CN104532007A - 一种烧结机头电场除尘灰与高炉瓦斯灰综合利用的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钢铁冶金与环保领域，尤其是一种烧结机头电场除尘灰与高炉瓦斯灰综合利用的方法。所述的根据烧结机头电除尘器电场除尘灰和高炉瓦斯灰两种冶金生产过程中的副产品所含钾盐、铁金属化合物、碳非金属单质、铅、锌等重金属化合物含量不同，但副产品化学成分存在互补性，通过两种物料科学、合理地组合搭配，采用一定的工艺条件和回收方法将两种钢铁冶炼副产品中的含铁化合物和钾盐回收、铅、锌等重金属化合物分离，以实现两种固体废弃物中多种元素的高效回收和综合利用，达到固体废弃物资源化处理和节能减排的要求。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金与环保领域，具体涉及钢铁厂高炉干法布袋除尘器收集的瓦斯灰和钢铁厂烧结机头烟气电除尘灰固体废弃物的处理利用技术，尤其是一种烧结机头电场除尘灰与高炉瓦斯灰综合利用的方法。
背景技术
我国钢铁生产以高炉-转炉长流程为主，铁矿石烧结是钢铁生产中的重要环节。
烧结机头电场除尘灰简称烧结灰，是铁矿石烧结过程中通过烧结机头烟气电除尘器收集到的粉尘。在钢铁生产过程中，烧结矿约占高炉炉料的70%-75%，烧结灰的产生量约占烧结矿产量的1%-1.5%。烧结机头电场除尘灰的主要化学成分及百分含量如表1所示。
表1烧结机头电场除尘灰的主要化学成分及百分含量
相关资料表明我国国内钢铁厂排出的烧结灰一般都作为铁矿石烧结配料循环使用，烧结机头电除尘器所收集的烧结灰通过电场下部灰斗的螺旋或皮带输送系统统一输送至储灰仓混合，混合烧结灰再通过气力、皮带或密闭罐车方式直接输送返回至烧结配料利用。该方法虽然在一定程度上实现了烧结灰的回收利用，但是由于未对其中所含的碱金属和重金属元素进行处理，使得杂质元素在烧结灰回收利用过程中随铁矿石进入炼铁高炉，造成杂质元素在高炉内不断富集，严重影响钢铁企业的正常生产，也带来环保问题。所述问题具体表现在：
（1）烧结灰作为铁矿石烧结配料在循环使用时，其中的碱金属元素化合物在烧结灰中富集，高含量的碱金属化合物使具有亚微米级粒度结构的烧结粉粒颗粒电阻增大，导致烧结机头电除尘器收集除尘效率下降和除尘装置操作稳定性变差，造成烧结机头电除尘器排放的烟尘浓度超标和除尘装置的运行能耗增大。
（2）国内钢铁厂烧结机头电场除尘灰中K2O含量达10%以上，而我国是一个钾盐资源匮乏的国家，K2O经济储量仅为800万吨，约占世界2.5%，自给率不到60%；由于烧结灰中含有少量的铅、锌、铜等重金属元素，这些重金属元素随铁矿石进入炼铁高炉并在炉内循环富集，结瘤于高炉炉内，堵塞高炉煤气除尘系统管路，造成高炉点火困难，而且降低高炉炉料强度，高炉炉况容易波动，易造成高炉休风和生产事故。为了不影响炼铁高炉生产的产品质量，部分企业将烧结灰堆弃掩埋，既白白浪费烧结灰中可利用的铁、钾等元素资源，又因重金属元素对土地造成一定污染。
因此，现有直接回收利用烧结灰的方式不能彻底解决烧结灰处理的问题。开发高效、经济和环保的烧结机头烧结灰综合利用技术，采用合理的处理工艺将烧结灰中的铁、钾以及其他重金属元素分离，分离后的铁元素资源可供铁矿石烧结使用，钾盐可制作成钾肥，以及重金属元素可作为有色金属冶炼的原料，使得烧结灰最大限度的资源化利用，创造经济效益的同时也达到环保的要求。
