CN115779844B

CN115779844B - 一种熔渣反应器及熔渣方法

Info

Publication number: CN115779844B
Application number: CN202310086376.8A
Authority: CN
Inventors: 于常军; 王麒; 宋作玉
Original assignee: Yuanchu Technology Beijing Co Ltd
Current assignee: Yuanchu Technology Beijing Co Ltd
Priority date: 2023-02-09
Filing date: 2023-02-09
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2043-02-09
Also published as: CN115779844A

Abstract

本发明涉及钢渣处理设备技术领域，尤其是涉及一种熔渣反应器及熔渣方法，包括机架、卧式筒体、进料机构、出料机构和传动机构，卧式筒体通过传动机构转动设置在机架上，沿卧式筒体的轴向方向，进料机构和出料机构相对设置在卧式筒体的两端，并分别与卧式筒体连通；卧式筒体的内侧壁上设置有多个尖刺和多个折流挡板，尖刺沿卧式筒体的内侧壁环形均匀分布，折流挡板交错设置在卧式筒体的内侧壁上。本发明的熔渣反应器增加了混合浆液的分散作用，避免了浸取过程中颗粒表面惰性层的产生，增加了萃取溶液扩散到颗粒表面的几率，提高了元素浸取效率。该反应器结构简单，易于进行工业化放大，在大规模工业化生产方面具有可观的前景。

Description

一种熔渣反应器及熔渣方法

技术领域

本发明涉及钢渣处理设备技术领域，尤其是涉及一种熔渣反应器及熔渣方法。

背景技术

自然界和工业固废中的含钙、镁原料中的钙、镁元素主要以氧化物（包括氢氧化物）和硅酸盐的形式存在，前者典型如电石渣（主要成分为氧化钙/氢氧化钙），这类物质具有较强的碱性以及反应活性。然而，自然界和工业固废中更多的含钙、镁原料中的钙、镁主要以硅酸盐的形式存在，例如富含镁的橄榄石、蛇纹石等，富含钙的硅灰石，工业固废中的钢渣、煤渣、废弃混凝土等。由于硅酸盐的化学性质稳定，工业排放的CO₂很难直接与其进行反应得到碳酸钙，且直接进行反应得到的碳酸盐混杂在原料中，也难以分离得到真正有价值的产品。

近年来，我国钢铁工业快速发展，钢渣产量大幅增加。据国家统计局数据，2020年我国粗钢产量达到10.65亿吨，位列全球第一；炼钢过程中产生的钢渣约为1.20亿吨，累计堆存量超10亿吨。大量钢渣堆存，不仅占用土地资源，还给生态环境带来了较大安全隐患。当前，合理利用钢铁固废是我国开展资源综合利用的关键之一，而加快钢渣利用也成为全社会的共识。

针对废弃钢渣的处理，以含钙冶金废渣为钙源，氯化铵溶液为反应溶剂，通过浸出和碳化两步反应的间接矿物碳酸化工艺得到了广泛的关注。这是由于该反应无需除杂工艺，且反应后能够得到具有商业价值的高纯轻质碳酸钙产品。

然而，目前针对钢渣浸取的专有设备鲜有报道，工业上普遍采用带有搅拌装置的反应釜对钢渣进行浸取处理，但该方法钢渣浸出率较低，浸出时间长，同时氯化铵溶液处理钢渣存在浸出钝化问题。为了解决上述问题，申请号为CN105197975A的中国发明专利公开了一种利用转炉钢渣制备轻质碳酸钙的方法，在浸出过程中采用微波辐照作为辅助手段，虽然该方法利用微波场大大缩短了浸出时间，但反应过程中反应体系温度上升明显，反应一段时间后溶液沸腾，从而容易导致反应体系发生改变，并且反应过程中能耗较大，钢渣成分复杂，物相多变，破碎难易程度不同，这为钢渣的处理带来了不确定性。

鉴于此，开发一种用于钢渣矿化的新型熔渣反应器，是本领域技术人员亟需解决的一项技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种熔渣反应器及熔渣方法，该熔渣反应器显著提高了钢渣浸出率，解决了钢渣浸取过程存在的浸出钝化问题。

