CN114457236B - 金属废渣的分离纯化装置以及氧化钴渣的分离纯化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属废渣的分离纯化装置，包括：热处理系统，用于热处理所述金属废渣使其产生金属单质蒸气；曝气氧化系统，用于将所述热处理系统产生的金属单质蒸气氧化成金属氧化物；所述热处理系统与所述曝气氧化系统通过连接管道相连。本发明还提供一种利用上述的金属废渣的分离纯化装置用于氧化钴渣的分离纯化方法。本发明的分离纯化装置以及分离纯化方法利用热处理系统和曝气氧化系统的相互配合作用，可以实现金属废渣中的金属以氧化物的形式收集，无需采用冷凝收集，可减小沾壁现象，可减小冷凝内壁的清理工作，有利于锌、铅、镉的高效回收分离工作，减少回收工艺步骤。

Description

金属废渣的分离纯化装置以及氧化钴渣的分离纯化方法

技术领域

本发明属于冶炼渣的资源化利用领域，尤其涉及一种金属废渣的处理装置以及处理方法。

背景技术

钴，元素符号Co，银白色铁磁性金属，表面呈银白略带淡粉色，在周期表中位于第4周期Ⅷ族，原子序数27。钴是生产合金和电池的重要原料，随着近年新能源行业飞速发展，钴的需求量大幅增加。氧化钴渣中的钴元素具有较大回收价值，但氧化钴渣中易夹杂部分锌和镉等杂质元素，后续分离困难，不利于氧化钴渣的资源化利用。

现有钴渣处理工艺以湿法浸出分离回收为主，专利CN110747343A公开了一种锌冶炼钴渣制备氧化钴的方法，包含酸洗、中和、还原浸出、压滤、共沉淀、过滤分离和煅烧等工序，流程较长。专利CN113265547A公开了一种湿法炼锌有机净化钴渣综合回收工艺，包括中温中性浸出、高温高酸浸出、一级水洗、碱浸、二级水洗和中温焙烧步骤，对生产设备要求高。湿法冶炼回收过程中产生的二次废水和废渣易污染环境，环保成本高。

除了湿法浸出分离工艺，专利CN108251651A公开了一种从炼锌过程产生的铜镉渣和镍钴渣中分离锌镉铅合金物料的方法，该专利利用铅锌镉饱和蒸气压差异，采用真空蒸馏的方法获得锌、铅、镉的富集物。该方法虽可实现锌、铅、镉的分离，但真空蒸馏全流程真空蒸馏温度900-1200℃，温度高，保温时间最长达10小时，能耗高。并且，该专利中锌、铅、镉以金属形式回收，在实际生产过程中，金属单质在冷凝过程中沾壁现象较为严重，对设备要求苛刻，需要多次清理冷凝内壁，不利于锌、铅、镉的高效回收，增加了回收工艺步骤。

综上所述，目前已公开的钴渣资源化利用方法仍未从根本上解决能耗高、设备要求高、工艺步骤复杂等问题。因此，研究开发一种可解决上述技术难题的钴渣处理方法以及处理装置势在必行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种工艺步骤简单、无沾壁现象、能耗低的用于含多种金属的金属废渣的分离纯化装置以及氧化钴渣的分离纯化方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种金属废渣的分离纯化装置，包括：

热处理系统，用于热处理所述金属废渣使其产生金属单质蒸气；

曝气氧化系统，用于将所述热处理系统产生的金属单质蒸气氧化成金属氧化物；

所述热处理系统与所述曝气氧化系统通过连接管道相连。

上述分离纯化装置中，优选的，所述曝气氧化系统包括曝气氧化管，所述曝气氧化管的管壁上设有多个进气口，所述进气口中设有用于所述曝气氧化管内通入氧化气体的曝气管。通过设置曝气管向曝气氧化管内通入氧气，可以将金属单质蒸气氧化成金属氧化物，并以粉末形式下沉，避免沾壁，减少清理工作量。更优选的，所述进气口包括多个第一微孔进气口与多个第二微孔进气口，所述曝气管包括多根第一曝气管与多根第二曝气管，所述第一曝气管穿过所述第一微孔进气口向内延伸出所述曝气氧化管的管壁内表面，所述第二曝气管穿过所述第二微孔进气口且所述第二曝气管的出气端不伸出所述曝气氧化管的管壁内表面，多根所述第二微孔进气口均匀分布于所述曝气氧化管的管壁上。通过第一曝气管向曝气氧化管中部位置提供氧气，有利于金属单质蒸气在曝气氧化管中部即氧化下沉，可减少金属氧化物粘附在曝气氧化管的管壁上。上述第一曝气管可对称设置多个。本发明还设有第二曝气管，第二曝气管沿曝气氧化管的管壁内表面出气，可以将少量粘附在曝气氧化管的管壁上的金属氧化物吹下来，进一步的减少曝气氧化管的管壁上粘附的金属氧化物。上述第二曝气管可较密集的设置有多根，均匀分布于曝气氧化管的管壁上。