在高炉炼铁的生产过程中，对高炉产出的荒煤气进行除尘过程而产生的固体废弃物，用干法布袋除尘器捕收的俗称瓦斯灰，用湿法收尘器捕收的俗称瓦斯泥。瓦斯灰（泥）为微粒物料，化学成分比较复杂，除铁之外，含有未完全燃烧的炭和锌有色金属。
2012年我国钢铁产量达6.54亿吨，绝大部分钢铁的生产方式为高炉炼铁，高炉炼铁生产每吨钢铁副产物高炉瓦斯灰（泥）约为15kg，2012年我国高炉副产物高炉瓦斯灰（泥）约为981万吨，按其中锌含量5%计算，2012年我国高炉瓦斯灰（泥）中锌含量约为50万吨，约占全年锌产量的10%。高炉瓦斯灰的主要化学成分及百分含量如表2所示。
表2高炉瓦斯灰的主要化学成分及百分含量
目前，由于镀锌废钢的再生利用，国内高炉瓦斯灰（泥）中锌含量越来越高，由于高炉瓦斯灰（泥）中含有一定量的铁和碳元素资源，瓦斯灰（泥）通常作为可回收原料返回烧结配料中使用，此处理方式无法处理锌元素，锌在高炉炉体内富集，高炉内锌负荷不断升高，容易导致炉况不顺、上升管结瘤、风口上翘等严重问题。
人们一向认为瓦斯灰较难利用或者利用价值不大，将之丢弃堆存于周围山地，长期风吹雨淋，任意飘扬流失，对周围环境造成较大污染。随着世界各国对环保要求的提高，高炉炼铁产生的高炉瓦斯灰的无害化、资源化处理日益迫切。
因此，现有直接回收利用高炉瓦斯灰的方式不能彻底解决瓦斯灰处理的问题。开发高效、经济和环保的高炉瓦斯灰综合利用技术，采用合理的处理工艺将高炉瓦斯灰的铁、钾以及其他重金属元素分离，分离后的铁元素资源可供铁矿石烧结使用，碳元素资源可作为铁矿石烧结用还原剂，以及重金属元素锌可作为有色金属冶炼的原料，使得瓦斯灰最大限度的资源化利用，创造经济效益的同时也达到环保的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种烧结机头电场除尘灰与高炉瓦斯灰综合利用的方法，基于烧结机头电场除尘灰和高炉瓦斯灰难于利用的现状，根据烧结机头电除尘器电场除尘灰和高炉瓦斯灰两种冶金生产过程中的副产品所含钾盐、铁金属化合物、碳非金属单质、铅、锌等重金属化合物含量不同，但副产品化学成分存在互补性，通过两种物料科学、合理地组合搭配，采用一定的工艺条件和回收方法将两种钢铁冶炼副产品中的含铁化合物和钾盐回收、铅、锌等重金属化合物分离，以实现两种固体废弃物中多种元素的高效回收和综合利用，达到固体废弃物资源化处理和节能减排的要求。
为了解决上述技术问题，本发明内容的技术方案是这样实现的：
一种烧结机头电场除尘灰与高炉瓦斯灰综合利用的方法，该方法包括以下工艺步骤：
（1）将烧结机头电场除尘灰与高炉瓦斯灰按一定比例混合，使得高炉瓦斯灰中碳质量占混合料总质量一定比例；
（2）将混合料用回转窑焙烧进行还原挥发，还原后的含铁物料再回收返回铁矿石烧结使用，混合料中的锌、钾、铅以气态氧化物的形态富集，由回转窑除尘系统收集；
（3）对回转窑除尘系统收集的除尘灰依次进行溶解、加入硫化钠搅拌并一次离心过滤、加入碳酸钠并二次离心过滤、蒸发结晶，一次离心过滤分离沉淀物得到铅渣，所得铅渣作为铅冶炼原料，二次离心过滤分离沉淀物得到锌渣，所得锌渣作为作为锌冶炼原料，蒸发结晶后得到氯化钾粗产品，所得氯化钾粗产品作为钾肥原料，蒸发结晶分离后的残液返回至初始除尘灰溶解母液中。
进一步，所述的（1）步骤中，如果是高炉瓦斯泥，需要将高炉瓦斯泥烘干，再与烧结机头电场除尘灰混合；
进一步，所述的（2）步骤中，回转窑采用天然气、焦炉煤气或热值在7MJ/m3以上的混合煤气作为燃料；
