TWI831510B - 富含金屬回收料之回收方法(二) - Google Patents
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Abstract
本發明富含金屬回收料之回收方法(二)，其依序包含備料步驟、混拌步驟、成型步驟及養生步驟；其中，該備料步驟係備置有富含金屬回收料、膠結粉體材料、增稠劑以及鹼性溶液後，而於該混拌步驟將該富含金屬回收料、膠結粉體材料、增稠劑以及鹼性溶液依照比例混合成一高黏稠性漿體，於該成型步驟再將該高黏稠性漿體進行造粒而形成複數呈顆粒狀之資源料，最後該養生步驟再將該資源料靜置養生待硬化後，即可將該資源料作為火法冶金製程之原料使用，使得無法直接使用回收料能轉換成可直接使用之高價原料，對火法冶金產業具有大幅降低原料成本與碳排之雙重效益。
Description
本發明係有關於一種回收方法，特別是一種富含金屬回收料之回收方法(二)。
近年來由溫室效應引發之劇烈氣候異常現象，對全球人類造成之損失屢攀高峰，迫使全球各國政府開始以立法方式規範各大產業，朝碳排淨零方向邁進。臺灣亦不例外，由中央跨部會組成之專案小組於2022年3月30日公開了「臺灣2050年淨零排放路徑及策略總說明」，文中明載將促使並輔導相關產業於2030年達到碳排減量50%，並與國際同步於2050年達到碳排淨零的目標；而在此契機下，各大產業無不全力投入各種低碳、無碳、固碳、碳再利用的新技術與新產品研發，一向被視為碳排大戶的火法冶金產業自然無法置身事外，同樣投入大量人力與經費，研發減碳新技術。
火法冶金產業傳統上均以天然礦石為原料，例如鋼鐵業使用鐵礦砂、煉鋅業使用閃鋅礦等，在成為最終產品前，需經過複雜之前處理 (如燒結、焙燒等)、高溫冶煉、精煉除雜、軋製澆鑄等步驟，過程中有價金屬亦會隨著冶煉造渣或其他製程排出成為廢棄物，不僅產生高額去化費用，更將高經濟價值之金屬物料轉至低階用途，在浪費資源的同時，也相對提高溫室氣體二氧化碳排放，實為不智之舉。
近數十年來，金屬冶煉產業，尤其是鋼鐵產業，為因應天然資源逐漸匱乏、原物料價格高漲、碳排淨零等外部壓力，已致力於各項資源回收再利用，將自身產出之廢棄物或副產物進行加工，藉以回收所含有之有價金屬。其中，用於由鋼鐵爐碴中回收金屬資源之技術，如破碎、分級、分選等單元，或由上述單元排列組合而成之流程，已廣為習知並大量應用於商轉，但對於如何高效利用所回收之含金屬資源，卻著墨甚少。
上述回收資源所富含之金屬樣態可區分為化合態 (如氧化物、礦物鹽類等) 與金屬態兩大類。富含化合態金屬之物料可直接與原生礦石混合後重新由前處理步驟進入冶金製程，於技術上無太大瓶頸，也已大量應用於商轉實務上；但金屬態之金屬物料若是比照氧化態金屬物料進行回收，則將於前處理階段 (如燒結、焙燒等) 先被氧化為氧化態，後再進入火法冶金步驟還原為金屬態，如此一來，不僅消耗雙倍能量、造成雙倍碳排，更對製程整體效能提升毫無助益，以一般火法冶金製程為例，此流程可參閱圖1之流程。
若將此富含金屬回收料直接投入火法冶金核心步驟，如高溫熔融，其中顆粒較細者會因其高比表面積，快速氧化成為爐碴，或因透氣性差導致製程異常，不但無法順利回收金屬，更造成廢棄物增量、製程調控困難等瓶頸，至今於產業界內仍無法克服。
由於台灣國內火法冶金產業規模較大者均為鋼鐵業，其中又以一貫作業煉鋼廠 (中鋼集團高轉爐製程) 市占率最高，以下便以一貫作業鋼廠為例說明目前技術之瓶頸。
先前已有多項專利技術，將原本不適用於煉鋼程序之含鐵廢棄物/副產物，經處理後可做為冶煉製程之原料。例如日本杰富意公司多件專利所揭露之技術，將無法直接使用之粉鐵礦，經其專利技術與設備進行造粒後，作為燒結步驟之原料，經燒結後再投入高爐進行煉鐵；但如前文所言，此法適用於含氧化鐵物料之回收，對含金屬鐵物料並不適用。
