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前言（1）锌的冶炼方法分为火法炼锌和湿法炼锌两大类。
湿法炼锌最早于1916年投入工业生产, 随着技术的发展和环保的要求, 湿法炼锌已是当今炼锌的主要方法, 其产量占世界锌产量的80%以上。
湿法炼锌有常规湿法炼锌工艺、热酸浸出炼锌工艺和硫化锌精矿氧压浸出工艺等。
前2种工艺都需要进行焙烧, 使ZnS变成易被稀硫酸溶解的ZnO, 焙烧产出的氧化锌焙砂送湿法炼锌系统生产电锌。
硫化锌精矿氧压浸出新工艺于1981年在加拿大开始投入工业生产, 因为取消了锌精矿的焙烧作业, 真正实现了全湿法工艺炼锌。
火法炼锌的方法有平罐炼锌、竖罐炼锌、电炉炼锌和铅锌密闭鼓风炉炼锌4种。
平罐炼锌由于环境污染严重, 劳动条件差, 目前已基本淘汰。
竖罐炼锌经过几十年的发展, 单罐受热面积由最初的40 m2提高到100 m2, 热利用效率大大提高, 但是能耗偏高, 制约了其工艺的发展, 也逐步被其他方法所代替。
电炉炼锌是于20世纪30年代出现的炼锌技术, 我国于20世纪80年代开始采用该工艺, 目前已有几十个小型工厂应用该方法, 但是其生产规模都较小, 一般产量为500~2500 t/a。
由于自然界中铅、锌矿物共生现象较普遍, 尤其是有些矿物呈细粒嵌布状, 选矿分离困难且费用较高, 因此, 用一种工艺来同时生产铅、锌已成为人们追求的目标。
铅锌密闭鼓风炉熔炼法是火法炼锌中的一大改革。
很久以前有人试图用直接加热法的鼓风炉炼锌, 但因鼓风炉炉气中CO2和N2含量高而锌蒸气低, 冷凝时又被CO2重新氧化等难点而未获成功。
英国帝国公司经历了近三十年的研究, 采用了高温炉顶(1000~1080℃)和铅雨冷凝器后, 才于1950年实现了小规模鼓风炉炼锌的工业生产。
因此, 铅锌密闭鼓风炉炼锌又称帝国熔炼法(Imperial Smelting Process), 简称ISP法, 其发展和推广者主要是以Derek Temple博士为代表的英国铅、锌联合会。
一、主要工序基本原理（出自西北铅锌冶炼厂电锌加工成本分析与控制，作者：徐培伦，硕士论文）西北铅锌冶炼厂采用具有世界八十年代先进水平的全湿法流程炼锌工艺，引进了大型焙烧炉、黄钾铁矾沉铁、高压过滤、自动剥锌等先进技术和装备，成为我国八十年代技术和装备水平最高的大型湿法炼锌企业。
全湿法流程炼锌主要包括五个主要工序，即锌精矿焙烧、焙砂浸出、硫酸锌溶液净化、硫酸锌溶液电解和阴极锌熔铸。
下面对西北铅锌冶炼厂锌系统的主要工序的基本原理作简要描述。
1.锌精矿焙烧硫化锌精矿焙烧的目的将大部分硫化锌转变为氧化锌和少量硫酸锌，同时最大限度地除掉砷、锑等杂质，脱除的硫生成S02烟气作为制酸原料.沸腾焙烧是强化焙烧过程的一种新方法，其实质是使空气自下而上鼓入固体炉料层，鼓风速度要达到使固体炉料粒子相互分离.并在一定的高度范围内运动，使固体炉料粒子处于悬浮状态，此过程亦称为“流态化过程”当温度等条件适宣时，沸腾层中的固体炉料粒子与鼓入的空气快速反应。
从Zn-Fe-S-O系的平衡图可以看出，硫化锌在焙烧过程的最终产物，取决于温度、P、和P02o为了使锌最大限度地在浸出工序中进入溶液，保证溶液易于澄清，要求焙烧过程尽可能避免生成铁酸锌、硅酸锌等。
因此，湿法炼锌的沸腾焙烧，其操作温度较火法炼锌的高温氧化焙烧低，为900℃左右，目的是有利于减少铁酸锌的生成，保证大部分ZnS氧化成ZnO,少部分生成ZnO .2ZnS0,a西北铅锌冶炼厂的焙烧工序采用大型沸腾焙烧工艺，是一种强化焙烧工艺。
