CN115505745A - 利用钢渣质热耦合技术处理烧结工序除尘灰的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用钢渣质热耦合技术处理烧结工序除尘灰的方法，涉及钢渣质热耦合技术与钢铁企业烧结工序产生的工艺除尘灰资源化利用两个技术领域。发明人利用转炉钢渣热态性质，将烧结机尾除尘灰经过处理后与转炉钢渣混合，利用高温钢渣回收烧结除尘灰中的铁元素与重金属铅，作为转炉冶炼易切削钢的重要原料，尾渣则作为建材或道路建设材料资源化利用，尾渣中有害物质成矿封存，达到无害化处理的工艺目的，彰显技术创新的力量。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用钢渣质热耦合技术处理烧结工序除尘灰的方法，涉及钢渣质热耦合技术与钢铁企业烧结工序产生的工艺除尘灰资源化利用两个技术领域。
背景技术
我国钢铁生产以高炉-转炉长流程为主，烧结矿约占高炉炉料的70%～75%。在烧结过程中粉尘的产生量约占烧结矿总量的1%～2%。在烧结过程中产生的除尘灰，分为工艺除尘灰和环境除尘灰两大类。
烧结工艺除尘灰分为机头除尘灰和机尾除尘灰两种。我国钢铁工业规模庞大，不同钢铁厂烧结配料不同，产生的烧结除尘灰成分也不尽相同，但基本类似，西北某厂的烧结工艺灰的成分见下表：
从上表可知，烧结工艺除尘灰的基本特点是Pb、Zn、K、Na含量高，这些元素是影响高炉顺行的有害物质，所以烧结工艺除尘灰的资源化利用是行业的难题。查阅文献（1）郭玉华，马忠民，王东锋等人在2014年第1期《烧结球团》杂质上公布了题为“烧结除尘灰资源化利用新进展”的论文。文中有“当前，国内烧结除尘灰绝大部分还是返回烧结利用，由于其固有的弊端，其中的有害元素没有路径排出，必将对烧结矿质量，进而对高炉炼铁造成负面影响。”的内容表述；（2）康凌晨，张垒，张大华等人在2015年第3期《工业安全与环保》杂志上公布了题为“烧结机头电除尘灰的处理与利用”的论文，文中有“当前，烧结机头电除尘灰的处理与利用已经取得了很多进展，但仍存在不少问题。整体上讲，现有技术对除尘灰的处理缺乏系统的解决方案，对于各种金属资源的利用局限于某个点而缺少对多种资源同时利用的统一考虑和合理化方案。”的内容表述；（3）彭程，范建峰在2019年第2期《钢铁》杂志上公布了题为“宝钢转底炉工艺技术发展”的论文，文中有“钢铁生产工艺过程中，会产生大量的尘泥，每生产1 t钢材要产生超过100 kg 的含铁尘泥。这些尘泥中含有大量有价值的铁资源，但尘泥中也含有锌、钾、钠、铅和氯等有害元素，如果直接返回钢铁生产主工艺中会给钢铁生产带来较大危害，有必要将这些有害杂质去除后再返回到钢铁生产工艺中。转底炉工艺通过高温固态还原反应可以有效脱除尘泥中的锌、钾、钠、铅和氯等有害元素，生产的DRI返回钢铁生产，产生的蒸汽返回生产蒸汽管网，生产的锌粉作为锌冶炼原料，实现了含铁含锌尘泥资源综合利用。”的内容表述。
