Abstract

Zinc production has been known since 200 BC. Fluidised bed roasting is the first process stage of the electrolytical zinc production process, was developed in the 1940s.

The raw material for zinc is usually sphalerite concentrate. This sulphide concentrate is oxidised in a roaster. Oxidation reactions produce energy, which is removed as steam, and sulphur dioxide, which is used as the raw material of sulphuric acid.

During recent decades sphalerite concentrates have contained more and more impurities and at the same time they have become more fine-grained. Impurities cause problems during fluidised bed roasting. As a consequence, production capacity decreases, there are breaks in production. Starting up and shutting down a process during production breaks cause the environmental emissions. In order to be able optimise production, the oxidation mechanisms of impure sphalerite and methods for controlling them have to be known.

The hypothesis of this work was as follows: In addition to temperature, the impurity content and particle size of the feed and oxygen coefficient also have an effect on the stability of fluidised bed roasting. Diverse concentrates require different oxygen coefficients and temperatures. The basic target of this work was to develop a method to help find the required conditions and to control them in industrial roasters. This study was restricted to considering the effects of the iron, copper and lead contents in sphalerite concentrate.

A review was made of earlier roasting studies and experiences. This study also evaluated the thermodynamic background of roasting. The oxidation mechanisms were also studied in the laboratory using a fluidised bed roaster and horizontal tube furnace. The results were validated in an industrial roaster.

On the grounds of these studies the different sphalerite concentrates really do require diverse roasting temperatures and oxygen coefficients. Foremore, the same kinds of concentrates require a different roasting temperature and oxygen coefficient, if their particle size distributions are different. Controlling the concentrate feed particle size may help to control the stability of the roasting bed and the temperature of the upper part of the furnace.

The impurities increase the forming of direct bond sintering and thus the forming of sulphide liquid phases. Oxides and sulphates may also form liquid phases. These kinds of liquid phases cause problems in the fluidised bed. Continuous control of the oxygen coefficient and bed temperature and the use of a unique oxygen coefficient and temperature range for every concentrate mixture would make it possible to minimise problems in the furnace.

Laboratory and industrial scale tests have verified the variables and methods for controlling conditions in the roaster bed.

Tiivistelmä

Sinkin valmistus on ollut tunnettua ajalta 200 eKr. Leijukerrospasutus, joka on ensimmäinen prosessivaihe elektrolyyttisessä sinkin valmistusprosessissa, otettiin sekin käyttöön jo 1940-luvulla.

Sinkin raaka-aineena käytetään sfaleriittirikastetta, joka hapetetaan pasutuksessa. Hapetusreaktiot tuottavat energiaa, joka otetaan talteen höyrynä, ja rikkidioksidia, josta tuotetaan rikkihappoa.

Viime vuosikymmeninä sfaleriittirikasteet ovat tulleet epäpuhtaammiksi ja samalla partikkelikooltaan hienommiksi. Epäpuhtaudet aiheuttavat ongelmia leijupetiin. Tämän seurauksena uunien kapasiteetti laskee, tulee tuotannon seisauksia. Näiden seisauksien yhteydessä tapahtuvat prosessin ylös- ja alasajot aiheuttavat päästöjä. Tuotannon optimoimiseksi täytyy tuntea epäpuhtaiden sfaleriittirikasteiden hapetusmekanismit ja tavat niiden hallitsemiseksi.

Tämän työn hypoteesi oli: Leijukerrospasutuksen stabiilisuuteen vaikuttaa lämpötilan lisäksi epäpuhtauksien määrä syötteessä ja syötteen partikkelikokojakauma sekä happikerroin. Erilaiset rikasteet vaativat erilaisen happikerroin- ja lämpötila-alueen. Työn tavoite oli kehittää menetelmä,jolla saadaan vaaditut olosuhteet syntymään ja hallittua. Tutkimuksissa rajoituttiin tarkastelemaan sfaleriittirikasteiden sisältämän raudan, kuparin ja lyijyn vaikutusta.

Työssä tutustuttiin epäpuhtaiden sfaleriittirikasteiden pasutuksen alueelta aiemmin tehtyihin tutkimuksiin ja eri pasutoilla saatuihin kokemuksiin sekä selvitettiin pasutuksen termodynaaminen tausta. Laboratoriotutkimuksilla selvitettiin hapettumismekanismeja leijukerrosreaktorissa ja pelleteillä kvartsilaivassa putkiuunissa. Tulosten todentaminen tehtiin koeajoilla teollisessa tuotantolaitoksessa.

Johtopäätöksenä näistä tutkimuksista voidaan todeta, että erilaiset sfaleriittirikasteet edellyttävät kullekin rikasteelle ominaista pasutuslämpötilaa ja happikerrointa. Lisäksi samantyyppistenkin rikasteiden vaatima pasutuslämpötila ja happikerroin voivat vaihdella, jos rikasteen partikkelikokojakauma vaihtelee. Syötteen partikkelikokoa säätäen voidaan ohjata pedin stabiilisuutta ja uunin yläosan lämpötilaa.

Epäpuhtaudet lisäävät suorasidossintrautumien syntyä ja siten sulfidisulafaasien muodostumista. Sulafaaseja voivat muodostaa myös tietyt oksidit ja sulfaatit. Tästä seuraa ongelmia leijupedissä. Happikertoimen jatkuva seuranta ja säätö kullekin rikasteelle ominaisella alueella, samoin kuin lämpötilan seuranta ja säätö, mahdollistavat ongelmien minimoinnin.

Tähän työhön liittyvissä laboratoriotutkimuksissa ja teollisen mittakaavan tutkimuksissa todennettiin muuttujat ja keinot olosuhteiden hallitsemiseksi.