上述分离纯化装置中，优选的，所述曝气氧化管与所述连接管道连接处设有用于使所述曝气氧化管的进口呈漏斗形的挡板组件，所述挡板组件包括沿所述曝气氧化管内壁设置的石英挡板。本发明中，控制石英挡板间距小于连接管道宽度的1/4，在气泵作用下，气流由上往下呈束状进入曝气氧化管，可有效避免氧气回流，，避免金属单质蒸气在连接管道上氧化。

上述分离纯化装置中，优选的，所述曝气氧化管与所述连接管道连接处设有夹碳层(采用具有耐高温的材料，采用多孔材料，不影响金属单质蒸气的通过)。设置夹碳层可深度净化微量回流的氧气，避免金属单质蒸气在连接管道上氧化。

上述分离纯化装置中，优选的，所述热处理系统包括熔炼炉、重力感应器、多孔承重板(可设置多层)、反应器皿(石英舟)、气氛控制系统和用于控制所述熔炼炉内温度的温度控制器，所述重力感应器设于所述熔炼炉底部，所述多孔承重板设于所述重力感应器上，所述反应器皿设于所述多孔承重板上，所述气氛控制系统包括设于所述熔炼炉炉壁上的惰性气体入口与气压安全阀。本发明中，通过温度控制器精准控制熔炼炉和连接管道温度，维持体系适宜温度区间。重力感应器在底部装有2个，可实时监控多层石英舟重量，数据基中显示于重量显示器上。气压平衡系统通过通入惰性气体维持熔炼炉内气压高于曝气氧化管气压，防止氧气回流。气压安全阀用于监测炉内气压大小。

上述分离纯化装置中，优选的，还包括收料系统，所述收料系统包括收料瓶和尾气处理系统，所述收料瓶设于所述曝气氧化系统的出口，所述尾气处理系统与所述收料瓶连接，所述尾气处理系统与所述收料瓶连接处设有除尘套，所述尾气处理系统中设有用于向外抽气的气泵。在曝气氧化管内生成的氧化物在气流和重力作用下进入收料瓶中，除尘套可实现气固分离。所述尾气吸收系统包扩气泵、气阀、尾气吸收装置和防倒吸装置，可高效吸收二氧化碳，防止空气污染。尾气吸收装置中所用溶液为氢氧化钠溶液。

上述分离纯化装置中，优选的，曝气氧化管内设有测氧仪，用于监测氧气浓度。

上述分离纯化装置中，优选的，所述连接管道为倒U型管，所述连接管道的外壁上设有保温层，所述连接管道与热处理系统连接处设有第一控制阀。通过设置保温层有利于维持连接管道内的温度，避免冷凝。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种如上述的金属废渣的分离纯化装置用于氧化钴渣的分离纯化方法，所述氧化钴渣中含有镉、锌和钴，包括以下步骤：

S1：将氧化钴渣与还原剂混合，置于所述热处理系统中控温进行热处理，实现镉的还原，再控温实现镉的挥发，得到镉金属单质蒸气；

S2：将S1中得到的镉金属单质蒸气通入所述曝气氧化系统，通过向所述曝气氧化系统中通入氧气，与镉金属单质蒸气反应得到氧化镉，并以氧化镉粉末形式下沉，完成镉与氧化钴渣的分离以及回收；

S3：升高并控制所述热处理系统的温度，实现锌的还原以及挥发，得到锌金属单质蒸气；

S4：将S3中得到的锌金属单质蒸气通入所述曝气氧化系统，通过向所述曝气氧化系统中通入氧气，与锌金属单质蒸气反应得到氧化锌，并以氧化锌粉末形式下沉，完成锌与氧化钴渣的分离以及回收，即完成氧化钴渣中钴与镉、锌的分离回收以及氧化钴渣的纯化。

上述分离纯化方法中，优选的，所述还原剂为碳质类还原剂；所述S1中，镉的还原时控制温度为350-550℃，时间为0.25-5h，镉的挥发时，控制温度为780-900℃，时间为0.3-5h；所述S3中，升高温度至1000-1200℃，控制时间为0.2-5h；所述S2与S4中，通入氧气时，控制氧气的体积浓度为40-60％。

