CN1214740A - 处理炼铁和炼钢粉尘的方法及其所用的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于通过将炼铁和炼钢粉尘与活性炭质材料混合,然后在外加热式回转炉中进行还原处理以分离和回收含在该粉尘中的铁及非铁金属,如锌。粉尘和活性炭质材料以1∶0.05－0.3的比率相混合,然后将此混合物和含H2及CO的还原性气体加入外加热式回转炉中。在该炉中用还原气体还原炼铁和炼钢粉尘中的Fe及非铁金属,如Zn,从而使Zn挥发并与固体物质分离。同时产生的水蒸汽及CO2与活性炭质材料反应,从而可将其转变为H2及CO。因而,此炉可含有高还原性气氛。

Description

处理炼铁和炼钢粉尘的方法及其所用的设备
本发明涉及回收在钢铁冶炼工业中所产生的炼铁和炼钢粉尘。本发明尤其是涉及一种处理方法及这种处理所用的设备，其中采用了外加热式的回转炉，而且当这种外加热式的回转炉含有高还原性气氛时，有利于进行锌的还原挥发反应。
在钢铁工业中，产生各种粉尘，如产生于高炉的高炉粉尘、产生于转炉的转炉粉尘及产生电炉的电炉粉尘。这种粉尘的主要成份是氧化铁，它是可在炼铁和炼钢的过程中被回收的。但上述的，在炼铁和炼钢过程中产生的粉尘不仅含有氧化铁，而且还含非铁金属如锌。因而，为回收利用于炼铁和炼钢过程中产生的粉尘，就必须将铁和非铁金属相互分离，然后将它们回收。
如在日本未审专利公开58-141345中所述，在炼铁和炼钢过程中产生的，含有非铁金属组分的粉尘按常规以如下方式处理。当在内加热式的回转炉中，以1000℃-1400℃的温度，将这种粉尘与活性炭质原料，如煤或焦炭一起热处理时，非铁金属，如Zn就被还原，挥发及从粉尘中回收，而这些挥发性的组分在该炉的输出侧又被氧化。此后，这些组分以氧化物的形式用布袋过滤器回收。
当在内加热式回转炉中进行这种处理时，虽然它是一种热处理炉，但其目的是在其中进行还原反应，因而只能在该炉的高温部位得到高还原性气氛。在该炉中的其它部位，仅有弱的还原性气氛，在这些部位只进行从Fe2O3至Fe3O4和FeO的还原反应。结果，在炼铁和炼钢过程中所产生的粉尘的滞留时间变长，因而内加热式的回转炉的尺寸加大，以及设备投资及维修费用增高。为减小这种设备的尺寸，就必须在整座炉子中保持高度的还原性气氛，以便可便于进行粉尘的还原，而且，尤其是，可促进Zn的还原挥发反应。
虽然内加热式回转炉的废气含有约10％的CO，但因其发热值低故被烧掉和放掉。因此必须有效地利用上述废气，如CO，而不是将其烧掉和放掉。
下文将陈述本发明的特点。当用外加热式的回转炉还原于炼铁和炼钢过程中产生的粉尘时(该炉内部保持H2和/或CO的还原性气氛)，事先将活性的炭质原料与这种粉尘混合，然后加于此外加热式的回转炉中，而在还原粉尘的过程中所产生的H2O和/或CO2则因活性炭质材料的作用而被还原。因而，可以减少供往此外加热式回转炉中的还原气体的量，从而易于在该炉中保持高还原性的气氛。
为达到上述目标，将本发明概述如下。
(1)处理炼铁和炼钢粉尘的方法，按此法，将还原性气体供往外加热式回转炉，以便还原这种炼铁和炼钢粉尘，而且还原粉尘中的Zn并使之挥发，该法包括的步骤为：将粉尘与活性炭质原料相互混合；将已混合的粉尘和活性炭质原料加在外加热式的回转炉中，以便还原粉尘及使Zn从此粉尘中挥发并将其回收去除。
(2)符合以上(1)项的处理炼铁和炼钢粉尘的方法，其中在已将粉尘和活性炭质材料相互混合后，将它们造粒成直径为2-15mm的圆球。
(3)符合上述(1)项的处理炼铁和炼钢粉尘的方法，其中在已将粉尘造球之后，将其与活性炭质原料混合，再破碎成直径2-15mm的圆的球团。
