CN113981228A

CN113981228A - 一种抑制窑内结圈并提高锌的回收率的方法

Info

Publication number: CN113981228A
Application number: CN202111197058.6A
Authority: CN
Inventors: 吕哲; 刘嘉航; 陈浩; 周艳文; 郭菁; 徐能; 黄士罡
Original assignee: University of Science and Technology Liaoning USTL
Current assignee: University of Science and Technology Liaoning USTL
Priority date: 2021-10-14
Filing date: 2021-10-14
Publication date: 2022-01-28

Abstract

本发明涉及一种抑制窑内结圈并提高锌的回收率的方法，其特征在于，将钢铁冶炼烟尘灰与焦炭和调控物料相混合，调控物料是由SiO₂和CaO组成的均匀复配物，还原焙烧过程中主动抽气，通过烟气回收系统收集获得锌元素的沉泥产品，焙烧产物经水淬处理后给入磨矿‑弱磁选回收系统，弱磁选后获得铁精矿和尾矿。本发明可同时实现97%以上的锌挥发率、品位在67%以上的铁精矿、减少80%回转窑内结圈表面的物质沉积，不仅可以有效的回收钢铁冶炼烟尘灰中的Zn元素，还可以有效的降低能耗、减少环境污染、提高成本率、提高生产利润率。

Description

一种抑制窑内结圈并提高锌的回收率的方法

技术领域

本发明属于钢铁冶炼固体废物综合利用领域，具体涉及一种抑制窑内结圈并提高锌的回收率的方法。

背景技术

钢铁产业是国民经济的重要支柱产业，产业涉及面广、关联度高，在经济建设、社会发展、国防建设等方面发挥着重要作用。2019年全年，全国规模以上工业企业粗钢、生铁、钢材产量分别为99634万吨、80937万吨和120477万吨，同比分别增长8.3%、5.3%和9.8%，然而在国家大力推进生态文明建设的大背景下，绿色发展成为钢铁未来发展的主要方向。钢铁冶炼过程中产生的烟尘灰（电炉炼钢粉尘、高炉瓦斯灰等）总数超过7000万吨/年，其中含有大量铁、锌、铅等有价值元素，若能将这些元素分离提纯，则可变废为宝，得到宝贵的再生资源，既达到环境治理目的，又可解决我国铁矿、锌矿资源短缺的问题，因此多年来各大钢铁企业和相关研究院一直都在研究探讨钢铁冶炼烟尘灰的回收利用，但能够有效进行锌元素回收利用的工艺还不成熟，距离大规模工业化回收利用还存在不小的差距。

钢铁企业通常采用回转窑、转底炉等火法冶炼工艺对烟尘灰资源化处理。这类工艺利用烟尘灰中锌、铅等沸点较低的特点，通过窑内高温还原过程，挥发出低沸点成分，实现各类元素分离。然而调研发现，窑内结圈现象频繁发生，结圈现象造成窑内有效截面积缩小、物料流动性变差、系统阻力增大等系列问题，导致生产线停产，严重影响钢铁厂烟尘灰的资源循环利用实施。如何抑制回转窑内结圈现象，提高作业率，实现连续性生产成为了钢铁企业迫切希望解决的难题，目前研究较多的解决办法有机械法、洗窑法和降铁法。

（1）机械法：制作一根较长的撞杆或机械手臂，一旦发现窑内有粘壁或结圈现象，立即用撞杆进行机械撞击处理，直到结圈物脱落；结圈严重时只能停窑，然后进行使用人工或机械手进行强制打掉结圈。这些机械方法对窑内耐火砖损害较大，同时存在较大安全隐患，停窑操作严重影响生产效率。

（2）洗窑法：当发现结圈物影响到物料在窑内的正常流动时，停止投入烟尘灰原料，调整为向窑内输送高热值的焦炭，迅速提高窑内温度，使结圈物质在高温下软化，并在重力的作用下脱离窑壁，随物料流出。这种清洗结圈物的方法浪费了大量的焦炭资源，而且对回转窑窑体、收尘设施等损害较大，但多数工厂仍在沿用。

（3）降铁法：因为结圈物中含有以铁为主的低熔点化合物，所以有企业认为应该在烟尘灰中添加大量低铁废渣（例如电镀污泥），使入窑时混合料中铁含量降低到20%以下。但是这样操作导致回转窑尾渣中磁选价值降低，同时引入了硫、氯、砷等新的危害元素，尾渣因为这些危害元素超标，变成了更加难处理的二次污染废弃物。

专利号CN110564969A公开了一种综合回收高炉瓦斯灰中铅、锌、铁的方法，该方法使用Na₂CO₃和CaCO₃复配的焙烧促进剂，实现95%以上的锌挥发率、86%以上的铅挥发率并获得品位为65.00%以上的铁精矿，但是并没有解决回转窑内结圈表面的物质沉积问题。

专利号CN103966421A公开了一种钢铁冶金固体废弃物综合回收利用的方法，该方法通过对固体废弃物进行水洗，对水洗渣进行强磁选和弱磁选得到铁精粉，磁选后的尾矿与还原剂进行焙烧，得到挥发的Zn元素，实现冶金固体废弃物的综合利用。但是该方法并没有能耗较大，并且没有对尾气进行处理，同时也没有解决回转窑内结圈沉积物问题。