本发明通过精细调控活化转型，精确分段控温挥发，精准氧化收尘实现钴渣中钴、锌和镉的深度分离资源化利用，详细分析如下：所述分离纯化方法包括以下步骤：

(1)氧化钴渣与还原剂按一定比例混合均匀置于熔炼炉内，精细控温活化转型一定时间，得到镉等金属单质；

具体的，步骤(1)中，将氧化钴渣与还原剂按一定比例混合均匀后置于多个石英舟中，记录重量显示器初始数据，开启加热系统，精细控制熔炼炉升温至目标温度后恒温适宜时间，直至重量显示器数据维持不变。上述还原剂可为焦碳或活性炭粉末。还原剂质量为氧化钴渣质量的16-30％之间，以保证足够的碳可还原氧化物。氧化钴渣与还原剂应充分混合，混合物料颗粒大小应小于75微米，以保障氧化物与碳粉充分反应，提高反应速率。步骤(1)中精细控制温度至350-550℃区间，反应时间0.25-5.0h，即可实现氧化镉的高效还原，避免高温过程增加能耗。

(2)利用镉和钴等成分的沸点差异，精确控制温度区间和氧化氛围，实现镉的选择性挥发及氧化，回收氧化镉，实现钴与镉的高效分离；

具体的，步骤(2)中，精确控制熔炼炉和连接管道至目标温度区间，先后开启第一控制阀、第二控制阀、气阀和气泵，由曝气管通入氧气，由惰性气体入口通入惰性气体，直至重量显示器记录值不再下降，实现镉的高效挥发。氧化钴渣中，单质镉的沸点为767℃，单质锌的沸点为907℃，其余组份沸点均超过1300℃。虽然在步骤(1)中氧化铜和氧化镍等其他氧化物易被还原，但其金属单质熔点和沸点均超过1000℃。步骤(2)中控制熔炼炉和连接管道温度范围为780-900℃区间，时间0.3-5.0h可以实现镉的选择性挥发。

具体的，步骤(2)中由曝气管通入氧气，采用多组微孔曝气管设计，利用氧化镉高熔点(1426℃)和沸点(1385℃)特性，无需进行冷却处理，挥发的镉蒸汽在中间迅速氧化生成氧化镉粉末，可随气流竖直下降进入收料瓶中，可有效避免利用金属冷凝出现的沾壁现象。氧化镉及混合气体经除尘套过滤分离，氧化镉粉末富集于收料瓶中，残留气体经尾气吸收装置吸收。步骤(2)中由曝气管通入氧气，可根据实际情况增减曝气管数目，控制局部区域氧气浓度为40-60％，以保证镉单质氧化完全及残余一氧化碳的充分氧化。步骤(2)中惰性气体为氮气或氩气，有一定保护作用，还可维持熔炼炉内气压高于曝气氧化管气压，防止氧气回流。

步骤(2)中，待重力数据维持5.0-10.0min不再变化，停止通入氧气和惰性气体，关闭第一控制阀与第二控制阀，更换收料瓶和除尘套，再进行后续步骤(3)。

(3)利用锌和钴等成分沸点差异，精确控制活化转型温度区间和氧化氛围，一步实现锌的还原-挥发-氧化过程，回收氧化锌，实现钴与锌的高效分离。

具体的，步骤(3)中，氧化锌与碳反应生成单质锌还原温度接近1000℃，锌单质挥发温度为907℃，氧化锌经碳还原为单质锌后，可立即挥发进入气体中。而单质钴、单质镍、单质铁和单质铜的沸点均达2500℃以上，不会出现挥发现象。利用锌与其他金属理化性质差异，可实现锌与其他金属的选择性分离。利用氧化锌高熔点(1975℃)和高沸点(2360℃)的特性，无需进行冷却处理，挥发的镉蒸汽在中间氧化生成氧化锌粉末，可随气流竖直下降进入收料瓶中，可有效避免沾壁现象发生。步骤(3)在步骤(2)中温度上继续升温，控制熔炼炉和连接管道温度范围为1000-1200℃区间，时间0.2-5.0h以实现锌的选择性还原和挥发。由曝气管通入氧气，控制局部区域氧气浓度为40-60％，以保证挥发的锌单质氧化完全及残余一氧化碳的充分氧化。本步骤的其他操作方式与步骤(2)相似，此处不再赘述。

