CN110004291B - 一种钢铁冶金粉尘高效处理并联产直接还原铁粉的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于冶金技术领域，具体公开了一种钢铁冶金粉尘高效处理并联产直接还原铁粉的方法，包括以下步骤：将高炉粉尘和电炉粉尘经造球、干燥，制成核壳结构高炉粉尘/电炉粉尘复合球团；将烘干后的核壳结构高炉粉尘/电炉粉尘复合球团装入微波炉内，经高温还原焙烧实现有害元素脱除并制成金属化球团；将金属化球团经常规磁选后得到直接还原铁粉。本发明实现了钢铁冶金废弃物的二次资源利用，工艺简单，生产成本低，环境友好，具有良好的产业前景。

Description

一种钢铁冶金粉尘高效处理并联产直接还原铁粉的方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金有害固废处理领域，具体涉及一种利用钢铁冶金粉尘高效处理并联产直接还原铁粉的方法。
背景技术
随着钢铁工业的快速发展，全球资源、环境、能源压力日趋迫切。2018年全球粗钢产量达到16.912亿吨，同比2017年增长4.6％。庞大的粗钢产量伴随着大量的废水、粉尘、废气等污染物的产生和排放，给环境带来沉重的压力，冶金粉尘产生量约为钢铁产量的10％左右，仅2015年世界钢铁冶金粉尘产生量达1.623亿吨。其中，高炉粉尘属于一类主要的钢铁行业固体废弃物，是高炉炼铁过程中的主要副产物。电炉粉尘仅次于高炉粉尘，主要产生于电弧炉炼钢过程中。2015年世界高炉粉尘产生量约为1.464亿吨，2014年全球电炉粉尘产量多达876.4万t。高炉粉尘中含有Fe、Zn、C、CaO以及一些有害重金属成分，电炉粉尘中含有Fe、Zn、CaO以及一些有害重金属成分。两者均是重要的富含Fe的二次资源，同时也还含有Pb、Cr等重金属元素，被美国环保局(EPA)归类为有害废物(K061)。高炉粉尘及电炉粉尘如果肆意堆放，在雨水的作用下Pb、Cr等重金属元素将渗入地下水，危害动植物以及人类生存环境，同时，高炉粉尘中的有价元素(例如，Fe)不能有效回收，造成有价资源的严重浪费。目前，针对高炉粉尘及电炉粉尘的处理已发展出多种处理方法，可分为三类：火法工艺、湿法工艺、物理法，其中以火法工艺为主。
传统火法工艺包括回转窑法(如威尔兹回转窑法)、直接还原法(转底炉直接还原工艺)、熔融还原法，烧结法等；湿法工艺主要分为酸浸法、碱浸法，如：ZINCEX工艺、EZINEX工艺等；物理法主要分为磁性分离、机械分离及固化或玻化法，如浮选-磁选联合工艺、水力旋流脱锌工艺、Oregon工艺等。研究表明，以上方法都有其局限性。火法工艺相对技术较为成熟，但依然存在不足。例如，威尔兹回转窑中，产品的金属化率较低，产品质量较差，生产率较低；转底炉直接还原工艺使用煤和焦粉作为还原剂，易污染环境，能耗较高。湿法工艺工序复杂，仅对高锌和中锌含量的粉尘有较好的浸出效果，浸出剂消耗量大，浸出废液难以处理。物理法从钢铁冶金粉尘中回收有价金属效率较低，造成巨大资源浪费。
因此，目前高炉粉尘及电炉粉尘的高效综合处理仍需克服诸多技术瓶颈，发展针对高炉粉尘及电炉粉尘高效处理工艺对资源循环利用，生态环境保护及能源节约利用都具有重大意义。
发明内容
针对钢铁冶金粉尘有害固废处理效果不理想的技术问题，本发明目的在于，提供一种钢铁冶金粉尘高效处理并联产直接还原铁粉的方法，旨在实现钢铁冶金粉尘有害固废的处理以及资源化利用。
本发明旨在提供一种高效处理钢铁冶金粉尘有害固废，且实现其中的有价元素的高效回收的方法。为实现其中的有害元素高效脱除以及有价元素的高价值转化，本发明提供了以下技术方案：
一种钢铁冶金粉尘高效处理并联产直接还原铁粉的方法，包括以下步骤：
步骤(1)：核壳结构复合球团的制备：
将高炉粉尘在圆盘造球机中经造球制得球核，随后加入电炉粉尘继续造球，在该球核表面形成电炉粉尘的球壳，制得所述的核壳结构复合球团；
步骤(2)：微波焙烧：
将步骤(1)所述的核壳结构复合球团在微波辐照下实现自还原，实现有害元素脱除并制得金属化球团；
步骤(3)：磁选分离：
将步骤(2)所述金属化球团经磁选制得直接还原铁粉。
