硫铁矿焙烧原理及优化策略

（一）焙烧反应

焙烧硫铁矿的反应，主要是矿石中的FeS2与空气中的氧反应，生成二氧化硫炉气。焙烧反应分两步进行。

1.FeS2受热分解为FeS和硫黄

由于反应是吸热反应，理论上温度越高，对反应越有利。另外，硫黄平衡蒸气压的变化也表明了这一点（见表10-1）。

表10-1　硫黄平衡蒸气压与温度的关系

硫铁矿释放出硫黄后，形成多孔形的FeS。

2.生成的FeS和硫黄与氧反应

硫铁矿焙烧总反应式：

矿石的种类、粒度以及矿石中易燃物的含量等因素，都会影响硫铁矿焙烧时的着火点。通常为了保证硫铁矿焙烧完全，工业上控制焙烧温度在600℃以上。

（二）焙烧反应动力学

硫铁矿的焙烧是非均相反应过程。反应在两相的接触表面上进行，反应过程可看成由以下步骤组成。

（1）FeS2分解。

（2）氧向硫铁矿表面扩散。

（3）氧与FeS反应。(www.xing528.com)

（4）生成的二氧化硫由表面向气流主体扩散。此外，在表面上还存在着硫黄蒸气向外扩散及氧和硫的反应等。

焙烧反应的过程速率与过程的扩散阻力及化学反应速率有关。

由前面的分析可知，硫铁矿的焙烧反应，可分为FeS2分解和FeS及单质硫氧化两步。FeS的氧化反应在矿料颗粒外表面及整个颗粒内部进行。矿粒外表面FeS与氧反应后，生成了氧化铁，当氧与颗粒内部的FeS继续反应时，必须通过颗粒表面的氧化铁层。而内部生成的二氧化硫，也必须通过氧化铁层扩散出来。氧化铁层随着焙烧反应的进行逐渐变厚，氧和二氧化硫通过的扩散阻力也逐渐增大。

确定焙烧过程究竟是动力学控制，还是扩散控制，要通过实验完成，即考察操作温度、反应时间及颗粒大小等因素对过程的影响。

1.反应速率

FeS2和FeS在空气中的氧化速率及FeS2在氮气中的分解速率的变化情况可参考脱硫速率的舟皿试验结果，如图10-1所示。由图可知，FeS2的分解速率大于FeS的氧化速率，FeS氧化反应慢，是整个反应过程的控制步骤。

图10-1　脱硫速率的舟皿试验结果

1—FeS2在空气中燃烧；2—FeS在空气中燃烧；3—FeS2在氮气中加热

2.温度

FeS2的分解反应活化能约为126kJ/mol，图10-2为硫铁矿的分解速率与温度的关系，显示了FeS2的分解速率随温度的升高而加快，而且在较高温度下有较大提高，属于动力学控制。FeS氧化反应活化能为13kJ/mol，反应速率随温度的增加不显著，因此属于扩散控制。图10-3为FeS燃烧速率与温度的关系。要提高FeS的氧化速率，需要减小扩散阻力，增加气固相际接触面积，减小矿石粒度。

图10-2　硫铁矿的分解速率与温度的关系

图10-3　FeS燃烧速率与温度的关系

随着温度的升高，化学反应速率加快的程度远远超过扩散速率的增长，因此在高温时，硫铁矿焙烧会转为扩散控制。提高氧的浓度会加快焙烧过程的总速率，氧是影响扩散速率的主要因素，但由于用富氧空气焙烧硫铁矿不经济，所以通常只用空气焙烧。

综上所述，要提高硫铁矿的焙烧速率，应从以下几方面考虑：提高反应温度；减小矿石粒度；提高入炉空气中的氧含量；增强气固两相间的相互运动等。