Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thiêu khử lưu huỳnh quặng niken Bản Phúc trong lò bằng và lò quay

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thiêu khử lưu huỳnh quặng niken Bản Phúc trong lò bằng và lò quay

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thiêu khử lưu huỳnh quặng niken Bản Phúc trong lò bằng và lò quay NGÔ HUY KHOA, PHẠM ĐỨC THẮNG Viện Khoa học vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam Email: khoanh@ims.vast.ac.vn; thangpd@ims.vast.ac.vn TÓM TẮT (Abstract or summary) Bài báo giới thiệu về cơ chế phản ứng trong quá trình thiêu khử lưu huỳnh trong lò thiêu dạng lò bằng và lò quay thiêu có thổi gió vào lòng lò, nguyên nhân gây ra sự giảm hàm lượng niken và biện pháp sử lý chống hao hụt niken. Kết quả tối ưu có thể đạt được là sự giảm hàm lượng niken trước và sau khi thiêu là 5-5,5% xuống còn 4,8-5%, còn hàm lượng lưu huỳnh giảm từ 22-25% xuống còn 3-5%, thời gian thiêu trong lò bằng là 2h. Thành phần các nguyên tố sau thiêu như vậy rất thuận lợi cho công đoạn nấu luyện sten niken, đặc biệt là phải giữ sao cho hạn chế tối đa sự mất mát niken trong các công đoạn khác nhau nhất là trong giai đoạn đầu xử lý quặng thô. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Thiêu oxy hóa quặng niken là khâu bắt buộc trong quy trình công nghệ chế tạo niken từ quặng nguyên khai. Dưới đây là sơ đồ công nghệ chế tạo niken rất phổ biến trên thế giới bằng con đường cacbonyl hóa niken: 7- Carbonyl hoá niken bằng CO ở 50-80 o C tạo ra tetracarbonyl Ni(CO) 4 1-Quặng đa kim sunfua Cu-Ni 2-Tuyển nổi (1) thu tinh quặng chứa ∼ 10% ( Cu + Ni ) 3-Thiêu ôxy hoá (2) để đuổi S 4a-Nấu chảy (3) thu được hỗn hợp Cu 2 S + Ni 2 S 3 Với hàm lượng ∼16%(Cu+Ni) 4b-Nấu chảy sản phẩm (4) có cấp oxy thu được hỗn hợp ∼ 80%( Cu+Ni ) 5-Nghiền nhỏ và oxy hoá thành (CuO+NiO) 6-Khử (6) bằng khí than (56%H 2 +25%CO), t o =350 o C thành mixmetal 8- Nhiệt phân Ni(CO) 4 ở 200 o C thu được bột Niken có độ sạch 99.99% Sơ đồ quy trình công nghệ điều chế niken bằng phương pháp cacbonyl hoá [1] 9- Nấu chảy bột niken (8) trong khí bảo vệ, đúc thỏi rồi cán thành niken tấm thương phẩm độ sạch 99.9% Mục đích chính của thiêu là oxy hóa hỗn hợp kim loại có trong quặng đồng thời đốt cháy lưu huỳnh làm nguyên liệu cho quá trình nấu luyện ra sten tiếp theo. Sở dĩ người ta phải làm như vậy vì lưu huỳnh hầu như không đi vào xỉ và mặt khác nếu lưu huỳnh có hàm lượng cao làm cho xỉ bị sệt cản trở cho sự phân tách lớp xỉ và kim loại. Tuy nhiên, nhược điểm của quá trình thiêu khử lưu huỳnh là xảy ra hiện tượng hóa hơi niken không mong muốn. Vì vậy, cần phải có giải pháp phù hợp để thiêu oxy quặng làm giảm hàm lượng S về tới mức cần thiết đồng thời hạn chế tối đa sự mất mát lưu huỳnh. Từ thực tế nêu trên, trong khuôn khổ bài báo này sẽ tập trung nghiên cứu thiêu oxy hóa quặng niken Bản Phúc-Sơn La trong nồi lò bằng và lò quay. Yêu cầu công nghệ đặt ra là nồi lò được gia nhiệt đồng thời phía trên và dưới lớp quặng, nồi lò phải kín và trong quá trình thiêu có thổi gió nóng, thời gian thiêu khoảng 2h. 2. THỰC NGHIỆM Quặng niken lấy từ nguồn quặng Bản Phúc ở xã