再者，有中鋼公司提出之金屬鐵砂造塊技術專利，將副產物BOP鐵砂，以含石灰之膠結材與澱粉黏著劑混拌後進行造塊成型，該塊狀產品可使用於一貫作業煉鋼製程中之轉爐步驟，免除先氧化再還原之多餘程序；但由於轉爐對投入原料之機械強度有一定要求，因此該專利之塊狀產物須通過日本JIS M8712-1971規範之轉桶強度測試 (物料置於特定轉桶內轉13圈)，粉化率 (＜6.3mm) 不得高於12質量%。於實務上，此舉雖可提升轉爐產率進而降低碳排與生產成本，但投入造塊冷料會導致鋼液溫度降低，因此使用量也有上限。
相對於轉爐，將富含金屬鐵物料投入高爐使用，可同時降低燃料煤炭及還原用焦炭，對降低碳排具有更高效益，然而，高爐對原料要求遠較轉爐嚴格，除了原料粒徑需控制在一定範圍內，機械強度要求也較高，更要求原料於550°C溫度下對還原氣氛須具備一定程度之耐受性。其中，該機械強度之要求係基於原料在搬運、輸送、投料、爐內低溫還原等過程中，不會因粉化而造成損失或製程異常；其中，該機械強度測試方法為ISO 3271轉桶強度 (TI，將＞6.3mm物料置於轉桶內轉200圈，後＞6.3mm之重量比例即為轉桶強度)，以中鋼為例，生產標準為TI不得低於76質量%；其中，該耐低溫還原性之要求，係基於物料由高爐頂部投入後，隨著高度下降而逐漸升溫，在初始升溫階段，若物料於高爐頂部還原性氣氛下發生粉化現象，將阻塞料床造成透氣性下降，進而對高爐操作產生負面影響，其測試方法為ISO 4696-2低溫還原粉化率 (RDI，將＞11mm物料於550°C之還原氣氛中加熱30分鐘，待物料冷卻後置入轉桶中以30rpm轉900圈，後取出進行篩分析，＜2.8mm之比例即為低溫還原粉化率)，以中鋼為例，生產標準為低溫還原粉化率不得高於38質量%。
綜合上述可知，目前已揭露之專利或其他習知之造塊成型技術，其因均無法適用於生產一貫作業煉鋼廠之高爐用料上，對於高含金屬鐵之物料而言，急需一種可使其直接使用於火法冶金之高溫熔融中的高爐之造塊技術，以大幅降低碳排，加速邁向排放淨零之目標。
因此，本發明之目的，是在提供一種富含金屬回收料之回收方法(二)，其能使製作後之資源料能作為火法冶金製程之原料使用，以有效降低原料成本與碳排之雙重效益。
於是，本發明一種富含金屬回收料之回收方法(二)，其依序包含備料步驟、混拌步驟、成型步驟及養生步驟；其中，該備料步驟係備置有富含金屬回收料、膠結粉體材料、增稠劑以及鹼性溶液，而前述該膠結粉體材料需含可溶性矽及鋁鹽類成分；另，該混拌步驟係以100質量%之富含金屬回收料為基準，額外加入有5-20質量%之鹼性溶液、10-25質量%之膠結粉體材料、1-2.5質量%增稠劑後混拌均勻，形成為一不具流動性之高黏稠性漿體，而後該成型步驟，將上述該黏稠性漿體造粒形成複數呈顆粒狀之資源料，最後，該養生步驟將前述該等資源料進行靜置養生硬化後，以將該資源料作為火法冶金製程之原料使用；是以，所產出的產品，便可無須經過傳統火法冶金複雜之前處理步驟，直接投入火法冶金核心步驟，達到降低能耗、減少碳排、降低原料成本之功效，進而達到資源永續循環與碳排淨零之終極目的。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地明白。
