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: ;
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