Tạ Khoa - huyện Bắc Yên-Sơn La, mẫu lấy thí nghiệm có thành phần như sau: Bảng 1: Kết quả phân tích EDX mẫu quặng niken đặc xít Bản Phúc – Sơn La 2 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV 001 0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 Counts OKa MgKa AlKa SiKa SKa SKb CaKa CaKb FeLa FeKa FeKb NiLl NiLa NiKa NiKb Element keV Mass% Error% Atom% O K 0,525 9,71 0,13 21,06 Mg K 1,253 0,80 0,15 1,15 Al K 1,486 0,97 0,14 1,24 Si K 1,739 2,48 0,14 3,06 S K 2,307 24,65 0,12 26,67 Ca K 3,690 1,11 0,25 0,96 Fe K 6,398 53,16 0,70 33,01 Ni K 7,471 5,04 1,26 2,98 Total 100 100 Thiết bị thiêu sử dụng là lò bằng tự thiết kế và lò quay tại viện công Mỏ và Luyện kim. Lò bằng loại nhỏ có ưu điểm là thích hợp trong quy mô phòng thí nghiệm với mỗi mẻ thí nghiệm khoảng 5 kg, nhưng có nhược điểm là tổn hao nhiệt lớn và tổn hao quặng do bị bốc bụi trong quá trình thiêu. Lò quay có ưu điểm là thiêu công suất lớn, gia nhiệt nhanh phù hợp với quy mô pilot và công nghiệp; tổn hao nhiệt, suất tiêu hao năng lượng và tổn hao quặng thấp hơn hẳn so với lò bằng. Với lò bằng, mỗi mẻ nghiên cứu có khối lượng khoảng 5kg, nồi thiêu hình trụ kích thước đáy 25cm, chiều cao 30cm, tốc độ gió được thay đổi 5-10m 3 /s, nồi lò có vung đậy kín phía trên có bố trí ống thoát khói, phía dưới được gia nhiệt bằng than, phía trên và ngang hông được gia nhiệt bằng dây điện trở để đảm bảo nhiệt đồng đều trong toàn bộ nồi lò. Liệu được cấp khi nhiệt lòng nồi đạt cực đại sau đó cấp liệu lần lượt là 0.5kg-1.5kg-3kg nhằm đảm bảo nhiệt lúc nào cũng cấp đủ để phản ứng đốt cháy lưu huỳnh xảy ra nhanh chóng. Điều kiện kỹ thuật được đưa ra là nồi lò kín chỉ có lỗ thoát khói được thiết kế phù hợp với nồi lò 3 Với lò quay: Quặng thiêu trong lò quay công suất 6 tấn/24h, tốc độ vòng quay 30-60 vòng/ph, thiết bị được gia nhiệt bằng mỏ đốt dầu, khống chế nhiệt độ vùng đốt bằng que đo nhiệt độ và hộp điều khiển tự động. Trong quá trình thiêu do lượng gió để đốt cháy dầu được tính toán vừa đủ nên để thúc đẩy quá trình oxy hóa và đốt cháy lưu huỳnh xảy ra nhanh thì ta phải kết hợp thổi gió phụ. 3. CƠ SỞ QUÁ TRÌNH THIÊU OXY HÓA KHỬ LƯU HUỲNH Theo quy trình công nghệ chế tạo niken bằng con đường cacbonyl hóa thì thông thường quặng sau tuyển sẽ được đem thiêu oxy hoá khử lưu huỳnh, phản ứng oxy hoá thực hiện theo cơ sở như sau: MeNi m S n + O 2 = MeNi x O y + SO 2 + Q Nhiệt lượng Q toả ra là do lưu huỳnh tồn tại dạng sufua trong quặng bị cháy toả nhiệt và phản ứng oxy hóa kim loại cũng tỏa nhiệt, nhiệt lượng này càng lớn nếu hàm lượng lưu huỳnh trong quặng càng lớn, và nó có thể đủ điều kiện để phản ứng cháy tự xảy ra, lúc này điều quan trọng là ta chỉ cần cung cấp đủ oxy cho quá trình này, chính điều này giải thích vì sao thiêu quặng niken người ta thường dùng lò quay. Nếu nhiệt lượng này càng lớn đến mức xảy ra sự biến mềm quặng thì có thể trong quá trình thiêu cũng tạo ra một lượng nhỏ sten niken. Hàm lượng nguyên tố thay đổi nhiều nhất là O, S và Fe bởi trong quặng niken hai nguyên tố này chiếm hàm lượng chủ yếu và quá trình thiêu xảy ra sự đốt cháy lưu huỳnh rất mạnh và phản ứng oxy hóa kim loại. Qua thực tế thí nghiệm cho thấy rằng khối lượng quặng sau thiêu thường thấp hơn trước khoảng 5-10%, điều này nói lên rằng khối lượng lưu huỳnh mất đi nhiều hơn so với lượng oxy vào quặng do bị oxy hóa. 