进一步，所述的（2）步骤中，考虑到工艺原料的来源以及下游产品的用户，该工艺方法适宜在钢铁联合企业使用，采用钢铁厂的富余煤气作为回转窑的加热燃料；回转窑采用混合煤气作为燃料，混合煤气为高炉煤气与焦炉煤气的混合物，混合煤气的热值为7.5MJ/m3，回转窑最高温度为11500C，回转窑焙烧时间为8小时；还原后回转窑中的含铁物料经过磨矿、磁选得到铁金属或磁铁矿作为铁矿石烧结配料，其余物料渣可作为建筑材料的原料；由于锌、钾、铅等金属元素的熔沸点低，在回转窑中被还原成气态，然后进入回转窑的除尘系统，在除尘系统内再次氧化，由回转窑的除尘系统回收除尘灰；
进一步，所述的（3）步骤中，对回转窑除尘系统收集的除尘灰加水搅拌溶解；待充分溶解后，向溶液中加入硫化钠，调整溶液PH值在5.5-6.5，溶液中的高价铅离子被还原成低阶，硫化钠中的硫离子被氧化成高阶，低阶铅离子与高阶硫离子化合反应形成硫酸铅，硫酸铅难溶于水溶液，经过一次离心过滤分离沉淀物得到铅渣，所得铅渣作为铅冶炼原料；向一次沉淀过滤分离后得到的溶液中加入碳酸钠，调整溶液PH值达到7，溶液中的锌离子、钙离子、镁离子与溶液中游离的碳酸根离子化合反应形成碳酸盐沉淀物，碳酸盐沉淀物难溶于水，经过二次离心过滤分离沉淀物得到锌渣，所得锌渣作为锌冶炼原料；将加入碳酸钠后经过二次离心过滤分离出的溶液升温至900C，通过回转窑的尾气换热为氯化钾蒸发结晶过程提供所需要的能量，在真空环境条件下，蒸发至原体积溶液的1/5左右，真空蒸发分离出的水蒸气冷却后的水返回至初始除尘灰溶解母液中，然后经过冷凝、结晶，分离得到氯化钾晶体，该晶体为氯化钾粗产品，所得氯化钾粗产品作为钾肥原料，蒸发结晶分离后的残液返回至初始除尘灰溶解母液中。
本发明相比现有技术的有益效果：
通过实施本发明后，有效地将烧结机头电场除尘灰与高炉瓦斯灰中含铁化合物和钾盐回收、铅、锌等重金属化合物分离，实现了两种固体废弃物中多种元素的高效回收和综合利用，达到固体废弃物资源化处理和节能减排的要求。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，一种烧结机头电场除尘灰与高炉瓦斯灰综合利用的方法，该方法包括以下工艺步骤：
（1）将烧结机头电场除尘灰与高炉瓦斯灰按一定比例混合，使得高炉瓦斯灰中碳质量占混合料总质量一定比例；
（2）将混合料用回转窑焙烧进行还原挥发，还原后的含铁物料再回收返回铁矿石烧结使用，混合料中的锌、钾、铅以气态氧化物的形态富集，由回转窑除尘系统收集；
（3）对回转窑除尘系统收集的除尘灰依次进行溶解、加入硫化钠搅拌并一次离心过滤、加入碳酸钠并二次离心过滤、蒸发结晶，一次离心过滤分离沉淀物得到铅渣，所得铅渣作为铅冶炼原料，二次离心过滤分离沉淀物得到锌渣，所得锌渣作为作为锌冶炼原料，蒸发结晶后得到氯化钾粗产品，所得氯化钾粗产品作为钾肥原料，蒸发结晶分离后的残液返回至初始除尘灰溶解母液中。
在上述的实施例所述技术方案的基础上，优选地，所述的（1）步骤中，常见的高炉除尘方式有湿法和干法，干法得到的是高炉瓦斯灰，湿法得到的是瓦斯泥，如果是高炉瓦斯泥，需要将高炉瓦斯泥烘干，再与烧结机头电场除尘灰混合。
优选地，所述的（1）步骤中，在回转窑焙烧条件下两种固废混合物中可被碳还原氧化物的氧化还原反应方程式如下：
3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO （1）
Fe3O4+C= 3FeO+CO （2）
FeO+C= Fe+CO （3）
ZnO+C=Zn+CO （4）
PbO+C=Pb+CO （5）
生产过程中所需要碳的质量比按上述化学反应方程式计算所需理论碳消耗质量要高，碳含量过高又造成浪费，因此，一般碳含量控制在理论需求量的1-1.2倍，实际生产中根据高炉瓦斯灰中的碳含量，调整两种副产固体废气物的比例使高炉瓦斯灰中碳质量占混合料总质量的10%-15%之间。