钢渣是炼钢过程中的副产物，含有大量的余热难以利用，并且钢渣碱度较高，钢渣中过高的f-CaO影响了钢渣资源化利用的安全性。目前利用钢渣改质技术解决钢渣稳定性的研究已经很多，但是利用钢渣改质技术协同固废处理的技术还没有开展。查阅文献（1）许莹，王巧玲，胡晨光，张孜孜在2019年第2期《矿产综合利用》杂志上公布了题为“液态钢渣在线重构技术研究进展”的论文，文中有：“本文简述了钢渣的的特性及存在的问题，并重点综述液态钢渣在线重构中调质组分、温度制度、冷却制度、气氛制度、均混制度、工艺设备以及热力学与动力学研究对重构钢渣胶凝活性和体积安定性的影响；最后针对于钢渣在线重构所存在的问题及钢铁行业中较先进的技术展望钢渣在线重构的发展趋势。”，文中没有提及利用钢渣处理拜耳赤泥的内容；（2）周勇，陈伟在2010年第2期《余热锅炉》杂志上，公布了题为“高温熔融钢渣显热回收分析”的论文，文中有：“受制于生产工艺流程及后续利用的要求，钢渣显热回收技术开发难度极大。国外从上世纪70年代开始相关研究和实验，目前还处于工业实验阶段，尚未实现工业应用。”的内容表述。
综上所述，目前行业还没有利用钢渣质热耦合技术资源化利用烧结工艺除尘灰的工艺方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用钢渣质热耦合技术处理烧结工序除尘灰的方法，利用转炉钢渣热态性质，将烧结机尾除尘灰经过处理后与转炉钢渣混合，对尾渣中有害物质成矿封存，达到无害化处理的目的。
本发明采用的技术方案是，一种利用钢渣质热耦合技术处理烧结工序除尘灰的方法，按照下列步骤实施：1）、将烧结除尘灰与石墨混合均匀后装袋，每袋10kg，拉运到转炉出渣工艺点待用；其中石墨质量为烧结除尘灰质量的5%，石墨中碳含量大于80%、粒度小于1mm；2）、转炉吹炼结束开始倒渣时，随出渣的渣流加入上述袋装物料，其中炉渣渣温较高时，按照吨渣10～150kg加入；炉渣温度偏低时，按照吨渣50～100kg加入；3）、出渣结束后，将这一渣罐使用行车吊起到渣处理区域，静止保持120min以上，按照传统的热泼渣工艺处理；4）、渣处理结束后在破碎筛分磁选生产线上筛分磁选回收含铅含铁的金属元素，剩余的尾渣作为建材、水泥生产、路桥建设等领域的原料资源化利用，重点应用于钢渣制砖项目。
本发明研究了高温钢渣和烧结工艺除尘灰的特点，首次提出“钢渣质热耦合技术”的工艺概念，即“高温钢渣所含有的热，能影响钢渣的化学性质和物理性质。反之在改变钢渣化学性质的同时，能够影响系统内钢渣的温度，即钢渣的性质和温度相互影响。在一定的温度条件下，通过改变钢渣的物理性质和化学性质，实现钢渣化学组分的价值挖掘利用和热能的利用，我们称为钢渣质热耦合技术。”
我们研究了烧结工艺除尘灰的特点和高温转炉钢渣的特点后发现：（1）转炉钢渣中含有部分碳含量在0.2%-4%的小铁珠，弥散在钢渣中，能够与烧结除尘灰中的重金属化合物发生反应，消除烧结工艺除尘灰中重金属元素可能存在的潜在污染因素；（2）烧结除尘灰含有的铅以不同的化合物的形式存在，在转炉热态钢渣中加入烧结工艺除尘灰和碳元素，以碳元素作为烧结除尘灰的强还原剂，还原回收烧结除尘中的铁元素和铅元素，而且能够促进钢渣和烧结工艺除尘灰中铁元素的回收；（3）烧结除尘灰中的CaO能够与液态钢渣中的铁酸钙、硅酸钙等物质反应，钢渣中的f-CaO也能够与烧结除尘灰中的Al2O3、SiO2、Na2O等物质反应，形成新的矿物组织，降低转炉钢渣中f-CaO的含量，提高尾渣水化反应活性，用于生产钢渣透水砖，具有重量轻，性能优异的特点；（4）烧结除尘灰与转炉渣发生重构反应后，性质与转炉钢渣的性质接近，都具有了胶凝材料的性质，在资源化利用后形成水化反应产物，进一步形成新的矿物组织，这样烧结工艺除尘灰中残留的有害物质实现成矿封存，消除了对于环境危害的潜在因素，实现了烧结除尘的无害化转化。