参閱圖2，本發明一一較佳實施例，本實施例富含金屬回收料之回收方法(二)包含有備料步驟31、混拌步驟32、成型步驟33及養生步驟34；其中，該備料步驟31備置有富含金屬回收料、膠結粉體材料、增稠劑以及鹼性溶液，而前述該富含金屬回收料係將以普遍習知爐碴處理流程產出之含富量金屬鐵物料進行分級 (該爐碴處流程已廣為習知，非本發明重點)，而依據每家火法冶金所能容許的粒徑不同，而其總金屬成分則依照所所處理金屬種類貴重程度不同而有所不同，例如鐵通常含量為75質量%以上即可，而其他市價更高之金屬甚至含量要求更低，其中符合火法冶金核心製程粒徑要求之金屬粒可直接回爐，而不符合所能容許粒徑的金屬細料則可集收儲存，並做為本發明中富含金屬回收料使用，因此本案所使用的富含金屬回收料為係指無法直接投入火法冶金製程的金屬細料；而本實施例中，該富含金屬回收料係以富含金屬鐵物料為例說明，而該富含金屬鐵物料為習知爐石處理流程之著磁產品，並篩取<8mm無法直接投入高爐使用之細料，其成分重量百分比如下表所示，其中金屬鐵分析係依據ISO 16878標準方法進行，其總金屬鐵含量約為92.8質量%，而一般若使用於火法冶金中的高爐使用時，使用富含金屬鐵物料作為鐵源，該物料金屬鐵含量應至少不低於75質量%，由上表可知，經習知之爐石處理程序精選出之著磁細料，其金屬鐵含量高，可直接使用於高爐無虞。
仍續前述，該粉體材料則可為須含可溶性矽及鋁鹽類之礦物或廢棄物粉末，例如變高嶺石、燃煤飛灰、稻殼灰、水淬高爐石粉、廢玻璃、石英、高嶺石、礦山廢料或廢棄污泥等或其他具相同功能之粉體材料；另，該鹼性溶液可為鹼金屬氫氧化物水溶液或鹼金屬矽酸鹽水溶液，該鹼金屬氫氧化物水溶液或鹼金屬矽酸鹽水溶液濃度為1M~16M；SiO2/Al2O3為5~100；SiO2/M2O為0.5~2.0其中M代表鉀、鈉等鹼金屬；另，該增稠劑可為皂土、膨潤土、高嶺土、黏土、矽藻土之其一或其組合，其可吸收該鹼性溶液中之水，即
產生黏稠性以供立即黏著力之作用。
仍續前述，該混拌步驟32則係以100質量%之富含金屬回收料為基準，額外加入有5-20質量%之鹼性溶液、10-25質量%之膠結粉體材料、1-2.5質量%增稠劑後混拌均勻，形成為一不具流動性之高黏稠性漿體，而本實施例中，該混拌步驟32係依序分成第一混拌321、第二混拌322，該第一混拌321係先將該富含金屬回收料、該膠結粉體材料、及該鹼性溶液攪拌混合成一初始漿體，該第二混拌322再將該初始漿體與該增稠劑混合形成該高黏稠性漿體，已使該第一混拌321時，該鹼性溶液能充分與該富含金屬回收料、該膠結粉體材料均勻的進行混合後，再於該第二混拌322加入該增稠劑混拌之順序，避免受到該高黏稠性漿體內，因該增稠劑影響而造成該膠結粉體材料與該富含金屬回收料有混合不均之情形。
仍續前述，該成型步驟33係將該混拌步驟32後所得之高黏稠性漿體再進行造粒成複數顆粒狀之資源料，而造粒過程則可利用擠壓、搓球、滾動造粒出該等資源料，而其粒徑範圍則依照所需火法冶金製程所能容許的範圍，而本實施例中造粒粒徑尺寸預設為8~50mm之粒徑大小，同時透過該高黏稠性漿體之設計下，其毋需依賴模具固定其形狀，便可後續進行養生，節省大量模具費用及用地需求；最後，該養生步驟34則將前述該等資源料進行靜置養生硬化後，將所得之塊狀產品進行固定時間之靜置養生硬化3~7天，進而發展出機械強度，以符合前述火法冶金中能用於高溫熔融原料之ISO規範。
再者，為證實利用此一新技術生產出之富含金屬塊狀物料可直接進入火法冶金核心製程，再者，而一貫作業鋼廠為台灣國內規模最大之火法冶金產業，故以下以鋼鐵廠爐石中回收之金屬鐵作為本發明富含金屬回收料使用，以進行實驗例證明，但須注意的是，該實驗例僅為例說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
一貫作業煉鋼廠金屬鐵回收料分析，首先將鋼鐵爐石處理產出之富含金屬鐵物料進行分級，以煉鐵核心製程高爐為例，適用之原料粒徑需大於8mm，故將金屬鐵回收料篩分為8mm以上與以下兩級別，其中無法直接使用之8mm以下細料則作為本發明富含金屬回收料，並且再將小於8mm之金屬鐵物料進行金屬鐵與其他物質含量分析，其中金屬鐵使用之分析方法為ISO 16878標準方法，其所得如下表：
| 成分 | Fe total | Fe met | MnO | P 2O 5 | Al 2O 3 | SiO 2 | CaO | MgO |
