CN114525401A - 一种含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法 - Google Patents

一种含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法，属于钢铁冶金技术领域，包括以下步骤：S1、将钢铁厂不同种类含锌粉尘进行优化配矿，得到配矿后的含锌粉尘物料；S2、向配矿后的含锌粉尘物料中加入粘结剂，进行强力混合处理，再进行高压辊磨和润磨联合处理，得到混匀料；S3、将混匀料造球得到生球，并进行干燥得到干球；S4、将干球放入微波还原炉中进行氢还原处理，还原后在保护气氛下进行冷却，得到还原脱锌球。本发明针对钢铁厂含锌粉尘中碳含量高，其吸波性能优越的特点，以及利用微波微波加热具有加热速度快、热量损失小、穿透能力强、操作方便等特点，对含锌粉尘进行加热，可显著改善传统加热能耗高、污染大的缺陷。

Description

一种含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法。
背景技术
钢铁工业是我国经济发展的重要基础产业，也是固废排放大户，在其冶炼过程中会产生多种大量难处理的粉尘，如含锌粉尘。据统计，钢铁企业产生的粉尘总量一般为钢铁产量的8％～12％，而含锌粉尘占20％～30％。以此推算，每年我国钢铁厂含锌粉尘排放量超过2000万吨。含锌粉尘富含多种重金属，属于典型危废，若无法有效处置，必将带来严重的环境问题。为了保护环境及促进钢铁工业的生态循环，实现含锌粉尘的无害化和减量化已迫在眉睫。另一方面，钢厂含锌粉尘中富含各种有价元素如Fe、Pb、Zn、C，还有一些稀散元素In、Ag、Sn等，且其含量甚至高于某些原生矿产资源。据预测，2019年我国钢厂含锌粉尘中Fe、Zn和Pb的累计含量将分别达到600万吨、60万吨和4万吨，即相当于一座大型的“城市矿产”。而我国相关原生矿产资源匮乏，长期依耐进口。因此，为了缓解我国战略金属资源紧缺局面，降低对外依存度，对钢厂含锌粉尘-这座“城市矿产”的开发与资源化利用是必然选择。
目前，对于含锌粉尘主要以碳热还原为主，如直接还原法(煤基直接还原、转底炉等)和熔融还原法。但是碳热还原脱锌工艺，存在反应温度高、能耗高、碳排放大、污染严重、作业率及经济性有待提高等问题；此外，次氧化锌产品锌品位低，成分复杂，通常采用火法-湿法联合工艺分离富集，流程长，处理成本高。上述问题难以通过现有工艺解决，含锌粉尘的高效利用成为制约钢铁工业可持续发展的瓶颈之一。
因此，亟需开发新的工艺对含锌粉尘进行处理，实现低能耗、绿色清洁综合利用。
发明内容
针对传统碳热还原法处理含锌粉尘，存在能耗高、污染大、碳排放量大、产品质量低的难题，本发明的目的在于提供一种含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法，通过微波和氢还原的耦合作用，实现含锌粉尘的绿色综合利用。
为了达到上述目的，本发明提供一种含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法，包括以下步骤：
S1、优化配矿：将钢铁厂不同种类含锌粉尘进行优化配矿，得到配矿后的含锌粉尘物料；
S2、原料预处理：向配矿后的含锌粉尘物料中加入粘结剂，进行强力混合处理，再进行高压辊磨和润磨联合处理，得到混匀料；
S3、将步骤S2制备的混匀料造球得到生球，并进行干燥得到干球；
S4、将步骤S3制备的干球放入微波还原炉中进行氢还原处理，还原后在保护气氛下进行冷却，得到还原脱锌球。
优选的方案，步骤S1中，所述含锌粉尘包括高炉除尘灰、电炉除尘灰和炼钢转炉烟尘中的一种或多种。
优选的方案，步骤S1中，通过优化配矿，改变钢铁厂内不同含锌粉尘的配加量，使混匀料中C含量控制在10％～20％。
优化配矿对于含锌粉尘微波氢还原相当重要。含锌粉尘中主要吸波介质为其中的碳粉。通常而言，优化配矿后，碳含量越高，其吸波性能愈加优越，微波加热过程，其“透热效应”更加明显，物料升温更快，能耗也越低，同时，含锌粉尘还原速率也越快；但是，当碳含量过高时，会降低含锌粉尘球团强度，氢还原过程容易粉化，导致还原效率下降。因此，发明人通过研究发现，应该通过优化配矿，使得混合料中C含量控制在10％～20％。