第一方面，本发明提供一种熔渣反应器，包括机架、卧式筒体、进料机构、出料机构和传动机构，所述卧式筒体通过所述传动机构转动设置在所述机架上，沿所述卧式筒体的轴向方向，所述进料机构和所述出料机构相对设置在所述卧式筒体的两端，并分别与所述卧式筒体连通；所述卧式筒体的内侧壁上设置有多个尖刺和多个折流挡板，所述尖刺沿所述卧式筒体的内侧壁环形均匀分布，所述折流挡板交错设置在所述卧式筒体的内侧壁上。

作为本技术方案优选地，所述卧式筒体包括内筒反应器和控温夹套，所述控温夹套密封套设在所述内筒反应器外侧；所述尖刺沿所述内筒反应器的内侧壁环形均匀分布，所述折流挡板交错设置在所述内筒反应器的内侧壁上。

作为本技术方案优选地，所述内筒反应器的长径比（6-10）：1。

作为本技术方案优选地，所述折流挡板为扇形挡板，所述扇形挡板与所述内筒反应器的半径比为（1.2-1.5）：1，且所述扇形挡板的圆心角为120-150^o。

作为本技术方案优选地，所述进料机构包括浆料混合罐和搅拌器，所述搅拌器设置在所述浆料混合罐的内部，所述浆料混合罐呈倒锥形结构，且所述浆料混合罐的底部与所述内筒反应器连通。

作为本技术方案优选地，所述出料机构包括出料缓冲罐和超声波探头，所述出料缓冲罐贯通设置在所述内筒反应器远离所述浆料混合罐的一端，所述超声波探头设置在所述出料缓冲罐上，且所述超声波探头可延伸至所述出料缓冲罐的内部。

作为本技术方案优选地，所述出料缓冲罐的顶部和底部分别对应开设有出料口和卸料口，且所述出料口的前端设置有过滤网。

作为本技术方案优选地，所述传动机构包括齿轮圈、齿轮、电动机和减速器，所述齿轮圈环绕设置在所述控温夹套的外侧，所述齿轮圈与所述齿轮相啮合，所述电动机和所述减速器固设在所述机架上，并用于驱动所述齿轮转动。

第二方面，本发明还公开了使用上述述熔渣反应器熔渣的方法，也理应属于本发明的保护范围，该方法具体包括以下步骤：

S1、将钢渣与氯化铵溶液在进料机构中混合后通入内筒反应器内，卧式筒体开始旋转；

S2、通过控温夹套控制内筒反应器内混合浆液的温度，并在出料缓冲罐开启超声；

S3、反应后浆液经过滤泵入矿化塔，矿化塔中产生的氯化铵溶液返回至进料机构循环使用。

作为本技术方案优选地，所述钢渣的粒径为20-200目，所述混合浆液的温度为35-90℃。

本发明的熔渣反应器，至少具有以下技术效果：

1、本发明熔渣反应器中的卧式筒体通过传动机构转动设置在机架上，并且卧式筒体的内侧壁上设置有多个尖刺和多个折流挡板，在卧式筒体旋转的过程中，混合浆液会与尖刺及折流挡板发生碰撞，进而增加了混合浆液的分散作用，延长了钢渣与浸取液的作用时间，避免了浸取过程中颗粒表面惰性层的产生，增加了萃取溶液扩散到颗粒表面的几率，提高了元素浸取效率；

2、本发明熔渣反应器中的进料机构设置在卧式筒体的一端，可实现钢渣与浸取剂的预混，降低卧式筒体浸取过程的能耗，缩短浸出时间，减少浸出钝化问题；

3、本发明熔渣反应器中的出料机构中设置有超声波探头，可进一步提高混合浆液的分散效果，从而提高元素浸取率，同时在出料机构的出料口处设置有过滤网，可控制浸取残渣粒径均一，便于后续过滤分离操作；

4、本发明熔渣反应器设备结构简单，反应过程可控，易于进行工业化放大，在大规模工业化生产方面具有可观的前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为本发明熔渣反应器的示意图。

1：机架；2：尖刺；3：折流挡板；4：内筒反应器；5：控温夹套；6：浆料混合罐；7：搅拌器；8：出料缓冲罐；9：超声波探头；10：出料口；11：卸料口；12：过滤网；13：齿轮圈；14：齿轮；15：电动机；16：温度传感器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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

如图1所示，本实施例提供一种熔渣反应器，包括机架1、卧式筒体、进料机构、出料机构和传动机构，所述卧式筒体通过所述传动机构转动设置在所述机架1上，沿所述卧式筒体的轴向方向，所述进料机构和所述出料机构相对设置在所述卧式筒体的两端，并分别与所述卧式筒体连通；所述卧式筒体的内侧壁上设置有多个尖刺2和多个折流挡板3，所述尖刺2沿所述卧式筒体的内侧壁环形均匀分布，所述折流挡板3交错设置在所述卧式筒体的内侧壁上。