本发明中，镉、锌的还原原理如图1所示。图1为常压下不同金属氧化物还原成金属单质的温度与吉布斯自由能变化示意图。由图1可知，当还原温度达350℃时，氧化镉与碳反应吉布斯自由能小于零，氧化镉即可被还原为镉单质，当还原温度达1000℃时，氧化锌与碳反应吉布斯自由能小于零，氧化锌可被还原为单质锌。

本发明的分离纯化装置，设备投资小，能源利用率高，清洁环保。本发明采用多层挥发设计，可大大加快挥发效率，提高分离回收效率；本发明增加了观察窗，可随时观察熔炼炉内反应情况；本发明引入了热重传感系统，通过监控记录反应器皿中原料重量变化趋势，可作为分离回收过程各阶段控温依据，提高能源利用率；本发明引入了微孔曝气系统，便于控制氧气流速及氧气含量，可充分氧化锌单质、镉单质和残留一氧化碳气体，安全环保；本发明中微孔曝气管，生成的氧化物粉末悬浮在管道中部可避免沾壁现象，提高氧化物收率。本发明引入了监测系统，可实时监测熔炼炉和曝气氧化管气压值，维持熔炼炉内气压始终高于曝气氧化管气压值，配合石英挡板和气泵吸力，可有效防止氧气回流进入连接管道上部。本发明设置夹碳层，可完全阻止氧气回流进入连接管道上部。

本发明基于氧化钴渣中金属氧化物及金属单质理化特性，通过金属氧化物碳还原体系系统热力学计算分析，提出了一种氧化钴渣选择性分离回收氧化镉和氧化锌的方法，开发了还原-挥发-氧化一体化分离回收装置。本发明在350-550℃还原熔炼条件下实现氧化镉的高效还原，在780-900℃条件下实现镉单质的挥发，利用氧化镉高沸点特性，无需冷凝通过氧化即可实现氧化镉的高效分离回收。在1000-1200℃还原熔炼条件下实现氧化锌的高效还原和锌单质的挥发，利用氧化锌高沸点特性，无需冷凝通过氧化即可实现氧化锌的高效分离回收。全流程采用逐步升温方式，结合热重传感系统，精确把握反应节点，实现能源高效利用。利用氧化物高沸点特性，无需冷凝处理即可高效分离回收金属氧化物粉末，解决了传统金属单质冷凝回收过程中沾壁现象严重的问题，有效提高收率。本发明的方法可实现氧化钴渣中氧化锌和氧化镉的高效分离回收，氧化镉和氧化锌的回收率达99.5％以上，氧化镉和氧化锌产品纯度达99.9％以上，可作为产品直接出售，剩余钴产品纯度大幅提高，便于后续钴资源化利用。

总的来说，本发明的分离纯化装置以及分离纯化方法可实现钴渣中钴、锌和镉的高效精细分离回收，具有流程短、能源利用率高、能耗低、沾壁现象少、氧化产物收率高、纯度高等优点，符合可持续发展战略需要，未来市场应用前景广泛。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的分离纯化装置以及分离纯化方法利用热处理系统和曝气氧化系统的相互配合作用，可以实现金属废渣中的金属以氧化物的形式收集，无需采用冷凝收集，可减小沾壁现象，可减小冷凝内壁的清理工作，有利于锌、铅、镉的高效回收分离工作，减少回收工艺步骤。

2、本发明的分离纯化装置以及分离纯化方法具有结构简单，工艺步骤少，能耗低，金属收率纯度高等优势，符合可持续发展战略需要，未来市场应用前景广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1常压下氧化物被碳还原成单质的温度与吉布斯自由能变化示意图。

图2为实施例中分离纯化装置的结构示意图。

图例说明：

1、重力感应器；2、多孔承重板；3、重量显示器；4、温度控制器；5、观察窗；6、气压安全阀；7、夹碳层；8、第一控制阀；9、连接管道；10、保温层；11、石英挡板；12、测氧仪；13、第一曝气管；14、第二控制阀；15、收料瓶；16、除尘套；17、气泵；18、气阀；19、尾气吸收装置；20、防倒吸装置；21、惰性气体入口；22、反应器皿；23、熔炼炉；24、曝气氧化管；25、第二曝气管。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

如图2所示，本实施例的金属废渣的分离纯化装置，包括：

热处理系统，用于热处理金属废渣使其产生金属单质蒸气；

曝气氧化系统，用于将热处理系统产生的金属单质蒸气氧化成金属氧化物；

热处理系统与曝气氧化系统通过连接管道9相连。

本实施例中，曝气氧化系统包括曝气氧化管24，曝气氧化管24的管壁上设有多个进气口，进气口中设有用于曝气氧化管24内通入氧化气体的曝气管。本实施例中，曝气氧化管24中设有测氧仪12。

