高炉含锌粉尘中铁资源的富集回收.pdf

第3 2 卷第3 期 2 0 1 2 年0 6 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 2 №3 J u n e2 0 1 2 高炉含锌粉尘中铁资源的富集回收① 邢相栋1 ’2 ，张建良1 ，曹明明1 ，焦克新1 ，任 山1 1 ．北京科技大学冶金与生态工程学院．北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．河南济源职业技术学院冶金化工系。河南济源4 5 4 6 5 0 摘要以转底炉工艺技术为基础，采用高温焙烧一磁选分离工艺对济钢高炉含锌粉尘脱锌富集铁进行了实验室研究，考察了还原 温度、还原时间及配煤量对含锌粉尘脱锌率、金属化率、磁选精矿产率以及铁回收率的影响。实验结果表明最佳工艺参数为还原 温度13 5 0 ℃，还原时间3 0 m i n ，配煤量4 ％。在此条件下的脱锌率和金属化率分别为9 9 ．7 5 ％和9 9 ．4 6 ％，精矿产率为4 5 ．6 3 ％，铁 回收率为9 5 ．7 6 ％。 关键词含锌粉尘；磁选；脱锌率；金属化率；铁；锌 中图分类号T D 9 8 2文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 3 0 0 8 6 0 3 E n r i c h m e n ta n dR e c o v e r yo fI r o nf r o mZ i n c - b e a r i n gB l a s tF u r n a c eD u s t ⅪN GX i a n g d o n g h 2 ，Z H A N GJ i a n l i a n 9 1 ，C A OM i n g m i n 9 1 ，J I A OK e x i n l ，R E NS h a n l 1 ．S c h o o lo f M e t a l l u r g i c a la n dE c o l o g i c a lE n g i n e e r i n g ，B e i j i n gU n w e r s 渺o f S c o n c ea n dT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ；2 ．D e p a r t m e n to fM e t a l l u r g i c a l C h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，J i y u a nV o c a t i o n a la n dT e c h n i c a lC o l l e g e ，J i y u a n 4 5 4 6 5 0 ，H e n a n ，C h i n a A b s t r a c t L a b o r a t o r ys t u d i e so nd e z i n c i f i c a t i o na n di r o ne n r i c h m e n to fz i n c b e a r i n gd u s ti nJ i g a n gb yh i g ht e m p e r a t u r e m a s t i n g m a g n e t i cs e p a r a t i o np r o c e s sw e r ec o n d u c t e db a s e do nt h er o t a r yh e a r t hf u r n a c et e c h n o l o g y ．