本发明以烧结除尘为主原料，添加5%的石墨（碳含量大于80%，粒度小于1mm）搅拌均匀，按照每吨转炉钢渣加入50～150kg烧结工艺除尘灰的量，在转炉出渣过程中随渣流加入转炉渣罐中，或者在转炉出渣结束后，渣车开到渣处理区域，利用装载机将烧结工艺除尘灰加入装有液态钢渣的渣罐，然后渣罐静置120min后，钢渣按照热泼渣的工艺处理。钢渣在处理后，分离钢渣中的金属元素和铁磁性材料，作为冶金原料回用，尾渣作为建材、水泥、道路建设等领域的原料资源化利用，尤其适合于钢渣砖的生产。
本发明的创新点：
本发明的创新点有以下的几点：
（1）发明人利用液态转炉钢渣熔解烧结除尘灰，实现转炉钢渣的液态调质反应的同时，将烧结除尘灰中Pb转化为金属态，在高温钢渣中以金属态凝固或与液态铁珠互溶后凝固，在钢渣的破碎、加工、磁选工序被回收，作为冶炼易切削钢的原料资源化利用。
（2）本发明添加在烧结工艺除尘灰中添加石墨，在还原烧结除尘灰和钢渣中的重金属氧化物的同时，产生的气体对于渣罐中的泡沫渣起到消泡作用，这一反应为吸热反应，促进钢渣温度降低和粘度增加，避免铅以蒸汽的形式向环境大气中扩散，起到安全富集金属铅的工艺目的，同时最大限度的回收了钢渣与烧结除尘灰中的铁元素。
（3）烧结除尘灰中的CaO，在烧结过程中经过再次高温煅烧后，晶粒粗大，水化反应缓慢，这表现在烧结工艺除尘回用烧结配料产生的疏水性强，难以造粒的工艺特点，与钢渣中的f-CaO性质接近。烧结除尘灰中加入到转炉钢渣中，烧结除尘灰中CaO在液态钢渣中，能发生二次成渣反应，形成硅酸盐和其它各种化合物，消除烧结除尘中CaO作为建材资源化利用引起的负面作用。
（4）烧结除尘灰中的碱金属能够形成稳定的化合物，存在于钢渣中，没有参与反应的Na2O、K2O在尾渣中资源化利用时，能够起到钢渣水化反应活性激发剂的作用，能够提高钢渣胶凝材料的前期强度，有利于钢渣资源化利用的推广；
（5）此项发明产生的尾渣，由于重金属元素含量低，所以重量减轻，生产的钢渣砖同比减少20%的重量，有利于钢渣透水砖的生产和推广。
（6）以上的创新组合优化了钢渣的胶凝性质，钢渣资源化利用后，水化反应形成的水化反应产物，起到成矿封存有害物质的功能，消除了烧结除尘灰中残留在尾渣中的有害物质对于环境的危害。
本发明的技术原理：
（1）转炉液态钢渣是一个离子-分子共存的体系。烧结除尘加入到液态钢渣中，烧结除尘灰中低熔点的氧化铅、氧化钠、氧化钾等解离为金属阳离子和自由氧阴离子，在钢渣的冷却过程中能够发生系列的钢渣重构反应，其中典型的反应如下：
Na2O+SiO2= Na2O·SiO2（熔点1088℃）
Na2O+Al2O3+SiO2=Na2O·Al2O3·SiO2（熔点1560℃）
Na2O+Al2O3+8CaO=8CaO·Na2O·Al2O3
2Na2O+5Al2O3+3CaO=3CaO·2Na2O·5Al2O3
Na2O+3CaO+6SiO2= Na2O·3CaO·6SiO2
2Na2O+ CaO+3SiO2=2Na2O·CaO·3SiO2
其中8CaO·Na2O·Al2O3、3CaO·2Na2O·5Al2O3、2Na2O·CaO·3SiO2、Na2O·3CaO·6SiO2、Na2O·2CaO·3SiO2熔点均低于1540℃。
以上的反应能够将烧结除尘灰中的CaO、Al2O3、MgO、SiO2、Na2O、K2O转化为具有胶凝材料性质的矿物，消除了烧结除尘灰疏水性强的弱点。
（2）烧结除尘灰中的CaO能够与钢渣中的铁酸钙反应，形成正铁酸钙，减少了尾渣中流逝的铁元素，也降低了转炉渣的密度。其重构反应如下：