优选的方案，步骤S2中，所述粘结剂为膨润土、有机粘结剂或者复合粘结剂中一种或几种，其用量为总物料的0.5wt％～2.5wt％。
发明人通过大量实验发现，粘结剂在所述的添加量下，可进一步改善生球的落下强度、抗压强度和爆裂温度。例如，添加量低于0.5wt％时，生球的落下强度、抗压强度和爆裂温度均下降，添加量高于2.5wt％时，虽然生球的落下强度和抗压强度有所升高，但造球操作不稳定，生球爆裂温度下降。
进一步优选的，所述粘结剂为复合粘结剂，复合粘结剂的组分为膨润土、腐殖酸钠和聚丙烯酰胺，各组分按重量百分比计为：膨润土30％～50％，腐殖酸钠20％～40％，聚丙烯酰胺10％～50％，各组分之和为100％。
发明人通过根据矿物成球机理，应用官能团组装原理，进行了多功能粘结剂的功能和分子设计，采用含有亲水基团、亲矿基团和适宜聚合度的球团粘结剂分子，并优化了其种类及其配比。复合粘结剂的组分为膨润土、腐殖酸钠和聚丙烯酰胺，其化学吸附粘结力强，所制备的球团强度高，热稳定性好。
优选的方案，步骤S2中，强力混合过程，搅拌转速为1000～2000rpm、搅拌时间2～4min。
本发明采用的强力混合工艺，对后续造球和氢还原影响巨大。搅拌转速快、搅拌时间长，混匀效果好，复合粘结剂分散均匀，充分发挥其各种作用，有利于后续的造球。但是，搅拌转速偏慢，混匀效果差，搅拌转速过快，搅拌叶片磨损快，配件损耗大，成本高；搅拌时间短，混匀效果差，搅拌时间过长，混合机产量下降，容易导致粘结剂分散不均匀，生球质量不稳定，从而造成氢还原效果较差。
优选的方案，步骤S2中，高压辊磨过程，水分为7％～8％，辊磨压力为0.5～2.0N/mm2。高压辊磨水分偏高时，混合料太粘，高压辊磨机易堵塞，影响流程稳定运行；高压辊磨水分偏低，复合粘结剂的相互作用及其与矿物表面的化学作用减弱，导致生球性能变差。高压辊磨压力过小，则所获得的物料比表面积小，活性较差；高压辊磨压力过大，则能耗较高。
优选的方案，步骤S2中，润磨过程，润磨水分为7％～8％，润磨时间3～5min。润磨时间过短则均匀性较差，球团质量不均匀，强度较低；润磨时间过长，则能耗高。
优选的方案，步骤S3中，采用圆盘造球机进行造球，造球水分为12％～14％，造球时间为10～14min，所制备生球的粒度为16～20mm。
优选的方案，步骤S3中，制备的生球达到如下性能：生球抗压强度超过10N/个、落下强度大于4次/(0.5mm)、爆裂温度超过250℃，干球抗压强度超过100N/个。
优选的方案，所述步骤S3中，生球干燥的温度为200～400℃，干燥的风速为0.8～1.2m/s，干燥的时间为6～10min。
优选的方案，所述步骤S4中，微波频率2400～2500MHZ、功率为3～6KW；干球还原的时间为40～100min，还原温度为800～1000℃，气体流速10～30L/min。
本发明具有以下有益技术效果：
(1)本发明提供了一种含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法，针对钢铁厂含锌粉尘中碳含量高，其吸波性能优越的特点，以及利用微波微波加热具有加热速度快、热量损失小、穿透能力强、操作方便等特点，对含锌粉尘进行加热，可显著改善传统加热能耗高、污染大的缺陷。
(2)本发明提供了一种含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法，能过微波良好的加热特性，改善纯氢还原过程，强吸热、氢能利用率低以及气耗高的缺陷，强化氢还原动力学和热力学条件，提高反应速率，缩短还原时间，提高效率。
(3)本发明提供了一种含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法，利用氢还原温度低、还原速率快、能耗低、效率高以及无碳排放的优势，耦合微波加热的速度快和强度大的特点，对含锌粉尘球团进行还原，从而改变传统碳热还原存在的诸多问题，不但能够提高还原效果，改善含锌粉尘综合利用效果，而且有利于环境。
(4)本发明提供了一种含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法，针对传统含锌粉尘碳热还原过程，所得二次烟尘中煤灰含量高，导致次氧化锌品位低，后续提纯流程长，效果差的缺点，利用氢气的清洁高效，可有效降低挥发出的含锌蒸汽中杂质的含量，缩短后续锌的提纯流程。