T h ee f f e c t so fr e d u c t i o nt e m p e r a t u r e ，r e d u c t i o nt i m ea n dc o a lb l e n d i n gr a t eo nd e z i n c i n gr a t eo ft h ez i o n b e a r i n gd u s t ，m e t a l l i z a t i o nr a t e ， y i e l do fm a g n e t i cc o n c e n t r a t ea n di r o nr e c o v e r yw e r ei n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e - t e r sw e r et h a tt h er e d u c t i o nt e m p e r a t u r eW a s1 3 5 0 ℃．r e d u c t i o nt i m ew a s3 0m i na n dc o a lb l e n d i n gr a t eW a S4 ％．U n d e r t h e s ec o n d i t i o n s ，t h e d e z i n c i n gr a t ea n dm e t a l l i z m i o nr a t ew e r e9 9 ．7 5 ％a n d9 9 ．4 6 ％，r e s p e c t i v e l y ，y i e l do ft h e c o n c e n t r a t e sw a s4 5 ．6 3 ％a n di r o nr e c o v e r yw a s9 5 ．7 6 ％． K e yw o r d s z i n c b e a r i n gd u s t ；m a g n e t i cs e p a r a t i o n ；d e z i n c i n gr a t e ；m e t a l l i z a t i o nr a t e ；i r o n ；z i n c 通常条件下，钢铁企业中产生的粉尘收集后一般 作为烧结的原料用于生产烧结矿，在钢铁企业内部循 环利用。由于这些粉尘粒度细，比表面积大，表面光 滑，加湿比较困难并且含有锌、铅、钾和钠等元素，烧结 配入这些粉尘，一方面会降低烧结料层的透气性，影响 烧结生产的技术经济指标；另一方面由于某些粉尘 例如高炉布袋除尘灰、转炉除尘灰、电炉除尘灰及 A O D ／V O D 除尘灰 中含有一定量的锌，锌在钢铁企业 内部循环富集，会增加高炉锌负荷，使高炉生产顺行受 阻。随着我国钢铁工业的快速发展，钢铁生产过程中 所产生的粉尘对环境的影响也日益加深，因此各种钢 铁企业粉尘的回收及综合利用已经受到国家及行业内 部的重视。 钢铁厂含锌粉尘的回收处理可以采用湿法、火法 以及湿法．火法联合工艺。国外许多钢铁厂已经实现 工业化处理该类粉尘，有条件地回收其中的铁、锌等有 价元素。在国内，火法工艺处理含锌粉尘应用最为广 泛，它是未来钢铁工业的主要发展方向，其中最具代表 性的有回转窑处理和转底炉处理工艺。而转底炉工艺 具有粉尘脱锌率高、金属化率高等优点，符合中国钢铁 企业含锌粉尘的处理要求q 1 。目前济钢 济源钢 铁 高炉产生的含锌粉尘规模相当可观。因此，基于 济钢含锌粉尘的特点，参照转底炉工艺，进而探索合理 的粉尘处理工艺，对提高济钢的经济效益、实施可持续 发展战略具有十分重要的现实意义。本文旨在充分利 用含锌粉尘中的碳，回收其中的铁资源。 1 实验原料及方法 1 ．1 实验原料 所用实验原料为济钢的布袋灰和旋风除尘灰，煤 ①收稿日期2 0 1 I - 1 2 - 0 3 基金项目“十一五”国家科技支撑计划资助项目 2 0 0 8 B A B 3 2 8 0 5 作者简介邢相栋 1 9 8 3 一 ，男，山东日照人，博士研究生，主要研究方向为钢铁厂资源综合回收利用。 万方数据 第3 期 邢相栋等高炉含锌粉尘中铁资源的富集回收 8 7 粉为无烟煤，其成分如表1 和表2 所示。