其主体设备—普奇式109m2焙烧炉、余热锅炉和高温排烟机从日本三并株式会社引进，确保了焙烧工序的可靠性和稳定性。
2.焙砂浸出浸出过程就是使用某种溶剂将固体物料中的一种或几种有价成分溶解到溶液中，从而使有价成分与固体物料中的不溶残渣分开。
湿法炼锌浸出过程需要达到三个目的:(1)使物料中的锌尽可能完全地溶解到浸出液中，从而得到高的浸出率:(2)使有害杂质尽可能地不溶解而进入渣中，达到与锌分离的目的;(3)得到大颗粒的沉淀物易于液固分离。
式（3）反应为可逆反应，在温度低于500℃时反应向右进行，温度高于6 00℃时反应向左进行，故在沸腾焙烧过程中焙烧温度均在850℃以上，实际上气相中的三氧化硫是很少的。
反应式（4）表明，当气相中有SO3存在时，氧化锌才生成为硫酸锌，而硫酸锌在高温时又分解为氧化锌和三氧化硫，温度在800℃以上时分解十分剧烈。
硫酸锌生成的条件及数量，取决于焙烧温度及气相成分，即温度低、SO3浓度高时，形成的硫酸锌就多，当温度高、SO3浓度低时，硫酸锌发生分解，趋向于形成氧化锌。
由上述硫酸锌与氧化锌生成的条件可知，氧化焙烧与硫酸化焙烧在操作上的基本区别是：（1）硫酸化焙烧的温度（850℃～900℃）比氧化焙烧的温度（1050℃～l100℃）要低；（2）硫酸化焙烧所产生的炉气中，SO3的浓度要比氧化焙烧时高，所以硫酸化焙烧时要求供给较大的过剩空气量，以强化焙烧过程；（3）硫酸化焙烧要求炉气与炉料接触良好，并要求炉料在炉内停留时间较长。
总之，硫化锌在850℃~900℃的温度下进行焙烧，大部分生成氧化锌（Zn O）和少量的硫酸锌（ZnSO4）、硅酸锌（ZnO·SiO2）、铁酸锌（ZnO·Fe2O3），还有少量的硫化锌未被氧化。
2.3.5.2硫化铅铅在锌精矿中主要以硫化铅（PbS）形态存在，硫化铅又叫方铅矿，它在焙烧时按下列反应式进行反应。
PbS+2O2 ==PbSO43PbSO4+PbS ==4PbO+4SO2PbO+SO3==PbSO4硫化铅在焙烧过程的行为与硫化锌相似，所形成的硫酸铅在800℃以上时大量分解为氧化铅。
硫化铅的熔点约为l 120℃，熔化后具有很好的流动性，进入炉子的砖缝中。
硫化铅在600℃时开始挥发，800℃时大量挥发，当PbS挥发到炉子上部及炉气管道中时又被氧化成氧化铅。
而氧化铅要在900℃时才大量挥发，所以硫酸化焙烧脱铅率低。
氧化铅是一种很好的助熔剂，它能与许多金属氧化物形成低熔点共晶化合物，如硅酸铅（PbO·SiO2）、铁酸铅（PbO·Fe2O3）、铅酸钙（CaO·PbO6）、铅酸镁（MgPbO6），这些低熔点共晶化合物是极为有害的，它在800℃时就开始熔化，严重时引起炉料在沸腾炉中结块和在烟道中结块的现象，从而使操作恶化，焙烧脱硫不完全，因此要求配料时混合锌精矿含铅不超过2％。
2014 锌冶金思考题及参考答案-邓志敢第1 章绪论1、炼锌原料有哪些？（1）锌矿物:1）硫化矿（原生矿）：闪锌矿（ZnS）;铁闪锌矿（nZnS?mFeS）2）氧化矿（次生矿）：菱锌矿（ZnC03）;异极矿（ZnSiO4?H2O）（2）含锌二次资源：冶炼厂产出的氧化锌烟尘、浮渣和锌灰等。
2、简述金属锌的用途。
锌广泛用于航天、汽车、船舶、钢铁、机械、建筑、电子及日用工业等行业。