(5)本发明提供了一种含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法，利用强力混合、高压辊磨和润磨相耦合的处理方式，通过三者的相互协同，使得粘结剂不但在矿物宏观颗粒上充分分散，而且能够实现其微尺度的分散，增强粘结剂分子与矿物颗粒表面的物理化学作用，从而提高生球强度，改善生球质量和后续球团微波氢还原效果。
附图说明
图1为本发明的含锌粉尘微波氢还原脱锌的工艺流程图。
具体实施方式
以下通过具体实施例和附图对本发明技术方案进行详细的阐述。
以下实施例及对比例，除特别声明外，所使用的原料，其化学成份如下：
高炉除尘灰：Fe 34.33％，C 31.22％，Zn 2.89％，Pb 0.58％，SiO25.31％；
电炉除尘灰：Fe 42.11％，C 4.76％，Zn 6.54％，Pb 0.15％，SiO24.21％；
炼钢转炉烟尘：Fe 41.33％，C 1.17％，Zn4.88％，Pb 0.11％，SiO22.31％。
对比例1
将高炉除尘灰、电炉除尘灰和炼钢转炉烟尘进行配矿，控制混合料中C含量为10％；向混合料中加入1.5％的复合粘结剂(膨润土占35％，腐殖酸钠占45％和聚丙烯酰胺占30％)混合均匀，将所得的混合物料进行强力搅拌，搅拌转速为1500rpm、搅拌时间3min；然后，依次进行高压辊磨，高压辊磨水分为7.5％、辊磨压力为1.0N/mm2，润磨时间为3min；将预处理后的物料加入圆盘造球机进行造球，造球时间为12min，生球水分控制在13％左右，生球粒度控制在16～20mm；制备出的生球落下强度能达6.8次/0.5m，抗压强度能达52N·个-1，爆裂温度为335℃；将生球在带式焙烧机上进行干燥，干燥温度为250℃，干燥风速0.8m/s，干燥时间7.0min；得到的干球抗压强度能达180N·个-1。将干球装入竖炉内，通入氢气直接还原，还原的温度为950℃，还原的时间120min，气体流速为15L/min，还原后在氮气中冷却，得到的还原脱锌球团。
所述还原脱锌球团金属化率91.33％，还原过程脱锌率91.3％。从回转窑烟尘中回收得到含锌70.22％的次氧化锌。
实施例1
本发明一种含锌粉尘的微波氢还原脱锌方法，包括如下步骤：
(1)将高炉除尘灰、电炉除尘灰和炼钢转炉烟尘进行配矿，控制混合料中C含量为10％；
(2)向混合料中加入1.5％的复合粘结剂(膨润土占35％，腐殖酸钠占45％和聚丙烯酰胺占30％)混合均匀，将所得的混合物料进行强力搅拌，搅拌转速为1500rpm、搅拌时间3min；然后，依次进行高压辊磨，高压辊磨水分为7.5％、辊磨压力为1.0N/mm2，润磨时间为3min；
(3)将预处理后的物料加入圆盘造球机进行造球，造球时间为12min，生球水分控制在13％左右，生球粒度控制在16～20mm；制备出的生球落下强度能达6.8次/0.5m，抗压强度能达52N·个-1，爆裂温度为335℃；将生球在带式焙烧机上进行干燥，干燥温度为250℃，干燥风速0.8m/s，干燥时间7.0min；得到的干球抗压强度能达180N·个-1；
(4)将干球装入微波竖炉内，并通入氢气直接还原，微波频率为2450MHZ，功率为3.5KW；还原的温度为950℃，还原的时间70min，气体流速为15L/min，还原后在氮气中冷却，得到的还原脱锌球团，经过筛分、磁选处理，得到金属化球团、非磁性物。
所得还原脱锌球团金属化率92.56％，还原过程脱锌率92.46％。从回转窑烟尘中回收得到含锌71.33％的次氧化锌。实施例1与对比例1相比，通过加入微波强化后，还原时间从120min缩短至70min，还原时间大幅度降低，还原效率提高，且球团金属化率和脱锌率均有所改善。
实施例2
本发明一种含锌粉尘的微波氢还原脱锌方法，包括如下步骤：
(1)将高炉除尘灰、电炉除尘灰和炼钢转炉烟尘进行配矿，控制混合料中C含量为15％；
(2)向混合料中加入1.5％的复合粘结剂(膨润土占35％，腐殖酸钠占45％和聚丙烯酰胺占30％)混合均匀，将所得的混合物料进行强力搅拌，搅拌转速为1500rpm、搅拌时间3min；然后，依次进行高压辊磨，高压辊磨水分为7.5％、辊磨压力为1.0N/mm2，润磨时间为3min；
(3)将预处理后的物料加入圆盘造球机进行造球，造球时间为12min，生球水分控制在13％左右，生球粒度控制在16～20mm；制备出的生球落下强度能达6.8次/0.5m，抗压强度能达51N·个-1，爆裂温度为355℃；将生球在带式焙烧机上进行干燥，干燥温度为300℃，干燥风速0.8m/s，干燥时间7.0min；得到的干球抗压强度能达168N·个-1；