本发明技术方案，创新地利用高炉粉尘为球核成分，以电炉粉尘为球壳成分，制得所述的复合球团。本发明所述的物质以及结构的球团，可以改善生球性能。不仅如此，本发明还创新地发现，所述结构的复合球团和微波加热方法存在协同作用，可以有效提升有害元素的脱除效果，并改善铁的转化效果，提升有价金属回收率和制得的铁的含量。
本发明中，所述的高炉粉尘中含有25～50％的Fe，1～5％的Zn，15～25％的C，5～10％的CaO以及有害金属总量为0～2％；所述的有害金属包含Pb、Cr中的至少一种。
本发明中，电炉粉尘中含有30～45％的Fe，3～17％的Zn、5～15％的CaO以及有害金属总量为0～5％；所述的有害金属包含Pb、Cr中的至少一种。
本发明中，所述的球核中还添加有电炉粉尘。例如，预先将电炉粉尘、高炉粉尘混合后造球，制得球核，随后再将该球核和电炉粉尘混合后继续造球，在球核的表面形成包覆电炉粉尘的球壳，制得所述的核壳结构复合球团。
作为优选，核壳结构复合球团中，碳元素与总铁氧化物中氧元素的摩尔比为(0.55～0.70)∶1。
作为优选，核壳结构复合球团中，球核直径为D1，核壳结构复合球团的直径为D2，其中，D1为9～11mm；D2-D1为2～3mm。
作为优选，11≤D2≤13mm。
作为优选，微波焙烧过程的温度为1000～1100℃。
作为优选，微波焙烧时间为10～20min。
作为优选，将金属化球团细磨至小于1mm的细粉，经球磨后，在300～600Gs磁场强度下磁选，经过滤、干燥后得到直接还原铁粉。
本发明一种更优选的钢铁冶金粉尘高效处理并联产直接生产直接还原铁粉的方法，包括以下步骤：
步骤(1)：将高炉粉尘和电炉粉尘经造球、干燥，制成核壳结构高炉粉尘/电炉粉尘复合球团；
步骤(2)：将烘干后的核壳结构高炉粉尘/电炉粉尘复合球团装入微波炉内，在1000～1100℃高温下焙烧10～20min，实现有害元素脱除并制成金属化球团；
步骤(3)：将金属化球团细磨至小于1mm的细粉，经球磨后，在300～600Gs磁场强度下磁选，经过滤、干燥后得到高品位的直接还原铁粉。
本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
(1)核壳结构的高炉粉尘/电炉粉尘复合球团生球强度良好，其中落下强度大于5.0次/0.5m，抗压强度大于12N/个；
(2)核壳结构的高炉粉尘/电炉粉尘复合球团经微波加热高温焙烧后，所生产的金属化球团的全铁含量和金属化率分别达到70％和93％以上，锌、铅脱除率分别达到90％和95％以上，金属化球团抗压强度在110N/p以上；
(3)金属化球团经磁选后，直接还原铁粉的全铁、金属化率、产率和回收率分别达到90％、95％、62％和83％以上，残锌和残铅含量分别在0.15％和0.014％以下，硫、磷、钾、钠等元素含量低，能够满足电炉炼钢原料的要求。本发明基本实现了钢铁冶金粉尘废弃物的二次资源化利用，既经济又能回收有价金属资源且无环境污染。
以下案例，使用的高炉粉尘、电炉粉尘的主要化学成分如表1所示。
表1高炉粉尘和电炉粉尘的主要化学成分/％
名称 TFe Zn Pb Cr CaO Al2O3 SiO2 C
高炉粉尘 42.47 0.01 0.01 0.01 6.68 1.76 4.61 19.43
电炉粉尘 51.53 6.58 0.11 0.20 5.78 0.42 3.02 0
名称 K Na Mg Mn S P Cl
高炉粉尘 0.04 0.02 0.63 0.12 0.16 0.03 0.01
电炉粉尘 0.70 0.98 1.61 2.45 0.47 0.21 0.66
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
先在圆盘造球机上加入高炉粉尘制成球核，控制母核长大时间为2min，球核长大时间为10min，控制球核的直径为10mm，然后加入电炉粉尘，控制球壳长大时间为6min，球团紧密时间为3min，形成包覆球核的球壳，即获得具有核壳结构的高炉粉尘/电炉粉尘复合球团，球团最终直径为13mm，球团中碳元素与铁氧化物中氧元素的摩尔比为0.55。
实施例1得到的复合球团生球及干球指标为：生球落下强度为5.2次/0.5m，生球抗压强度为13.2N/p。
将上述球团在105℃条件下干燥4h后，将其置于N2气氛中利用微波加热至1050℃，并保温15min。
