CN110029234A - 一种利用高炉瓦斯灰制备氧化锌的方法 - Google Patents

一种利用高炉瓦斯灰制备氧化锌的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用高炉瓦斯灰制备氧化锌的方法，所述方法为：将高炉瓦斯灰、还原剂和土壤混合均匀后进行制粒；然后将得到的颗粒进行焙烧；焙烧时产生的烟气进行沉降后回收沉降后烟气中的氧化锌产品。本发明利用加土塑形技术，降低了能源消耗，提高了产品品质，实现了对高炉瓦斯灰中锌元素的高效回收，其中，锌的回收率>90％，氧化锌产品的品位＞50％，所得产品中铁含量只有4‑5％。此外，本发明采用了还原气氛热气流循环利用技术，将烟气净化后的还原热风加压输送至回转窑循环利用，增加炉腔的还原气氛，提高单质金属锌和金属铁的产量，同时实现了对热量的充分利用，降低了回转窑中的燃煤消耗，具有良好的经济效益和应用前景。

Description

一种利用高炉瓦斯灰制备氧化锌的方法
技术领域
本发明涉及固体废弃物回收领域，具体涉及一种利用高炉瓦斯灰制备氧化锌的方法。
背景技术
高炉瓦斯灰是高炉冶铁时随高速上升的煤炉气而排出的微细颗粒，是国内外钢铁厂中最为常见的固体排放物之一。它的主要成分包括：含锌粉末(1-5％)，焦炭(15-30％)，铁(25-35％)和其他稀散金属(铅、镉、铟等有毒重金属)。相关资料显示，高炉瓦斯灰的发生量为吨铁15-40kg，即每冶炼一顿生铁或钢材将产生25kg左右的瓦斯灰粉尘。而我国2016、2017和2018年的粗钢产量分别为8.08，8.32和9.28亿吨，这意味着每年都将会产生2000万吨左右的高炉瓦斯灰。由于国家未将高炉瓦斯灰收入危险废物名录，长期以来，各大钢铁厂都是采用露天堆放，或烧结制砖等方法简单处置。但是随着环保要求的提高和优质矿产资源的日益枯竭，数量庞大的高炉瓦斯灰已经成功吸引了各大环保企业的关注。
金属锌不仅是一种有毒重金属元素，还是重要的国家战略金属资源。随意堆放高炉瓦斯灰，金属锌等重金属元素会从固体废料中溶解进入当地的生态系统，污染土壤和地下水。而简单的将高炉瓦斯灰进行烧结球团，低沸点的金属锌会在烧结炉中循环富集，并附着在炉壁上可使高炉结瘤、炉皮开裂，严重损坏炉膛。另一方面，作为国家战略金属资源，氧化锌或氧化锌粉的价格十分客观，已达到9000元/吨。因此，负责任的回收高炉瓦斯灰中的金属锌，不仅可以降低环境污染，还可以缓解国家战略资源紧缺的威胁，获得较高的经济利润。
目前，从高炉瓦斯灰中回收金属锌的专利主要可以分为还原焙烧法和湿法冶金法。例如，CN 108085511 A公开了一种高炉瓦斯灰提锌窑渣生产金属化炉料的方法，通过喷加粒煤和粒矿增加焙烧腔的还原气氛，提高金属品位和回收率，得到品位为50-60％的氧化锌粉。CN 104846217 A公开了一种多配体复合配位氨法浸出高炉瓦斯灰回收锌的方法和装置，利用柠檬酸和酒石酸混合的多配体和氨水或硫酸铵进行配位浸出反应，实现高炉瓦斯灰中金属锌的选择性浸出，锌的浸出率可达89％。CN 105624411 A公开了一种高炉瓦斯灰的浸出方法，首先进行微波焙烧预处理，经过研磨后，在超声条件下利用氨水搅拌浸出。该微波焙烧预处理/超声波强化氨法高效浸出高炉瓦斯灰，锌浸出率最高能达到92.1％。CN101078053A公开了一种高炉从瓦斯灰中提取金属铟、锌、铋的方法，先将瓦斯灰加焦粉和添加剂用回转窑进行还原挥发，对烟气进行收尘得锌氧粉，对锌氧粉进行湿法脱氯，然后进行酸浸，将较易溶于酸的锌等金属溶浸进入中性液中，对中性液进行净化以除去残留的铁和镉，然后电解得锌产品。