(4)将干球装入微波竖炉内，并通入氢气直接还原，微波频率为2450MHZ，功率为3.5KW；还原的温度为950℃，还原的时间50min，气体流速为15L/min，还原后在氮气中冷却，得到的还原脱锌球团。
所得还原脱锌球团金属化率93.44％，还原过程脱锌率94.38％。从回转窑烟尘中回收得到含锌72.56％的次氧化锌。实施例2与对比例1和实施例1相比，通过进一步优化配矿，将混合料中C含量提高至15％后，还原时间可进一步缩短至50min，还原时间进一步大幅度降低，还原效率进一步提高，且球团金属化率和脱锌率均有所改善。说明，提高混合料中C含量，改善吸波性能，提高其热效应，改善还原条件。
实施例3
本发明一种含锌粉尘的微波氢还原脱锌方法，包括如下步骤：
(1)将高炉除尘灰、电炉除尘灰和炼钢转炉烟尘进行配矿，控制混合料中C含量为20％；
(2)向混合料中加入1.5％的复合粘结剂(膨润土占35％，腐殖酸钠占45％和聚丙烯酰胺占30％)混合均匀，将所得的混合物料进行强力搅拌，搅拌转速为1500rpm、搅拌时间3min；然后，依次进行高压辊磨，高压辊磨水分为7.5％、辊磨压力为1.0N/mm2，润磨时间为3min；
(3)将预处理后的物料加入圆盘造球机进行造球，造球时间为12min，生球水分控制在13％左右，生球粒度控制在16～20mm；制备出的生球落下强度能达6.4次/0.5m，抗压强度能达49N·个-1，爆裂温度为365℃；将生球在带式焙烧机上进行干燥，干燥温度为300℃，干燥风速0.8m/s，干燥时间7.0min；得到的干球抗压强度能达161N·个-1；
(4)将干球装入微波竖炉内，并通入氢气直接还原，微波频率为2450MHZ，功率为3.5KW；还原的温度为950℃，还原的时间40min，气体流速为15L/min，还原后在氮气中冷却，得到的还原脱锌球团。
所得还原脱锌球团金属化率94.54％，还原过程脱锌率96.98％。从回转窑烟尘中回收得到含锌72.97％的次氧化锌。实施例3与对比例1和实施例1，实施例2相比，通过进一步优化配矿，将混合料中C含量提高至20％后，还原时间可进一步缩短至40min，还原时间进一步大幅度降低，还原效率进一步提高，且球团金属化率和脱锌率均有所改善。进一步说明，提高混合料中C含量，改善吸波性能，提高其热效应，改善还原条件。
实施例4
本发明一种含锌粉尘的微波氢还原脱锌方法，包括如下步骤：
(1)将高炉除尘灰、电炉除尘灰和炼钢转炉烟尘进行配矿，控制混合料中C含量为20％；
(2)向混合料中加入2.0％的复合粘结剂(膨润土占35％，腐殖酸钠占40％和聚丙烯酰胺占35％)混合均匀，将所得的混合物料进行强力搅拌，搅拌转速为1500rpm、搅拌时间4min；然后，依次进行高压辊磨，高压辊磨水分为7.5％、辊磨压力为1.5N/mm2，润磨时间为5min；
(3)将预处理后的物料加入圆盘造球机进行造球，造球时间为13min，生球水分控制在13％左右，生球粒度控制在16～20mm；制备出的生球落下强度能达7.9次/0.5m，抗压强度能达66N·个-1，爆裂温度为355℃；将生球在带式焙烧机上进行干燥，干燥温度为340℃，干燥风速0.8m/s，干燥时间8.0min；得到的干球抗压强度能达212N·个-1；
(4)将干球装入微波竖炉内，并通入氢气直接还原，微波频率为2450MHZ，功率为3.5KW；还原的温度为850℃，还原的时间40min，气体流速为15L/min，还原后在氮气中冷却，得到的还原脱锌球团。
所得还原脱锌球团金属化率95.15％，还原过程脱锌率97.22％。从回转窑烟尘中回收得到含锌73.01％的次氧化锌。通过优化工艺条件，改善球团强度，可进一步降低还原温度和缩短还原时间，节约能耗，提高效率。
实施例5
本发明一种含锌粉尘的微波氢还原脱锌方法，包括如下步骤：
(1)将高炉除尘灰、电炉除尘灰和炼钢转炉烟尘进行配矿，控制混合料中C含量为25％；
(2)向混合料中加入2.0％的复合粘结剂(膨润土占35％，腐殖酸钠占40％和聚丙烯酰胺占35％)混合均匀，将所得的混合物料进行强力搅拌，搅拌转速为1500rpm、搅拌时间4min；然后，依次进行高压辊磨，高压辊磨水分为7.5％、辊磨压力为1.5N/mm2，润磨时间为5min；