(4)符合上述(1)项的处理炼铁和炼钢粉尘的方法，其中在已从外加热式回转炉中收集了粉尘之后，将此废气作为还原气体回收利用。
(5)符合上述(1)项的处理炼铁和炼钢方法，其中活性炭质原料由焦炭和/或非焦煤或弱粘结煤组成。
(6)处理炼铁和炼钢粉尘的设备，当将还原性气体供入外加热的回转炉中时，粉尘在该设备中被还原，而含于粉尘中的Zn被还原和挥发，该设备包括：用于将粉尘造球的造球机；及用于将已成球的粉尘与活性炭质材料混合的混合机，其中此造球机和混合机被置于外加热式的回转炉的前部。
(7)用于处理炼铁和炼钢粉尘的设备，当将还原性气体供于外加热式回转炉中时，粉尘在该设备中还原，而粉尘中所含的Zn则还原和挥发，该设备包括：用于将粉尘和活性炭质料破碎和混合的破碎混合机；及将被破碎和混合粉尘造球的造球机，其中的破碎和混合机及造球机被放置在外加热式的回转炉的前面。
(8)符合上述(6)或(7)项的处理炼钢和炼铁粉尘的设备，它还包括用于将Fe和活性炭质材料与排出物分离，从而从中将它们回收的分离和回收装置。
(9)符合上述(6)或(7)项的处理炼铁和炼钢粉尘的设备，它还包括在已从废气中回收了Zn之后回收利用废气的气体净化器。
图1是流程图，它展示了按本发明使活性炭质料造球和混合的过程。
图2是流程图，它展示了按本发明将活性炭质材料破碎，混合及造球的过程。
图3是展示脱Zn率和本发明还原条件1的处理温度间关系的曲线。
图4是展示脱Zn率和本发明还原条件2的处理温度间关系的曲线。
图5是展示本发明的活性炭质材料造球和混合过程的示意图。
图6是展示本发明的活性炭质料破碎、混合及造球过程的示意图。
按本发明，用外加热式回转炉将整座炉子保持于高还原性气氛中。这种外加热式的回转炉的密封性能很高，而且在该外加热工回转炉中，热源和气源是完全相互分开的。因此，不同于内加热式的回转炉，无需将气氛或氧气供入外加热式回转炉中。因而，易于将整座炉子保持于高还原性气氛中。
外加热式回转炉中的气氛气体是含20-100％H2和/或CO的还原性气体。当H2和/或CO的浓度低于20％时，在不少于90％的氧化铁和氧化锌被还原时，于900℃则需不少于2.0小时的时间。因而，H2和/或CO的浓度小于20％是不起作用的。H2和/或CO的浓度越高，则对还原反应越有利。
谈到气体类型，H2进行的还原反应比CO的快。谈到实际使用的气体，较好是采用钢铁厂中产生的焦炉煤气(约H2:60％,CO:2％)，转炉煤气(约H2:1％,CO:70％)及经不完全燃烧的，用简易方法产生的烃类气体(约H2:50％,CO:30％)。
炉温被控制在700℃-1000℃的范围内。当炉温不高于700℃时，氧化铁的还原反应进行得极慢。因而不希望炉温低于700℃。当炉温不低于1000℃时，则外加热式回转炉的，通常用SUS310S不锈钢或其相当的钢制成的反应管的寿命极差。因而，在不低于1000℃的温度下不可能进行作业。为使炉中的反应和挥发顺利进行，最好将炉温控制在900℃-1000℃的范围内。
关于在炉内进行的反应，作为还原气体的H2和/或CO与氧化铁和氧化锌按下列反应式(1)和(2)进行反应，结果生成金属铁和金属锌。由于金属锌的挥发性很高，所以固体组分挥发，从而使Fe和Zn彼此分离。当炼铁和炼钢粉尘中含Pb和Cd时，这些金属的行为与Zn大致相同。因而，它们按下列反应式(3)和(4)在炉中被还原和挥发。以这种方式将它们从固体中去除。
     (1)
     (2)
       (3)
      (4)
