Nghiên cứu cải tiến thiết bị và công nghệ sản xuất bột oxit kẽm chất lượng cao

Nghiên cứu cải tiến thiết bị và công nghệ sản xuất bột oxit kẽm chất lượng cao

Bộ Công thương

Công ty TNHH NN MTV Kim loại màu Thái nguyên

Số hiệu công trình: 229.07.RD/HĐ-KHCN

Báo cáo

Đề tài nghiên cứu khoa học

Tên đề tài: “Nghiên cứu cải tiến thiết bị và công nghệ

sản xuất bột oxit kẽm chất lượng cao bằng lò quay”

Chủ nhiệm đề tài

Nguyễn Văn Tuấn

6792

14/4/2008 Thái Nguyên, tháng 2-2008

Bộ Công thương

Công ty TNHH NN MTV Kim loại màu Thái nguyên

Số hiệu công trình: 229.07.RD/HĐ-KHCN

Báo cáo

Đề tài nghiên cứu khoa học

Tên đề tài: “Nghiên cứu cải tiến thiết bị và công nghệ

sản xuất bột oxit kẽm chất lượng cao bằng lò quay”

Cơ quan chủ trì: Công ty TNHH NN MTV Kim loại mầu Thái Nguyên

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2008

Giám Đốc Công ty

TT Hä vµ tªn Häc vÞ, chuyªn m«n C¬ quan

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

NguyÔn V¨n TuÊn §Æng Träng §Þnh Lª Minh Khai Vò Ngäc Hoµ NguyÔn V¨n KÕ L÷ ThÞ Thanh H¶i NguyÔn V¨n Th¸u §inh ThÞ Sõ Lª Ngäc D¾c Lª Ngäc Th¹o

NguyÔn Thanh Giang Hoµng V¨n Quang

KS – CBKT

KS – TP LuyÖn kim KS – G§ C«ng ty KS – PG§ C«ng ty KS – CBKT

KS – Ho¸ PT

KS – TP KÕ to¸n TK TP KCS

KS – TP KÕ ho¹ch KT KS LK G§ XN LKM II KS PG§ XN LKM II KS Q§ PX lß quay

C«ng ty KLM Th¸i Nguyªn nt

nt nt nt nt nt nt nt

XN LuyÖn kim mÇu II nt

nt

Mục lục Trang

I Cơ sở pháp lý-xuất xứ của đề tài và tính cấp thiết của đề tài 6

V Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 8

II Thiết bị, dụng cụ, nguyên vật liệu và hoá chất sử dụng cho nghiên cứu 30 III Nghiên cứu cải tiến thiết bị, công nghệ nhằm nâng cao chất lượng sản

V Dự kiến các chỉ tiêu KTKT áp dụng vào thực tế sản xuất 39

Lời nói đầu

Vỏ quả đất chứa khoảng 0,02 %kẽm Người ta chưa phát hiện có kẽm thiên nhiên và kẽm có ái lực hoá học lớn với oxy, lưu huỳnh và các nguyên tố khác nên thường thấy kẽm ở dạng hợp chất oxit, sunfua v.v…Tuỳ theo dạng tồn tại của kẽm trong hợp chất thiên nhiên mà người ta chia chúng ra các loại khoáng vật khác nhau Có hàng chụclaọi khoáng vật kẽm, trong đó có hai nhóm thường gặp là khoáng vật sunfua và khoáng vật oxit ở nước ta, khoáng vật kẽm phân bố tương đối rộng: Bắc Kạn, Thái Nguyên, Lai Châu, Thanh Hoá, Quãng Ngãi…

ZnO là một trong các sản phẩm hóa chất quan trọng, được các lĩnh vực ứng dụng như làm nguyên liệu cho sản xuất sơn, phụ gia trong nhựa, giấy, sợi hóa học, cao su đều gắn bó chặt chẽ với đời sống hàng ngày của con người ngoài ra còn được sử dụng làm men gốm sứ, thuỷ tinh, dược, mỹ phẩm v v

Năm 2007, Công ty TNHHNN một thành viên Kim loại mầu Thái Nguyên được Bộ Công nghiệp giao nhiệm vụ nghiên cứu đề tài số 229.07.RD/HĐ-KHCN:

“Nghiên cứu cải tiến thiết bị và công nghệ sản xuất bột oxit kẽm chất lượng cao bằng lò quay” Nhằm tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, nâng cao giá trị xuất

khẩu và tạo nguyên liệu sản xuất cho các ngành công nghiệp giấy, cao su, sơn, đồ sứ Tạo ra hướng mới trọng sản xuất bột oxit kẽm chất lượng cao bằng hệ thống lò quay cho Công ty, tạo công ăn việc làm cho người lao động và sự góp phần vào sự phát triển lâu dài của Công ty Đồng thời đóng góp một phần vào chiến lược phát triển ngành công nghiệp của Việt Nam

Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã nhận được sự ủng hộ và giúp đỡ tận tình của Lãnh đạo Bộ Công thương, Vụ Khoa học Công nghệ Bộ Công thương, Tổng Công ty Khoáng sản - TKV Lãnh đạo Công ty TNHHNN MTV Kim loại mầu Thái Nguyên, các Phòng kỹ thuật, các Phòng quản lý Công ty, XN Luyện kim mầu II Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình đó

