CN108558244B - 一种利用热态转炉渣制备水泥混合料的装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用热态转炉渣制备水泥混合料的装置及制备方法。装置包括反应炉、电极、传动供电装置、输送装置、辅料喷枪、还原剂喷枪和保温炉盖。制备方法包括：将渣罐内的热态转炉渣通过缓冲台倒入反应炉内，并通过电极加热至1450℃以上，然后通过辅料喷枪和还原剂喷枪分别将铁尾矿和高炉除尘灰通过高压载气喷入反应炉内，使转炉渣和铁尾矿中铁氧化物还原并产生气泡搅拌，保温20min以上，静置5～7min，然后出渣、出铁，铁水自然冷却后得到铁合金；冷却成品渣，成品渣玻璃化率不低于80％，直接用于制备水泥混合料，同时回收热风用于原料预热烘干。
Description
技术领域
本发明属于转炉炼钢过程固体废弃物资源再利用的技术领域，特别是涉及一种利用钢铁企业产生的高炉除尘灰、矿山铁尾矿、转炉渣为原料制备水泥混合料的装置及制备方法。
背景技术
转炉渣是一种转炉炼钢的过程中产生的工业固体废物。每生产1吨钢要副产0.1～0.13吨钢渣，其显热2000～2200kJ/kg。转炉渣中还含有10％～30％全铁(TFe)和大量有益元素钙、镁和硅等，因此，加大对转炉渣资源的回收利用，成为降低钢厂冶炼成本，实现废弃物零排放的主要手段。
目前，对于转炉渣现有的主要处理方法是将冷态转炉渣经过破碎、筛分、磁选等步骤，提取其中的金属氧化物后再加以利用，通常处理后转炉渣用于地基回填、道路铺筑、水泥原料、净水剂和钢渣肥料等。这种处理方法得到的两种产品分别为铁氧化物及高碱度渣系，产品附加值较低。
水泥混合料是一种玻璃化率大于80％、胶凝活性高、二元碱度0.8～1.3、铁氧化物含量低于5％的CaO-SiO2-MgO-Al2O3渣系。转炉渣与水泥混合料相比，其化学成分组成相差不大，只需要降低其铁氧化物含量，同时调整二元碱度，转炉渣便可用于制备水泥混合料。但由于工业应用过程中，现有工艺条件很难实现降低转炉渣铁氧化物质量百分含量得到低铁渣系，因此目前尚无用于制备水泥混合料先例。
授权公告号CN 1023640C公布了高温液态含铁炉渣的处理方法。该发明中提出了一种利用高温液态含铁炉渣的回收铁等有用金属、而且回收工艺过程中产生的煤气、并调整炉渣成份、使最终炉渣符合制造水泥要求的装置。该装置由于采用喷吹氧气、煤粉的加热方式，加热效率较低，同时由于氧气的引入，不利于还原反应正向进行，终渣铁氧化物含量很难降低至5％以下。且钢渣二元碱度普遍高于2.0，该装置中仅存在氧气、碳质还原剂和石灰粉、萤石喷枪，无法满足终渣碱度控制在0.8～1.3。
授权公告号CN 103757152 B公布了一种钢渣处理方法及其装置。该发明提供了一种钢渣处理装置，包括：回转窑；喷煤装置，设在回转窑尾部上端；粒化轮，设在位于回转窑尾部下端的出料溜槽下方。对钢渣进行处理后得到的系列硅酸盐可以替代硅酸盐水泥熟料用于生产水泥。但无法满足用于生产水泥混合料。另外，该发明还提供了一种钢渣处理方法，包括：将硅铝酸性氧化物和钢渣投料，其中，混合料中的总的硅铝酸性氧化物与碱性氧化物的摩尔比1:2.5～2.9；回转窑温度为1350～1450℃，还原剂存在下，混合料在回转窑中加热混合；产物粒化为颗粒，进行水淬和降温，之后落入水中，再经脱水处理；脱水后颗粒进行磁选分离，钢粒与系列硅酸盐颗粒分离。该方法回转窑煤粉燃烧过程必然引入空气中的氧，相比于还原剂直接还原流程复杂，还原效率较低。
申请公布号CN 105624359 A公布了一种利用煤气还原转炉渣及炉渣循环利用的方法。该发明涉及一种利用煤气还原转炉渣及炉渣循环利用的方法，其包括以下步骤：将转炉冶炼过程分为转炉炼钢与转炉渣热处理两个流程，所述转炉炼钢流程中，铁水中的杂质元素经氧化反应以氧化物的形式进入转炉渣，形成高磷含量的热态转炉渣；将所述转炉渣倒入处理渣灌单元，进入所述转炉渣热处理流程，盛有所述转炉渣的渣灌单元转移到转炉渣处理站，在所述转炉渣处理站内所述转炉渣发生以煤气为还原介质的热态还原，其中，FeO的还原比例＞80％、P2O5的还原比例＞80％，热态还原处理过程同时进行所述转炉渣的余热回收与气态磷回收工作，处理完结后的转炉渣作为预熔渣与含铁冷却料返回转炉重新应用。该方法所得到渣系二元碱度普遍较高，且渣中存在游离氧化钙，该渣系无法在水泥行业得到应用。