火法熔炼和湿法冶金都是历史悠久的矿物提炼方法，其各具特色，但同时也存在弊端。湿法冶金技术中一般要使用多种试剂，这些药剂的转运、转存和使用都需要专业的人员和设备，大幅提高生产成本。此外，湿法冶金工序过长，连续生产能力低，实际处理量过小，也是阻碍高炉瓦斯灰湿法冶金提纯的主要原因之一。而火法熔炼法虽然工艺流程简单可靠，能够实现高炉瓦斯灰全组分迅速回收，但普遍存在粉体入料容易结炉，碳粉燃烧不充分，耗煤量大等问题。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种利用高炉瓦斯灰制备氧化锌的方法，利用加土塑形技术，实现了对高炉瓦斯灰中锌元素的高效回收，同时利用还原气氛热气流循环利用技术实现了对热量的充分利用，取得了良好经济效益，适用于工业化推广。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本申请提供了一种利用高炉瓦斯灰制备氧化锌的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将高炉瓦斯灰、还原剂和土壤混合均匀，然后将所得混合物料制粒；
(2)将步骤(1)得到的颗粒进行焙烧；
(3)将步骤(2)焙烧时产生的烟气进行沉降，然后回收沉降后烟气中的氧化锌产品。
高炉瓦斯灰是一种粒度仅为25微米的超细超轻粉体。传统的回转窑回收高炉瓦斯灰的工艺，都是将高炉瓦斯灰直接送入炉膛烧结。但由于粒度过小，质量过轻，极易随风吹走，实际处理能力较低。另一方面，实际烧结过程中，高炉瓦斯灰粉体会浮于熔融金属表面，连结成片，未充分反应就结成炉渣，造成金属锌的损失。本发明通过在入料中添加土壤的方法，使得高炉瓦斯灰与焦炭预先压缩成料球。这使得回转窑内颗粒间隙增加，空气流通性增加，设备升温、保温、空气流速控制更加精准，燃煤消耗量降低，产品品质提高。此外，球型给料可以降低金属铁和非金属碳在还原焙烧过程中的蒸发作用，减少杂质金属蒸发气，进一步提高金属锌的回收品质。
本发明步骤(1)中选用的土壤可以是自然土壤，也可以是松软的选矿尾泥等，本发明对其具体来源不做特殊限定。
根据本发明，步骤(1)所述高炉瓦斯灰、还原剂和土壤的质量比为(2-5):(1-3):1，例如可以是2:1:1、3:1:1、3:2:1、4:2:1、4:3:1、5:1:1或5:3:1等，限于篇幅及出于简明的考虑，本申请不再穷尽列举。
根据本发明，步骤(1)所述还原剂为碳质还原剂，凡是本领域常用的碳质还原剂均适用于本发明，例如可以是焦炭、煤或木碳等，但非仅限于此。
根据本发明，步骤(1)制粒后得到的球型颗粒粒径为0.5-2cm，例如可以是0.5cm、0.6cm、0.7cm、0.8cm、0.9cm、1.0cm、1.1cm、1.2cm、1.3cm、1.4cm或1.5-2.0cm之间颗粒粒径等，限于篇幅及出于简明的考虑，本申请不再穷尽列举。
根据本发明，步骤(1)所述制粒优选在圆盘造粒机中进行。
根据本发明，步骤(2)所述焙烧的温度为1000-1200℃，例如可以是1000℃、1030℃、1050℃、1080℃、1100℃、1130℃、1150℃、1180℃或1200℃等，限于篇幅及出于简明的考虑，本申请不再穷尽列举。
根据本发明，步骤(2)所述焙烧的时间为3-4h，例如可以是3h、3.3h、3.5h、3.8h或4h等，限于篇幅及出于简明的考虑，本申请不再穷尽列举。
根据本发明，步骤(2)所述焙烧在回转窑中进行。
根据本发明，步骤(3)所述沉降的具体操作为：利用沉降装置对焙烧时产生的烟气进行沉降，沉降颗粒返回步骤(1)中混合制粒。