本实施例中，进气口包括多个第一微孔进气口与多个第二微孔进气口，曝气管包括多根第一曝气管13与多根第二曝气管25，第一曝气管13穿过第一微孔进气口向内延伸出曝气氧化管24的管壁内表面，第二曝气管25穿过第二微孔进气口且第二曝气管25的出气端不伸出曝气氧化管24的管壁内表面，多根第二微孔进气口均匀分布于曝气氧化管24的管壁上。本实施例中，第一曝气管13与第二曝气管25在图2中分别仅画出4根与2根，具体可根据实际情况进行增减。

本实施例中，曝气氧化管24与连接管道9连接处设有用于使曝气氧化管24的进口呈漏斗形的挡板组件，挡板组件包括沿曝气氧化管24内壁设置的石英挡板11。

本实施例中，曝气氧化管24与连接管道9连接处设有夹碳层7。本实施例还可以在连接管道9与熔炼炉23连接处设有夹碳层7。

本实施例中，热处理系统包括熔炼炉23、重力感应器1、多孔承重板2(多层)、反应器皿22、气氛控制系统和用于控制熔炼炉23内温度的温度控制器4，重力感应器1设于熔炼炉23底部，多孔承重板2设于重力感应器1上，反应器皿22设于多孔承重板2上，气氛控制系统包括设于熔炼炉23炉壁上的惰性气体入口21与气压安全阀6。

本实施例中，还包括收料系统，收料系统包括收料瓶15和尾气处理系统，收料瓶15设于曝气氧化系统的出口，尾气处理系统与收料瓶15连接，尾气处理系统与收料瓶15连接处设有除尘套16，尾气处理系统中设有用于向外抽气的气泵17。

本实施例中，连接管道9为倒U型管，连接管道9的外壁上设有保温层10，连接管道9与热处理系统连接处设有第一控制阀8，曝气氧化系统与收料瓶15连接处设有第二控制阀14。

本实施例的利用上述金属废渣的分离纯化装置用于氧化钴渣的分离纯化方法，氧化钴渣中含有镉、锌和钴，包括以下步骤：

S1：将氧化钴渣与还原剂混合，置于热处理系统中控温进行热处理，实现镉的还原，再控温实现镉的挥发，得到镉金属单质蒸气；

S2：将S1中得到的镉金属单质蒸气通入曝气氧化系统，通过向曝气氧化系统中通入氧气，与镉金属单质蒸气反应得到氧化镉，并以氧化镉粉末形式下沉，完成镉与氧化钴渣的分离以及回收；

S3：升高并控制热处理系统的温度，实现锌的还原以及挥发，得到锌金属单质蒸气；

S4：将S3中得到的锌金属单质蒸气通入曝气氧化系统，通过向曝气氧化系统中通入氧气，与锌金属单质蒸气反应得到氧化锌，并以氧化锌粉末形式下沉，完成锌与氧化钴渣的分离以及回收，即完成氧化钴渣中钴与镉、锌的分离回收以及氧化钴渣的纯化。

本实施例中的金属废渣的分离纯化装置还可用于其他金属废渣的处理，不限制为用于处理氧化钴渣。

为了更好的理解本实施例中的技术方案，下面给出一个具体实施例应用实施例如下：

一种氧化钴渣的分离纯化方法，包括以下步骤：

S1：将1000g氧化钴渣与200g碳混合均匀后破碎至75微米下，均匀置于5个石英舟中，石英舟置于多孔承重板2上，通过重力感应器1感应，记录重量显示器3初始数据，固定好夹碳层7，调整石英挡板11之间距离为连接管道9宽度的1/5，开启加热系统，通过温度控制器4精细控制熔炼炉23升温至400℃后，通过观察窗5监测熔炼炉23内反应情况，恒温1.2h，重量显示器数据不再下降后，表明此阶段已实现氧化镉等氧化物的高效还原。