申请公布号CN 102264919 A公布了一种从炼钢炉渣中回收铁和磷的方法。该发明提供一种从炼钢炉渣中回收铁和磷的方法，该方法通过包括以下工序，能以低成本从该炼钢炉渣中回收磷和铁，并且能将回收的磷和铁分别作为资源进行有效利用：第一工序，该工序中，用碳、Si、Al等还原剂对脱磷炉渣等含磷炼钢炉渣进行还原处理，将所述炉渣中的铁氧化物和磷氧化物以含磷熔融铁的形式还原并回收；第二工序，该工序中，将除去了铁氧化物和磷氧化物的炼钢炉渣作为烧结工序中的CaO源使用，将制得的烧结矿再循环至高炉；第三工序，该工序中，对通过所述还原处理回收的含磷熔融铁进行脱磷处理，直至含磷熔融铁中的磷浓度达到0.1％以下，使磷浓缩在CaO类熔剂中；第四工序，该工序中，将该磷浓度在0.1％以下的含磷熔融铁作为铁源混合至高炉铁水中。该方法中所得到的渣中CaO质量百分含量较高，因此只能少量替代烧结工序中的CaO，无法得到具有胶凝性能的渣，产品附加值较低，限制了其再利用价值。
Taeyoung Kim等人在《Recovery of Fe and P from CaO-SiO2-FetO-P2O5 Slagby Microwave Treatment》论文中介绍了一种微波加热石墨碳还原处理转炉渣的实验室研究。其中碳的平衡常数为1.69，加热15分钟，铁的还原率达到0.97，磷为0.89。刘春伟等人在《Valorization of BOF Steel Slag by Reduction and Phase Modification:MetalRecovery and Slag Valorization》论文中介绍了碳热还原渣中铁磷氧化物，并通过配加氧化铝和氧化硅调整碱度制备不同渣系产物的实验室研究。反应在1600℃还原1小时，铁氧化物的去除率大于0.9，并介绍了铁磷氧化物的去除机理。两篇文章中所用还原剂均为石墨质碳，在大规模工业化中难以获得经济效益。
以上专利及论文介绍了现有转炉渣处理再利用的方法，大多为碳热还原铁氧化物或磁选去除渣中含铁物质的方法，而且转炉渣显热并未回收，同时，以上研究大多为实验室研究，缺乏工艺实施或实践的基础，同时，针对转炉渣年产量大且堆积严重的问题，上述工艺的处理能力明显不够，远远不能满足转炉渣或钢厂对其处理量的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用钢铁企业产生的废弃转炉渣为原料，废弃高炉除尘灰、矿山铁尾矿为辅料制备水泥混合料、同时利用热态转炉渣显热回收铁资源的装置及利用该装置制备水泥混合料的方法。
具体的技术方案为：
一种利用热态转炉渣制备水泥混合料的装置，包括反应炉、电极、传动供电装置、物料输送装置、辅料喷枪、还原剂喷枪和保温炉盖；
反应炉上方设有保温炉盖，炉盖上有辅料喷枪入口，还原剂喷枪入口，电极入口；电极经由电极入口伸入反应炉内，由传动供电装置控制高度并提供电能加热反应炉内的炉料；辅料喷枪和还原剂喷枪分别通过辅料喷枪入口、还原剂喷枪入口由输送装置送入反应炉内进行喷吹；电极可以为石墨电极。
反应炉炉底为倾斜式炉底，倾角不低于15°，炉身底部较深侧的炉壁上设有出铁口，炉身底部较浅侧的炉壁上设有出渣口，出渣口和出铁口高度相差超过400mm；
辅料喷枪的下端设有喷嘴，竖直向下喷吹，喷嘴孔径15～30mm；还原剂喷枪下端向炉心一侧设有喷嘴，向炉心方向喷吹，喷嘴孔径15～30mm；
缓冲台位于反应炉内炉身底部较浅侧的炉壁上，缓冲台上表面与水平面有4～15°向下倾角，缓冲台从炉壁向炉内伸出长度不低于200mm，宽度不低于200mm；
缓冲台为碳质耐碱性渣侵蚀材料，耐火度不低于1400℃；反应炉耐火材料为碳砖等耐酸性、碱性渣侵蚀材料，耐火度不低于2000℃。