在上述操作中，所述沉降装置包括沉降室、表面冷却器以及设置在窑头和窑尾的旋风除尘器等，其中，旋风除尘器主要去除烟气中的大颗粒，沉降室及表面冷却器气主要起到降温除尘的作用；所述表面冷却器以及旋风除尘器的个数可根据实际情况进行具体选择，本发明对其不做特殊限定，只要能够实现将烟气中的大颗粒沉降的目的即可。
根据本发明，利用布袋除尘器收集沉降后的烟气中的氧化锌产品。
本发明选择将沉降装置和布袋除尘器净化后的还原热风重复利用，由空气压缩设备加压输送至回转窑循环利用。上述处理过程中，将回转窑加热后处于湍流或紊流状态的热气流依次进入沉降装置，在降尘的同时，将狂暴的空气稳定化处理，形成层流气体，然后压缩输送回回转窑循环利用。
常规的回转窑使用过程中，为了让焦炭充分燃烧，迅速提升炉膛温度，并推动烟气流入布袋除尘气，会外加空气输送设备，形成富氧侧吹工艺。但给入炉膛的空气都是常温气体，将这部分气体从室温加热至1000-1200℃的炉温将消耗大量能量或产品煤。本发明通过空气压缩设备将净化后的还原性热气流重新打入回转窑，既可以减少空气加热成本，还可以增加炉腔的还原气氛，提高单质金属锌和金属铁的产量。
作为优选的技术方案，本发明所述利用高炉瓦斯灰制备氧化锌的方法包括以下步骤：
(1)按照(2-5):(1-3):1的质量比将高炉瓦斯灰、碳质还原剂和土壤混合均匀，然后将所得混合物料置于圆盘造粒机中进行制粒，得到粒径为0.5-2cm的球型颗粒；
(2)将步骤(1)得到的球型颗粒置于回转窑中，在1000-1200℃下焙烧3-4h；
(3)利用沉降装置对焙烧时产生的烟气进行沉降，沉降颗粒返回步骤(1)中混合制粒，利用布袋除尘器收集沉降后烟气中的氧化锌产品；处理过程中将沉降装置和布袋除尘器净化后的还原热风，由空气压缩设备加压输送至回转窑循环利用。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明利用加土塑形技术，实现了对高炉瓦斯灰中锌元素的高效回收，其中，锌的回收率>90％，氧化锌产品的品位＞50％，所得产品中铁含量只有4-5％。
(2)本发明利用还原气氛热气流循环利用技术实现了对热量的充分利用，大大减少了回转窑中的燃煤消耗，每日燃煤消耗量减少7-10吨，增加了经济效益。同时增加炉腔的还原气氛，提高了单质金属锌和金属铁的产量。
附图说明
图1是本发明一种具体实施方式提供的工艺流程图。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明在具体实施方式中采用的回转窑的直径为2.8米，长度为30米，倾斜角为5°。
采用的高炉瓦斯灰原料的组分为：锌3.56wt％，铁35.27wt％，碳47.43wt％，水2.71wt％，其他组分11.03wt％。
本发明各个实施例中使用的沉降装置包括：1个沉降室，2组24个表面冷却器以及两个个旋风分离器，其中，旋风分离器分别布置在窑头和窑尾，沉降室和表面冷却器设置在烟气通道上。
本发明典型但非限定性的实施例如下：
实施例1
本实施例提供了一种利用高炉瓦斯灰制备氧化锌的方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
(1)将高炉瓦斯灰与焦炭和土壤以3:1:1的质量比在混料漏斗进行搅拌作业，物料停留时间为3.5h；
(2)将步骤(1)充分混合后的物料送入圆盘造粒机进行制粒，所得球型颗粒的粒径大小为0.5-2cm；
(3)将步骤(2)所得球型物料以皮带送入回转窑，控制回转窑内的温度为1100℃，焙烧过程中低沸点的金属锌被还原成锌蒸汽后氧化为氧化锌烟气；
(4)将步骤(3)所得烟气输送至沉降装置进行沉降，沉降颗粒以刮板输送机输送至回给料仓，采用步骤(1)的操作重新搅拌制球；
(5)将步骤(4)布袋除尘器收集沉降后烟气中的氧化锌产品；
