A computational thermodynamic model for conversion of jarosite residue into an inert slag via a pyrometallurgical process

Abstract

Millions of tons of jarosite residue is produced each year as a by-product of zinc smelting. This residue is classified as a hazardous waste because it contains heavy metals that are leached into the environment as it is stored in open-air piles. The residue also contains metal values which are not recovered due to storing.

The purpose of this thesis is to create a computational thermodynamic model for conversion of jarosite residue into an inert slag via a pyrometallurgical process. Earlier studies of this topic show that pyrometallurgical processes can be used to treat jarosite residue. However, a thermodynamic model for producing an inert slag is not found in scientific literature. The thermodynamic model in this thesis was created with MTDATA computer program and Mtox database.

In addition, decomposition of Boliden Kokkola’s jarosite residue was studied experimentally with thermogravimetry (TG) and differential scanning calorimetry (DSC). The results show that the thermal decomposition of the residue depends on the location of the waste in the waste pile with respect to its height. The waste in the upper half of the pile loses more mass during thermal decomposition than the waste in the lower half of the pile due to combustion of elemental sulfur.

In the thermodynamic model created, jarosite smelting is defined to consist of two functional steps that are: melting and reducing. The melting step produces a melt that consists of metal oxides and flux (SiO2). The reduction step purifies the melt of trace metals and thus produces an inert slag. Only the thermodynamics of the reduction step are modelled with MTDATA. Modelling is limited to the following trace elements present in the melt: As, Cd, Cu, Sb, Pb and Zn.

The thermodynamic model shows that during reduction Cd, Pb and Zn are volatilized whereas As, Cu and Sb form a liquid metal phase (speiss) together with iron. If speiss is not formed, solid iron will precipitate. Furthermore, an inert slag is only obtained when the resulting off-gas is removed from the system continuously. If the off-gas remains in the systems, the trace metal concentrations in the slag are considerably higher. In addition, the effects of silica concentration, copper concentration and temperature on trace metal recovery efficiency were tested. Adding flux (SiO2) gives rise to reduced recovery of all trace metals whereas increasing copper concentration in the feed enhances the recovery of As, Cu and Sb. Raising the process temperature increases Pb recovery and reduces arsenic recovery. The results of the modelling are promising in terms of process development and should therefore be verified experimentally.

Jarosiittijätettä tuotetaan maailmanlaajuisesti miljoonia tonneja vuosittain sinkin valmistuksen sivutuotteena. Jäte luokitellaan vaaralliseksi jätteeksi sen sisältämien raskasmetallien vuoksi, jotka liukenevat ympäristöön ulkoilmavarastoinnin aikana. Jäte sisältää myös arvokkaita metalleja, joita ei saada otettua talteen johtuen varastoinnista.

Tämän diplomityön tarkoituksena on luoda laskennallinen termodynaaminen malli kuonalle, joka syntyy jarosiitin pyrometallurgisen sulatuksen tuotteena. Aikaisempien tutkimusten mukaan jarosiittia voidaan sulattaa pyrometallurgisesti. Tieteellisessä kirjallisuudessa ei kuitenkaan löydy termodynaamista mallia kuonan syntymiselle. Tämän työn termodynaamisen mallin tekemiseen käytettiin MTDATA tietokoneohjelmaa ja Mtox tietokantaa.

Tämän lisäksi Boliden Kokkolan jarosiittijätteen termistä hajoamista tutkittiin termogravimetrian ja differentiaalikalorimetrian keinoin. Tulosten mukaan jarosiittijätteen terminen hajoaminen riippuu jätteen sijainnista jätekasassa sen korkeuden suhteen. Jäte kasan yläosassa menettää suuremman osan massastaan termisen hajoamisen aikana kuin jäte kasan alaosassa johtuen siinä olevan elementääririkin palamisesta.

Luoduissa termodynaamisessa malleissa termisen prosessin määriteltiin koostuvan kahdesta vaiheesta: sulatuksesta ja pelkistyksestä. Sulatusvaihe tuottaa sulan, joka koostuu metallioksideista ja fluksista (SiO2). Pelkistysvaihe puhdistaa sulan jäännösmetalleista tuottaen näin inertin kuonan. Ainoastaan pelkistysvaiheen termodynamiikkaa mallinnettiin MTDATA:lla. Mallinnus rajoitettiin seuraaviin jäännösmetalleihin sulassa: As, Cd, Cu, Pb, Sb ja Zn.

Termodynaamisen mallinnuksen mukaan pelkistysvaiheen aikana Cd, Pb ja Zn haihtuvat kaasufaasiin, kun taas As, Cu ja Sb muodostavat sulan metallifaasin yhdessä raudan kanssa. Jos sulaa metallifaasia ei synny, rauta saostuu kiinteänä. Prosessi tuottaa inertin kuonan vain silloin, kun kaasua poistetaan systeemistä jatkuvasti. Jos kaasufaasia ei poisteta, huomattavasti suurempi määrä jäännösmetalleja jää kuonaan. Mallinnuksessa testattiin myös fluksin, syötteen kuparipitoisuuden ja lämpötilan vaikutusta metallien talteenottotehokkuuteen. Lisäämällä fluksin määrää, kaikkien metallien talteenottotehokkuus laskee. Lisäämällä kuparin määrää syötteessä, As, Cu ja Sb saadaan otettua tehokkaammin talteen. Lämpötilan nosto parantaa lyijyn ja heikentää arseenin talteenottotehokkuutta. Mallinnuksen tulokset ovat lupaavia prosessinkehityksen kannalta, minkä vuoksi tulokset pitäisi vahvistaa kokeellisesti.