一种利用热态转炉渣制备水泥混合料的方法，包括以下步骤：原料化学成分分析-配料计算-破碎筛分-预热烘干-热态转炉渣改质-冷却。具体内容包括：
(1)原料化学成分分析：分别检测高炉除尘灰、转炉渣、铁尾矿中CaO、MgO、SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、MnO、P2O5、以及固定碳的质量百分含量；
(2)配料计算：以高炉除尘灰、转炉渣、铁尾矿为原料，按质量百分比计，所有原料总质量中固定碳含量不低于6％，并满足终渣碱度CaO/SiO2为0.5～1.3；(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)为0.7～1.2；
(3)破碎筛分：铁尾矿需经过破碎机破碎，高炉除尘灰和破碎后的铁尾矿满足粒径小于100目占质量百分比70％以上；
(4)预热烘干：利用冷却终渣回收的热风对原料进行预热处理，预热温度100～200℃，时间不低于0.5h；
(5)热态转炉渣改质：
将渣罐内的热态转炉渣通过缓冲台倒入反应炉内，并通过电极加热至1450℃以上，使其处于熔融态，然后由辅料喷枪通过高压载气(例如：高压惰性气体)将铁尾矿喷入反应炉内，在此过程中一直处于加热状态，待辅料投放完毕后，由还原剂喷枪将高炉除尘灰通过高压载气(高压惰性气体)喷入反应炉内，使转炉渣和铁尾矿中铁氧化物还原并通过还原过程中产生气泡搅拌，还原过程中产生的气泡使整个还原过程更充分更完整，待还原剂加入完毕后，保温20min以上，最后静置5～7min使渣金分离，先将改质渣从上部出渣口排出，然后从底部将还原所得铁水由出铁口排出，自然冷却后得到铁合金。
(6)冷却：采用风冷方式对成品渣降温，成品渣玻璃化率不低于80％，同时回收热风用于原料预热烘干。
有益效果：
(1)该装置设有缓冲台，减缓倾倒热态转炉渣对炉衬的冲刷，炉底为倾斜式砌筑，增加还原剂喷吹管处有效深度同时，更有利于粉状颗粒上浮分散，增加反应动力学条件。该装置处理的转炉渣为热态转炉渣，可充分利用其显热参与反应及加热物料。
(2)利用热态转炉渣制备水泥混合料的方法是以高炉除尘灰作为还原剂，铁尾矿为辅料，改质热态转炉渣。利用铁尾矿中硅含量高的特点降低渣系碱度，终渣碱度可以达到R2≤1.3，玻璃化率≥80％，是很好的水泥原料，解决钢铁企业三种固体废弃物难处理问题的同时，还可以得到副产品铁合金。所用转炉渣为热态转炉渣，可充分利用其显热参与反应及加热物料。
附图说明
图1为利用热态转炉渣制备水泥混合料的装置；其中，1为电极，2为传动供电装置，3为渣罐，4为缓冲台，5为反应炉，5-1为倾斜式炉底，5-2为出铁口，5-3为出渣口，5-4为炉壁，6为辅料喷枪，7为还原剂喷枪，8为物料输送装置，9为炉盖，10为渣液面，11为金液面；
图2为炉盖，其中，9-1辅料喷枪入口；9-2还原剂喷枪入口；9-3为电极入口。
图3为生产工艺流程图。
具体实施方式
以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。
分别检测高炉除尘灰，转炉渣，铁尾矿中CaO、MgO、SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、MnO、P2O5、固定碳质量百分含量，其化学成分如表1所示；原料配料如表2所示；原料准备条件如表3所示；将原料装入制备水泥混合料的装置中，制备水泥混合料装置的参数如表4所示；终渣的主要成分和玻璃化率如表5所示。
利用热态转炉渣制备水泥混合料的装置包括：电极1，传动供电装置2，缓冲台4，反应炉5，倾斜式炉底5-1，出铁口5-2，出渣口5-3，炉壁5-4，辅料喷枪6，还原剂喷枪7，物料输送装置8，炉盖9。
将1500℃的转炉渣倒入反应炉内，通过石墨电极加热，还原剂和辅料通过气力式物料输送装置以高压气输送形式喷入反应炉内，反应过程中通过炉盖进行保温，待所有原料完全熔化后，再继续保温30分钟，反应炉5内的物料分层，其中渣液面10到渣金液面11之间为水泥混合料，金液面11以下为铁水；最后由出铁口5-2出铁得到高碳铁，由出渣口5-3出渣得到水泥混合料产品。