（1）锌的初级用途：最大用途是镀锌，约占总耗锌量的40%以上; 其次是用于制造黄铜，约占总耗锌量的20%; 制造各种锌基合金、干电池（我国约60 万吨/年）、氧化锌、建筑五金制品及化学制品等。
（2）锌的终端用途：主要用于交通运输业（汽车）和建筑业（基础设施、商用建筑和住宅）3、现代炼锌方法有哪些？现代炼锌方法分为火法和湿法两大类，以湿法冶炼为主。
（1）火法炼锌: 有鼓风炉炼锌、竖罐炼锌、平罐炼锌、电热法炼锌等火法炼锌包括焙烧、还原蒸馏和精炼三个主要过程。
平罐炼锌和竖罐炼锌都是间接加热，存在能耗高、对原料的适应性差等原因，平罐炼锌几乎被淘汰，竖罐炼锌也只有为数很少的3~5 家工厂采用。
电热法炼锌虽然直接加热但不产生燃烧气体，也存在生产能力小、能耗高、锌的直收率低的问题，因此发展前途不大，仅适于电力资源丰富的地方使用。
密闭鼓风炉炼锌由于具有能处理铅锌复合精矿及含锌氧化物料，在同一座鼓风炉中可生产出铅、锌两种不同的金属，采用燃料直接加热，能量利用率高的优点，是目前主要的火法炼锌设备，占锌总产量的10%左右。
（2）湿法炼锌: 包括传统的湿法炼锌和全湿法炼锌两类。
1）传统的湿法炼锌实际上是火法与湿法的联合流程，是20 世纪初出现的炼锌方法，包括焙烧、浸出、净化、电积和制酸五个主要过程。
根据浸出温度和酸度的不同，湿法炼锌分为常规浸出和热酸浸出两种工艺。
常规浸出时焙砂中的铁酸锌不能浸出，留在浸出渣中，用火法挥发焙烧回收，得到氧化锌烟尘再浸出。
1 锌的冶炼方法1.1 火法冶锌火法冶锌是基于铅锌的沸点不同，使其还原后分离的方法，其工序为：精矿焙烧，烧结矿、熔剂、焦炭在密闭鼓风炉中还原焙烧成金属。
火法冶锌又可分为：竖罐炉法，鼓风炉法，电炉法及其它土法冶锌。
1.2 电炉法电炉法是利用电能直接在电炉内加热炉料，经还原熔炼连续蒸发出锌蒸气，然后冷凝得粗锌，再精炼得精制锌，或将锌蒸气骤冷得超细锌粉。
该法可以处理焙砂、氧化矿、煅烧的菱锌矿，也可以在炉料中配入适量锌浮渣。
电炉法产锌约占3％。
该方法工序简单，投资省，建设周期短，热利用率高，环保条件也可以。
但该方法生产规模小，单台电炉产量为1000～2500t／a，吨锌电耗4000～5000kW·h，只在电源丰富的地方采用，近年来，各地建立了一批电炉冶锌厂，规模在年产2000t以下。
1.3 火法炼锌是基于氧化锌在高温条件下能被炭质还原剂还原，使锌挥发出来，而与原料中其他组分分离，其还原反应为：ZnO+CO=Zn（气）+CO2挥发出来的锌蒸气，经冷凝成为液体金属锌。
火法炼锌的原则流程如图所示。
50年代出现的密闭鼓风炉炼锌，使火法炼锌获得了新的发展。
其优点是能处理铅、锌复含精矿及含锌氧化物料，在同座鼓风炉中可生产出铅、锌两种不同金属。
但目前只占锌产量的左右。
1、4 锌冶炼性质的特殊性表现为：沸点低，在火法冶炼温度下难以液态产出；氧化物稳定性高，一方面是还原挥发难度较大，冷凝中易重新氧化；另一方面决定了难以从硫化物直接氧化得到金属；负电性大，电积过程对净化要求高。
对锌冶炼方法可能发展的方面简要介绍如下：（1）以液态产出锌的还原熔炼法，需采用高压火法设备，在可以预见的未来，不会成功。
（2）硫化物直接氧化产出锌，实现的可能性很低。
（3）硫化物直接还原，日本东京大学开展了在氧化钙存在条件下，用碳直接还原挥发锌的研究，但目前只进行了实验室试验。
此外，大量含硫化钙的罐渣如何处理尚需研究。
（4）喷吹炼锌法：该工艺是将焦粉、氧气、锌焙砂喷入熔体渣中，使锌还原挥发，再用铅雨冷凝。
