含砷硫酸渣预氧化-弱还原脱砷球团工艺研究.pdf
含砷硫酸渣预氧化⁃弱还原脱砷球团工艺研究 ① 李二平, 邱亚群, 向仁军, 成应向 (湖南省环境保护科学研究院 水污染控制技术湖南省重点实验室,湖南 长沙 410004) 摘 要 高炉炉料要求所用球团矿砷含量低于 0.08%,郴州三十六湾河道尾砂制酸硫酸渣砷含量为 2.08%。 本文在分析砷及含砷 矿物的理化性质和研究矿物学特征的基础上, 采用球团预氧化⁃弱还原工艺,开展铁精矿中砷的脱除研究。 结果表明, 在还原时间 80 min,还原温度 1 150 ℃条件下,球团矿中砷的含量降低到 0.101%,接近高炉生产要求。 关键词 脱砷; 预氧化; 还原工艺; 球团 中图分类号 TF046文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2014.04.019 文章编号 0253-6099(2014)04-0079-04 Researches on Arsenic Removal from Iron Concentrate Pellet by Preoxidization⁃Weak Reduction Process LI Er⁃ping, QIU Ya⁃qun, XIANG Ren⁃jun, CHENG Ying⁃xiang (Hunan Research Academy of Environmental Sciences, Hunan Provincial Key Lab of Water Pollution Control Technology, Changsha 410004, Hunan, China) Abstract Pellets, if used as burdens for blast furnace, must be lower than 0. 08% in terms of arsenic content. However, the arsenic content is 2.08% in the slag after preparation of sulfuric acid with tailings sand from Sanshiliuwan Riverway in Chenzhou City. Based on analysis of physicochemical properties and mineralogical characteristics of arsenic and arsenic⁃bearing minerals, arsenic removal from iron concentrate was studied by the preoxidization⁃weak reduction process. Experimental results showed that controlling the preoxidization at a temperature of 1 150 ℃ for 80 min leads to the arsenic content in pellet reduced to 0.101%, which almost meet requirement for blast furnace. Key words arsenic removal; preoxidization; reduction process, pellet 在铁矿资源日益紧张的趋势下,一些复杂铁矿资 源正在被大力开发利用[1]。 我国目前年产硫酸 1 800 万吨以上,排渣量超过 1 000 万吨。 对硫酸渣有效处 理和利用,不仅可以消除环境污染,而且可以为钢铁工 业提供大量优质廉价的炼铁原料[2]。 郴州三十六湾河道尾砂经初选和精选获得含锡、 砷、锌铁精矿产品,铁精矿经沸腾炉制硫酸。 制酸后的 铁精矿含有大量砷、锡、锌等有色金属,且共生关系非 常复杂,其中砷含量仍然超标,不能满足高炉冶炼要 求,因此必须脱除铁精矿中的砷。 文献已有大量关于脱砷的研究[3-6]包括选矿脱 砷法、细菌氧化法、NaOH 焙烧脱砷法、湿法氧化法、氧 化焙烧法、加压氧化法、硝酸分解法、真空脱砷法等方 法。 单质砷、砷氧化物、砷硫化物、砷黄铁矿在氧化气 氛中可以转化成三氧化二砷从而脱除,但是氧化气氛 过强或者氧化时间过长时,三氧化二砷易氧化成五氧 化二砷,从而生成不易被氧化的砷酸盐,砷酸盐只有在 弱还原气氛中才可被还原成三氧化二砷[7]。 因此,本 文在充分分析制酸后的铁精矿中锡、锌、铁的还原特性 基础上,采用预氧化⁃弱还原球团工艺开展铁精矿中砷 的脱除研究,从而制得满足高炉冶炼要求的成品球团 矿,达到工业生产的要求,使含砷复杂矿得以综合 利用。 1 实验原料及方法 1.1 实验原料 实验所用原料均为郴州钖涛化工有限公司提供, 原料获取工艺流程见图 1。 原料硫酸渣经 X 射线荧光 光谱分析,主要化学成分如表 1 所示。 