CN113373318A - 一种强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料及使用该高碱度炉料回收锌的方法 - Google Patents

一种强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料及使用该高碱度炉料回收锌的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料及使用该高碱度炉料回收锌的方法，将以下质量份的组分：含锌电炉粉尘80‑90份，还原剂2.5‑7份，生石灰5‑8份和粘结剂0.6‑1.0份，混合均匀，加水制成碱度3‑6的含钙含碳含锌电炉粉尘球团；将干燥后的球团进行钙化还原焙烧；将挥发的Zn蒸气冷却氧化成ZnO粉末富集；经钙化还原焙烧后得到的金属化球团，经过预处理再返回钢铁生产流程。本发明提供的新型炉料配方通过钙化和碳热还原协同处理电炉粉尘可在较低温度下得到富ZnO粉和金属化球团。添加生石灰可降低碳质还原剂的消耗，降低生产成本，提高锌铁资源的回收利用率，具有显著的经济效益和社会效益。

Description

一种强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料及使用该高碱度 炉料回收锌的方法
技术领域
本发明涉及冶金粉尘固废处理技术领域，具体而言，涉及一种强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料及使用该高碱度炉料回收锌的方法。
背景技术
随着我国废钢资源增多、电力供应改善和国家去产能工作进一步深化，我国电炉炼钢发展迅速，2020年电炉炼钢产量突破1亿t。与此同时，伴随着钢铁产量的增加，粉尘产量也日渐增多。这些含有大量的铁、锌、铅、铝等有用元素的粉尘产量较大，占粗钢产量的10-20％，是一种有较大利用价值的二次资源。但是，含锌电炉粉尘含有大量锌、铅、镉等有害元素，而且粒度小、流动性好，易对环境造成二次污染，是国家规定企业必须进行治理并将其列入《国家危险废物名录》的一种危害性较大的固体废弃物。因此，开发合适的炉料配方对这些粉尘中有用元素进行回收利用，不仅能解决环境污染问题，还能降低我国铁矿石短缺的压力。
电炉粉尘中锌主要以氧化锌和铁酸锌(ZnFe2O4)的形式存在，铁主要以赤铁矿、磁铁矿和铁酸锌(ZnFe2O4)的形式共存。铁酸锌具有尖晶石结构，化学性质相当稳定，在常温常压下，不溶于大多数酸性和碱性介质。因此，解决铁酸锌相分解的问题，对综合利用电炉粉尘尤为重要。
目前关于电炉粉尘处置利用的研究和应用技术包括固化、玻璃化、火法和湿法处理技术等。其中使用最广泛的技术为碳热还原法，其主要包括回转窑还原工艺、转底炉还原工艺，还包括衍生出的竖炉工艺和环形炉工艺等，其基本原理是将电炉粉尘、碳质还原剂和粘结剂混合制备成球团，在1200-1600℃的高温和强还原气氛下，将铁酸锌、氧化锌和铁氧化物还原，单质锌挥发后与固体渣相分离并在烟气中被氧化，最后富集在除尘系统中并回收利用，此时铁氧化物被还原成单质铁，留在固体渣相中，作为炼铁原料。此方法需要较高的碳质还原剂和温度，才能达到高脱锌率的要求。焦炭和还原剂煤均属于不可再生资源，降低还原剂的消耗，在固体废弃物资源化综合利用中也尤为重要。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料及使用该高碱度炉料回收锌的方法。
本发明是这样实现的:
本发明提供一种强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料，包含以下质量份的组分：含锌电炉粉尘80-90份，还原剂2.5-7份，生石灰5-8份和粘结剂0.6-1.0份。
本发明还提供一种利用上述强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料回收锌的方法，包括：将上述强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料加水压块，得到含钙含碳含锌电炉粉尘球团；然后将球团进行钙化还原焙烧，得到金属化球团，并将高温还原生成的Zn蒸气冷却氧化成富含ZnO的粉尘而收集。
本发明具有以下有益效果:
本发明提供一种强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料及使用该高碱度炉料回收锌的方法，该高碱度炉料包括含锌电炉粉尘、还原剂、生石灰和粘合剂，利用生石灰中的氧化钙与电炉粉尘中铁酸锌易反应的特点，将难处理的铁酸锌转变为易处理的氧化锌，并经碳热还原实现锌的高效分离与富集；同时，利用添加的还原剂碳还原金属氧化物。上述新型炉料配方通过钙化和碳热还原协同处理电炉粉尘可在较低温度下得到富ZnO粉和金属化球团。添加生石灰可降低碳质还原剂的消耗，降低生产成本，提高锌铁资源的回收利用率，具有显著的经济效益和社会效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明中利用强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料回收锌的工艺流程图；