3铅锌硫化精矿的焙烧与烧结现在世界上的铅锌冶炼厂所处理的矿物原料，90%以上是铅锌硫化精矿，其化学成分参见表1.23与1.24，处理这些精矿的目的是提取铅、锌、硫与其它有价元素。
由于这种硫化精矿中的铅与锌主要是以硫化物的形态存在，即为方铅矿(PbS)与闪锌矿(ZnS)，因此要把PbS与ZnS还原得到金属，在目前的生产技术条件下很难找到一种能满足技术与经济要求的还原剂；当采用湿法炼锌时，也很难找到一种在常规浸出条件下能很好溶解ZnS并进一步顺利地从溶液中提取金属锌的溶剂。
因此，世界上大多数铅锌冶炼厂所采用的冶炼方法，是将这种硫化精矿首先进行焙烧或烧结焙烧，以转变精矿中PbS与ZnS以便下一步处理，这就是焙烧或烧结焙烧的主要目的。
在金属硫化物的氧化过程中，精矿中的硫会氧化为SO2，随烟气带走并与氧化后的金属氧化物分离。
这种含SO2的烟气可以送去生产硫酸，所以铅锌冶炼厂也是生产硫酸的化工厂。
铅锌硫化精矿在氧化焙烧过程中得到的铅锌氧化物，目前在火法冶金中都是选用炭质还原剂在高温下使PbS与ZnS还原为金属。
实现这一过程可以在各种冶金炉中进行，并且大多数铅锌冶炼厂都是采用鼓风炉进行还原熔炼。
而鼓风炉还原熔炼过程中只能处理块状物料，因此细小的硫化精矿在焙烧时应利用硫化物氧化放出的热量来升高温度，使粉状的氧化物料在高温下熔结成块；这就是在硫化物氧化过程中同时进行的烧结过程，即所谓的烧结焙烧。
因此，烧结是一个冶金过程，达到了硫化物氧化与粉状物料熔结成块两个目的。
铅锌冶炼厂为了实现硫化精矿的焙烧或烧结焙烧的目的，可以在不同的技术条件(如温度、气氛等)下与各种冶金设备(如流态化焙烧炉、烧结机等)中进行；在同等条件下及同样的设备中进行时，还可以采取不同的技术措施(如富氧鼓风、吸风与鼓风烧结等)来强化生产过程，提高产品质量，改善劳动条件与环境保护，从而获得更好的经济效益与社会效益。
3.1铅锌硫化精矿焙烧与烧结理论基础硫化铅精矿中的主要金属硫化物是方铅矿PbS，另外ZnS、FeS2、FeAsS、Sb2S3、CdS、CuFeS2、Bi2S3等。
硫化锌精矿中主要金属硫化物是闪锌矿ZnS，其它硫化物有ZnS·FeS 、FeS 2、FeAsS 、CdS 、Hg 2S 、CuFeS 2、Sb 2S 3、PbS 等。
两种精矿中存在的硫化物种类基本上是相同的，故在本节讨论的内容主要是叙述PbS 与ZnS 的氧化规律，其次是FeS 2、CdS 、Hg 2S 等的氧化规律。
3.1.1 PbS 氧化的热力学硫化精矿焙烧时达到着火温度后，便会发生氧化反应2223SO PbO O PbS +=+ 2/322O so p p p k =T T T T G 98.910385.010095.0lg 006.39917415301+⨯-⨯-+-=∆--422PbSO O PbS =+ 221o p p k =T T T T T G 16.810877.11098.7lg 46.19193070152302+⨯-⨯-+-=∆--22SO Pb O PbS +=+ 22o so p p p k =T T T T T G 37.1110084.010424.1lg 59.146355152303-⨯+⨯++-=∆--2422SO Pb PbSO PbS +=+ 22so p p k =T T T T T G 49.5310045.210828.10lg 27.16100330152304-⨯+⨯+-=∆--232SO Pb PbO PbS +=+ 2so p p k =T T T T T G 88.5810022.11048.4lg 13.158750152305-⨯+⨯++=∆--上述反应的结果，PbS 被氧化时可以生成PbO 、PbSO 4、Pb 。