| 比例 (質量%) | 95.3 | 92.8 | 0.1 | 0.02 | 0.15 | 1.8 | 1.2 | 0.02 |
仍續前述，小於8mm之富含金屬鐵物料，金屬鐵Fe
met.含量均高達90質量%以上，非常適合直接投入高爐使用，以確認可直接使用無虞，此結果將做為後續混拌前配比計算時之重要參考數據。
而本實施例中，係以兩個實驗例進行測試，其如下表：
| 實驗例 | 富含金屬回收料 | 粉體材料 | 鹼性溶液 | 增稠劑 |
| I | 1000g | 128.9g | 70.9g | 12.9g |
| II | 1000g | 135g | 74.2g | 13.5g |
經上述配比製作成實驗例I與實驗例II後，將分別所得之高黏稠性漿體進行造粒，並且依據本實施例中，粒徑尺寸須符合高爐製程對原料粒徑之要求 8~50mm進行造粒，製作形成為8~50mm粒徑之複數資源料後，再將所得資源料於常溫常壓之環境下進行靜置養生3~7天，發展出機械強度，且無須任何模具裝盛，而一般火法冶金中規範最為嚴苛的高爐，依照ISO 3271 (轉桶強度 TT%)及ISO 4696-2(低溫還原粉化率 RDI %)之測試，轉桶強度規範須≥76%，而低溫還原粉化率≤38%，而本實驗例製作所得如下表：
| 轉桶強度 TI (%) | 低溫還原粉化率 RDI (%) | |
| 實驗例I | 83% | 10% |
| 實驗例II | 90% | 5% |
| 高爐原料規範 | ≥76% | ≤38% |
本實驗例如上表所述，該轉桶強度至少大於83%以上，該低溫還原粉化率至少小於10%，而一般火法冶金中規範最為嚴苛的高爐，其轉桶強度規範須≥76%，低溫還原粉化率≤38%，且成型後成品金屬鐵含量均維持在至少75%以上，其製作後皆符合高爐之規範，因此本發明製作後的強度其相對除了高爐之外亦能使用於其他熔煉爐上。
據此，透過本發明技術，將原本無法使用於高爐之富含金屬回收料，透過本發明之處理過後形成具有一定強度之資源料後，其相對習知技術而言，如圖3所示，該資源料不需再經過該前處理步驟，而可直接使用於該火法冶金步驟上，因此可免除前處理造成之能耗與碳排，更可降低高爐本身加熱用煤炭與還原用焦炭使用，使一貫作業煉鋼廠在碳排淨零道路上邁出一大步。
值得一提的事，本發明中的膠結粉體材料、增稠劑、水添加比例可以依據所處理的金屬材料而有所差異，該膠結粉體材料添加比例調整會影響製作後的強度，添加越多強度相對越高，但添加越多會影響製作後該資源料內的金屬含量比例，對於單價高的金屬例如銅，其製作後的資源材總金屬含量僅需35%即可，因此所能添加的膠結粉體材料就可以較高，而該增稠劑、水則可依照該膠結粉體材料添加比例進行調整，而本實施例該金屬回收料僅以舉例金屬鐵為例說明，其考量到製作後該資源材內的金屬含量，故該膠結粉體材料添加比例為10~15質量%內最佳，而本實施例僅取中間值舉例進行分析，並不能用該實驗例限定本發明之範圍。
歸納前述，本發明富含金屬回收料之回收方法(二)，其將無法使用於火法冶金的富含金屬回收料經過一回收方法後，使該富含金屬回收料轉換成一具有一定強度且其成分能使用於該火法冶金製程中的資源料，使該資源料能作為火法冶金製程之原料使用，使得原本無法直接使用之回收料能轉換成可直接使用之高價原料，對火法冶金產業具有大幅降低原料成本與碳排之雙重效益，故的確能達到本發明之目的。
惟以上所述者，僅為說明本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
[本發明]
3:富含金屬回收料之回收方法(二)
31:備料步驟
32:混拌步驟
321:第一混拌
322:第二混拌
33:成型步驟
34:養生步驟
圖1為習知富含金屬回收料於火法冶金製程之應用流程圖。