但在上述反应中，产生了氧化性气体H2O和/或CO2。上述的氧化性气体H2O和/或CO2与已还原的，已产生的金属反应，因而干扰了上述还原反应。由于上述原因，为使上述还原反应平稳进行，必须从炉中去除残留的，作为氧化性气体的H2O和/或CO2。当仅借助于供应气体来从炉中去除上述气体H2O和/或CO2时，则需供入大量的气氛气体，即需供入其量不小于每吨粉尘10000Nm3的气氛气体。
在本发明中，为消除上述氧化性气体作用的影响，将活性炭质材料与炼铁和炼钢粉尘一起加于炉中。在该炉中，发生上述还原反应，而作为氧化性气体的H2O和/或CO2，按下列的反应式(5)和(6)与活性炭质材料中所含的碳反应。H2O和/或CO2因此反应而被还原，从而产生H2和/或CO。因而将炉中气氛保持为高还原性气氛，其成分大致与加入气体的成份相同。
    (5)
        (6)
通常用活性炭质材料作还原剂。在内加热式回转炉的情况下，为增强活性炭质材料作为还原剂的使用，内加热式回转炉的废气中的CO浓度约为10％。由于上述原因，自内加热式回转炉中排出的废气的发热值很低。因而，未将低发热值的废气有效地用作还原气体或热源，而是将其烧掉或放掉。
另一方面，在本发明中，用活性炭质材料在炉内重新产生这种气氛气体。结果，无需供入大量还原性气体就可将供入的还原气体保持在高还原性气氛的状态下。因而，在从炉中排放的所产生的气体中已收集了粉尘之后，将该气体用作还原气体或热源。
非焦煤或弱结焦煤和/或焦炭被用作准备与炼铁和炼钢粉尘混合的活性炭质材料。当使用高结焦性煤时，会遇到下列问题。结焦煤中的一部分在热处理过程中液化。因而，阻碍了在上述还原反应中作为还原气体的H2或CO与炼铁和炼钢粉尘中所含金属氧化物接触，而且还阻碍了诸如Zn之类的金属挥发。
下面将陈述使用非焦煤或弱结焦煤及焦炭的特征。在使用非焦煤或弱结焦煤的情况下，与采用焦炭的情况相比，含有大量在加热过程中产生的氢和甲烷，而且挥发的组分起着还原剂的作用。因此，易于还原粉尘中所含的Fe和Zn。因而，可减少还原性气体的单位需求。另一方面，在使用焦炭的情况下，焦炭的含C量，比煤高，而焦炭的灰份含量比煤低。因而焦炭分别对于提高固体排出物中所含Fe浓度及经回收的粉尘中所含的Zn浓度是有效的。因此，可提高被回收物质的价值。当选择非焦煤或弱结焦煤和焦炭时，在考虑还原气体和被回收物质的价值的同时，确定活性炭质材料。
粉尘和活性炭质材料的混合比按粉尘∶活性炭质材料=1∶0.05-0.3的重量比确定。当活性炭质材料的混合比小于0.05时，会遇到以下问题。还原过程中产生的H2O和/或CO2难与活性炭质材料中所含的C接触。因此H2和/或CO的再生反应很慢，而且相对于还原反应过程中所产生的H2O和/或CO2的量而言，碳量不足。因此，在炉中留有H2O和/或CO2，因而抑制了还原反应。当活性炭质材料的混合比超过0.3时，在炉中存有量足够大的碳。因此不能期望通过增加碳量来促进再生H2和CO的效果，即，增加的碳被无用地浪费。由于以上原因，将加于炉中的活性碳质材料的混合比定为0.15-0.25是较好的。当活性炭质材料的混合比大于0.2时，未反应的活性炭质材料有留在自外加热式回转炉排出的固态物质中的可能性。但，此固态物质被加于熔炼炉中，以便可将它用作铁源。因而，留下的活性炭质材料可作为熔炼炉的热源被有效地消耗掉。