在不同的温度下，生成的PbO 、PbSO 4与未被氧化的PbS 之间发生一系列反应，还会产生许多成分复杂的碱式硫酸铅－4yPbSO xPbO ∙。
PbSO 4、PbO 与PbS 之间的相互反应及其热力学数据列于表1。
表 3.1中反应式(4)的平衡SO 2分压随温度升高而增加，在690℃时Pso 2=579×103Pa.反应式(5)平衡Pso 2随温度升高的数值为反应式(6)的平衡Pso 2随温度升高而增加很快，即反应式(7)的Pso 2比反应式(5)和(6)要低，其数值随温度变化为反应式(8)在烧结焙烧的温度(800-1000℃)下也应进行。
反应式(9)在高温下的平衡Pso 2迅速增加，即表3.1 PbSO 4、PbO 、PbS 相互反应的H ∆及0G ∆Pb-S-O 系可作为以PbS 为主的铅精矿焙烧时的平衡体系来研究。
从上述反应结果看出，在这个体系中可能存在的凝聚相有Pb (液)、PbS (固)、PbO (固)、PbSO 4(固)、PbSO 4·PbO (固)、PbSO 4·2PbO (固)、PbSO 4·4PbO (固)。
PbO-PbSO 4系温度-组成图如图3.1所示。
H.H.Kellogg 测定了下列八个稳定反应的SO 2平衡压：PbS+7PbSO 4=4(PbSO 4·PbO)+4 SO 2 (a) PbS+10(PbSO4·PbO)=7(PbSO 4·2PbO)+4SO 2 (b) PbS+8(PbSO 4·2PbO)=5(PbSO 4·4PbO)+4SO 2 (c) Pb+PbSO 4·4PbO=6PbO+SO 2 (d) 3PbS+PbSO 4·4PbO=8Pb+4SO 2 (e) 3PbS+16(PbSO 4·PbO)=7(PbSO 4·4PbO)+12SO 2 (f) 2PbS+PbSO 4·2PbO=5Pb+3SO 2 (g) Pb+3(PbSO 4·2PbO)=2(PbSO 4·4PbO)+SO 2 (h)式(a)-(h)反应的k p 和lgp SO2数值列于表2。
表3.2 (a)-(h)反应的平衡常数k p 和平衡Pso 2根据表2数据作出这些化合物稳定区域图(图2)。
图中出现两个不变点：点1为PbS 、PbSO 4·PbO (、PbSO 4·2PbO 、PbSO 4·4PbO 四个凝聚相与气相SO 2平衡共存；点Ⅱ为Pb 、PbS 、PbSO 4·2PbO 、PbSO 4·4PbO 四个凝聚相与气相SO 2平衡共存。
在铅精矿的焙烧条件下，气相中除了有SO 2存在之外，尚有O 2参与反应。
所以，除了上述(a)-(h)反应外，还必须考虑下面式(1)-(11)的反应式。