Phần I Tổng quan

I Cơ sở pháp lý- xuất xứ của đề tài và tính cấp thiết của đề tài

Lò quay số I đã sản xuất được hơn 10 năm, hệ thống làm nguội, quạt hút, buồng thu bụi và ống khói đã xuống cấp nghiêm trọng, mặt khác lò quay số I trước đây mua lại của Công ty gang thép từ lò luyện sắt xốp, lò ngắn, độ dốc ít, hệ thống làm nguội, buồng thu bụi không hợp lý, lao động thủ công nhiều, môi trường lao động độc hại, năng suất lò (600 t/n), thực thu kim loại (72%) rất thấp, tiêu hao than, tiêu hao điện lớn so với lò II, III Vì vậy cần phải cải tạo nối dài thêm lò, cải tạo nâng cao hệ thống buồng ô xy hoá và kênh dẫn, cải tạo lại hệ thống làm nguội bề mặt gõ đập cơ khí, buồng thu bụi tuý vải rung rũ tự động, tăng năng suất lò lên 1.000 T/N, tăng thực thu lên 80%, giảm tiêu hao túi vải, điện, than, cải thiện điều kiện lao động và giảm chi phí lao động, là hết sức cần thiết

Lò I sau khi cải tạo xong sẽ sản xuất bột kẽm 90% ZnO thay thế lò Vêtêrin sản xuất bột 90% ZnO Thực thu ở lò quay số I (80%) cao hơn rất nhiều so với thực thu lò Vêtêrin (52%), Chi phí sản xuất bột 90% ZnO tại lò quay chỉ bằng 70% so với lò Vêtêrin Dự kiến 75% sản phẩm đạt chất lượng 90% ZnO (bột tuí vải), còn lại 25% bột đạt chất lượng 60% Zn (bột ống cong, kênh)

II Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Khảo sát, đánh giá hiện trạng thiết bị và công nghệ hiện tại - Nghiên cứu cải tiến thiết bị (thiết kế, chế tạo, lắp đặt)

- Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, cải thiện môi trường

- Thử nghiệm sản xuất, đánh giá hiệu quả

III Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài

1- Nghiên cứu tổng quan tài liệu: Quy trình công nghệ sản xuất 90% ZnO 2- Lập phương án lấy mẫu, nghiên cứu thành phần và tính chất nguyên liệu 3- Nghiên cứu công nghệ, thiết bị và xây dựng các chỉ tiêu KTKT chủ yếu, xác định chất lượng sản phẩm đạt được

4 - Đề xuất dây chuyền công nghệ - thiết bị đáp ứng nhu cầu sản xuất - mô hình sản xuất công nghiệp

IV Tính chất lý, hoá học và ứng dụng của ZnO

4.1.Tính chất của ZnO

Oxit kẽm ZnO: là loại bột mầu trắng, hơi vàng trong lượng riêng 5,42, bền đối với nhiệt; khi đun nóng chuyển sang mầu vàng chanh, khi để nguội lại có màu như cũ Sinh ra do kẽm bị oxy hoá hay thiêu ôxy hoá kẽm sunfua, thiêu phân huỷ ZnCO3 hoặc cho NH4OH tác dụng với dung dịch ZnSO4 tạo thành Zn(OH)2 kết tủa, sau đó đem nung kết tủa thu được ZnO

Kẽm ôxit nóng chảy ở 1.970oC Kẽm ôxit thăng hoa ở trên 1000oC ở 1400oC áp suất thăng hoa đạt 3mm Hg, 1500oC đạt 10,4 mmHg Nhiệt nóng chảy của kẽm ôxit ở 2.250o C bằng 4470 cal/ mol

Kẽm ôxit bị CO, C và các chất hoàn nguyên khác hoàn nguyên thành kẽm kim loại

ZnO cũng tác dụng với Al2O3, SiO2 tạo thành kẽm aluminat và silicat là những hợp chất khó tan và khó hoàn nguyên

4.2 ứng dụng của bột ZnO

Kẽm ôxit thường dùng để sản xuất kẽm kim loại, hợp chất hoá học hoặc pha chế một số sản phẩm khác Trừ ôxit kẽm dùng để luyện kẽm, trong cơ cấu sử dụng của ngành hoá chất thì 65% ôxit dùng chế tạo sơn, 25% chế tạo cao su, 10% cho các yêu cầu khác

Kẽm ôxit dùng cho các ngành hoá chất yêu cầu độ hạt bé 0,15 - 10 micrôn, khối lượng riêng 5,5g/cm3, độ bao phủ 100 g/m2, khả năng chứa dầu 12 - 14, độ chiết quang nD = 1,95 - 2,05, màu trắng, không tan trong nước, tác dụng với CO2 trong không khí tạo thành màng cacbônat, kẽm ôxit dùng cho luyện kim không cao như ngành hoá chất