至于粉尘和活性炭质材料的混合物的生产，提供以下两种方法。一种方法示于图1和5中，其中已球团化的粉尘与分级后的活性炭质材料相互混合。用分级筛2将活性炭质材料1与已用造球机4球化的粉尘用混合机3混合。使这样混成的粉尘和活性炭质材料通过粉尘干燥器5，然后输入外加热式回转炉6。将还原气体7从与原料相对的一侧输入炉子6中，即，将原还气体7作为逆流输入炉子6中。将经还原的粉尘送往铁和活性炭质材料的料斗8，然后送往磁选机9，以便回收Fe10。在此情况下，将活性炭质材料分级(11)，然后回收。另一种方法示于图2和6中，其中将粉尘和活性炭质材料破碎和混合，再将这样破碎和混合的物质造球。将活性炭质材料1和粉尘供往皮带运输机16。用破碎和混合机17将活性碳质材料1和粉尘破碎和混合成粉末，再用造球机4造成球。按这种于还原后进行的回收工艺，回收在铁和活性炭质材料18相混合的条件下进行。在粉尘和活性炭质材料被破碎、混合和造成球的方法中，将球化前的粉末颗粒保持为不大于0.5mm，以便使所得的球团有足够高的机械强度。无论用何种方法，均将球团直径调节为2-15mm。
当球团直径小于2.0mm时，由于在炉中球团产生大量粉末，然后这样生成的粉末粘在炉壁上，这在传输处理过的材料时会引出难题。因此，球团直径小于2.0mm是不可取的。当球团直径大于15mm时，由于上述的还原反应和碳的气化反应是气-固反应，所以气体在球团中的扩散多被确定的工艺的反应速度的限制。因此，球团直径大于15mm是不可取的。最好是将球团直径定在5-10mm的范围内。
这种混合物中的水阻碍于外加热式回转炉中进行的还原反应。因此，最好将此混合物尽可能地干燥。但，为使该混合物完全干燥，需大量的热和长的时间。因此将该混合物中的水含量的百分数保持为不影响还原反应的，不大于5％(重量)的值。
上述两种粉末与活性炭质材料混合的形式有以下特点。
提到碳的反应，最好采用粉尘和活性炭质材料被破碎、混合和球化的方法。与球化的粉尘和经分级的活性炭质材料混合的方法相比，粉尘和活性炭质材料被破碎、混合和球化的方法对于减少单位的碳消耗量而言是有效的，即，可以低的活性炭质材料混合比达到是够高的效果。
另一方面，就生产这种混合物而言，采用仅使粉尘球化的方法是简单的。至于球团的机械强度，仅用粉尘制成的球团机械强度高于用粉尘和活性炭质材料制成的球团的机械强度。
按上述工艺，利用自外加热式回转炉中排出的固体作铁源，而至于含有金属挥发组分的废气，在收集了粉尘之后，将此废气于炉中作为气氛气体回收利用，然后从收集到的粉尘中回收Zn。
当将这种还原性气体和炼铁和炼钢粉尘中送往外加热式回转炉中时，最好以逆流的形式将其加入。外加热式回转炉的两个端部不从外侧加热。因此，外加热式回转炉的两个端部的温度低于加热段的炉子温度，即，外加热式回转炉的两端部的温度不高于700℃。由于以上原因，当以平行流的形式将粉尘和还原气体加入炉中时，一部份在炉子的加热段已被还原和挥发的气态Zn在该炉的输出侧上的低温度又被氧化，然后作为固体氧化锌沉积下来。结果，不能使Fe和Zn完全分开。在逆流的情况下，在炉中被还原和挥发的气态Zn的流和经还原的粉尘彼此相对。因此，没有气态Zn在固体输送侧上流动。由于上述原因，即使有部分气态Zn在气体排放侧上被氧化并以固态氧化锌的形态沉积，它在炉子的加热为与加入的粉尘一起又被还原。然后，它以气态Zn的形态被导向气体排放侧。因此，可使Fe和Zn完全分开。
排自外加热式回转炉的气体含有未反应的氢和CO。因此，自外加热式回转炉排出的气体的发热值很高。关于从外加热式回转炉的废气中收集到的收集物，部分的Zn在废气冷却时又被氧化，而金属Zn和锌的氧化物的混合物则沉积下来。因此，可回收到可作为优良的非铁熔炼原料的含Zn率不低于60％锌。
实施例
实施例1
在这个实施例中，研究了各种类型的活性炭质材料促进反应的效果。在此实施例中采用外加热式回转炉，并且对由电炉产生的，作为炼铁和炼铁粉尘中的一类的粉尘进行还原。电炉产生的粉尘含约50％(重量)的Fe2O3和约25％(重量)的ZnO，而其余是Al2O3、PbO等。