实施例1得到的金属化球团指标为：全铁品位为70.22％，金属化率为93.13％，锌、铅脱除率分别为90.32％和95.38％，抗压强度为179.5N/p。
将上述金属化球团细磨至小于1mm后，在球磨机中球磨15min，矿浆浓度为1.0，球磨机转速为100r/min，随后矿浆在磁场强度为600Gs的磁选管中进行磁选操作。
实施例1得到的直接还原铁粉指标为：精矿全铁品位为92.21％，精矿金属化率为95.19％，精矿产率为63.8％，铁回收率为83.78％，精矿残锌和残铅含量分别为0.21％和0.013％。
实施例2
先在圆盘造球机上加入高炉粉尘制成球核，控制母核长大时间为2min，球核长大时间为12min，控制球核的直径为10mm，然后加入电炉粉尘，控制球壳长大时间为5min，球团紧密时间为3min，形成包覆球核的球壳，即获得具有核壳结构的高炉粉尘/电炉粉尘复合球团，球团最终直径为12.5mm，球团中碳元素与铁氧化物中氧元素的摩尔比为0.70。
实施例2得到的复合球团生球及干球指标为：生球落下强度为4.1次/0.5m，生球抗压强度为11.1N/p。
将上述球团在105℃条件下干燥4h后，将其置于N2气氛中利用微波加热至1100℃，并保温15min。
实施例2得到的金属化球团指标为：全铁品位为70.93％，金属化率为97.18％，锌、铅脱除率分别为92.74％和98.24％，抗压强度为136.0N/p。
将上述金属化球团细磨至小于1mm后，在球磨机中球磨15min，矿浆浓度为1.0，球磨机转速为100r/min，随后矿浆在磁场强度为400Gs的磁选管中进行磁选操作。
实施例2得到的直接还原铁粉指标为：精矿全铁品位为92.31％，精矿金属化率为96.29％，精矿产率为70.31％，铁回收率为91.12％，精矿残锌和残铅含量分别为0.10％和0.010％。
实施例3
先在圆盘造球机上加入高炉粉尘制成球核，控制母核长大时间为2min，球核长大时间为14min，控制球核的直径为11mm，然后加入电炉粉尘，控制球壳长大时间为4min，球团紧密时间为3min，形成包覆球核的球壳，即获得具有核壳结构的高炉粉尘/电炉粉尘复合球团，球团最终直径为13mm，球团中碳元素与铁氧化物中氧元素的摩尔比为0.65。
实施例3得到的复合球团生球及干球指标为：生球落下强度为4.6次/0.5m，生球抗压强度为12.3N/p。
将上述球团在105℃条件下干燥4h后，将其置于N2气氛中利用微波加热至1000℃，并保温20min。
实施例3得到的金属化球团指标为：全铁品位为70.63％，金属化率为96.18％，锌和铅脱除率分别为91.64％和96.44％，抗压强度为143.2N/p。
将上述金属化球团细磨至小于1mm后，在球磨机中球磨15min，矿浆浓度为1.0，球磨机转速为100r/min，随后矿浆在磁场强度为300Gs的磁选管中进行磁选操作。
实施例3得到的直接还原铁粉指标为：精矿全铁品位为91.44％，精矿金属化率为98.39％，精矿产率为62.14％，铁回收率为78.12％，精矿残锌和残铅含量分别为0.15％和0.012％。
实施例4
先在圆盘造球机上加入高炉粉尘制成球核，控制母核长大时间为2min，球核长大时间为12min，控制球核的直径为11mm，然后加入电炉粉尘，控制球壳长大时间为6min，球团紧密时间为3min，形成包覆球核的球壳，即获得具有核壳结构的高炉粉尘/电炉粉尘复合球团，球团最终直径为13mm，球团中碳元素与铁氧化物中氧元素的摩尔比为0.60。
实施例4得到的复合球团生球及干球指标为：生球落下强度为5.0次/0.5m，生球抗压强度为12.9N/p。
将上述球团在105℃条件下干燥4h后，将其置于N2气氛中利用微波加热至1000℃，并保温10min。
实施例4得到的金属化球团指标为：全铁品位为67.99％，金属化率为89.14％，锌、铅脱除率分别为90.84％和96.12％，抗压强度为153.1N/p。
将上述金属化球团细磨至小于1mm后，在球磨机中球磨15min，矿浆浓度为1.0，球磨机转速为100r/min，随后矿浆在磁场强度为600Gs的磁选管中进行磁选操作。
实施例4得到的直接还原铁粉指标为：精矿全铁品位为91.44％，精矿金属化率为97.09％，精矿产率为66.7％，铁回收率为88.47％，精矿残锌和残铅含量分别为0.14％和0.011％。