(3)将预处理后的物料加入圆盘造球机进行造球，造球时间为13min，生球水分控制在13％左右，生球粒度控制在16～20mm；制备出的生球落下强度能达7.9次/0.5m，抗压强度能达41N·个-1，爆裂温度为335℃；将生球在带式焙烧机上进行干燥，干燥温度为340℃，干燥风速0.8m/s，干燥时间8.0min；得到的干球抗压强度能达133N·个-1；
(4)将干球装入微波竖炉内，并通入氢气直接还原，微波频率为2450MHZ，功率为3.5KW；还原的温度为900℃，还原的时间60min，气体流速为20L/min，还原后在氮气中冷却，得到的还原脱锌球团。
所得还原脱锌球团金属化率91.12％，还原过程脱锌率90.33％。从回转窑烟尘中回收得到含锌71.19％的次氧化锌。通过对比实施例4和实施例5发现，当混合料C含量超过20％后，其球团强度显著下降，还原效率降低。

Claims (10)

1.一种含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、优化配矿：将钢铁厂不同种类含锌粉尘进行优化配矿，得到配矿后的含锌粉尘物料；
S2、原料预处理：向配矿后的含锌粉尘物料中加入粘结剂，进行强力混合处理，再进行高压辊磨和润磨联合处理，得到混匀料；
S3、将步骤S2制备的混匀料造球得到生球，并进行干燥得到干球；
S4、将步骤S3制备的干球放入微波还原炉中进行氢还原处理，还原后在保护气氛下进行冷却，得到还原脱锌球。
2.根据权利要求1所述含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法，其特征在于，步骤S1中，所述含锌粉尘包括高炉除尘灰、电炉除尘灰和炼钢转炉烟尘中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法，其特征在于，步骤S1中，通过优化配矿，改变钢铁厂内不同含锌粉尘的配加量，使混匀料中C含量控制在10％～20％。
4.根据权利要求1所述含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法，其特征在于，步骤S2中，所述粘结剂为膨润土、有机粘结剂或者复合粘结剂中一种或几种，其用量为总物料的0.5wt％～2.5wt％。
5.根据权利要求4所述含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法，其特征在于，所述粘结剂为复合粘结剂，复合粘结剂的组分为膨润土、腐殖酸钠和聚丙烯酰胺，各组分按重量百分比计为：膨润土30％～50％，腐殖酸钠20％～40％，聚丙烯酰胺10％～50％，各组分之和为100％。
6.根据权利要求1所述含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法，其特征在于，步骤S2中，强力混合过程，搅拌转速为1000～2000rpm、搅拌时间2～4min。
7.根据权利要求1所述含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法，其特征在于，步骤S2中，高压辊磨过程，水分为7％～8％，辊磨压力为0.5～2.0N/mm2；
步骤S2中，润磨过程，润磨水分为7％～8％，润磨时间3～5min。
8.根据权利要求1所述含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法，其特征在于，步骤S3中，采用圆盘造球机进行造球，造球水分为12％～14％，造球时间为10～14min，所制备生球的粒度为16～20mm。
9.根据权利要求1所述含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法，其特征在于，所述步骤S3中，生球干燥的温度为200～400℃，干燥的风速为0.8～1.2m/s，干燥的时间为6～10min。
10.根据权利要求1所述含锌粉尘微波氢还原脱锌的方法，其特征在于，所述步骤S4中，微波频率2400～2500MHZ、功率为3～6KW；干球还原的时间为40～100min，还原温度为800～1000℃，气体流速10～30L/min。
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