S2：通过温度控制器4，精确控制熔炼炉23和连接管道9至850℃，通过观察窗5观察反应情况，先后开启第一控制阀8、第二控制阀14、气阀18和气泵17，由曝气管通入氧气，通过测氧仪12控制曝气氧化管24内氧气浓度为50％，由惰性气体入口21通入惰性气体，通过气压安全阀6监测熔炼炉23内气压大小，恒温1.0h，重量显示器3数据不再下降后，维持不变，表明此阶段已实现镉的高效挥发。挥发的镉蒸汽在曝气氧化管24氧化生成氧化镉粉末，随气流竖直下降进入收料瓶15中。氧化镉及混合气体经除尘套16过滤分离，氧化镉粉末富集于收料瓶15中，残留气体经尾气吸收装置19吸收。待重力数据维持5.0min不再变化，停止通入氧气和惰性气体，关闭第一控制阀8和第二控制阀14，更换收料瓶15和除尘套16，收集得到氧化镉样品重86.48g，分析氧化镉样品中镉含量达87.44％，计算的氧化镉样品纯度达99.93％。

S3：而后通过温度控制器4精确控制熔炼炉23和连接管道9至1100℃，先后开启第一控制阀8、第二控制阀14、气阀18和气泵17，由曝气管通入氧气，控制曝气氧化管24内氧气浓度为40％，由惰性气体入口21通入惰性气体，恒温2.0h后，直至重量显示器3不再下降，表明已实现锌的高效还原-挥发。挥发的锌单质随气流通过曝气氧化管24时迅速氧化生成氧化锌，进入收料瓶15中，氧化锌及混合气体经除尘套16过滤分离，氧化锌粉末富集于收料瓶15中，残留气体经尾气吸收装置19吸收，防倒吸装置20可防止尾气吸收装置19中的碱液倒吸。待重力数据维持6.0min不再变化时，停止通入氧气，持续通入惰性气体2.0min，关闭第一控制阀8和第二控制阀14，更换收料瓶15和除尘套16，收集得到氧化锌样品重141.28g，分析氧化锌样品中锌含量达80.18％，计算的氧化锌样品纯度达99.91％。

本实施例中氧化钴渣和尾料主要成分如表1和表2所示。

表1：氧化钴渣化学定量分析

表2：尾料化学定量分析

由收集的氧化锌和氧化镉产品重量换算可得，锌和镉的回收率分别为99.8％和99.9％。在实施例1同样的条件下，不通入氧气进行氧化处理，通入惰性气体排出空气，通过冷凝回收锌单质和镉单质，对比试验结果表明锌和镉的回收率分别为91.6％和90.9％，部分锌单质和镉单质冷凝过程中出现沾壁现象，不利于锌和镉的高效回收。

实施例2：

本实施例中的金属废渣的分离纯化装置与实施例1相同。

本实施例提供一种氧化钴渣的分离纯化方法，包括以下步骤：

S1：将800g氧化钴渣与192g碳混合均匀后破碎至75微米下，均匀置于5个石英舟中，石英舟置于多孔承重板2上，通过重力感应器1感应，记录重量显示器3初始数据，固定好夹碳层7，调整石英挡板11之间距离为连接管道9宽度的1/6，开启加热系统，通过温度控制器4精细控制熔炼炉23升温至450℃后，通过观察窗5监测熔炼炉23内反应情况，恒温1.5h，重量显示器数据不再下降，表明此阶段已实现氧化镉等氧化物的高效还原。

S2：通过温度控制器4，精确控制熔炼炉23和连接管道9至820℃，通过观察窗5观察反应情况，先后开启第一控制阀8、第二控制阀14、气阀18和气泵17，由曝气管通入氧气，通过测氧仪12控制曝气氧化管24内氧气浓度为48％，由惰性气体入口21通入惰性气体，通过气压安全阀6监测熔炼炉23内气压大小，恒温1.2h，重量显示器3数据不再下降后，维持不变，表明此阶段已实现镉的高效挥发。挥发的镉蒸汽在曝气氧化管24氧化生成氧化镉粉末，随气流竖直下降进入收料瓶15中。氧化镉及混合气体经除尘套16过滤分离，氧化镉粉末富集于收料瓶15中，残留气体经尾气吸收装置19吸收，防倒吸装置20可防止尾气吸收装置19中的碱液倒吸。待重力数据维持5.0min不再变化，停止通入氧气和惰性气体，关闭第一控制阀8和第二控制阀14，更换收料瓶15和除尘套16，收集得到氧化镉样品重96.61g，分析氧化镉样品中镉含量达87.44％，计算的氧化镉样品纯度达99.93％。