图2为电炉粉尘1000℃碳热还原焙烧后的XRD图；
图3为电炉粉尘1000℃钙化还原焙烧的XRD图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料及使用该高碱度炉料回收锌的方法，以便在含锌电炉粉尘资源化利用过程中提高脱锌脱碱金属率，降低金属化球团中锌、碱金属含量，同时得到富含锌、钾等有害元素的粉尘，降低还原剂消耗，提高资源利用率。
为了达到上述目的，本发明实施例提供的利用强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料回收锌，参见图1，具体步骤如下：
(1)、配备钢铁厂含锌电炉粉尘，还原剂、粘结剂和生石灰；
(2)、将含锌电炉粉尘、还原剂、生石灰和粘结剂用混料机混匀，其中含锌电炉粉尘质量百分比为80-90％，还原剂为2.5-7％，生石灰为5-8％，粘结剂为0.6-1.0％；加入水分，使得到的混合料的总水分占混合料总质量的8-10％，对混合料进行压块，干燥，得到碱度3-6的含钙含碳含锌电炉粉尘球团；
(3)、将球团送入高温还原炉中进行钙化还原焙烧，焙烧温度为1000-1200℃，反应30-60min，降温至室温，焙烧完成，得到金属化球团和氧化锌粉末。
作为本发明实施例的进一步优化，步骤(1)中，含锌电炉粉尘的粒度为0-0.15mm，还原剂粒度＜1mm，还原剂的碳含量＞70％，生石灰中CaO含量＞70％。
作为本发明实施例的进一步优化，步骤(2)中，还原剂包括碳粉、焦粉、烟煤和无烟煤中的至少一种；粘结剂为羟甲基纤维素钠；对混合料压块是在10-30MPa的压力下保压0.5-2min；在100-120℃干燥箱中干燥2-4h，进一步的压块优选为：对混合料压块是在20MPa的压力下保压2min；在120℃干燥箱中干燥4h。
作为本发明实施例的进一步优化，步骤(3)中，若通入氮气流量为50mL/min以上，升温和降温速率为5℃/min，焙烧后效果更佳。
本发明是基于电炉粉尘中锌主要以氧化锌和铁酸锌(ZnFe2O4)的形式存在，而铁酸锌具有尖晶石结构，化学性质相当稳定，在常温常压下，不溶于大多数酸性和碱性介质。根据氧化钙促进铁酸锌中锌铁分离的原理，将生石灰与电炉粉尘混合焙烧，利用生石灰中的氧化钙与铁酸锌反应，生成铁酸二钙(Ca2Fe2O5)和氧化锌，实现锌的物相由难处理的铁酸锌向易处理的氧化锌转变。再通过添加的还原剂碳，可实现锌的还原和挥发，从而达到锌的高效脱除和回收的目标。而添加的还原剂还参与金属氧化物的还原，得到的还原产品物相主要为Ca2Fe2O5、FeO和Fe。收集的富锌粉可以外销炼锌企业，还原产品经过预处理进入正常的钢铁生产流程。而添加生石灰进行钙化还原焙烧，可降低还原剂的消耗。即本发明技术的实施，从整体的固废处理及资源化综合利用流程来讲，有效降低了冶金固体废弃物处理过程中的二次污染。
本发明实施例提供的一种强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料配方，具有以下特点：
1、所用原材料来自于冶金固体废弃物，既减小了废弃物对环境的污染，又实现了废弃物的资源化和功能化利用，原料处理工艺简单，可以利用有色冶炼与钢铁行业现有设备，不需要额外添加处理设备，降低生产成本，可以节省大量投资和厂房占地；
2、并不局限于电炉粉尘的处理，也能用于锌含量大于5％的其他含锌粉尘。
3、在添加7.6％生石灰、2.86％碳质还原剂进行1200℃还原焙烧，与不添加生石灰进行碳热还原焙烧相比，每处理1t含锌电炉粉尘，能减少75.9kg还原剂的消耗，且脱锌率达到96％以上，有利于锌的高效回收。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明以下实施例中，原材料来源、组分、制备和实验方法与对比例相同。
以下实施例与对比例均采用如表1中所示的化学成分的含锌电炉粉尘。
表1
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Zn CaO C SiO<sub>2</sub> MgO MnO K<sub>2</sub>O SO<sub>3</sub> 其他
74.62 12.96 3.11 2.86 2.01 1.18 1.35 0.75 0.63 0.53
实施例1
一种强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料配方，将88.28g的含锌电炉粉尘、5.07g的碳粉、6.05g生石灰和0.6g羟甲基纤维素钠，混合成100g的高碱度炉料，加入占高碱度炉料的总质量8％的水，制成碱度为4.5的球团，在120℃恒温箱中干燥4h，将球团置于高温还原炉中，氮气流量为50mL/min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为1000℃，焙烧时间为45min。
还原产物中残锌含量2.15％，还原过程脱锌率为83.4％，脱锌率比对比例1提高了20％以上。K2O脱除率为67.3％，碱金属脱除率比对比例1提高了15％。