由表1 可知， 布袋灰中的全铁含量较低，而碳含量则处于较高水平， 而且粉尘中的氧化锌含量高达2 1 ．8 0 ％。由此可见， 布袋灰在化学组成上具有含铁低，含锌、含碳高的特 点，这点也决定了布袋灰的单独利用比较困难；与布袋 灰相比，重力灰具有铁、碳含量较高．锌含量低的特点。 由表2 可知，煤粉中碳含量较高，灰分和挥发分低，是 典型的无烟煤。 裹l高炉含锌粉尘化学分析结果l 质量分数 ／％ 固定碳挥发份灰分 S ／％／％／％／％ 煤灰成分／％ 竺 些竺 旦竺鲤壁垒 2 9 ．3 41 9 ．9 41 8 ．8 83 ．3 61 8 ．3 28 6 ，4 78 ．5 84 ．9 50 ．3 1 1 ．2 实验方法 将各种原料按一定比例配料、混合，在恒温干燥箱 内1 0 5 ℃下烘干8h ，直至自由水完全蒸发，然后将原 料破碎、筛分至1n l n l 以下，加入一定量的粘结剂及水 分并混匀，在1 5M P a 、1 0r ／r a i n 下用对辊压球机压制 成球团，球团的尺寸为长宽厚 4 0h i mx 3 01 ／1 1 1 1 x 2 1m i l l 。将湿球放人恒温干燥箱内烘干，然后装入石 墨盒内置于已达设定温度的高温电阻炉内，至设定时 间后，取出冷却。对冷却后的球团细磨、磁选并化学分 析。磁选设备为湿式磁选管，磁选管场强为O ．1T 。 以脱锌率、金属化率及选矿效率为考察指标．对还原温 度、配煤量及还原时间等影响球团质量的因素进行了 考察研究。 1 ．3 实验过程指标分析 1 ．3 ，1 高温焙烧含锌粉尘的焙烧指标分析高温焙 烧实验需要考察球团脱锌率和金属化率两项指标。脱 锌率和金属化率的计算公式为 田 f1 一掣1 1 0 0 ％ 1 、 m oX 正o ， 式中，7 为脱锌率，％；m 为还原后球团质量，g ；m 。为还 原前球团质量，g ；z 为还原后球团中锌的质量分 数，％；Z 。为还原前球团中锌的质量分数，％。 M R 挚1 0 0 ％ 2 1 n 式中冠为金属化率，％；％是还原后球团全铁质量分 数．％；J I f 。为还原后球团金属铁的质量分数。％。 1 ．3 ．2 磁选焙烧后含锌粉尘的磁选指标分析磁选 实验需要考察的指标有精矿产率和铁回收率两项。为 了综合考察磁选的效果，用选矿效率作为本实验的评 价指标。精矿产率、铁回收率和选矿效率计算公式为 1 ， 兰L 1 0 0 ％ 3 ’ ％ m -． 式中y 为精矿产率，％；m ．是磁选所得精矿质量，g ；m 。 是磁选所得尾矿质量，g 。 ， 8 。东麓1 0 0 ％ 4 式中占为铁回收率，％；凡为精矿中铁的质量，g ；吒 为尾矿中铁的质量，g 。 西2 赫卢止m a x 旦- - O l 1 0 0 ％ 5 式中多为选矿效率，％；卢为精矿铁品位，％；卢一为最 高铁矿理论品位，％；口为弱磁给矿 焙烧 铁品位，％。 2 实验结果及分析 2 ．1 还原温度对工艺指标的影响 还原时间4 0r a i n ，配煤量为6 ％，不同还原温度下 含锌粉尘球团脱锌率、金属化率及选矿效率的变化规 律如图l 所示。从图t 可以看出，脱锌率和金属化率 随还原温度的升高逐渐变大，其中脱锌率在12 5 0 ℃ 之后增幅变小且继续升高到l4 0 0 ℃时反而有所降 低。金属化率在13 5 0 ℃之后产生与脱锌率相似的规 律；还原温度升高，选矿效率逐渐增大，l3 5 0 ℃达到 7 3 ．5 8 ％，之后增加幅度变小。 紧芝 妾萎 藿焉 还原温度／℃ 图1还原温度对工艺指标的影响 寥 、 * 籍 b 蝈 反应初期还原温度对反应的影响表明反应初期遵 循阿累尼乌斯 A r r h e n i u s 方程“ 1 ，温度越高，反应活 化分子的平均能量也越高，因而反应速率更高。