钢渣的矿物相组成主要为硅酸二钙（Ca₂SiO₄）、硅酸三钙（Ca₃SiO₅）、钙镁蔷薇辉石（3CaO·RO·2SiO₂）、钙镁橄榄石（CaO·RO·SiO₂）、铁酸钙（Ca₃Fe₂O₅）、钙镁等元素的游离氧化物（如f-CaO和f-MgO等）和熔有二价金属氧化物形成的固溶体（RO相）等，使用氯化铵溶液进行钙源浸取和矿化时涉及到的化学反应方程式如下：

2CaO·SiO₂(s)+4NH₄Cl(a)→2CaCl₂(a)+ SiO₂(s) ↓+ 4NH₃(a)+2H₂O(l)

2CaCl₂(a)+2CO₂(g)+4NH₃(a)+4H₂O(l)→2CaCO₃(s)↓+4NH₄Cl(a)

从反应机理和实际反应过程上看，限制钙的浸取转化率一个重要原因是惰性层（如SiO₂沉淀）在反应物表面的沉积限制了萃取溶液扩散到颗粒中，在提取过程中，沉积在颗粒表面的惰性层抑制了颗粒表面与浸取溶液的接触，进而抑制了浸取溶液与钢渣中钙的接触，从而导致转化的退化。

针对上述降低钙浸取转化率的原理，本实施例提出的熔渣反应器包括机架1、卧式筒体、进料机构、出料机构和传动机构，其中，进料机构设置在卧式筒体的一端，可实现钢渣与浸取剂的预混，降低卧式筒体浸取过程的能耗，缩短浸出时间，减少浸出钝化问题；而卧式筒体通过传动机构转动设置在机架1上，并且卧式筒体的内侧壁上设置有多个尖刺2和多个折流挡板3，在卧式筒体旋转的过程中，混合浆液会与尖刺2及折流挡板3发生碰撞，进而增加了混合浆液的分散作用，延长了钢渣与浸取液的作用时间，避免了浸取过程中颗粒表面惰性层的产生，增加了萃取溶液扩散到颗粒表面的几率，提高了元素浸取效率；此外，出料机构中设置有超声波探头9，可进一步提高混合浆液的分散效果，从而提高元素浸取率，同时在出料机构的出料口10处设置有过滤网12，可控制浸取残渣粒径均一，便于后续过滤分离操作。

为便于对卧式筒体内混合浆液温度的控制及调节，本实施例中的卧式筒体包括内筒反应器4和控温夹套5，所述控温夹套5密封套设在所述内筒反应器4外侧，控温夹套5内可通入水或导热油等循环液，通过加热循环液实现对内筒反应器4内混合浆液温度的调节，而为实时监测内筒反应器4内混合浆液的问题，在内筒反应器4上还设置有温度传感器16，温度传感器16的探测端延伸至内筒反应器4的内部；而所述尖刺2沿所述内筒反应器4的内侧壁环形均匀分布，所述折流挡板3交错设置在所述内筒反应器4的内侧壁上，内筒反应器4旋转过程中，混合浆液通过与尖刺2和折流挡板3的碰撞，以避免惰性层的形成，提高元素浸取效率和浸取率。

在一具体的实施例中，所述内筒反应器4的长径比（6-10）：1，并优选为8:1；所述折流挡板3为扇形挡板，所述扇形挡板与所述内筒反应器4的半径比为（1.2-1.5）：1，且所述扇形挡板的圆心角为120-150^o。

在上述技术方案的基础上，所述进料机构具体包括浆料混合罐6和搅拌器7，所述搅拌器7设置在所述浆料混合罐6的内部，所述浆料混合罐6呈倒锥形结构，且所述浆料混合罐6的底部与所述内筒反应器4连通。浆料混合罐6垂直与内筒反应器4的轴向方向设置在卧式筒体的一端，在浆料混合罐6中可实现钢渣与浸取剂的预混，进而降低卧式筒体浸取过程的能耗，缩短浸出时间，减少浸出钝化问题。