CaO·Fe2O3+CaO=2CaO·Fe2O3
（3）烧结除尘灰中加入的碳元素，能够与烧结除尘灰中的铅和钢渣中的氧化铁发生反应，形成金属单质在钢渣中沉降，凝固后以金属态存在于钢渣中，能够在渣处理工序被筛分回收、或磁选回收，其中主要的反应如下：
PbO+C=Pb + CO
FeO+C=Fe + CO
（4）转炉钢渣中的f-CaO，能够烧结除尘灰中的铁酸锌、CaO、Al2O3、MgO、SiO2、Na2O、K2O等物质反应，形成新的矿物组织，提高了转炉钢渣资源化利用的安全性。
本发明的有益作用如下：
（1）目前烧结除尘规模化利用工艺是建设转底炉工程或者竖炉工程，对于烧结除尘灰造球后实施高温煅烧工艺，在对于球团脱铅、脱锌、脱除钾钠的工艺任务后，返回烧结资源化利用。这两种工艺装备投资大，占地多，配套工艺环节多，建设周期长。本项目利用炼钢的现有设备实施钢渣质热耦合技术协同处理烧结工艺除尘灰，投资不足转底炉项目的百分之一，适用于紧凑型钢厂和中小型钢铁企业解决烧结除尘灰的资源化利用难题；
（2）本项目在资源化利用烧结除尘灰的同时，能够优化转炉钢渣的性能，增加从钢渣中磁选回收钢渣精粉的含铁品位。发明人在伊钢实施此项技术后，钢渣精粉的品位提升到58%以上，达到行业最高水平；
此项发明实施后，钢渣的稳定性和重量减轻，更加有利于尾渣的资源化利用。利用本发明产生的尾渣生产钢渣透水砖，重量同比减少20%以上，综合性能优异。
具体实施方式
本发明以某厂70吨转炉生产线为例说明。该转炉生产线转炉吨钢渣量110kg，每炉钢渣量为7.7吨，冶炼过程中的出钢温度为1630℃，钢渣温度在1680～1780℃。一种利用钢渣质热耦合技术处理烧结工序除尘灰的方法，按照下列步骤实施：1）、将烧结除尘灰与石墨混合均匀后装袋，每袋10kg，拉运到转炉出渣工艺点待用；其中石墨质量为烧结除尘灰质量的5%，石墨中碳含量大于80%、粒度小于1mm；2）、转炉吹炼结束开始倒渣时，随出渣的渣流加入上述袋装物料，其中炉渣渣温较高时—渣温大于1600℃，按照吨渣10～150kg加入；炉渣温度偏低时—渣温低于1600℃，按照吨渣50～100kg加入；3）、出渣结束后，将这一渣罐使用行车吊起到渣处理区域，静止保持120min以上，按照传统的热泼渣工艺处理；4）、渣处理结束后在破碎筛分磁选生产线上筛分磁选回收含铅含铁的金属元素，剩余的尾渣作为建材、水泥生产、路桥建设等领域的原料资源化利用，重点应用于钢渣制砖项目。
Claims (1)
1.一种利用钢渣质热耦合技术处理烧结工序除尘灰的方法，其特征在于按照下列步骤实施：1）、将烧结除尘灰与石墨混合均匀后装袋，每袋10kg，拉运到转炉出渣工艺点待用；其中石墨质量为烧结除尘灰质量的5%，石墨中碳含量大于80%、粒度小于1mm；2）、 转炉吹炼结束开始倒渣时，随出渣的渣流加入上述袋装物料，其中炉渣渣温较高时，按照吨渣10～150kg加入；炉渣温度偏低时，按照吨渣50～100kg加入；3）、出渣结束后，将这一渣罐使用行车吊起到渣处理区域，静止保持120min以上，按照传统的热泼渣工艺处理；4）、渣处理结束后在破碎筛分磁选生产线上筛分磁选回收含铅含铁的金属元素，剩余的尾渣作为建材、水泥生产、路桥建设等领域的原料资源化利用，重点应用于钢渣制砖项目。
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