实施例5
先将高炉粉尘和80％的电炉粉尘混合均匀后，在圆盘造球机上制成球核，控制母核长大时间为2min，球核长大时间为18min，控制球核的直径为12mm，然后加入20％电炉粉尘，控制球壳长大时间为2min，球团紧密时间为3min，形成包覆球核的球壳，即获得具有核壳结构的高炉粉尘/电炉粉尘复合球团，球团最终直径为13mm，球团中碳元素与铁氧化物中氧元素的摩尔比为0.70。
实施例5得到的复合球团生球及干球指标为：生球落下强度为6.8次/0.5m，生球抗压强度为15.0N/p。
将上述球团在105℃条件下干燥4h后，将其置于N2气氛中利用微波加热至1100℃，并保温15min。
实施例5得到的金属化球团指标为：全铁品位为70.11％，金属化率为93.78％，锌、铅脱除率分别为97.24％和99.56％，抗压强度为217.8N/p。
将上述金属化球团细磨至小于1mm后，在球磨机中球磨15min，矿浆浓度为1.0，球磨机转速为100r/min，随后矿浆在磁场强度为600Gs的磁选管中进行磁选操作。
实施例5得到的直接还原铁粉指标为：精矿全铁品位为90.71％，精矿金属化率为96.44％，精矿产率为68.81％，铁回收率为88.75％，精矿残锌和残铅含量分别为0.06％和0.006％。
对比例1
采用均匀结构复合球团进行微波焙烧；
将高炉粉尘和电炉粉尘混合均匀后，将混合料在圆盘造球机成球，造球时间为25min，获得均匀结构的高炉粉尘/电炉粉尘复合球团，球团最终直径为13mm，球团中碳元素与铁氧化物中氧元素的摩尔比为0.65。
对比例1得到的复合球团生球及干球指标为：生球落下强度为5.6次/0.5m，生球抗压强度为10.8N/p。
将上述复合球团在105℃条件下干燥4h后，将其置于N2气氛中利用微波加热至1100℃，并保温20min。
对比例1得到的金属化球团指标为：全铁品位为65.37％，金属化率为86.20％，锌、铅脱除率分别为92.81％和97.55％，抗压强度为238.1N/p。
将上述金属化球团细磨至小于1mm后，在球磨机中球磨15min，矿浆浓度为1.0，球磨机转速为100r/min，随后矿浆在磁场强度为600Gs的磁选管中进行磁选操作。
对比例1得到的直接还原铁粉指标为：精矿全铁品位为87.96％，精矿金属化率为90.14％，精矿产率为55.7％，铁回收率为75.47％，精矿残锌和残铅含量分别为0.10％和0.009％。
对比例2
采用核壳结构复合球团，进行常规加热焙烧：
先在圆盘造球机上加入高炉粉尘制成球核，控制母核长大时间为2min，球核长大时间为10min，控制球核的直径为10mm，然后加入电炉粉尘，控制球壳长大时间为6min，球团紧密时间为3min，形成包覆球核的球壳，即获得具有核壳结构的高炉粉尘/电炉粉尘复合球团，球团最终直径为13mm，球团中碳元素与铁氧化物中氧元素的摩尔比为0.55。
对比例2得到的复合球团生球及干球指标为：生球落下强度为5.2次/0.5m，生球抗压强度为13.2N/p。
将上述球团在105℃条件下干燥4h后，将其置于N2气氛中利用常规马弗炉加热至1050℃，并保温15min。
对比例2得到的金属化球团指标为：全铁品位为58.08％，金属化率为46.01％，锌脱除率为30.87％，抗压强度为20.1N/p。
将上述金属化球团细磨至小于1mm后，在球磨机中球磨15min，矿浆浓度为1.0，球磨机转速为100r/min，随后矿浆在磁场强度为600Gs的磁选管中进行磁选操作。
对比例2得到的直接还原铁粉指标为：精矿全铁品位为92.44％，精矿金属化率为92.82％，精矿产率为28.91％，铁回收率为46.01％，精矿残锌为0.13％。
对比例3
采用核壳结构的复合球团(但C/O＜0.55)进行微波焙烧
先在圆盘造球机上加入高炉粉尘制成球核，控制母核长大时间为2min，球核长大时间为12min，控制球核的直径为11mm，然后加入电炉粉尘，控制球壳长大时间为6min，球团紧密时间为3min，形成包覆球核的球壳，即获得具有核壳结构的高炉粉尘/电炉粉尘复合球团，球团最终直径为13mm，球团中碳元素与铁氧化物中氧元素的摩尔比为0.50。