优选地，所述的（2）步骤中，考虑到工艺原料的来源以及下游产品的用户，该工艺方法适宜在钢铁联合企业使用，采用钢铁厂的富余煤气作为回转窑的加热燃料；回转窑采用混合煤气作为燃料，混合煤气为高炉煤气与焦炉煤气的混合物，混合煤气的热值为7.5MJ/m3，回转窑最高温度为1150oC，回转窑焙烧时间为8小时；还原后回转窑中的含铁物料经过磨矿、磁选得到铁金属或磁铁矿作为铁矿石烧结配料，其余物料渣可作为建筑材料的原料；由于锌、钾、铅等金属元素的熔沸点低，在回转窑中被还原成气态，然后进入回转窑的除尘系统，在除尘系统内再次氧化，由回转窑的除尘系统回收除尘灰。
优选地，所述的（3）步骤中，对回转窑除尘系统收集的除尘灰加水搅拌溶解；待充分溶解后，向溶液中加入硫化钠，调整溶液PH值在5.5-6.5，溶液中的高价铅离子被还原成低阶，硫化钠中的硫离子被氧化成高阶，低阶铅离子与高阶硫离子化合反应形成硫酸铅，硫酸铅难溶于水溶液，经过一次离心过滤分离沉淀物得到铅渣，所得铅渣作为铅冶炼原料；向一次沉淀过滤分离后得到的溶液中加入碳酸钠，调整溶液PH值达到7，溶液中的锌离子、钙离子、镁离子与溶液中游离的碳酸根离子化合反应形成碳酸盐沉淀物，碳酸盐沉淀物难溶于水，经过二次离心过滤分离沉淀物得到锌渣，所得锌渣作为锌冶炼原料；将加入碳酸钠后经过二次离心过滤分离出的溶液升温至900C，通过回转窑的尾气换热为氯化钾蒸发结晶过程提供所需要的能量，在真空环境条件下，蒸发至原体积溶液的1/5左右，真空蒸发分离出的水蒸气冷却后的水返回至初始除尘灰溶解母液中，然后经过冷凝、结晶，分离得到氯化钾晶体，该晶体为氯化钾粗产品，所得氯化钾粗产品作为钾肥原料，蒸发结晶分离后的残液返回至初始除尘灰溶解母液中。
最后，本发明所采用以上的方法步骤可以以任意合适的顺序执行。
本发明的特点如下：
1、利用高炉瓦斯灰中的碳作为还原剂，将两种混合物中的含铁化合物还原成铁金属。
2、由于锌、钾、铅等金属元素的熔沸点低，在回转窑中被还原成气态，然后进入回转窑的除尘系统，在除尘系统内再次氧化，由回转窑的除尘系统回收除尘灰；
3、利用烧结机头除尘灰中钾化合物在高温还原过程中易挥发特点，在除尘系统中进行收集，提取，并进一步制取氯化钾粗晶。
4、通过对两种物料还原焙烧过程中除尘灰的溶解、沉淀、分离，除尘灰中的铅、锌等元素也可以得到回收利用。
5、通过一定工艺将两种固体废弃物中不同元素的合理搭配使用，既消除了钢铁冶炼过程中的副产固体废弃物，降低了环境压力，又为有色冶炼和化肥工业提供了原料，增加了经济效益。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种烧结机头电场除尘灰与高炉瓦斯灰综合利用的方法，其特征在于：该方法包括以下工艺步骤：
（1）将烧结机头电场除尘灰与高炉瓦斯灰按一定比例混合，使得高炉瓦斯灰中碳质量占混合料总质量一定比例；
（2）将混合料用回转窑焙烧进行还原挥发，还原后的含铁物料再回收返回铁矿石烧结使用，混合料中的锌、钾、铅以气态氧化物的形态富集，由回转窑除尘系统收集；
（3）对回转窑除尘系统收集的除尘灰依次进行溶解、加入硫化钠搅拌并一次离心过滤、加入碳酸钠并二次离心过滤、蒸发结晶，一次离心过滤分离沉淀物得到铅渣，所得铅渣作为铅冶炼原料，二次离心过滤分离沉淀物得到锌渣，所得锌渣作为作为锌冶炼原料，蒸发结晶后得到氯化钾粗产品，所得氯化钾粗产品作为钾肥原料，蒸发结晶分离后的残液返回至初始除尘灰溶解母液中。