继续 增加反应时间，不同温度下的脱锌率和金属化率差距 变小，这主要是因为球团的反应所受的限制环节发生 了变化，低温时，影响球团脱锌率的主要反应为气体还 原剂对锌化合物的还原以及锌蒸汽的挥发，影响金属 化率的主要因素为气体还原剂对铁化合物的还原反 万方数据 矿冶工程 第3 2 卷 应；随着温度的升高，使得球团表面产生了烧结现象， 导致低熔点n F e O S i O ，的生成，大量存在的低熔点 n F e O S i O 堵塞了球团内部的孔隙，抑制了锌铁氧化 物的还原，此时生成气体的外扩散成为限制环节HJ 。 同时由于选矿效率的大小是铁回收率、精矿铁品位以 及精矿产率等因素综合作用的结果，随着还原温度的 升高，其变化规律是逐渐增大。图2 是l4 0 0 ℃时球 团内部的S E M 图片。由图2 可知，在该温度下，球团 内部生成了大量低熔点化合物，不利于内部气体扩散。 高炉含锌粉尘的处理主要是为了除锌，因此脱锌 率是最主要的指标。综合考虑还原温度对3 个指标的 影响，确定l3 5 0 ℃为还原温度的较优值，在该温度 下，脱锌率和金属化率均达到9 8 ％以上，选矿效率达 到7 3 ．5 8 ％。 2 ．2 还原时间对工艺指标的影响 还原温度13 5 0 ℃，配煤量为6 ％，不同还原时间 下含锌粉尘球团脱锌率、金属化率及选矿效率的变化 规律如图3 所示。从图3 可见，在相同还原温度下，随 着还原时间的延长，球团脱锌率和金属化率首先呈增 加趋势，且金属化率较早达到最高值，之后继续延长反 应时间对球团脱锌率影响较小，金属化率反而略有下 降。选矿效率随反应时间先急剧增大至最高点后稳定 一段时间后又下降。 摹 ＼ 褂 基 隆 相 还原时间／r a i n 图3 还原时间对工艺指标的影响 在球团自还原过程中，含锌粉尘球团的脱锌率是球 团自还原与产物锌蒸汽挥发共同作用的结果，球团金属 化率是球团自还原与再氧化速率共同作用的结果，随着 时间的延长，球团内部的碳含量越来越少，球团中的还 原性气体C O 逸出的速率相对较快，碳的燃尽速率快而 利用率低，一方面延长了C 0 与锌化合物的接触时间和 锌蒸汽的挥发时间；另一方面由于锌蒸汽的大量挥发， 炉气的氧化作用对球团中微量残留锌影响甚微，结果 导致脱锌率呈现3 0m i n 之后基本稳定的现象。对于 球团金属化率而言，由于不能抵御炉气的氧化作用使 还原出的铁发生再氧化现象，导致球团金属化率降 低”“J 。因此，对于13 5 0 ℃还原温度，维持还原时间 3 0m i n 是适宜的，可稳定获得脱锌率9 9 ．2 1 ％，金属化 率9 8 ．4 3 ％的金属化球团，选矿效率达到7 3 ．0 2 ％。 2 ．3 配煤量对工艺的影响 还原温度l3 5 0 ℃，还原时间3 0m i n ，配煤量对含 锌粉尘球团脱锌率、金属化率及选矿效率的变化规律 如图4 所示。从图4 可见，在其它条件相同的情况下， 随着配煤量的增加，球团脱锌率和金属化率总体变化 较小，呈现先增加后降低的趋势，值得注意的是，外配 煤量超过6 ％时，球团金属化率降低。脱锌率和金属 化率达到最高值的配煤量分别为4 ％和2 ％；选矿效率 随配煤量的变化趋势与脱锌率基本一致，配煤量4 ％ 之后急剧下降。 配煤量／％ 图4 配煤量对工艺指标的影响 球团含碳量的多少是保证锌化合物和铁化合物能 否被充分还原的必要条件，煤粉在还原过程中按反应 6 一 8 所述过程进行。7 “1 。在布袋灰和重力灰的 混合物中，自身的含碳量达到还原脱锌和还原铁化合 物的理论需求量，但含锌粉尘中的碳粉还原性较弱，增 加一定的外配煤量有利于球团内部反应的进行，但是 配煤量增加到一定程度后，脱锌率和金属化率变化不 大，甚至呈现部分降低的趋势，可能有两方面原因一 是过量的煤粉以及残留的灰分熔融堵塞了球团的孑L 下转第9 I 页 万方数据 第3 期冯林永等从磷矿中分离轻稀的研究9 I 1 0r a i n 条件下，经三级逆流萃取，轻稀土的萃取率达到 了9 9 ．2 ％，单个轻稀土元素的萃取率均大于9 8 ．5 ％。 3 结论 在轻稀土的硝酸浸出过程中，随浸出时问延长、温 度升高、酸度增加及液固比的增大，浸出率逐渐增大， 在液固比2 ．