对比例3得到的复合球团生球及干球指标为：生球落下强度为6.9次/0.5m，生球抗压强度为13.5N/p。
将上述球团在105℃条件下干燥4h后，将其置于N2气氛中利用微波加热至1050℃，并保温20min。
对比例3得到的金属化球团指标为：全铁品位为68.45％，金属化率为90.23％，锌、铅脱除率分别为89.43％和93.12％，抗压强度为100.4N/p。
将上述金属化球团细磨至小于1mm后，在球磨机中球磨15min，矿浆浓度为1.0，球磨机转速为100r/min，随后矿浆在磁场强度为600Gs的磁选管中进行磁选操作。
对比例3得到的直接还原铁粉指标为：精矿全铁品位为88.67％，精矿金属化率为92.14％，精矿产率为59.99％，铁回收率为78.45％，精矿残锌和残铅含量分别为0.15％和0.014％。
对比例4
采用核壳结构的复合球团(但C/O＞0.70)进行微波焙烧
先在圆盘造球机上加入高炉粉尘制成球核，控制母核长大时间为2min，球核长大时间为12min，控制球核的直径为11mm，然后加入电炉粉尘，控制球壳长大时间为6min，球团紧密时间为3min，形成包覆球核的球壳，即获得具有核壳结构的高炉粉尘/电炉粉尘复合球团，球团最终直径为13mm，球团中碳元素与铁氧化物中氧元素的摩尔比为0.80。
对比例4得到的复合球团生球及干球指标为：生球落下强度为2.6次/0.5m，生球抗压强度为8.5N/p。
将上述球团在105℃条件下干燥4h后，将其置于N2气氛中利用微波加热至1050℃，并保温15min。
对比例4得到的金属化球团指标为：全铁品位为69.84％，金属化率为98.67％，锌铅脱除率分别为92.53％和98.44％，抗压强度为85.3N/p。
将上述金属化球团细磨至小于1mm后，在球磨机中球磨15min，矿浆浓度为1.0，球磨机转速为100r/min，随后矿浆在磁场强度为600Gs的磁选管中进行磁选操作。
对比例4得到的直接还原铁粉指标为：精矿全铁品位为89.01％，精矿金属化率为99.85％，精矿产率为71.23％，铁回收率为93.23％，精矿残锌和残铅分别为0.07％和0.007％。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方案。

Claims (5)

1.一种钢铁冶金粉尘高效处理并联产直接还原铁粉的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：核壳结构复合球团制备：
将高炉粉尘在圆盘造球机中经造球制得球核，随后加入电炉粉尘继续造球，在该球核表面形成电炉粉尘的球壳，制得所述的核壳结构复合球团；所述的高炉粉尘中含有25～50％的Fe，1～5％的Zn，15～25％的C，5～10％的CaO以及有害金属总量为0～2％；所述的有害金属包含Pb、Cr中的至少一种；
电炉粉尘中含有30～45％的Fe，3～17％的Zn、5～15％的CaO以及有害金属总量为0～5％；所述的有害金属包含Pb、Cr中的至少一种；
核壳结构复合球团中，碳元素与总铁氧化物中氧元素的摩尔比为(0.55～0.75)：1；
步骤(2)：微波焙烧：
将步骤(1)所述的核壳结构复合球团在微波辐照下实现自还原，实现有害元素脱除并制得金属化球团；微波焙烧过程的温度为1000～1100℃；
步骤(3)：磁选分离：
将步骤(2)所述金属化球团经磁选，制得直接还原铁粉。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的球核中还添加有电炉粉尘。
3.如权利要求1～2任一项所述的方法，其特征在于，核壳结构复合球团中，
球核直径为D1，核壳结构复合球团的直径为D2，
其中，D1为9～11mm；D2-D1为2～3mm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，微波焙烧时间为10～20min。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将金属化球团细磨至小于1mm的细粉，经球磨后，在300～600Gs磁场强度下磁选，经过滤、干燥后得到直接还原铁粉。
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