由表 1 可以看 出,硫酸渣中砷含量为 2.08%,远远高于高炉冶炼要 ①收稿日期 2014-02-26 基金项目 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2010ZX07212-008) 作者简介 李二平(1980-),男,湖南郴州人,助理研究员,博士,主要从事生活和工业固废资源化研究。 第 34 卷第 4 期 2014 年 08 月 矿 冶 工 程矿 冶 工 程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.34 №4 August 2014 求指标(0.08%),因此在球团制备过程中必须考虑 脱除铁精矿中的砷。 硫酸渣物理性能和粒度组成见 表 2~3。 图 1 硫酸渣原料获取工艺流程 表 1 硫酸渣主要化学成分(质量分数) / % TFeFe2O3CaOMgONa2OAsZnSn 55.1778.142.391.430.342.081.240.217 表 2 硫酸渣物理性能 烧渣 编号 堆密度 / (gcm -1 ) 真密度 / (gmL -1 ) 毛细水 / % 毛细水迁移速度 / (10 -4 ms -1 ) 硫酸渣 11.3824.54532.040.83 硫酸渣 21.0063.96937.941.11 烧渣 编号 分子水 / % 比表面积 / (cm2g -1 ) 成球性 指数 孔隙率 硫酸渣 18.251920.400.34700.696 硫酸渣 28.352421.720.28220.746 表 3 原料粒度组成 -0.043 mm0.043~0.074 mm +0.074 mm 48.42%30.316%21.264% 1.2 实验方法及设备 1.2.1 膨润土的选择及用量 分析了两种不同种类膨润土性能,结果见表 4。 在样品混合料水分 15%、造球时间 12 min、圆盘转速 23 r/ min 的造球条件下,研究膨润土的种类和用量对 生球质量的影响。 表 4 膨润土物理性能 膨润土 种类 吸蓝量 / [g (100 g) -1 ] 蒙脱石 含量/ % 胶质价 / % 2 h吸水率 / % 膨胀容 / (mL g -1 ) 粒度组成 (-0.074 mm)/ % 大冶土44.290.1100510.349.299.9 黄岗土36.5882.7553202.042199.32 1.2.2 造球实验 造球时每次称取 4 kg 硫酸渣(干基),膨润土添加 量按试验设定配比进行计算,配料后将硫酸渣和膨润 土充分混匀(混匀后水分为 15%)。 造球试验在圆盘 造球机中进行。 其主要技术参数为直径 1 000 mm, 转速23 r/ min(可调),边高150 mm,倾角47。 造好的 生球经过筛分,将 10 ~ 12 mm 的生球作为合格生球。 取样测定生球的落下强度、抗压强度、爆裂温度和生球 水分,其余生球进行干燥以供后续的预热、焙烧试验用。 1.2.3 润磨实验 润磨采用 Φ540 mm 530 mm 润磨机,转速为 31 r/ min,润磨机功率为 1.5 kW,每次给料量为 4 kg, 润磨时间 4 min,研究给料水分对造球性能影响,确定 最佳给料水分。 1.2.4 竖炉预氧化⁃弱还原 竖炉预氧化⁃弱还原是将备好的硫酸渣干球和还 原煤按 5∶ 3的比例混合后装入耐高温还原罐中,待竖 炉升温至一定温度时,让其稳定 10 min 左右,将装有 试样的还原罐置入竖炉内。 当达到规定的温度并还原 一定时间后,将还原罐连同试样从炉内取出并冷却至 室温。 最后制样化验。 1.2.5 全铁和亚铁化验 全铁化验称取 0.1000 g 矿样置于小锥形瓶中,加 20 mL 浓盐酸加热煮沸片刻至溶解完全,然后取下锥 形瓶迅速滴加 SnCl2溶液,边滴边摇至无色。 冷却后 加 100 mL 蒸馏水,再滴入钨酸钠 4~5 滴,加三氯化钛 至浅淡蓝色,再滴入 1~2 滴重铬酸钾至无色,加 20 mL 硫磷混酸,加二苯铵磺酸钠 4 ~ 5 滴,最后用浓度为 0 05%的重铬酸钾滴定。 亚铁化验称取 0.2000 g 矿样和 0.5 g 粉状碳酸钠 置入大锥形瓶中,加入30 mL 浓盐酸,迅速用塑胶盖盖 住瓶口,加碳酸氢钠饱和溶液至中间位置,煮沸至溶 解,取下大锥形瓶一直加碳酸氢钠饱和溶液直到其不 再滴下,冷却至室温后加 20 mL 硫磷混酸、5 滴二苯铵 磺酸钠,最后用浓度为 0.05%的重铬酸钾滴定。 2 结果与讨论 2.1 砷及含砷矿物的理化性质 单质砷无毒,常压下,砷从 554 ℃ 时开始明显蒸 发,在空气中加热砷,会形成三氧化二砷和五氧化二 砷。 而在高温下,砷和金属铁有很强的亲和力,极易生 成 FeAs 和 Fe2As 之类的金属间化合物。 砷氧化物主 要有 2 种三氧化二砷和五氧化二砷。 三氧化二砷,有 剧毒,易挥发,其熔点为 275~315 ℃,在 120 ℃开始升 华,到 500 ℃时蒸汽压达到一个大气压。 五氧化二砷 是砷的高价氧化物,在有其他氧化物存在的情况下,五 08矿 冶 工 程第 34 卷 氧化二砷易转化成不挥发的 nMOAs2O5等物质。 