S3：而后通过温度控制器4精确控制熔炼炉23和连接管道9至1050℃，先后开启第一控制阀8、第二控制阀14、气阀18和气泵17，由曝气管通入氧气，控制曝气氧化管24内氧气浓度为45％，由惰性气体入口21通入惰性气体，恒温2.3h后，直至重量显示器3记录值不再下降，表明已实现锌的高效还原-挥发。挥发的锌单质随气流通过曝气氧化管24时迅速氧化生成氧化锌，进入收料瓶15中，氧化锌及混合气体经除尘套16过滤分离，氧化锌粉末富集于收料瓶15中，残留气体经尾气吸收装置19吸收。待重力数据维持5.0min不再变化时，停止通入氧气，持续通入惰性气体2.0min，关闭第一控制阀8和第二控制阀14，更换收料瓶15和除尘套16，收集得到氧化锌样品重152.68g，分析氧化锌样品中锌含量达80.19％，计算的氧化锌样品纯度达99.93％。

本实施例中氧化钴渣和尾料主要成分如表3和表4所示。

表3：氧化钴渣化学定量分析

表4：尾料化学定量分析

由收集的氧化锌和氧化镉产品重量换算可得，锌和镉的回收率分别为99.7％和99.9％。在实施例2同样的条件下，不通入氧气进行氧化处理，通入惰性气体排出空气，通过冷凝回收锌单质和镉单质，对比试验结果表明锌和镉的回收率分别为86.4％和91.5％，部分锌单质和镉单质冷凝过程中出现沾壁现象，不利于锌和镉的高效回收。

实施例3：

本实施例中的金属废渣的分离纯化装置与实施例1相同。

本实施例提供一种氧化钴渣的分离纯化方法，包括以下步骤：

S1：将500g氧化钴渣与120g碳混合均匀后破碎至75微米下，均匀置于5个石英舟中，石英舟置于多孔承重板2上，通过重力感应器1感应，记录重量显示器3初始数据，固定好夹碳层7，调整石英挡板11之间距离为连接管道9宽度的1/5，开启加热系统，通过温度控制器4精细控制熔炼炉23升温至420℃后，通过观察窗5监测熔炼炉23内反应情况，恒温1.3h，重量显示器数据降不再下降，表明此阶段已实现氧化镉等氧化物的高效还原。

S2：通过温度控制器4，精确控制熔炼炉23和连接管道9至880℃，通过观察窗5观察反应情况，先后开启第一控制阀8、第二控制阀14、气阀18和气泵17，由曝气管通入氧气，通过测氧仪12控制曝气氧化管24内氧气浓度为53％，由惰性气体入口21通入惰性气体，通过气压安全阀6监测熔炼炉23内气压大小，恒温1.7h，重量显示器3数据不再下降，维持不变，表明此阶段已实现镉的高效挥发。挥发的镉蒸汽在曝气氧化管24氧化生成氧化镉粉末，随气流竖直下降进入收料瓶15中。氧化镉及混合气体经除尘套16过滤分离，氧化镉粉末富集于收料瓶15中，残留气体经尾气吸收装置19吸收，防倒吸装置20可防止尾气吸收装置19中的碱液倒吸。待重力数据维持5.0min不再变化，停止通入氧气和惰性气体，关闭第一控制阀8和第二控制阀14，更换收料瓶15和除尘套16，收集得到氧化镉样品重24.34g，分析氧化镉样品中镉含量达87.47％，计算的氧化镉样品纯度达99.96％。

S3：而后通过温度控制器4精确控制熔炼炉23和连接管道9至1065℃，先后开启第一控制阀8、第二控制阀14、气阀18和气泵17，由曝气管通入氧气，控制曝气氧化管24内氧气浓度为48％，由惰性气体入口21通入惰性气体，恒温2.0h后，直至重量显示器3记录值不再下降，表明已实现锌的高效还原-挥发。挥发的锌单质随气流通过曝气氧化管24时迅速氧化生成氧化锌，进入收料瓶15中，氧化锌及混合气体经除尘套16过滤分离，氧化锌粉末富集于收料瓶15中，残留气体经尾气吸收装置19吸收。待重力数据维持5.0min不再变化时，停止通入氧气，持续通入惰性气体3.0min，关闭第一控制阀8和第二控制阀14，更换收料瓶15和除尘套16，收集得到氧化锌样品重36.65g，分析氧化锌样品中锌含量达80.19％，计算的氧化锌样品纯度达99.92％。

本实施例中氧化钴渣和尾料主要成分如表5和表6所示。

表5：氧化钴渣化学定量分析

表6：尾料化学定量分析

由收集的氧化锌和氧化镉产品重量换算可得，锌和镉的回收率分别为99.8％和99.7％。在实施例3同样的条件下，不通入氧气进行氧化处理，通入惰性气体排出空气，通过冷凝回收锌单质和镉单质，对比试验结果表明锌和镉的回收率分别为88.3％和90.8％，部分锌单质和镉单质冷凝过程中出现沾璧现象，不利于锌和镉的高效回收。