Chẳng hạn bột oxit kẽm dùng trong thuốc thử đòi hởi chứa ít nhất 98,5%ZnO, lượng tạp chất tối đa cho phép trong bột ZnO như sau:

Bảng 1: Chất lượng của bột 98,5%ZnO

V Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Có hai phương pháp luyện kẽm ôxit: Hoả luyện và Thuỷ luyện.Về Thuỷ luyện sơ lược tóm tắt như sau: dùng dung dịch axit hoà tách quặng kẽm, sau đó khử tạp rồi cho thuỷ phân kết tủa kẽm hiđrôxit, đem nung phân huỷ hiđrôxit sẽ được kẽm ôxit Người ta dùng dung dịch trung tính của quá trình thuỷ luyện đem thuỷ phân bằng amôn hiđrôxit để được kẽm hiđrôxit và amôn sunfat Nung kẽm hiđrôxit được kẽm ôxit, amôn sunfat dùng làm phân bón

Về hoả luyện kẽm ôxit, dùng các phương pháp sau:

+ Luyện kẽm ôxit từ kim loại: chưng bốc hơi kim loại kẽm rồi ôxy hoá hơi đó thành ôxit và thu hồi ở dạng bột Kẽm ôxit này thường dùng trong ngành hoá chất

+ Luyện kẽm ôxit từ quặng hay các nguyên liệu chứa kẽm khác: Luyện hoàn nguyên bốc hơi kẽm rồi ôxy hoá tiếp thành ôxit

5.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

a) Luyện kẽm oxit bằng lò ống chưng ngang :

ống chưng một đầu bịt kín, một đầu có lỗ thoát hơi kẽm được nối với bộ phận oxyhoá, không có bộ phận ngưng tụ ống chưng yêu cầu mịn, chắc để kẽm lỏng không thấm ra ngoài hường người ta chế tạo ống chưng bằng 70% cacborundium và 30% đất sét chịu nhiệt

Dùng kẽm số không đến số ba làm nguyên liệu luyện bột oxit kẽm Kẽm này chứa ít tạp chất đặc biệt là chì và cadimi nên chất lượng tốt

Kẽm thỏi nạp vào ống chưng được nung nóng gián tiếp lên trên một nghìn độ bằng khí đốt, khí lò sinh khí hay dầu Kẽm bị bốc hơi bay ra và bị oxy của không khí oxy hoá thành oxit Chúng được thu hồi ở thiết bị thu bụi túi vải

Nhiệt độ trong buồng nung ống chưng khoảng 1300-13500C, trong ống chưng khoảng 1200-11000C, trong buồng oxy hoá là khoảng 12000C, ở buồng thu bụi trọng lực là 8000C và ở buồng thu bụi túi vải trên 1000C Mỗi ống chưng có ngăng suất 45 kg/h

Bảng 2 : Chất lượng kẽm oxit khi luyện bằng lò ống chưng ngang

b) Luyện kẽm oxit bằng lò tang quay:

Để cơ khí hoá và cường hoá quá trình, người ta dùng lò tang quay để chưng kẽm

Lò được nung nóng bằng khí đốt hay dầu Nhiệt độ vùng kim loại lỏng là 950-10000C Lò này mỗi ngày đêm xử lý được 10 tấn kẽm

Sản xuất một tấn kẽm oxit tốn chừng 0,873 tấn kẽm và 80-90 kg dầu

Chất lượng kẽm oxit tốt : 99,5%ZnO, 0,36-0,38%PbO, 0,01 %kẽm kim loại Tuy có nhược điểm là khi làm sạch lò phải lao động nặng nhọc, nhưng nó có

5.1.2 Luyện bột oxit kẽm từ quặng và các nguyên liệu khác

a) Luyện kẽm oxit bằng lò vêtơrin

Vêtơrin là phương pháp sản xuất bột oxit kẽm từ quặng và các nguyên liệu chứa kẽm khác Phương pháp này phát triển tương đối sớm, thích hợp với những nơi sản xuất thủ công, kinh tế chưa phát triển

Để giảm lượng nhiệt mất mát, người ta thiết kế mỗi tổ 4 lò chung tường Mỗi tổ lò có diện tích 6-35 m2 Phía trên đỉnh lò xây ống oxy hoá chung nối với hệ thống làm nguội tự nhiên và hệ thống buồng lắng, buồng thu bụi túi vải Trong lò có đặt ghi bằng mangan hay bằng thép chịu nhiệt Dưới ghi quạt gió theo yêu cầu của quá trình

Để tiết kiệm than, người ta lợi dụng nhiệt khí lò để nung nóng gió trước khi thổi vào lò Thường nhiệt độ gió nóng khoảng 250-3000C

Để cải thiện điều kiện làm việc, cường hoá quá trình, người ta dùng ghi xích thay ghi cố định

Kỹ thuật luyện lò vêtơrin như sau:

Liệu lò gồm quặng và than dạng bột được trộn đều với nhau Quặng có hàm lượng kẽm từ 15-75% Nếu là quặng sunfua thì phải thiêu oxy hoá để khử hết lưu huỳnh, nếu là quặng oxit phải nung khử nước kết tinh và phân huỷ quặng trước Than hoàn nguyên phỉa dùng loại than chứa cácbon cao, ít chất bốc và lưu huỳnh Nếu than nhiều lưu huỳnh, quặng lại chứa chì thì sản phẩm sẽ chứa nhiều chì làm giảm chất lượng của kẽm oxit Có thể dùng than antraxit hay than cốc Quặng và than đều phải nghiền nhỏ đến cỡ hạt nhất định Tỷ lệ phối liệu (quặng và than) phụ thuộc vào hàm lượng kẽm trong quặng, thường phối than gấp mấy lần tính toán lý thuyết Ví dụ khi xử lý quặng chứa 60%Zn thì phải phối theo tỷ lệ quặng/than bằng 1/0,6ữ0,8 Ngoài than hoàn nguyên ra, còn tốn thêm chừng 300 kg than lót để đốt (tính cho 1 tấn quặng)

Liệu lò cần trộn lỹ, đưa đi ép bánh hay vê viên, sau đó sấy khô

Khi luyện, đầu tiên phải nhóm lò đốt cháy lớp than đệm trên ghi Sau khi lớp than đó cháy tốt sẽ nạp liệu lò lên trên với chiều dày khoảng 10-20 cm

Nhiệt độ buồng lò giữ ở 1200-13000C Cần khống chế nhiệt độ lò tốt, không

quá trình hoàn nguyên sẽ kéo dài Trong quá trình hoàn nguyên, cần bảo đảm than cháy tốt và đều Thường một chu trình luyện gồm: đốt lò khoảng 1,5 h; luyện hoàn nguyên 3-5 h; ngừng đánh xỉ lò 1-1,5h Tổng cộng mất 6-8h

Kỹ thuật luyện lò ghi xích tương tự như ghi cố định Liệu lò cũng cần chuẩn bị kỹ Tỷ lệ quặng/than = 4/1ữ3/1 lớn hơn loại lò ghi cố định nhiều Dùng bã giấy để ép bánh hay vê viên liệu lò Thường dùng than cám ép thành cục hay dùng than củ lót ghi Than này được rải một lớp dày 18-20 cm bằng phểu riêng đặt phía trước phểu liệu Lớp liệu lò cũng có chiều dày chừng 20 cm ở buồng hoàn nguyên hơi kẽm bốc lên bị oxy dư của khí lò và không khí đợt hai oxy hoá và bị khí lò cuốn mang vào hệ thống làm nguội và thu bụi Bã được đổ vào phểu đặt ở đuôi lò

Luyện kẽm oxit bằng lò vêtơrin có thể đạt tỷ lệ bốc hơi và thu hồi kẽm 85% Bã kẽm khoảng 5-6% Nói chung quặng chứa kẽm càng cao, kỹ thuật luyện càng tốt, hiệu suất thu hồi càng cao Thường bã chứa kẽm và than cao cho nên cần tiếp tục xử lý để thu hồi chúng

80-Bột oxit kẽm thu được có chất lượng xuất hơn kẽm oxit sản xuất từ kẽm kim loại nhiều Chất lượng kẽm oxit thu được phụ thuộc nhiều vào liệu ban đầu Thường sản xuất được các loại kẽm oxit sau:

Bảng 3: Chất lượng kẽm oxit lò Vêtơrin

Sản xuất kẽm oxit bằng lò vêtơrin có các ưu điểm chính là: cấu tạo lò đơn giản, dể chế tạo và thi công, vốn đầu tư thấp, quá trình thao tác kỹ thuật tương đối đơn giản, thích hợp với sản xuất nhỏ, thủ công

Luyện lò vêtơrin có nhược điểm lớn: rất tốn than, tỷ lệ thu hồi kim loại thấp, bã chứa kẽm cao (cần xử lý tiếp), chất lượng sản phẩm xấu, điều kiện lao động không tốt, nhất là khi dùng lò ghi cố định

b) Luyện kẽm oxit bằng lò điện trở

Lò có chiều cao 11,3m, đường kính 1,75-2,44m, cực điện có đường kính 304 mm Các cực đặt cách nhau 8,3m Lò lớn có 6 cực, lò bé có 4 cực Điện thế dẫn vào lò ở hai cực là 190-260V Công suất mỗi điện cực cực khoảng 600 kVA Nếu phối liệu 70% quặng, 30%cốc và tốc độ nạp liệu 37kg/phút, thì lò phải có công suất 2000 kVA; nếu nạp 52 kg/phút lò phải có công suất 3000kVA

Loại lò bé có công suất 20 tấn ngày, lò lớn 30 tấn ngày Tiêu hao điện năng khoảng 2,3 kwh/kg kẽm oxit

Quặng dùng cho lò điện trở phải nung hay thiêu kết trước Quặng được thiêu để khử tốt lưu huỳnh, chì, cadimi Quặng cùng than phối theo tỷ lệ đã định, được nạp vào lò ống quay nung trước lên 800-8500C để khử ẩm, chất bốc, các chất dể bay hơi và cung cấp liệu nóng cho lò luyện