在上述技术方案的基础上，进一步，所述出料机构具体包括出料缓冲罐8和超声波探头9，所述出料缓冲罐8贯通设置在所述内筒反应器4远离所述浆料混合罐6的一端，所述超声波探头9设置在所述出料缓冲罐8上，且所述超声波探头9可延伸至所述出料缓冲罐8的内部，超声波探头9的设置可进一步补偿出料缓冲槽对混合浆液的分散作用，减少惰性层的产生。并且出料缓冲罐8独立设置在内筒反应器4的一端，出料或卸料过程中不会影响内筒反应器4的运转，可实现连续运行，这里的超声波探头9可以设置一个或多个。

具体地，所述出料缓冲罐8的顶部和底部分别对应开设有出料口10和卸料口11，且所述出料口10的前端设置有过滤网12，其中，出料口10用于排出浆液，而卸料口11用于排出内筒反应器4底部富集的渣料，而出料口10处设置的过滤网12，可控制浸取残渣粒径均一，便于后续过滤分离操作。

在上述技术方案的基础上，进一步优选地，所述传动机构具体包括齿轮圈13、齿轮14、电动机15和减速器，所述齿轮圈13环绕设置在所述控温夹套5的外侧，所述齿轮圈13与所述齿轮14相啮合，所述电动机15和所述减速器固设在所述机架上，并用于驱动所述齿轮14转动。

进一步，与传动机构对应的，在机架上还设置有转动支撑机构，以用于卧式筒体旋转时，支撑卧式筒体转动。具体地，转动支撑机构可以为机架上设置的一组或多组滚轮，以减少卧式筒体转动时的摩擦力，降低能耗。

实施例2

使用上述最为优选的熔渣反应器处理来自河北某钢厂的钢渣，以熔融X射线荧光光谱分析测定该钢渣的主要组成，如表1所示。

表1 钢渣主要元素组成

化合物	氧化铝（Al2O3）	二氧化硅（SiO2）	氧化铁（Fe2O3）	氧化钙（CaO）	氧化镁（MgO）	其他
							含量（wt%）	1.11	11.1	35.43	38.11	8.23	6.02

S1、将钢渣研磨至50目，取10kg上述钢渣粉末加入到52.15Kg质量分数为20%的氯化铵溶液，在浆料混合罐6内混合后经进料口加入到卧式筒体的内筒反应器4（直径22cm，长197cm）中，卧式筒体以50rpm开始旋转；

S2、通过控温夹套5控制混合浆液的温度为40℃，待出料缓冲槽达到一定液位后开启超声，超声功率为200W，过滤网12的孔径为200目，反应1h；

S3、反应完成后，浆液经出料口10排出后过滤，过滤清液泵入到矿化塔（气升式环流反应器），并向矿化塔内通入电厂烟气，其CO₂体积分数为12%，反应生成碳酸盐沉淀及氯化铵溶液，氯化铵溶液再次返回至浆料混合罐6中循环使用；

将碳酸盐沉淀过滤分离，经干燥得到碳酸盐产品，其中，碳酸钙含量为97.74%，碳酸镁含量为2.26%，中位径（D50）为2.1 μm，白度96.8，钢渣中钙的提取率为98.7%，镁的提取率为9%。

实施例3

所处理钢渣原料同实施例2，此实施例采取连续反应方式进行。

S1、将钢渣研磨至100目，将上述钢渣粉末和质量分数为20%的氯化铵溶液分别以100kg/h和521.5Kg/h的投料速度加入到浆料混合罐6中，在浆料混合罐6内混合后经进料口加入到卧式筒体的内筒反应器4（直径105cm，长425cm）中，卧式筒体以100rpm开始旋转；

S2、通过控温夹套5控制混合浆液的温度为60℃，待出料缓冲槽达到一定液位后开启超声，超声功率为100W，过滤网12的孔径为200目；

S3、反应完成后，浆液经出料口10溢出后过滤，过滤清液泵入到矿化塔（气升式环流反应器），并向矿化塔内通入水泥厂废气，其CO₂体积分数为32%，反应生成碳酸盐沉淀及氯化铵溶液，氯化铵溶液再次返回至浆料混合罐6中循环使用；

将碳酸盐沉淀过滤分离，连续生产经干燥得到碳酸盐产品为66kg/h，其中碳酸钙含量为98.69%，碳酸镁含量为1.31%，中位径（D50）为1.4 μm，白度97.3，钢渣中钙的提取率为95.7%，镁的提取率为5%。