Claims (6)

1.一种金属废渣的分离纯化装置，其特征在于，包括：

热处理系统，用于热处理所述金属废渣使其产生金属单质蒸气；

曝气氧化系统，用于将所述热处理系统产生的金属单质蒸气氧化成金属氧化物；

收料系统，所述收料系统包括收料瓶（15）和尾气处理系统，所述收料瓶（15）设于所述曝气氧化系统的出口，所述尾气处理系统与所述收料瓶（15）连接，所述尾气处理系统与所述收料瓶（15）连接处设有除尘套（16），所述尾气处理系统中设有用于向外抽气的气泵（17）；

所述热处理系统与所述曝气氧化系统通过连接管道（9）相连；

所述曝气氧化系统包括曝气氧化管（24），所述曝气氧化管（24）的管壁上设有多个进气口，所述进气口中设有用于向所述曝气氧化管（24）内通入氧化气体的曝气管；

所述进气口包括多个第一微孔进气口与多个第二微孔进气口，所述曝气管包括多根第一曝气管（13）与多根第二曝气管（25），所述第一曝气管（13）穿过所述第一微孔进气口向内延伸出所述曝气氧化管（24）的管壁内表面，所述第二曝气管（25）穿过所述第二微孔进气口且所述第二曝气管（25）的出气端不伸出所述曝气氧化管（24）的管壁内表面，多根所述第二微孔进气口均匀分布于所述曝气氧化管（24）的管壁上；

所述曝气氧化管（24）与所述连接管道（9）连接处设有用于使所述曝气氧化管（24）的进口呈漏斗形的挡板组件，所述挡板组件包括沿所述曝气氧化管（24）内壁设置的石英挡板（11）。

2.根据权利要求1所述的分离纯化装置，其特征在于，所述曝气氧化管（24）与所述连接管道（9）连接处设有夹碳层（7）。

3.根据权利要求1或2所述的分离纯化装置，其特征在于，所述热处理系统包括熔炼炉（23）、重力感应器（1）、多孔承重板（2）、反应器皿（22）、气氛控制系统和用于控制所述熔炼炉（23）内温度的温度控制器（4），所述重力感应器（1）设于所述熔炼炉（23）底部，所述多孔承重板（2）设于所述重力感应器（1）上，所述反应器皿（22）设于所述多孔承重板（2）上，所述气氛控制系统包括设于所述熔炼炉（23）炉壁上的惰性气体入口（21）与气压安全阀（6）。

4.根据权利要求1或2所述的分离纯化装置，其特征在于，所述连接管道（9）为倒U型管，所述连接管道（9）的外壁上设有保温层（10），所述连接管道（9）与热处理系统连接处设有第一控制阀（8）。

5.一种如权利要求1-4中任一项所述的金属废渣的分离纯化装置用于氧化钴渣的分离纯化方法，所述氧化钴渣中含有镉、锌和钴，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将氧化钴渣与还原剂混合，置于所述热处理系统中控温进行热处理，实现镉的还原，再控温实现镉的挥发，得到镉金属单质蒸气；

S2：将S1中得到的镉金属单质蒸气通入所述曝气氧化系统，通过向所述曝气氧化系统中通入氧气，与镉金属单质蒸气反应得到氧化镉，并以氧化镉粉末形式下沉，完成镉与氧化钴渣的分离以及回收；

S3：升高并控制所述热处理系统的温度，实现锌的还原以及挥发，得到锌金属单质蒸气；

S4：将S3中得到的锌金属单质蒸气通入所述曝气氧化系统，通过向所述曝气氧化系统中通入氧气，与锌金属单质蒸气反应得到氧化锌，并以氧化锌粉末形式下沉，完成锌与氧化钴渣的分离以及回收，即完成氧化钴渣中钴与镉、锌的分离回收以及氧化钴渣的纯化。

6.根据权利要求5所述的分离纯化方法，其特征在于，所述还原剂为碳质类还原剂；所述S1中，镉的还原时控制温度为350-550℃，时间为0.25-5h，镉的挥发时，控制温度为780-900℃，时间为0.3-5h；所述S3中，升高温度至1000-1200℃，控制时间为0.2-5h；所述S2与S4中，通入氧气时，控制氧气的体积浓度为40-60%。

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