ở trong lò, hơi kẽm được hoàn nguyên bay ra cùng khí lò vào buồng oxy hoá Lò lớn có bốn cửa, lò bé có một của thoát hơi kẽm vào buồng oxy hoá, thường bố trí hai buồng oxy hoá ở hai bên hông lò

Điều chỉnh độ hạt oxit bằng cách thay đổi nhiệt độ buồng oxy hoá, tốc độ nguội và tốc độ của dòng khí Muốn có độ hạt oxit mịn, tốc độ oxy hoá và tốc độ làm nguội nhanh, nhiệt độ buồng oxyhoá cao

Nhiệt độ trong buồng oxy hoá khoảng 200-10000C Kẽm oxit có độ hạt từ 0,01 đến 1 micron Khí chứa kẽm oxit trong lo oxy hoá đi qua thiết bị làm nguội băng nước, sau đó vào xyclon và vào thiết bị thu bụi tíu vải Để giảm nhiệt độ trước khi vào túi vải, cần phải cho thêm không khí để bảo đảm nhiệt độ dưới 1300C

Thành phần kẽm oxit thu được có chất lượng khá tốt 98-99,5% ZnO, 0,3%Pb, 0,01%Cd, các chất tan trong nước chiếm 0,7%, cặn không tan trong axit HCl chiếm 0,15%

Đây là phương pháp sản xuất kẽm oxit từ quặng có chất lượng cao, năng suất lớn, trình độ cơ giới hoá cao, có thể tự động hoá hoàn toàn

Nó được dùng ở một số nước trên thế giới như nhà máy mikaisi (nhật) ; Kômdoro Kivadavia (Achentina)

Tuy nhiên phương pháp sản xuất này có nhược điểm : phải dùng liệu khó nóng chảy, chuẩn bị liệu cẩn thận và tốn kém, tốn vật liệu chịu lửa, lượng hồi liệu chiếm tỷ lệ cao, phân loại phức tạp

b) Luyện kẽm oxit bằng lò ống quay

Lò ống quay xuất hiện và đầu thế kỷ 19 với mục đích luyện kẽm Nhưng vì không ngưng tụ được kẽm nên dùng để luyện ra kẽm oxit Hiện nay lò ống quay là thiết bị được dùng rộng rãi để sản xuất kẽm oxit, xử lý các nguyên liệu chứa kẽm, chì, kể cả làm giầu quặng oxit nghèo

Lò ống quay, dài 32-180m đường kính 1,5-6m Vỏ lò bằng thép nồi hơi dầy 20 mm, phía trong có lót gạch chịu lửa Tuỳ tính chất từng vùng của lò, người ta lát các loại gạch chịu lửa thích hợp, đầu lò về phía chất liệu thường lát bằng gạch samốt tốt, có chiều dầy 250 mm Các vùng khác vì nhiệt độ cao thường, dể bị ăn mòn và bào mòn nên xây bằng gạch cromagiedit (200*155*65/55) trên lớp gạch samôt tiêu chuẩn Để kéo dài tuổi thọ, một số xưởng (ở Tây Đức) khi xử lý loại liệu FeS người ta xây xen kẽ gạch cromagiedit với gạch samốt, khi gạch samôt bị mòn, nó sẽ tạo thành các túi chứa stên lỏng, trành tạo thành kết tảng ngăn cản sự vận chuyển của liệu trong lò Lò ống quay được đặt trên hệ thống con lăn Mỗi lò có hai hay ba hệ thống con lăn Lò đặt nghiêng 3-50 và quay với tốc độ 0,75-1 vòng/phút Tốc độ quay phụ thuộc vào tính chất của liệu, điều kiện kỹ thuật chạy lò Với tốc độ như trên liệu sẽ ở trong lò khoảng 2-3h

Cấp liệu cho lò dùng máy cấp liệu mâm xoay hoặc kiểu tang quay, nếu chất liệu trục vít thì ống chất liệu sẽ nằm ngang theo thân lò Đầu nạp liệu cũng là đầu

dẫn khí lò ra ở đây khí nóng tới 5000C được dẫn qua hệ thống ống làm nguội và thu bụi túi vải Quanh ống chất liệu thường làm nguội bằng nước để bảo vệ ống Hệ thống nạp liệu gồm băng tải hay gầu nâng, một hệ thống phểu chứa liệu và máy nạp liệu Hệ thống làm nguội khí lò làm bằng ống thép có đường kính 0,5 m Một hệ thống gồm 2-4 dãy ống song song và làm nguội bằng phương pháp tự nhiên hay cưỡng bưc (dội nước)

Hệ thống thu bụi túi vải là bộ phận thu hồi bột kẽm oxit chính Thường dùng kiểu tự động có túi bằng dạ hay len

Kỹ thuật luyện lò ống quay:

Nguyên liệu: Nguyên liệu luyện lò ống quay phụ thuộc vào sản phẩm cần sản xuất Để sản xuất bột kẽm oxit dùng làm sơn, chất độn cao su và cho các chất hoá học khác yêu cầu chất lượng cao hơn, chứa ít tạp chất đặc biệt là chì, lưu huỳnh, cadimi … do đó liệu phải chứa các tạp đó thấp Muốn sản xuất kẽm oxit chất lượng cao thường phải chuẩn bị liệu rất cẩn thận Với liệu chứa nhiều tạp chất dể bốc phải tiến hành thiêu hai lần, thiêu lần đầu để khử Pb, Cd, S2, F… thiêu lần hai để bốc hơi kẽm Thiêu khử tạp chất Pb, Cd, S2, F tiến hành ở nhiệt độ cao, trong môi trường oxy hoá Nhiệt dộ khống chế 1200-12500C, tỷ lệ than 5-6% Để khử tạp chất tốt, phải cho thêm pirit hay muối ăn; chì, cadimi dể bốc hơi ở dạng clorua hay sunfua Bã còn lại luyện kẽm oxit rất tốt

Liệu nạp vào lò có độ hạt 5-10mm Hạt quá lớn, hoàn nguyên sẽ khó khăn, hạt quá bé sinh ra bụi nhiều

Than hoàn nguyên thường dùng than antraxit hay cốc vụn Yêu cầu về chất lượng than không cao, độ hạt khoảng 0-10mm Độ hạt của than không nên quá lớn vì sẽ sinh hiện tượng phân chia tự nhiên, trộn không đều với quặng, hạn chế quá trinh hoàn nguyên Thường phối liệu theo tỷ lệ than 35-50% so với quặng Trong trường hợp liệu dể chảy, có thể tăng than để chống dính bết Nếu hàm lượng kim loại trong liệu cao, phải dùng tỷ lệ than cao Nếu dùng phương pháp thổi gió cưỡng bức, thì lượng than sẽ tốn nhiều hơn Thường bã sau khi luyện còn chứa 15-30% than, cần thu hồi để sử dụng lại

Ngoài nguyên liệu chính là quặng, than còn dùng các chất phụ gia: đá, vôi, vôi tôi, pirit hay muối ăn Khi xử lý liệu chứa nhiều chì, cần phối thêm 1-3% pirit hay muối ăn để tạo điều kiện cho chì bốc hơi tốt hơn Độ ẩm của liệu có ảnh hưởng lớn tới năng suất lò và hiệu suất bốc hơi của kim loại

Nói chung cứ tăng 1% độ ẩm, hiệu suất bốc hơi kim loại giảm 0,5%, quặng cung cấp cho lò ống quay, nếu độ ẩm cao phải sấy để đưa tỷ lệ ẩm xuống 5-7%

Quy trình luyện: liệu lò (gồm quặng, than, trợ dung, phụ gia đã sấy) được đưa vào phểu chứa Dùng băng tải đưa quặng, than, phụ gia theo tỷ lệ nhất định vào máy trộn (tang quay hay trục vít) rồi nạp thẳng vào lò

Do lò có độ dốc nhất định, nên khi liệu quay sẽ lăn dần từ đầu này sang đầu kia và chảy ra ngoài

Nhiệt độ trong lò được khống chế chặt chẽ theo yêu cầu của quá trình luyện Nhiệt cung cấp cho quá trình chủ yếu do nhiệt cháy của than và nhiệt oxy hoá của hơi kẽm

Luyện kẽm oxit bằng lò ống quay có những ưu khuyết điểm sau:

- ưu điểm: Luyện lò ống quay có thể xử lý hiệu quả các loại chứa kẽm, kẽm dạng vụn nghèo Quá trình có thể tự động hoá hoàn toàn, điều kiện lao động tốt, luyện liên tục, năng suất cao, công suất lò lớn, dễ thao tác, có thể quan sát được quá trình làm việc ở các khu vực khác nhau Hiệu suất thu hồi kim loại cao, xử lý tốt liệu tổng hợp chì-kẽm Dùng loại nhiên liệu rẻ tiền, không cần chất lượng cao - Nhược điểm: ở lò ống quay dể xảy ra kết tảng rất khó xử lý, do vậy thời gian dừng lò có khi chiếm 1/3-1/4 thời gian làm việc Xử lý kết tảng là một việc khó khăn và nặng nhọc, khó cơ giới hoá Tốn khá nhiều nhiên liệu, bã chứa than và các kim loại có ích cao, do đó phải tiếp tục xử lý đề thu hồi nên dây chuyền dài và phúc tạp Lò chóng bị bào mòn và ăn mòn nhât là vùng phản ứng, nên phải dùng loại gạch đắt tiền Cromagiedit Xử lý loại liệu dể nóng chảy rất khó khăn

chì-Tuy tồn tại các nhược điểm trên nhưng nó vẫn là thiết bị được dùng rộng rãi nhất hiện nay