实施例2
一种强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料配方，将88.28g的含锌电炉粉尘、5.07g的碳粉、6.05g生石灰和0.6g羟甲基纤维素钠，混合成100g高碱度炉料，加入占高碱度炉料的总质量8％的水，制成碱度为4.5的球团，在120℃恒温箱中干燥4h，将球团置于高温还原炉中，氮气流量为50mL/min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为1100℃，焙烧时间为45min。
还原产物中残锌含量0.377％，钙化还原过程脱锌率为97.09％，K2O脱除率为92.79％。与实施例1相比，在生石灰和碳质还原剂添加量不变的条件下，焙烧温度由1000℃提高到1100℃，脱锌率和碱金属脱除率分别提高了14％和25％左右。
实施例3
一种强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料配方，将87.02g的含锌电炉粉尘、6.8g的碳粉、5.58g的生石灰和0.6g羟甲基纤维素钠，混合成100g高碱度炉料，制成碱度4.3的球团，加入占高碱度炉料的总质量8％的水，在120℃恒温箱中干燥4h，将球团置于高温还原炉中，氮气流量为50mL/min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为1000℃，焙烧时间为45min。
还原产物中残锌含量1.43％，还原过程脱锌率为88.96％，脱锌率与对比例2相比提高了10.98％。K2O脱除率为65.5％，碱金属脱除率相较对比例2提高了2.9％。实施例3相较于对比例2还原剂消耗减少3.65％。焙烧产物物相如图3所示，主要为Ca2Fe2O5、FeO和Fe，可以直接进入钢铁生产流程。相较于图2，碳的衍射峰明显增强，碳明显过剩，表明CaO能降低还原剂的消耗。
实施例4
一种强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料配方，将88.94g的含锌电炉粉尘、2.86g的碳粉、7.6g的生石灰和0.6g羟甲基纤维素钠，混合成100g高碱度炉料，制成碱度5.8的球团，加入占高碱度炉料的总质量8％的水，在120℃恒温箱中干燥4h，将球团置于高温还原炉中，氮气流量为50mL/min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为1200℃，焙烧时间为45min。
还原产物中残锌含量0.441％，还原过程脱锌率为96.59％，脱锌率与对比例2相比提高18.61％，与实施例2的脱锌率接近，还原剂使用量下降2.21％，与对比例3相比，还原剂使用量下降7.59％。K2O脱除率为100％，比实施例2提高7.21％。温度为1200℃，低于钢铁厂转底炉1300℃以上的温度。
对比例1
按照常规火法碳热还原工艺处理含锌电炉粉尘的炉料配方(未添加生石灰)，将89.79g的含锌电炉粉尘、9.61g的碳粉和0.6g羟甲基纤维素钠，混合成100g常规炉料，加入占炉料总质量8％的水，制成自然碱度1.5的球团，在120℃恒温箱中干燥4h，将球团置于高温还原炉中，氮气流量为50mL/min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为1000℃，焙烧时间为45min。
还原产物中残锌含量4.836％，还原过程脱锌率仅62.69％，脱锌效果较差。K2O脱除率为52.3％。还原产物中物相如图2，存在铁酸锌相和氧化锌，还原效果较差。
对比例2
按照常规火法碳热还原工艺处理含锌电炉粉尘的炉料配方(未添加生石灰)，将88.95g的含锌电炉粉尘、10.45g的碳粉和0.6g羟甲基纤维素钠，混合成100g常规炉料，加入占炉料总质量8％的水，制成自然碱度1.5的球团，在120℃恒温箱中干燥4h，将球团置于高温还原炉中，氮气流量为50mL/min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为1000℃，焙烧时间为45min。
还原产物中残锌含量2.854％，还原过程脱锌率77.98％，K2O脱除率为62.6％。
对比例3
按照常规火法碳热还原工艺处理含锌电炉粉尘的炉料配方(未添加生石灰)，将88.95g的含锌电炉粉尘、10.45g的碳粉和0.6g羟甲基纤维素钠，混合成100g常规炉料，加入占炉料总质量8％的水，制成自然碱度1.5的球团，在120℃恒温箱中干燥4h，将球团置于高温还原炉中，氮气流量为50mL/min，升温速率为5℃/min，焙烧温度为1200℃，焙烧时间为45min。
还原产物中残锌含量0.2423％，还原过程脱锌率98.13％，K2O脱除率为100％。
以上基于本发明的炉料配方得到对比例1-3和实施例1-4的结果见表2。
表2
Figure BDA0003094066980000091