(6)将沉降装置和布袋收集器净化后的还原热风由空气压缩设备加压输送回回转窑循环利用。
经过检测，本实施例中锌的回收率为93.3％，所得氧化锌产品的品位为51.3wt％，铁含量为4.2wt％，氧化锌中的剩余热值为400-500大卡。
实施例2
本实施例提供了一种利用高炉瓦斯灰制备氧化锌的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将高炉瓦斯灰与焦炭和土壤以2:1:1的质量比在混料漏斗进行搅拌作业，物料停留时间为4h；
(2)将步骤(1)充分混合后的物料送入圆盘造粒机进行制粒，所得球型颗粒的粒径大小为0.5-2cm；
(3)将步骤(2)所得球型物料以皮带送入回转窑，控制回转窑内的温度为1150℃，焙烧过程中低沸点的金属锌被还原成锌蒸汽后氧化为氧化锌烟气；
(4)将步骤(3)所得烟气输送至沉降装置中进行沉降，沉降颗粒以刮板输送机输送至回给料仓，采用步骤(1)的操作重新搅拌制球；
(5)将步骤(4)布袋除尘器收集沉降后烟气中的氧化锌产品；
(6)将沉降装置和布袋收集器净化后的还原热风由空气压缩设备加压输送回回转窑循环利用。
经过检测，本实施例中锌的回收率为92.7％，所得氧化锌产品的品位为52.5wt％，铁含量为4.3wt％，氧化锌中的剩余热值为400-500大卡。
实施例3
本实施例提供了一种利用高炉瓦斯灰制备氧化锌的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将高炉瓦斯灰与兰炭和土壤以4:2:1的质量比在混料漏斗进行搅拌作业，物料停留时间为3h；
(2)将步骤(1)充分混合后的物料送入圆盘造粒机进行制粒，所得球型颗粒的粒径大小为0.5-2cm；
(3)将步骤(2)所得球型物料以皮带送入回转窑，控制回转窑内的温度为1200℃，焙烧过程中低沸点的金属锌被还原成锌蒸汽后氧化为氧化锌烟气；
(4)将步骤(3)所得烟气输送至沉降装置中进行沉降，沉降颗粒以刮板输送机输送至回给料仓，采用步骤(1)的操作重新搅拌制球；
(5)将步骤(4)布袋除尘器收集沉降后烟气中的氧化锌产品；
(6)将沉降装置和布袋收集器净化后的还原热风由空气压缩设备加压输送回回转窑循环利用。
经过检测，本实施例中锌的回收率为91.9％，所得氧化锌产品的品位为51.4wt％，铁含量为4.6wt％，氧化锌中的剩余热值为400-500大卡。
实施例4
本实施例提供了一种利用高炉瓦斯灰制备氧化锌的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将高炉瓦斯灰与无烟煤和土壤以5:3:1的质量比在混料漏斗进行搅拌作业，物料停留时间为3.5h；
(2)将步骤(1)充分混合后的物料送入圆盘造粒机进行制粒，所得球型颗粒的粒径大小为0.5-2cm；
(3)将步骤(2)所得球型物料以皮带送入回转窑，控制回转窑内的温度为1050℃，焙烧过程中低沸点的金属锌被还原成锌蒸汽后氧化为氧化锌烟气；
(4)将步骤(3)所得烟气输送至沉降装置进行沉降，沉降颗粒以刮板输送机输送至回给料仓，采用步骤(1)的操作重新搅拌制球；
(5)将步骤(4)布袋除尘器收集沉降后烟气中的氧化锌产品；
(6)将沉降装置和布袋收集器净化后的还原热风由空气压缩设备加压输送回回转窑循环利用。
经过检测，本实施例中锌的回收率为91.2％，所得氧化锌产品的品位为50.6wt％，铁含量为4.9wt％，氧化锌中的剩余热值为400-500大卡。
对比例1
本对比例与实施例1相比，除了步骤(1)中物料混合时不加入土壤外，其他步骤和条件与实施例1完全相同。
经过检测，本实施例中锌的回收率为86.1％，所得氧化锌产品的品位为47.5wt％，铁含量为6.1wt％，氧化锌中的剩余热值为800-1000大卡。
