2O2的加入量对除锰结果及

26、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30min40min时,锰与锌的比值R2.010-6,满足深度除锰的要求。H2O2的加入量为：M双氧水=2.0%4.167t=83.34kg3.2.2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=25m33g/L=75kg3.3 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：3t3.4 滤液的量滤液的量=浸取剂的量+洗涤水的量V=25m3+3m3 =28 m33.5 活性氧化锌的产量本设计的浸取率为91.5%,原料含锌废渣

27、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=4.167103kg22.24%91.5%=847.97 kg4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2045热水9050净化装置滤液4055热水10060蒸发器滤液4095蒸汽200100干燥机物料4090蒸汽300100回转窑物料905504.2.1 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

28、容kJ/(kg)水4.18ZnO0.498空气1.009Fe2O30.649CaO1.12MgO0.929MnO0.534SiO20.694CuO0.532Al2O30.775氨水4.3不锈钢0.50含锌废渣的比热容CpCp=0.22240.498+0.13950.649+0.10071.12+0.04380.775+0.0080.929+0.000490.543+0.09240.694+0.0000870.532= 0.42kJ/(kg0C)反应釜物料升温所需的能量Q1=MCpt=4.1671030.42（45-20）kJ=43753.5 kJ=4.37104 kJ浸取液升温所需的能量Q2=

29、 MCpt =8.5151034.3（45-20）+15.6431034.18（45-20）kJ=915362.5+1634693.5 kJ=2550056 kJ=2.55106 kJ 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/Cpt=2.594106 4.18（90-50）kg=1.55104 kg4.2.2 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=4.1 kJ/(kg)浸出液升温所需的能量 Q= MCpt=251034.1（55-40）=1.538106kJ热水的消耗量M=Q/Cpt=1.538106 4.18（100-60）kg=9.199103 kg4.2.3 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=4.1 kJ/(kg)浸出液升温所需的能量 Q= MCpt=251034.1（95-40）=5.638106 kJ热水的消耗量M=Q/Cpt=5.638106 4.35（200-100）kg=1.296104 kg4.2.4 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