根据式(1)-(11)的反应平衡数据，作出了1100K 的Pb-S-O 系lgp SO2～lgp O2的等温化学位图(图3.3)，即2)()(22O Pb PbO +=固固 (1)510.5lg lg 21-==o p k2242154O SO PbO PbO PbSO ++=∙ (2)22lg 21lg lg 2o so p p k +=PbO PbSO SO O Pb 435422∙=++（液） (3) 22lg 3lg lg 3o so p p k --=224421)4(23)2(25O SO PbSO PbSO PbO PbSO ++∙=∙ (4) 22lg 21lg lg 3o so p p k +=PbO PbSO SO O Pb 223422)(∙=++液 (5)22lg 2lg lg 5o so p p k --=2)(2)(O PbS SO Pb +=+液液 (6) 22lg lg lg 6so o p p k -=24232)2(3135SO PbO PbSO O PbS +∙=+（固） (7)22lg 35lg 32lg 7o so p p k -=224421)3(2)(3O SO PbO PbSO PbO PbSO ++∙=∙ (8)22lg 21lg lg 8o so p p k +=242)(272SO PbO PbSO O PbS +∙=+固 (9)22lg 27lg lg 9o so p p k -=2244212O SO PbO PbSO PbSO ++∙= (10)22lg 21lg lg 10o so p p k +=42)(2PbSO O PbS =+固 (11)2lg 2lg 11o p k -=在进行上述的化学平衡的计算作lgp SO2－lgp O2图时，认为液体铅中不溶解有硫和氧，没有考虑体系各组分的活度，因而计算结果有一定偏差。
Pb-S-O 系化学位图表明，PbS 进行焙烧时，可以生成PbO 、PbSO 4和碱式硫酸铅，这在一定温度下取决于焙烧炉中的气相成分。
在一般焙烧条件下，氧压波动范围为103~104Pa 。
当p O2=10-3 Pa 时，若在1100K 下焙烧需要得到焙烧产物是PbO ，则p SO2必须小于1.53×10-1 Pa,这在实践中是难于实现的。
假如焙烧气氛控制在103 Pa< p SO2<104 Pa,103 Pa< p O2<104 Pa,焙烧的最终产物是PbSO 4。
当温度发生变化时，铅化合物的稳定区域便会发生变化，其变化规律见图4。
土4表明，温度升高，各稳定区向右上方移动，即Pb 相与PbO 相稳定区不断扩大，而PbSO 4相与4yPbSO xPbO ∙则相反。
这就说明，焙烧温度升高有利于PbS 氧化生成Pb 与PbO 。
3.1.2 PbS 氧化的动力学硫化铅氧化的速度与温度的关系一般可用Arrhenius 公式来确定，RTE e k k /00-=。
对于一定温度区间的表观活化能可按下式求出： 121212/.lg 574.4T T k k T T E -=（kJ/mol ）在500℃下PbS 被空气中的O 2氧化35min 后，脱硫程度为7%；在700℃下PbS 氧化到同等程度所需时间为3min 。
于是：500℃下的氧化速度常数k 1为31101.20021.007.011ln 35111ln 1-⨯==-=-=x t k700℃下的氧化速度常数k 2为2221048.20248.007.011ln 3111ln 1-⨯==-=-=x t k表观活化能为)/(5.77/lg 57.4121212mol kJ T T k k T T E =-=同样的方法求出800℃与1000℃的表观活化能为19.0 kJ/mol ，很显然，PbS 被空气氧化在500~700℃和800～1000℃的两个温度间隔内，反应速度与温度的关系表现为两种反应特征，如Tk 1lg -的关系图5，其转变温度约为750℃。