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Qua thực tế nghiên cứu cho thấy trong quá trình thiêu xảy ra các hiện tượng sau: - Thứ nhất: Bốc bụi quặng làm tiêu hao một lượng quặng khoảng 5-10%, quặng bốc bụi này sẽ được thu hồi bằng hệ thống lọc bụi. - Thứ hai: Hiện tượng lưu huỳnh cháy và oxy hóa kim loại. - Thứ ba: Hiện tượng hóa hơi của niken ở nhiệt độ khoảng 60-80 0 C. Vì vậy ta phải tính được hiệu suất khử lưu huỳnh và thu hồi niken còn lại sau thiêu như sau: - Hiệu suất khử lưu huỳnh: 100. 31 321 SS SSS S mm mmm − −− = η [1] - Hiệu suất thu hồi niken: 100. 31 2 NiNi Ni Ni mm m − = η [2] Trong đó: m Me1 : Khối lượng nguyên tố trong quặng. 4 m Me2 : Khối lượng nguyên tố trong quặng sau thiêu. m Me3 : Khối lượng nguyên tố mất trong bụi. 2.% 1.% 22 3,13,1 Memm Memm Me Me = = Với : m Me1,3 : Khối lượng nguyên tố trong quặng hoặc trong bụi m Me2 : Khối lượng nguyên tố trong quặng sau thiêu m 1,3 : Khối lượng quặng, bụi m 1,3 : Khối lượng quặng sau thiêu %Me1: Phần trăm nguyên tố trong quặng %Me2: Phần trăm nguyên tố trong quặng sau thiêu Trong quá trình thiêu một số yếu tố công nghệ ảnh hưởng lớn đến quá trình thiêu như tốc độ gió, nhiệt độ và thời gian thiêu, . Dưới đây chúng tôi nghiên cứu ảnh hưởng của ba nhân tố chính này đến hiệu suất thu hồi niken và hiệu suất đuổi lưu huỳnh: 4.1. Ảnh hưởng của tốc độ gió đến quá trình thiêu Tốc độ gió được thay đổi các mức khác nhau 0,3 m/s ; 0,5 m/s ; 1m/s kết quả thu được về hàm lượng S, Ni sau thiêu được cho bởi bảng sau: Bảng 2: Ảnh hưởng của tốc độ gió đến hàm lượng Ni và S trong quặng sau thiêu Gió Ni S Khối lượng trước thiêu (kg) Khối lượng sau thiêu (kg) Khối lượng bụi (kg) (m/s) (1) (2) (1) (2) (1) (2) (1) (2) (1) (2) 0,3 4,6 4,52 9,32 4,96 3 50 2,60 45 0,2 2,5 0,5 4,3 4,67 7,02 4,51 3 50 2,55 44 0,21 2,7 1,0 3,75 4,23 5,7 4,43 3 50 2,53 43,5 0,23 3,0 (1) Chế độ thiêu lò bằng (2) Chế độ thiêu lò quay Nhìn vào đồ thị hình 1 có thể thấy ngay được rằng thiêu bằng lò quay có hiệu suất thiêu lưu huỳnh tốt hơn nhiều so với lò bằng. Điều này có thể được giải thích như sau: Lò quay theo phương nghiêng so với phương ngang khoảng 5 0 , vì vậy khi khống chế với lưu lượng đủ nhỏ cần thiết thì toàn bộ quặng bị đốt cháy đều hơn. Mặt khác lò quay có chiều dài đủ lớn làm cho quặng bị chuyển dần ra từ vùng sấy đến vùng xảy ra sự cháy quặng và vùng cháy hoàn toàn. Chính vì vậy mà phản ứng cháy của lưu huỳnh diễn ra triệt để hơn so với lò bằng. Đường S(2) thể hiện rằng khi tốc độ gió lớn hơn 0,5 m/s thì hiệu suất khử lưu huỳnh hầu như không tăng, trái lại còn có xu hướng hơn giảm. Điều này có thể giải thích như sau: Phản ứng để xảy ra sự cháy hoàn toàn của lưu huỳnh và sự oxy hóa kim loại xảy ra vừa đủ ở tốc độ gió 0,5 m/s. Khi tốc độ lớn hơn 0,5 m/s xảy ra hiện tượng thừa oxy làm cho quặng bị nguội, vì thế mà sự tự cháy của lưu huỳnh diễn ra kém đi, tương ứng với điều này là hiệu suất thiêu lưu huỳnh không tăng. 5