对比例2
本对比例与实施例1相比，除了去掉步骤(2)制粒的操作外，其他步骤和条件与实施例1完全相同；即将步骤(1)得到的混合物料直接送至回转窑进行还原焙烧。
经过检测，本实施例中锌的回收率为83.5％，所得氧化锌产品的品位为46.8wt％，铁含量为6.6wt％，氧化锌中的剩余热值为800-1000大卡。
对比例3
本对比例与实施例1相比，除了步骤(1)不加入土壤，且步骤(2)不进行造粒外，其他步骤和条件与实施例1完全相同；即将高炉瓦斯灰与焦炭混合均匀后直接送至回转窑进行还原焙烧。
经过检测，本实施例中锌的回收率为82.7％，所得氧化锌产品的品位为43.3wt％，铁含量为6.8wt％，氧化锌中的剩余热值为800-1000大卡。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种利用高炉瓦斯灰制备氧化锌的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将高炉瓦斯灰、还原剂和土壤混合均匀，然后将所得混合物料制粒；
(2)将步骤(1)得到的颗粒进行焙烧；
(3)将步骤(2)焙烧时产生的烟气进行沉降，然后回收沉降后烟气中的氧化锌产品。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述高炉瓦斯灰、还原剂和土壤的质量比为(2-5):(1-3):1。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述还原剂为碳质还原剂。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)制粒后得到的球型颗粒粒径为0.5-2cm；
优选地，步骤(1)所述制粒在圆盘造粒机中进行。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述焙烧的温度为1000-1200℃。
6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述焙烧的时间为3-4h。
7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述沉降的具体操作为：利用沉降装置对焙烧时产生的烟气进行沉降，沉降颗粒返回步骤(1)中混合制粒。
8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，利用布袋除尘器收集沉降后烟气中的氧化锌产品。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，将沉降装置和布袋除尘器净化后的还原热风，由空气压缩设备加压输送至回转窑循环利用。
10.如权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)按照(2-5):(1-3):1的质量比将高炉瓦斯灰、碳质还原剂和土壤混合均匀，然后将所得混合物料置于圆盘造粒机中进行制粒，得到粒径为0.5-2cm的球型颗粒；
(2)将步骤(1)得到的球型颗粒置于回转窑中，在1000-1200℃下焙烧3-4h；
(3)利用沉降装置对焙烧时产生的烟气进行沉降，沉降颗粒返回步骤(1)中混合制粒，利用布袋除尘器收集沉降后烟气中的氧化锌产品；处理过程中将沉降装置和布袋除尘器净化后的还原热风，由空气压缩设备加压输送至回转窑循环利用。
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