对照例

采用传统熔渣反应器处理实施例1的钢渣原料，具体处理方法如下：

S1、将钢渣研磨至50目，向带有搅拌装置的反应釜内加入10kg上述钢渣粉末和52.15Kg质量分数为20%的氯化铵溶液；

S2、控制混合浆液的温度为40℃，反应2h；

S3、反应完成后，浆液经出料口排出后过滤，过滤清液泵入到矿化塔（气升式环流反应器），并向矿化塔内通入电厂烟气，其CO₂体积分数为12%，反应生成碳酸盐沉淀及氯化铵溶液，氯化铵溶液再次返回至浆料混合罐中循环使用；

将碳酸盐沉淀过滤分离，经干燥得到碳酸盐产品，其中，碳酸钙含量为97.21，碳酸镁含量为2.79，中位径（D50）为4.5，白度96.5，钢渣中钙的提取率为60.2%，镁的提取率为1.7%。

实施例2-3及对照例所得碳酸盐产品质量详见表2。

表2实施例2-3及对照例所得碳酸盐产品质量

	碳酸钙含量%	碳酸镁含量%	中位径 μm	白度	钙提取率%	镁提取率%
							实施例2	97.74	2.26	2.1	96.8	98.7	9
实施例3	98.69	1.31	1.4	97.3	95.7	5
							对照例	97.21	2.79	4.5	96.5	60.2	1.7

综上，使用本发明的熔渣反应器用于钢渣矿化，不仅缩短了浸出时间，提高了钢渣浸出率，而且反应能够得到具有商业价值的高纯轻质碳酸钙产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种熔渣反应器熔渣的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将钢渣与氯化铵溶液在进料机构中混合后通入内筒反应器（4）内，卧式筒体开始旋转；

S2、通过控温夹套（5）控制内筒反应器（4）内混合浆液的温度，并在出料缓冲罐（8）开启超声；

S3、反应后浆液经过滤泵入矿化塔，矿化塔中产生的氯化铵溶液返回至进料机构循环使用；

所述熔渣反应器包括机架（1）、卧式筒体、进料机构、出料机构和传动机构，所述卧式筒体通过所述传动机构转动设置在所述机架（1）上，沿所述卧式筒体的轴向方向，所述进料机构和所述出料机构相对设置在所述卧式筒体的两端，并分别与所述卧式筒体连通；

所述卧式筒体的内侧壁上设置有多个尖刺（2）和多个折流挡板（3），所述尖刺（2）沿所述卧式筒体的内侧壁环形均匀分布，所述折流挡板（3）交错设置在所述卧式筒体的内侧壁上；

所述内筒反应器（4）的长径比（6-10）：1；

所述折流挡板（3）为扇形挡板，所述扇形挡板与所述内筒反应器（4）的半径比为（1.2-1.5）：1，且所述扇形挡板的圆心角为120-150度；

所述进料机构包括浆料混合罐（6）和搅拌器（7），

所述搅拌器（7）设置在所述浆料混合罐（6）的内部，所述浆料混合罐（6）呈倒锥形结构，且所述浆料混合罐（6）的底部与所述内筒反应器（4）连通；

所述出料机构包括出料缓冲罐（8）和超声波探头（9），

所述出料缓冲罐（8）贯通设置在所述内筒反应器（4）远离所述浆料混合罐（6）的一端，

所述超声波探头（9）设置在所述出料缓冲罐（8）上，且所述超声波探头（9）可延伸至所述出料缓冲罐（8）的内部；

所述出料缓冲罐（8）的顶部和底部分别对应开设有出料口（10）和卸料口（11），且所述出料口（10）的前端设置有过滤网（12）；

所述卧式筒体包括内筒反应器（4）和控温夹套（5），所述控温夹套（5）密封套设在所述内筒反应器（4）外侧；

所述尖刺（2）沿所述内筒反应器（4）的内侧壁环形均匀分布，所述折流挡板（3）交错设置在所述内筒反应器（4）的内侧壁上；

出料缓冲罐（8）独立设置在内筒反应器（4）的一端，出料或卸料过程中不会影响内筒反应器（4）的运转。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传动机构包括齿轮圈（13）、齿轮（14）、电动机（15）和减速器，

所述齿轮圈（13）环绕设置在所述控温夹套（5）的外侧，所述齿轮圈（13）与所述齿轮（14）相啮合，所述电动机（15）和所述减速器固设在所述机架（1）上，并用于驱动所述齿轮（14）转动。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢渣的粒径为20-200目，所述混合浆液的温度为35-90℃。