鼓风炉炼锌

鼓风炉炼锌法，简称ISP(Imperial Smelting Process)，是20世纪火法冶金中的一项重大技术进步，最大优点是在一座炉内同时生产锌和铅。

◇20世纪初，平罐蒸馏是冶炼锌的唯一方法，后来发展竖罐蒸馏和电炉。蒸馏法炼锌采用间接加热，热利用率低，设备的产量受传热的限制而很小；蒸馏法炼锌受温度(罐内1000~1100℃)限制，脉石不能以液态炉渣形态除去，不利于处理贫矿及复杂矿。因此，试图用高炉炼铁和鼓风炉炼铅的办法来炼锌。

◇20世纪30年代，冶金工作者对火法炼锌的问题进行了热力学研究发现，要想在鼓风炉炉缸内形成液态锌，就必须采用高温高压，但高压鼓风炉是难于实现的，于是人们认为应该集中突破含CO2高、锌蒸气浓度低的炉气中锌冷凝的问题。

1939年，英国帝国熔炼公司阿旺茅斯(Avonmouth)炼锌厂开始鼓风炉试验，经过多年的探索，用铅雨冷凝器代替一般的冷凝设备获得成功，解决了从含CO2高、含锌低的炉气中冷凝锌的技术难关。

◇第一座炼锌鼓风炉在1950年投产，使化学还原反应和焦炭燃烧热交换在同一设备内进行，为提高火法炼锌生产率和降低燃料消耗创造了条件。

◇在二十世纪60年代曾一度有很大的发展。目前世界上有12个国家14座鼓风炉在运转，生产了世界产量14%的锌。

ISP法炼锌包括：

烧结焙烧、

烧结块还原熔炼、

锌蒸气冷凝、

粗锌精炼

（1）氧化锌还原反应的热力学

  （1-a）ZnO被固体碳还原

          还原反应：

          ZnO+C→Zn(s、l)+CO     △GƟ>0，反应是难以进行；

 当在锌沸点(907℃)以上的温度条件下，还原后产生的锌便会变为气体锌，这一变化的熵值增加很大，促使标准自由焓变化曲线上升更快，斜率变大。

在950℃左右，

        ZnO+C→Zn(g)+CO， △GƟ=0 ，在这个温度以上变化一个相当小的温度数值，锌蒸气的压力就会发生一个很大的变化。当产生Zn(g)的反应进行时，假定分压

PZn＝PCO，αZnO＝1，αC＝1，则反应平衡常数可简化为：

炉料加热带

加入炉内的烧结块温度为400℃左右，从炉气中吸收热量而被迅速加热到1000℃，从料面逸出的炉气温度则被降低800~900℃。在这种温度变化范围内，炉气中的锌有部分重新被氧化，即发生上述反应式(2-8)的逆反应:

还原带

这一带的温度范围在1000~1300℃之间，是炉料中的ZnO与炉气中的CO和CO2保持平衡的区域。 ZnO在此带被还原:

      ZnO+CO=Zn(g)+CO2-188kJ   (2-8)

上升炉气中的CO2少部分被固体碳还原:

      CO2+C=2CO-162kJ               (2-9)

此带发生的这两个主要反应均为吸热反应，主要靠炉气的显热来供给。炉气通过此带后，温度降低±300℃。希望ZnO在此带以固体状态还原愈多愈好。

     鼓风炉炼锌为直接加热，所产生的CO和CO2，以及空气中大量的N2气，将炉气中的锌浓度大大冲淡。工厂的实际炉气组成(%)如下：Zn 5~7，CO2 11~14，CO 18~20。当这种高CO2和低Zn炉气冷却对，便会发生锌的氧化。

 (3-a) 高温密封炉顶

采用高温密封炉顶的目的是防止锌蒸气在炉顶降温时被氧化。

ZnO的还原反应ZnO+CO＝Zn+CO2是一个吸热反应，因此其平衡常数随温度升高而增大。某些温度下的平衡常数K如下：

从低Zn高CO2的炉气中冷凝得液体锌，若采用如同竖罐炼锌那样的锌雨飞溅冷疑器，是不能顺利实现的，必须采用铅雨冷凝器。其优点如下：

(i)在操作温度(约550℃)下铅的蒸气压低，挥发很少。

(ii)铅的熔点低(327℃)，并随温度升高锌的溶解度急增。某些温度下锌在铅中的溶解度如下：

 炉气的急冷是很重要的，其目的是使炉气通过临界再氧化区时迅速冷却，防止锌蒸汽再氧化。铅雨的运动方向与气流相对，使其充分接触，炉气急冷至600℃以下。炉气在冷凝过程继续冷却，离开冷凝器的温度为450℃。

                440℃  锌在铅液中的溶解度 2.02%

                570℃ 锌在铅液中的溶解度2.26%

原料来源广泛，有各等级的硫化锌精矿和铅精矿或锌铅混合精矿；锌、铅块矿和含锌、铅的氧化物料，如有色冶金厂回收的氧化锌烟尘，钢铁厂回收的含锌烟尘镀锌渣，湿法炼锌厂的浸出渣等。

精馏精炼基本原理

用精馏法分离锌、铅、镉、铁等金属的基本原理是基于金属之间在一定温度下的蒸汽压差别。锌及其他金属的蒸汽压与温度的关系如图。蒸汽压差别较大的金属可在常压下能很好地优先挥发分离。

从Zn-Cd二元系的沸点—组成图可以看到，若把组成为95%Zn和5％Cd的合金溶液加热，则当它达到温度相当于890℃的a点时便开始沸腾。与此溶液平衡的蒸气的成分为b(含12％Cd)。因为Cd在蒸气中的含量比在液态合金中的含量更多，所以在蒸发了一些溶液之后，剩下的溶液中含Zn更高。因此，使溶液再在较高的温度下蒸发，最后剩下的溶液几乎只含锌，从而可得到纯度很高的精炼锌。

 精馏在精馏塔内进行。精馏塔包括两个部分：铅塔及其冷凝器和镉塔及其冷凝器。粗锌先从熔化炉流入铅塔，塔内温度维持约1000℃，高沸点的铅、铜、铁与部分锌共熔，经塔底流入精炼炉得低镉粗锌、硬锌和粗铅。大部分锌和全部镉挥发，经冷凝器冷凝成液体后导入镉塔，使锌与镉进一步分离。精馏塔由若干个碳化硅塔盘叠加而成。一般两个铅塔配一个镉塔。一座由61块塔盘(1220×610毫米，分成W形蒸发盘和U形回流盘)组成的铅塔，每天可精炼50吨粗锌。精馏可产出99.99％的精锌，回收率可达99％，并可综合提取铅、镉、铟、锗等。