研究表明,砷黄铁矿在中性气氛中加热时,220 ℃ 时即发生离解,离解产物为单质砷和硫化亚铁,用化学 方程式可表示为 FeAsSAs+FeS 氧化焙烧发生如下反应 4FeAsS+10O22Fe2O3 +As 4O6+4SO2 (As4O6三氧化二砷的聚合态形) 由砷以及砷化合物的物化性质可知,单质砷、砷硫 化物、砷黄铁矿等可在预氧化气氛下被氧化成三氧化 二砷,而砷酸盐矿物则在弱还原气氛下被还原成三氧 化二砷,从而可脱除铁精矿中的砷[8-11]。 2.2 膨润土的选择及用量 膨润土种类及用量对生球质量的影响见表 5。 由 表 5 可知,考虑到后期球团生产工艺的经济性以及球 团产品中铁含量,重点对比落下强度和抗压强度两个 指标,对于本项目硫酸渣样品造球性能的影响,活化处 理后的黄岗膨润土优于未活化处理的;大冶膨润土性 能优于黄岗膨润土;对于同类和相同用量的膨润土,加 大膨润土用量生球性能改善不显著。 表 5 膨润土种类和用量对生球质量的影响 膨润土 种类用量/ % 生球水分 / % 落下强度 / [次(0.5 m) -1 ] 抗压强度 / (N个 -1 ) 爆裂温度 / ℃ 黄岗土 (未活化) 2.518.202.10587.4>500 3.018.111.90795.3>500 黄岗土 (活化) 2.518.392.20628.6>500 3.018.452.70793.5>500 3.517.822.90678.6>500 大冶土 2.517.982.50638.3>500 3.018.133.101 078.4>500 4.018.963.301 097.4>500 2.3 润磨工艺的确定 润磨水分和润磨时间对造球的影响如表 6 所示。 延迟润磨时间和提高润磨水分都有利于提高生球质 量,但润磨水分高于 10%后,润磨机粘料特别严重。 表 6 润磨对造球的影响 润磨 水分/ % 生球水分 / % 落下强度 / [次(0.5 m) -1 ] 抗压强度 / (N个 -1 ) 爆裂温度 / ℃ 214.02.710.5>600 414.22.911.3>600 614.43.212.8>600 814.63.613.1>600 1014.694.615.1>600 注膨润土用量 3%,润磨 4 min。 2.4 竖式管炉预氧化⁃弱还原脱砷试验 在活化后的大冶膨润土用量为 3%、造球时间 12 min,圆盘转速 23 r/ min、10%水分润磨的试验条件下, 焙烧球强度均能超过 3 000 N,基本满足熟球性能要 求。 还原温度对球团矿化学成分的影响如图 2~3 所 示,提高还原温度有利于硫酸渣球团砷、硫等有害元素 的脱除。 通过研究还原温度条件对球团砷挥发行为的 影响可知在相同还原时间下,随着还原温度升高,全 铁含量先升高后逐渐趋于稳定,在还原温度为 1 110 ℃,有最大值 86.6%;在相同还原时间下,砷、硫元素含 量随还原温度升高而降低,硫脱除率高于砷。 图 2 还原温度对全铁含量的影响 图 3 还原温度对砷、硫元素脱除的影响 还原时间对球团矿化学成分的影响如图 4~5 所 示,全铁含量随着还原时间增加略有增加,最大值为 89.3%;砷、硫含量随着还原时间增加而降低,在还原 时间为 80 min 时,砷挥发率变化趋于稳定。 图 4 还原时间对全铁含量影响 18第 4 期李二平等 含砷硫酸渣预氧化⁃弱还原脱砷球团工艺研究 图 5 还原时间对砷、硫元素的脱除影响 综合试验可知,在还原时间 80 min,还原温度 1 150 ℃条件下,球团矿中砷的含量降低到 0.101%。 2.5 球团成品微观结构分析 采用预氧化⁃弱还原工艺,硫酸渣球团矿经光学显 微镜鉴定及扫描电镜能谱图证实,矿物主要是 Fe2O3、 Fe3O4、橄榄石、铁酸镁、游离 SiO2、Al2O3及玻璃质等。 成品球团外部和内部显微结构分别见图 6~7。 图 6 成品球团外部显微结构 图 7 成品球团内部显微结构 由实物可知,硫酸渣成品球团呈灰黑色,球圆,球 直径为 13~14 mm。 由显微结构图可知,球团外层结 晶更规则,晶粒发育互联更强,里层矿物发育松散,部分 残存 Fe3O4清晰可见。 由图 7 可知,硫在预热、弱氧化 焙烧过程中挥发,脱硫后留下很多通道,影响强度。 因 此,必须控制其用量或者添加有效物质提升硫酸渣球团 性能[12]。 3 结 论 1) 通过研究还原温度和时间等条件对球团砷挥发 行为的影响可知随着还原温度升高,全铁含量先升高 后逐渐趋于稳定,砷、硫元素降低;全铁含量随着还原时 间增加略有增加,砷、硫含量随着还原时间增加而降低, 但还原时间过长时,砷挥发率变趋于稳定。 2) 通过预氧化⁃弱还原实验,可以使球团矿中砷含 量从 2.08%左右降低到 0.101%,接近高炉炉料对球团中 砷含量的要求。 参考文献 [1] 殷瑞饪. 关于钢铁企业的结构与钢铁工业的发展模式[J]. 中国工 程科学,2001,3(6)24-32. 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