在表1所示的还原条件1下，在电炉产生的粉尘已成球后，将它与分了级的活性炭质材粉混合，然后还原粉尘。活性炭质材料的种类与脱Zn率的关系示于图3的曲线中。
表1
被处理的物质 电炉粉尘制的球团〔粒度2.8-6.70mm，含Fe30％,Zn20％(重量)〕
活性炭质材料的类型 非焦煤或弱结焦煤、焦炭、结焦煤，无(每一料的粒度为2.8-6.70mm)
活性炭质材料的添加形态 用电炉粉尘制的球团和活性炭质材料制的球团的混合物
活性炭质材料的添加比 粉尘∶活性炭质材料=1∶0.15(在非焦煤或弱结焦煤的情况下，将此比值设为：粉尘∶活性炭质材料=1∶0.05,0.15,0.30)
加入的气氛气体 供入的混合气体量：1.0Nm3/Kg-粉尘，其中H250％+N250％
热处理温度 炉中被处理物质的温度900,950℃
热处理时间 60分钟
即，将电炉粉尘作成直径为2.8-6.7mm的球团。然后将此球团分别与经破碎和分级为尺寸2.8-6.mm的焦煤、非焦煤或弱结焦煤及焦炭混合。此后，将由50％的H2和50％的N2组成的还原气体，以1.0Nm3/Kg-粉尘的比率供入，而还原处理于900℃和950℃进行60分钟。以1∶0.15的重量比向粉尘加活性炭质材料，但，以1∶(0.05,0.15,0.30)的比率向粉尘加非焦煤或弱结焦煤，即此比率按三个阶段改变。作为对比例，在与前述相同的条件下将电炉粉尘造球后，不加活性炭质料进行还原处理。在于900℃进行还原处理的情况下，得出下列结果。当不加活性炭质材料时，脱Zn率为47.1％。另一方面，当加结焦煤时，脱Zn率为40.5％，而加焦炭时，脱Zn率为45.5％，这就是说，脱Zn率下降。但，当以1∶0.05的比例加非焦煤或弱结焦煤时，脱Zn率为50.5％，而以1∶0.15的比例加非焦煤或弱结焦煤时，脱Zn率为58.3％，而以1∶0.30的比例加非焦煤或结焦煤时，脱Zn率为60.5％，即脱Zn率上升。在于950℃时进还原处理时，得到以下结果。当不加活性炭质材料时，脱Zn率为58.3％。而当加结焦煤时，脱Zn率为71.2％，而当加焦炭时，脱Zn率为85.8％。当以1∶0.05％的比例加非焦煤或弱结焦煤时，脱Zn率为87.7％，而当以0.15的比例加非焦煤或弱结焦煤时，脱Zn率为92.0％，而以1∶0.30加非焦煤或弱结伙煤时，脱Zn率为93.0％，即当加焦炭和非焦煤或弱结焦煤时，脱Zn率明显上升。
当加入的气体的成份为(H2=50.0％,N2=50.0％)而且在还原条件(1)下进行还原处理时，废气成份为(H2=48.8％,N2=50.8％,CO=0.4％)，即，由于加了活性炭质材料而使废气再生，因而可将其回收利用。
实施例2
此实施例旨在研究混合的活性炭质材料的形态对促进还原的影响。在此实施例中，探讨了以下两种情况。下面叙述一种情况。如表2所述，作为还原条件2，使用实施例1的电炉粉尘，并按图1所示的工艺，将炼铁和炼钢过程中所产生的粉尘造球，在将这种球团与活性炭质材料混合之后，进行还原处理。下面叙述另一种情况。在将于炼铁和炼钢过程中产生的粉尘与活性炭质材料混合，仅按图2所示工艺造球后，进行还原处理。
表2
被处理的物质 ①电炉粉尘制的球团(不含活性碳质材料)②电炉粉尘+分级后的活性炭质材料制成的球团(非破碎的混合物)③含活性炭质材料的粉尘球团(经破碎的混合物)
活性炭质材料(组成比) 非焦煤或弱结焦煤(粉尘∶活性炭质材料=1∶0.15)
所加的气氛气体 H250％+N250％，混合气体供应量：1.1Nm3/Kg-粉尘
热处理温度 欲在900℃,950℃的炉温下被处理的物质的温度
热处理时间 40分钟