5.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước

Hiện nay Công ty TNHHNN MTV KLM Thái Nguyên có hai khu vực khai thác quặng kẽm là mỏ Kẽm chì thuộc xã Bản Thi - Chợ Đồn - Bắc Kạn và mỏ Kẽm chì Làng Hích - Đồng Hỉ - Thái Nguyên Những năm trước đây Công ty khai thác quặng ôxit kẽm chủ yếu để xuất khẩu và một phần quặng ôxit có hàm lượng từ 15-20%Zn để sản xuất ra bột ôxit kẽm 60%Zn tại Xí nghiệp Luyện kim màu II và sản xuất bột ôxit kẽm 90%ZnO tại Xí nghiệp Bột kẽm Tuyên Quang và Phân xưởng Antimon tại mặt bằng Công ty, ở đây sản xuất bột ZnO 90% bằng công nghệ lò Vêtơrin đạt thực thu thấp, tiêu hao nguyên nhiên vật liệu cao, lao động thủ công năng suất thấp, vì vậy hiện nay Công ty Kim loại mầu Thái Nguyên đang tiến hành nghiên cứu thiết bị, công nghệ lò quay tại Xí nghiệp Luyện kim mầu II luyện bột oxit kẽm 90%ZnO nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm (chất lượng sản phẩm hiện nay chỉ đạt 80%ZnO) cải thiện môi trường làm việc, giảm tiêu hao nguyên nhiên vật liệu, tăng giá trị kinh tế

B¶ng 4: C¸c chØ tiªu KTKT khi s¶n xuÊt bét 90%ZnO b»ng lß vªt¬rin

Phần II THực nghiệm nghiên cứu I Phương pháp tiến hành nghiên cứu

2- Thực hành nghiên cứu thực nghiệm lựa chọn thiết bị và công nghệ tại Xí nghiệp Luyện kim mầu II theo các mục tiêu chính là: Công nghệ hoả luyện, thiết bị, năng suất, chất lượng sản phẩm, các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, đánh giá khả năng có thể duy trì và mở rộng sản xuất

3- Trên cơ sở kết quả thu được, lập quy trình công nghệ, qui mô sản xuất sản phẩm

4- Lưu trình công nghệ sản xuất bột oxit kẽm 90% ZnO bằng lò quay (trang bên)

Hình 1: Sơ đồ công nghệ luyện bột 90%ZnO bằng lò quay

Chất hoàn Nguyên (than đá antraxit)

Quặng kẽm ôxit

15-20% Zn

Chất trợ dung Đá vôi

Khí khói

b∙i thải làm nguội

thu bụi

Sản phẩm bột kẽm khí thải sạch

1.2 Cơ sở lý thuyết

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp lò ống quay là dựa vào tính bốc hơi của kim loại kẽm, oxit chì và sunfua chì tốt khống chế ở nhiệt độ nhất định làm cho chúng hoàn nguyên và thoát ra khỏi liệu, sau đó thu hồi chúng ở dạng bụi còn các tạp chất khác và các kim loại hay oxit kim loại khó bốc hơi nằm trong xỉ

Thực chất của quá trình như sau: liệu trộn cùng than cám nếu cần trộn thêm cả đá vôi làm làm chất phụ gia, cho vào qua thiết bị chất liệu Liệu nằm trong lò quay vận chuyển từ đầu lò đến cuối lò

Do tác dụng của nhiệt độ 1000-12000C và chất hoàn nguyên các oxit kim loại bị hoàn nguyên thành kim loại Những kim loại dể bốc hơi như kẽm, chì, catmi… bốc thành hơi thoát ra cùng khí lò và bị oxy không khí oxy hoá thành oxit Khí lò đưa qua bộ phận thu bụi Xỉ thải dần tới đuôi lò và tháo ra ngoài

Các phản ứng xảy ra trong quá trình luyện:

Trong qua trình luyện luôn bảo đảm nhiệt độ trong lò tương đối cao Nhiệt độ của liệu cao nhất đạt 1000-11500C, nhiệt độ khí lò tương đối cao nhất có thể đạt 13500C Nhiệt độ lò cao có lợi cho quá trình phản ứng nhưng cũng không nên cao quá vì liệu sẽ bị chảy lỏng hay nhão ra kết tảng trong lò

Tuỳ theo tính chất của quá trình xảy ra trong lò, lò được chia làm bốn vùng sau:

- Vùng sấy và trộn liệu: Vùng này nằm ở đầu nạp liệu có chiều dài 4-10m (với lò dài 40m) có nhiệt độ khoảng 500-9000C Tác dụng chính của vùng này là khử nước ẩm, nước kết tinh, phân huỷ một phần cacbonat và trộn đều liệu Chiều dài của nó phụ thuộc và hàm lượng nước trong liệu, lượng liệu nạp vào lò, nhiệt độ khí lò…

- Vùng quá độ: Vùng này dài khoảng 2-4m có nhiệt độ 900-11000C Liệu bị nung lên nhiệt độ cao, các phản ứng bắt đầu xảy ra

- Vùng phản ứng Vùng này dài 15-20m là vùng quan trọng nhất, các phản ứng chính đều xảy ra ở đây Nhiệt dộ khống chế ở 1100-11500C Nhiệt độ cao hay thấp tuỳ thuộc loại nguyên liệu đem xử lý có độ nóng chảy cao hay thấp Chiều dài vùng phản ứng quyết định năng suất lò và hiệu quả bốc hơi của kim loại

- Vùng làm nguội liệu: cũng là vùng nung nóng không khí trước khi vào vùng phản ứng Vùng này dài 6-10m Nhiệt độ từ 11500C giảm dần xuống 800-9000C trước khi ra khỏi lò