2.根据权利要求1所述的一种烧结机头电场除尘灰与高炉瓦斯灰综合利用的方法，其特征在于：所述的（1）步骤中，常见的高炉除尘方式有湿法和干法，干法得到的是高炉瓦斯灰，湿法得到的是瓦斯泥，如果是高炉瓦斯泥，需要将高炉瓦斯泥烘干，再与烧结机头电场除尘灰混合。
3.根据权利要求1所述的一种烧结机头电场除尘灰与高炉瓦斯灰综合利用的方法，其特征在于：所述的（1）步骤中，在回转窑焙烧条件下两种固废混合物中可被碳还原的氧化物的氧化还原反应方程式如下：
3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO （1）
Fe3O4+C=3FeO+CO （2）
FeO+C=Fe+CO （3）
ZnO+C=Zn+CO （4）
PbO+C=Pb+CO （5）
生产过程中所需要碳的质量比按上述化学反应方程式计算所需理论碳消耗质量要高，碳含量过高又造成浪费，因此，一般碳含量控制在理论需求量的1-1.2倍，实际生产中根据高炉瓦斯灰中的碳含量，调整两种副产固体废气物的比例使高炉瓦斯灰中碳质量占混合料总质量的10%-15%之间。
4.根据权利要求1所述的一种烧结机头电场除尘灰与高炉瓦斯灰综合利用的方法，其特征在于：所述的（2）步骤中，回转窑采用天然气、焦炉煤气或热值在7MJ/m3以上的混合煤气作为燃料；
根据权利要求4所述的一种烧结机头电场除尘灰与高炉瓦斯灰综合利用的方法，其特征在于：所述的（2）步骤中，考虑到工艺原料的来源以及下游产品的用户，该工艺方法适宜在钢铁联合企业使用，采用钢铁厂的富余煤气作为回转窑的加热燃料；回转窑采用混合煤气作为燃料，混合煤气为高炉煤气与焦炉煤气的混合物，混合煤气的热值为7.5MJ/m3，回转窑最高温度为1150oC，回转窑焙烧时间为8小时；还原后回转窑中的含铁物料经过磨矿、磁选得到铁金属或磁铁矿作为铁矿石烧结配料，其余物料渣可作为建筑材料的原料；由于锌、钾、铅等金属元素的熔沸点低，在回转窑中被还原成气态，然后进入回转窑的除尘系统，在除尘系统内再次氧化，由回转窑的除尘系统回收除尘灰。
5.根据权利要求1所述的一种烧结机头电场除尘灰与高炉瓦斯灰综合利用的方法，其特征在于：所述的（3）步骤中，对回转窑除尘系统收集的除尘灰加水搅拌溶解；待充分溶解后，向溶液中加入硫化钠，调整溶液PH值在5.5-6.5，溶液中的高价铅离子被还原成低阶，硫化钠中的硫离子被氧化成高阶，低阶铅离子与高阶硫离子化合反应形成硫酸铅，硫酸铅难溶于水溶液，经过一次离心过滤分离沉淀物得到铅渣，所得铅渣作为铅冶炼原料；向一次沉淀过滤分离后得到的溶液中加入碳酸钠，调整溶液PH值达到7，溶液中的锌离子、钙离子、镁离子与溶液中游离的碳酸根离子化合反应形成碳酸盐沉淀物，碳酸盐沉淀物难溶于水，经过二次离心过滤分离沉淀物得到锌渣，所得锌渣作为锌冶炼原料；将加入碳酸钠后经过二次离心过滤分离出的溶液升温至90oC，通过回转窑的尾气换热为氯化钾蒸发结晶过程提供所需要的能量，在真空环境条件下，蒸发至原体积溶液的1/5左右，真空蒸发分离出的水蒸气冷却后的水返回至初始除尘灰溶解母液中，然后经过冷凝、结晶，分离得到氯化钾晶体，该晶体为氯化钾粗产品，所得氯化钾粗产品作为钾肥原料，蒸发结晶分离后的残液返回至初始除尘灰溶解母液中。
6.根据权利要求1所述的一种烧结机头电场除尘灰与高炉瓦斯灰综合利用的方法，其特征在于：所述的（1）、（2）、（3）步骤可以以任意合适的顺序执行。
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