Thermodynamic Analysis of the Soda Ash Smelting of Lead Acid Battery Residue in a Rotary Furnace

Abstract

A thermodynamic analysis of the rotary furnace process for the recovery of lead from battery residue by carbothermic reduction with soda ash (Na₂CO₃) was performed. Suitable models were selected to represent the thermodynamic behaviour of the bullion, matte, slag and gas phases. Equilibrium considerations and mass balances were performed in order to determine the effect of input parameters such as carbon and soda ash additions on the lead recovery. The processing of battery residue is characterized chemically by two distinct regimes, oxidizing and reducing, the occurrence of which depends on the amount of reductants added (carbon and iron). A maximum in the lead is predicted by the model at a critical range of concentration of reductants, which depends on the Pb, PbSO₄, PbS and PbO₂ contents of the charge. The thermodynamic model was adapted to the rotary furnace process to diminish the lead in the discarded matte-slag from 5–8 wt.% Pb to about 1–2 wt.% Pb. A 20% excess of carbon was added to achieve the highest lead recovery. It was found that by increasing the Fe/Fe₂O₃ mass ratio in the iron chips from 1/9 to 7/3 the slag viscosity diminished and the furnace operation became closer to the equilibrium condition. © 1997 Published by Elsevier Science Ltd

Résumé

On a exécuté une analyse thermodynamique du procédé en fourneau de récupération du plomb de résidue de batteries par réduction carbothermique avec de la soude calcinée (Na₂CO₃) On a choisi des modèles appropries pour représenter le comportement thermodynamique des phases de métal, de matte, de laitier et de gaz. On a exécuté des considérations d'equilibre et des balances de masse afin de déterminer l'effet des paramètres d'alimentation tels que des additions de carbone et de soude calcinée sur la récupération du plomb. Le traitement de résidue de batteries est caractérisé chimiquement par deux régimes distincts, oxydation et réduction, dont l'occurrence dépend de la quantité d'agents réducteurs ajoutés (carbone et fer). Le modèle prédit un maximum de plomb dans une région critique de concentration d'agents réducteurs, qui dépendent du contenu de la charge en Pb, en PbSO₄, en PbS et en PbO₂. On a adapté le modéle thermodynamique au procédé du fourneau rotatif afin de diminuer le contenu en plomb de la matte-laitier, qui est rejectée, de 5–8% en poids de Pb à environ 1–2%. Un excés de 20% de carbone a permis d'obtenir la récupération de plomb la plus élevée. On a trouvé qu'en augmentant le rapport de masse de Fe/Fe₂O₃ dans les copeaux de fer de 1/9 à 7/3, la viscosité du laitier diminuait et l'opération du fourneau se rapprochait de la condition d'équilibre.