表1原料化学成分分析，wt％
表2配料表
表3原料准备条件
表4制备水泥混合料的装置参数
表5终渣的主要成分和玻璃化率
从以上结果看，采用本发明方法，可实现利用热态转炉渣、高炉除尘灰和铁尾矿制备水泥混合料，且终渣碱度R2≤1.02，玻璃化率≥95.9％，是很好的水泥原料。
Claims (6)
1.一种利用热态转炉渣制备水泥混合料的装置，其特征在于，装置包括反应炉（5）、电极（1）、传动供电装置（2）、物料输送装置（8）、辅料喷枪（6）、还原剂喷枪（7）和保温炉盖（9）；
所述反应炉（5）上方设有保温炉盖（9），炉盖（9）上设有辅料喷枪入口（9-1），还原剂喷枪入口（9-2），电极入口（9-3）；电极（1）经由电极入口（9-3）伸入反应炉（5）内，由传动供电装置（2）控制高度并提供电能加热反应炉（5）内的炉料；辅料喷枪（6）和还原剂喷枪（7）分别通过辅料喷枪入口（9-1）、还原剂喷枪入口（9-2）由物料输送装置（8）送入反应炉（5）内进行喷吹；
所述反应炉（5）内炉身底部较浅侧的炉壁上设有缓冲台（4），所述缓冲台（4）上表面与水平面有4~15°向下倾角，所述缓冲台（4）从炉壁向炉内伸出长度不低于200mm，宽度不低于200mm；所述缓冲台（4）采用碳质耐火材料；
所述反应炉（5）炉底为倾斜式炉底（5-1），倾角不低于15°，炉身底部较深侧的炉壁上设有出铁口（5-2），炉身底部较浅侧的炉壁上设有出渣口（5-3），所述出渣口（5-3）和出铁口（5-2）高度相差超过400mm；
所述辅料喷枪（6）的下端设有喷嘴，竖直向下喷吹，喷嘴孔径15~30mm；所述还原剂喷枪（7）下端向炉心一侧设有喷嘴，向炉心方向喷吹，喷嘴孔径15~30mm。
2.如权利要求1所述的一种利用热态转炉渣制备水泥混合料的装置，其特征在于，所述电极为石墨电极。
3.如权利要求1或2所述的一种利用热态转炉渣制备水泥混合料的装置，其特征在于，所述反应炉（5）耐火材料为耐酸性、碱性渣侵蚀材料，耐火度不低于2000℃。
4.如权利要求1或2所述的一种利用热态转炉渣制备水泥混合料的装置，其特征在于，反应炉（5）耐火材料为碳砖。
5.一种利用如权利要求1~4任一所述装置制备水泥混合料的方法，其特征在于，包括以下步骤：原料化学成分分析-配料计算-破碎筛分-预热烘干-热态转炉渣改质-冷却；
（1）原料化学成分分析：分别检测高炉除尘灰、转炉渣、铁尾矿中CaO、MgO、SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、MnO、P2O5、以及固定碳的质量百分含量；
（2）配料计算：以高炉除尘灰、转炉渣、铁尾矿为原料，按质量百分比计，所有原料总质量中固定碳含量不低于6%，并满足终渣碱度CaO/SiO2为0.5~1.3；（CaO+ MgO）/（SiO2+Al2O3）为0.7~1.2；
（3）破碎筛分：铁尾矿需经过破碎机破碎，高炉除尘灰和破碎后的铁尾矿满足粒径小于100目占质量百分比70%以上；
（4）预热烘干：利用冷却终渣回收的热风对原料进行预热处理，预热温度100~200℃，时间不低于0.5h；
（5）热态转炉渣改质：将渣罐内的热态转炉渣通过缓冲台倒入反应炉内，并通过电极加热至1450℃以上，使其处于熔融态，然后由辅料喷枪通过高压载气将铁尾矿喷入反应炉内，在此过程中一直处于加热状态，待辅料投放完毕后，由还原剂喷枪将高炉除尘灰通过高压载气喷入反应炉内，使转炉渣和铁尾矿中铁氧化物还原并通过还原过程中产生的气泡搅拌，还原剂加入完毕后，保温20min以上，最后静置5~7min；之后先将改质渣从上部出渣口排出，再从底部将还原所得铁水由出铁口排出，自然冷却后得到铁合金；
（6）冷却：冷却成品渣，成品渣玻璃化率不低于80%，同时回收热风用于原料预热烘干。
6.如权利要求5所述的制备水泥混合料的方法，其特征在于，所述高压载气为高压惰性气体，所述冷却方式为风冷。
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