在此情况下，采用非焦煤或弱结焦煤作活性炭质材料，所加的活性炭质材料与粉尘之比为0.15。将电炉粉尘或电炉粉尘和活性炭材料造成直径为4.75-6.70mm的球团，并以1.0Nm3/Kg-粉尘的比率供入由50％的H2和50％的N2构成的还原气体，再于900,95质0℃将还原处理进行40分钟。结果获得了图4中所示的脱Zn率。
在于900℃进行还原处理的情况下，在将炼钢和炼铁粉尘按图1中所示的工艺造球后，将球团与活性炭质材料混合，然后还原。在此情况下的脱Zn率为46.0％。而另一方面，将炼铁和炼钢粉尘和活性炭质材料按图2中所示的工艺混合，破碎然后造球。当还原这样得到的球团时，脱Zn率为67.0％。在不加活性炭质材料的情况下，脱Zn率为29.6％。
在于950℃时进行还原处理的情况下，在按图1所示工艺将炼铁和炼钢粉尘造球之后，将球团与活性炭素材料混合，并使之还原。在此情况下，脱Zn率为87.2％。另一方面，按图2所示工艺将炼铁和炼钢粉尘与活性炭质材料混合和破碎，然后造球，则脱Zn率为95.2％。而不加活性炭质材料时的脱Zn率为42.1％。
根据上述结果，可得出下面的结论。图2所示的工艺的还原反应速率比图1所示工艺的该速率高。因此，图2所示的工艺就可以较低的温度和较短的时间达到目标脱Zn率。因此，在目标脱Zn率不小于80-90％的情况下，就必须选用图2所示的工艺，以便减轻还原处理所承担的负荷。在目标脱Zn率为60-80％的情况下，还原处理所承担的负荷轻，因而选用图1所示的工艺是有益的，因为选用图1所示的工艺时它可简化造球工艺。
按照本发明，与常规方法的，在内加热式回转炉中进行粉尘处理的情况相比，则可使处理时间大为缩短，及使还原装置紧凑。按本发明，脱Zn率也高。因此，回收的粉尘中的Zn含量高，因而可将此回收的粉尘用作非铁金属熔炼的原料。

Claims (9)

1．处理炼铁和炼钢粉尘的方法，按该法将还原性气体供往外加热式回转炉中，以便还原炼铁和炼钢粉尘及使粉尘中的Zn还原和挥发，该方法包括的步骤为：将粉尘与活性炭质材料相互混合；将混合后的粉尘和活性炭质材料加至外加热式回转炉中从而将粉尘还原及使Zn挥发从而从此粉尘中将其去除。
2．权利要求1的处理炼铁和炼钢粉尘的方法，其中，在粉尘和活性炭质材料已相互混合后，将它们制成直径为2-15mm的球团。
3．权利要求1的处理炼铁和炼钢粉尘的方法，其中在将粉尘制成球团后，将其与活性炭质材料混合，再破碎成直径2-15mm的球团。
4．权利要求1的处理炼铁和炼钢粉尘的方法，其中在从外加热式回转炉的废气中收集了粉尘后，将此废气作为还原气体回收利用。
5．权利要求1的处理炼铁和炼钢粉尘的方法，其中的活性炭质材料由焦炭和/或非焦煤或弱结焦煤组成。
6．处理炼铁和炼钢粉尘的设备，其中粉尘在还原气体被供入外加热式回转炉中时被还原，而且含在该粉尘中的Zn被还原和挥发，该设备包括：将粉尘造球的造球机；及将成球的粉尘与活性炭质材料混合的混合机，其中的造球机和混合机被设置在外加热式回转炉的前面。
7．处理炼钢和炼铁粉尘的设备，其中当将还原性气体供入外加热式回转炉时，粉尘被还原，而且粉尘中所含的Zn被还原和挥发，该设备包括：将粉尘和活性炭质材料破碎和混合的破碎混合机；将被破碎和混合的粉尘造球的造球机，其中破碎和混合机及造球机被置于外加热式回转炉的前面。
8．权利要求6或7的处理炼铁和炼钢粉尘的设备，它还包括从排出物中分离和回收Fe及活性炭质材料，以便可将其回收利用的分离回收装置。
9．权利要求6或7的处理炼铁和炼钢粉尘的设备，它还包括用于从废气中已回收Zn后，回收利用废气的气体净化器。
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