根据表2汇总可知，含锌电炉粉尘还原焙烧中添加生石灰，能促进锌的挥发，降低球团中残锌量，得到富锌粉尘。经计算，焙烧温度为1200℃时，每处理1t含锌电炉粉尘，能减少75.9kg还原剂的消耗，且脱锌率达到96％以上。按照目前市场价格，每处理1万吨电炉粉尘，能节约759吨还原剂，且消耗760吨生石灰，按煤为600元/吨，生石灰280元/吨，添加生石灰能节约242600元。
综上，本发明实施例提供了一种强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料及使用该高碱度炉料回收锌的方法。本发明提供的强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料包含以下质量份的组分：含锌电炉粉尘80-90份，还原剂2.5-7份，生石灰5-8份和粘结剂0.6-1.0份。利用上述的强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料回收的过程中，将上述物料混合均匀，加水制成碱度3-6的含钙含碳含锌电炉粉尘球团；将干燥后的球团进行钙化还原焙烧；将挥发的Zn蒸气冷却氧化成ZnO粉末富集；经钙化还原焙烧后得到的金属化球团，预处理后再返回钢铁生产流程。因此，本发明通过添加生石灰，在降低还原剂消耗和温度的同时，促进铁酸锌晶格的破坏，释放锌元素，强化锌和碱金属的还原挥发，实现含锌电炉粉尘中锌和碱金属的深度脱除和回收。
本发明实施例利用生石灰中的氧化钙与电炉粉尘中铁酸锌易反应的特点，将难处理的铁酸锌转变为易处理的氧化锌，并经碳热还原实现锌的高效分离与富集；同时，利用添加的还原剂碳还原金属氧化物。本发明新型炉料配方通过钙化和碳热还原协同处理电炉粉尘可在较低温度下得到富ZnO粉和金属化球团。添加生石灰可降低碳质还原剂的消耗，降低生产成本，提高锌铁资源的回收利用率，具有显著的经济效益和社会效益。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料，其特征在于，包含以下质量份的组分：含锌电炉粉尘80-90份，还原剂2.5-7份，生石灰5-8份和粘结剂0.6-1.0份。
2.根据权利要求1所述的强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料，其特征在于，所述还原剂包括碳粉、焦粉、烟煤和无烟煤中的至少一种，所述粘结剂为羟甲基纤维素钠。
3.根据权利要求1所述的强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料，其特征在于，所述含锌电炉粉尘的粒度在0-0.15mm，所述还原剂粒度＜1mm，所述还原剂的碳含量＞70％，所述生石灰中CaO含量＞70％。
4.一种利用权利要求1-3中任一项所述强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料回收锌的方法，其特征在于，包括：将权利要求1-3中任一项所述强化含锌电炉粉尘回收锌的高碱度炉料加水压块，得到含钙含碳含锌电炉粉尘球团；然后将所述球团进行钙化还原焙烧，得到金属化球团，并将高温还原生成的Zn蒸气冷却氧化成富含ZnO的粉尘而收集。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述球团的制备包括以下步骤：将以下质量份的含锌电炉粉尘80-90份，还原剂2.5-7份，生石灰5-8份，粘结剂0.6-1.0份混合均匀，得到混合料；加入占混合料总质量的8-10％的水分后，进行压块，干燥，得到碱度3-6的含钙含碳含锌电炉粉尘球团。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，压块是先在10-30MPa的压力下保压0.5-2min；然后在100-120℃恒温箱中干燥2-4h。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述球团送入高温还原炉中钙化还原焙烧。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述还原焙烧的温度为1000-1200℃，反应时间为30-60min。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：还原焙烧得到的所述金属化球团经过预处理进入正常的钢铁生产流程。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，按以下步骤进行:
将以下质量份的含锌电炉粉尘80-90份，还原剂2.5-7份，生石灰5-8份，粘结剂0.6-1.0份混合均匀，得到混合料；加入占混合料总质量的8-10％的水分后，进行压块，干燥，得到碱度3-6的含钙含碳含锌电炉粉尘球团；
将所述球团送入高温还原炉中钙化还原焙烧，升温至1000-1200℃，反应30-60min，冷却降温至室温，完成焙烧，得到金属化球团，并将高温还原生成的Zn蒸气冷却氧化成富含ZnO的粉尘而收集。
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