Chiều dài lò (m)

τ (° C)

Nhiệt độ liệuNhiệt độ khí lò

Hình 2: Sự phân bố nhiệt độ trong lò ống quay

Các phản ứng chủ yếu:

(2) ZnO.Fe2O3 + FeO + C = Znkhí + FeO.Fe2O3 + CO – Q’ (3) ZnO.Fe2O3 + CaO + C = Znkhí + CaO.Fe2O3 + CO – Q’’ (4) ZnO.SiO2 + FeO + C = Znkhí + FeO.SiO2 + CO – Q’’’ (5) ZnO.SiO2 + CaO + C = Znkhí + O.SiO2 + CO – Q’’’’ (6) ZnO + C = Zn + CO – Q

Những phản ứng này xảy ra trong lớp liệu Dĩ nhiên các phản ứng xảy ra trên viết ở dạng cácbon rắn, thực tế phản ứng với cacbon rắn chỉ có giới hạn còn có tác dụng lớn là các phản ứng hoàn với CO

Phản ứng hoàn nguyên tổng quát: (7) ZnO + CO = Zn + CO2 – QI (8) C+ CO2 = 2CO - QII

(9) ZnO + C = Zn + CO – Q

Những phản ứng hoàn nguyên của oxit sắt thành sắt kim loại sắt này sẽ tác dụng với oxit kẽm và sunfua kẽm:

(10) ZnO + Fe = FeO + Znkhí

(11) ZnS + Fe = FeS + Znkhí Đồng thời cũng xảy ra phản ứng:

(12) ZnO + ZnS = 3Zn + SO2

(13) ZnS + CaO + C = Znkhí + CaS + CO

Sunfua kẽm khó hoàn nguyên hơn hơn kẽm oxit nhiều, cho nên phản ứng hoàn nguyên trực tiếp ZnS +C ít có tác dụng Đối với chì bất cứ ở dạng sunfua hay oxit đều dể bốc hơi

Bảng 5: Nhiệt độ bốc hơi của một số kim loại và hợp chất kim loại

Chất Cd Zn PbS PbO CdO ZnS Pb ZnO

Nhiệt độ bốc hơi

Oxit giecmani hoàn nguyên nh− sau:

(14) GeO2 + C = Ge + CO2(15) 2GeO2 + C = 2GeO + CO2

Nhiệt độ nóng chảy của Ge rất cao nên nó vào bã, còn Oxit giecmani dể bốc hơi (7000C) nên bay ra cùng khí lò, bị oxy trong khí lò oxy hoá thành GeO2 và vào bụi

Kim loại quý và đồng không bị bốc hơi nên nằm lại trong xỉ

Trong quá trình luyện kẽm bị hoàn nguyên bốc thành hơi gặp khí có chứa CO2 và O2 tự do sẽ bị oxy hoá thành oxit

(19) C + O2 = CO2 +97800 cal

Loại phản ứng này tiến hành đồng thời, về lý thuyết theo tính toán nhiệt, lượng trên không cần phải có thiết bị đốt riêng để tăng nhiệt độ lò vẫn duy trì quá trình luyện, thực tế nhiều khi phải cho thêm chất đốt để tăng thêm nhiệt độ, gần đây áp dụng phương pháp thêm không khí vào lò

II Đánh giá tình trạng Thiết bị và công nghệ hiện tại

2.1 Đánh giá thực trạng thiết bị

- Hệ thống vật chuyển nguyên nhiên vật liệu: Sử dụng hệ thống palăng và máy cấp liệu đĩa cung cấp liệu vào lò Hệ thống này cồng kềnh, mức độ an toàn thấp, công nhân thao tác phải thường xuyên làm việc trên đầu lò trong môi trường nóng, khí bụi

- Lò ống quay:

+ Chiều dài L =16 m; đường kính ngoài φ1,4m; đường kính hiệu quả: φ1,15m Tỷ lệ L/D=16/1,4=11,4 không đảm bảo chiều dài làm việc, chiều dài vùng phản ứng ngắn lại, dẫn đến năng suất thấp, hiệu quả phản ứng kém

+ Độ dốc lò: 10 Dẫn đến thời gian lưu liệu trong lò lâu, dể kết tảng, hiệu quả sản xuất kém, năng suất thấp

- Hệ thống quạt cung cấp gió: Nđc = 5,5KW; n = 1450 v/p ;Q = 450m3/h; H = 1000mmH20; lưu lượng, áp lực gió thấp không đủ oxy cung cấp, không cường hoá quá trình phản ứng

- Hệ thống làm nguội bề mặt: Thấp, dài chiếm nhiều diện tích nhà xưởng, mức độ làm nguội kém hiệu quả, thao tác vận hành đập bụi thủ công gây hậu quả ống làm nguội mau hỏng

- Hệ thống thu bụi: Xây bằng gạch, rung rũ túi vải lấp sản phẩm bằng thủ công, công nhân vận hành phải chui vào buồng thu bụi dẫn đến mức độ an toàn thấp, nguy cơ mắc các bệnh nghề nghiệp cao