圖2為本發明一較佳實施例之流程示意圖。
圖3為本發明資源料於火法冶金製程之應用流程圖。
3:富含金屬回收料之回收方法(二)
31:備料步驟
32:混拌步驟
321:第一混拌
322:第二混拌
33:成型步驟
34:養生步驟
Claims (9)
- 一種富含金屬回收料之回收方法(二)，其回收所得係作為一火法冶金製程之原料使用，其包含有：一備料步驟，其備置有富含金屬回收料、膠結粉體材料、增稠劑以及鹼性溶液，其中，該膠結粉體材料需含可溶性矽及鋁鹽類成分；一混拌步驟，其以100質量%之富含金屬回收料為基準，另外加入有5-20質量%之鹼性溶液、10-25質量%之膠結粉體材料、1-2.5質量%增稠劑後加以混拌均勻，以形成為一不具流動性之高黏稠性漿體；一成型步驟，將前述該高黏稠性漿體造粒，以形成複數呈顆粒狀之資源料；一養生步驟，將前述該等資源料進行靜置且養生硬化後，以將該等資源料作為火法冶金製程之原料使用。
- 根據請求項1所述富含金屬回收料之回收方法(二)，其中，該混拌步驟係依序分成第一混拌、第二混拌，該第一混拌係先將該富含金屬回收料、該膠結粉體材料、及該鹼性溶液攪拌混合成一初始漿體，該第二混拌步驟再將該初始漿體與該增稠劑混合形成該高黏稠性漿體。
- 根據請求項1所述富含金屬回收料之回收方法(二)，其中，該富含金屬回收料係指無法直接投入火法冶金製程的金屬細料。
- 根據請求項1所述富含金屬回收料之回收方法(二)，其中，該膠結粉體材料為變高嶺石、燃煤飛灰、水淬高爐爐碴、廢玻 璃、石英、高嶺石、礦山廢料或廢棄污泥等或其他具相同功能之粉體材料。
- 根據請求項1所述富含金屬回收料之回收方法(二)，該鹼性溶液為KOH或NaOH之水溶液，且濃度為1M~16M。
- 根據請求項1或第5所述富含金屬回收料之回收方法(二)，其中鹼性溶液中之成分比SiO2/Al2O3為5~100，而SiO2/M2O為0.5~2.0，其中M代表鉀、鈉等鹼金屬。
- 根據請求項1所述富含金屬回收料之回收方法(二)，其中，該增稠劑可為皂土、膨潤土、高嶺土、黏土、矽藻土之其一或其組合。
- 根據請求項1所述富含金屬回收料之回收方法(二)，其中，該成型步驟係以擠壓、搓球、滾動造粒而形成該等資源料。
- 根據請求項1所述富含金屬回收料之回收方法(二)，其中，養生步驟係在常溫下靜置至少3天。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170051369A1 (en) * | 2013-08-12 | 2017-02-23 | Astec Irie Co., Ltd. | Method for Recycling-Processing of Dust Generated in Converter Furnace, and Method for Manufacturing Steel |
| WO2019161639A1 (zh) * | 2018-02-26 | 2019-08-29 | 西安交通大学 | 一种用于液态熔渣干式离心粒化及余热回收利用系统 |
| CN111763820A (zh) * | 2020-06-04 | 2020-10-13 | 中国恩菲工程技术有限公司 | 熔渣改性还原剂及其制备方法和熔渣余热回收铁的方法 |
| CN114591360A (zh) * | 2020-11-19 | 2022-06-07 | 北京纳斯特克纳米科技有限责任公司 | 有机硅浆渣的分离处理系统及回收利用技术 |
-
2022
- 2022-12-09 TW TW111147318A patent/TWI831510B/zh active
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