5 1 、6 0 ℃、4 5 ％酸度、时间2h 的条件下， 浸出率可达9 9 ％以上；溶液中轻稀土在相比O ／A 为 2 ，经5 0 ％T B P 三级逆流萃取，萃取率为9 9 ．2 ％，轻稀 土总回收率大于9 8 ％。 参考文献 [ I ]金会心，壬华．李军旗．磷矿资源及从磷矿中提取稀土的研究 现状[ J ] ．湿法冶金．2 0 0 7 ，2 6 4 1 7 9 1 8 3 ． [ 2 ] K i j k o w s k aR ．胁e r i l l gR a r ee n n hE l e m e n t sF r o mK o l aA p a t i t ea n d M o m e c , e nP h o s p h a t eR e e k [ J ] ．P h o s p h a l eR o s e a m h ．1 9 8 0 2 4 0 7 4 2 3 ． 【3 ]贾继奎．从磷灰石中提取稀土的工艺综述[ J ] ．有色金属与稀土 应用，2 0 0 1 4 2 ．5 2 9 ． [ 4 ] 龙志奇．王良士，黄小卫，等．磷矿中微量稀土提取技术研究进展 [ J 】．稀有金属，2 0 0 9 ，3 3 3 4 3 4 4 4 1 ． 上接第8 8 页 隙，恶化了还原动力学条件，阻碍了还原反应的进行， 二是还原过程中球团爆裂，有些煤粉不参与还原而直 接燃烧，并且爆裂后的球团表面积增大，这正好与过量 的煤粉促进还原反应的作用效果相互抵消。 F e O C F e C O 6 Z n O C _ Z n C O 7 C 0 2 C C O 8 随着配煤量的增加，一方面增加了粉尘处理的成 本；另一方面也增加了粉尘造球的难度，综合配煤量对 3 个指标的影响，最优的配煤量选择为4 ％。 3 结论 1 随还原温度的升高，脱锌率和金属化率逐渐提 高，其中脱锌率在12 5 0o C 之后增幅变小且继续升高 到l4 0 0 ℃时反而有所降低。还原温度对选矿效率的 影响逐渐增大，l3 5 0 ℃时达到7 3 ．5 8 ％，之后增加幅 度变小。 2 球团脱锌率和金属化率随着还原时间的延长 呈增加趋势，且金属化率较早达到最高值。之后继续延 长反应时间对球团脱锌率影响较小，金属化率反而略 有下降。选矿效率随反应时间先急剧增大至最高点稳 定一段时间后又下降。 3 随着配煤量的增加，球团脱锌率和金属化率总 体变化较小。呈现先增加后降低的趋势；选矿效率随配 煤量的变化趋势与脱锌率基本一致，配煤量4 ％之后 急剧下降。 4 综合考虑高温还原- 磁选处理过程，兼顾脱锌 率、金属化率、选矿效率 磁选精矿产率以及铁回收 率 等指标，确定的最优工艺参数为焙烧温度1 3 5 0 ℃， 焙烧时间3 0r a i n ，配煤量4 ％，在此条件下的脱锌率和 金属化率分别高达9 9 ．7 5 ％和9 9 ．4 6 ％，选矿效率为 7 5 ．8 4 ％ 精矿产率为4 5 ．6 3 ％，铁回收率为9 5 ．7 6 ％ 。 参考文献 [ 1 ] 刘秉国，彭金辉，张利波．高炉瓦斯泥 灰 资源化循环利用研究 现状[ J ] ．矿业快报．2 0 0 “ ／ 5 1 4 一1 7 ． [ 2 ] 余雪峰，薛庆国，董杰吉．钢铁厂典型粉尘的基本物性与利用途 径分析[ J ] ．过程工程学报，2 0 0 9 ，9 I 7 一1 0 ． [ 3 ] 黄希祜．钢铁冶金原理[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 1 0 ． [ 4 ] 张旭。张建良。郭豪，等．铁碳复合球团直接还原试验研究 [ J ] ．矿冶工程，2 0 0 9 ，2 9 2 5 5 5 8 ． [ 5 ] 王春龙，张建良，刘征建，等．高温焙烧．磁选联合处理包钢含锌粉 尘的研究[ J ] ．钢铁，2 0 1 l 。4 6 4 9 3 - 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