以上发明都有其很好的优点，但并未将回转窑内结圈表面会沉积低熔点物质的问题解决，而且对于节能减排、环境保护方面的影响并未进行相应的研究分析。由于回转窑温度较高，低熔点化合物会以液态形式附着在回转窑内部，如何在保证元素提取率较高的同时抑制回转窑内部物质沉积是本专利实施方法的重点内容。

发明内容

本发明的目的是提供一种抑制窑内结圈并提高锌的回收率的方法，克服现有技术的不足，通过添加调控物料，既能提高Zn的回收率降低原料的使用，又能提高钢铁冶炼烟尘灰的碱度，增大混合物料熔点，同时调控物料和钢铁冶炼烟尘灰中其他氧化物形成反应竞争机制，控制液相熔融物生成，降低物料的粘附能力，抑制结圈问题；另外调控物料最终混入回转窑的尾渣中，成为制备建筑材料的重要原料，避免了二次污染。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现。

一种抑制窑内结圈并提高锌的回收率的方法，其特征在于，将全铁品位≥20%、含锌品位≥20%的钢铁冶炼烟尘灰采用以下工艺步骤，实现97%以上锌挥发率，并获得铁品位为67%以上的铁精矿，同时减少80%回转窑内结圈表面物质的沉积，具体步骤如下：

1）混料，在含锌的钢铁冶炼烟尘灰中加入占钢铁冶炼烟尘灰总质量10%~15%的焦炭，再加入钢铁冶炼烟尘灰总质量10%~15%的调控物料，所述调控物料是由SiO2和CaO组成的均匀复配物，SiO2与CaO的质量比为3:0.9~1.1；

2）装料，将钢铁冶炼烟尘灰、焦炭、调控物料用混合搅拌机混合1h~2h，使钢铁冶炼烟尘灰、焦炭、调控物料三者混合均匀；

3）焙烧，将混合均匀后的物料装入带有烟气回收系统的回转窑中进行还原焙烧，焙烧温度为1150~1350℃，焙烧时间为2h~3h；

4）烘干，取出回转窑内结圈沉积物，并进行烘干，烘干时间为2h~4h，烘干温度为100℃~150℃；

5）水淬处理，对步骤3）排出的焙烧矿与窑内结圈物分别进行水淬处理，冷却至常温；

6）磨矿-弱磁选回收，将水淬处理后的物料给入磨矿-弱磁选回收系统，磨矿粒度区间为88%~92%，弱磁选后获得铁品位为67%以上的铁精矿和尾矿；

在步骤3）中的还原焙烧过程中进行主动抽气，抽出的气体由烟气回收系统进行处理，通过烟气回收系统收集获得锌元素的沉泥产品，97%以上的锌挥发后被捕获收集。

所述调控物料中的SiO2与CaO的优选质量比为3:1。所述SiO2的纯度≥96%。所述CaO的纯度≥95%。

所述主动抽气的压力为-0.2~-0.8个大气压。

所述回转窑可以替换为反射窑或隧道窑。

所述弱磁选设备为湿式永磁筒式磁选机，筒表面平均磁感应强度为180~220mT。

所述烟气回收系统中设有旋风除尘器和静电式布袋除尘器。

本发明的技术原理是：调控物料采用了SiO₂和CaO。调控物料中的CaO反应原理如下：

第一步：ZnO+C=Zn+CO

第二步：ZnS+CaO+CO=Zn+CaS+CO₂

第三步：CO₂+C=2CO

第四步：ZnO·Fe₂O₃+CO=ZnO+2FeO+CO₂

Zn在焙烧矿中主要以三种形式存在，为ZnO、ZnS和ZnO·Fe₂O₃，由以上的化学反应可知，ZnO首先与焦炭在试验温度下进行反应生成Zn和CO，而第二步中CaO的添加为ZnS还原反应提供了反应介质，将第一步生成的CO进行利用，在避免了CO对环境进行污染的同时将ZnS还原为Zn，使其回收。第三步通过回转炉中的焦炭将CO₂进行利用，生成的CO为第二步ZnS与第四步ZnO·Fe₂O₃的还原反应提供原料，生成的ZnO继续与焦炭进行第一步还原反应，在整个反应过程中，循环使用的CO和CO₂既减少了原料的使用，又避免了CO过多对环境造成的污染。另外，在新型调控物料中的SiO₂提高了Zn₂A_l4Si₅O₁₈, Mg₂Al₄Si₅O₁₈等低熔点化合物在回转窑中的熔点，当回转窑内部温度为1150~1350℃范围时，可以避免低熔点化合物形成液相后导致的挂壁，因此SiO₂的添加有效的抑制了窑内结圈现象。

研究表明，本发明方法采用向钢铁冶炼烟尘灰中配加新型调控物料SiO₂和CaO来促进回转炉焙烧过程中Zn的高效挥发，此法可以在较低的温度下实现高Zn元素回收率，实现不同Zn化合物的还原反应，并减少反应原料的使用和有害气体的排放。此外新型调控物料的加入提高了低熔点化合物的熔点，抑制了窑内结圈现象，提高了工厂的经济效益，增大了钢铁厂烟尘灰的综合处理能力，提高了生产利用率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）本发明采用的添加新型调控物料SiO₂和CaO，可以实现较高的Zn回收率，含有锌的沉泥产品可以单独分离、富集、制备氧化锌等产品，也可以直接出售给相关产品的冶炼生产厂家，提高了钢铁厂烟尘灰的综合处理能力，提高了生产利润率；

2）本发明采用的添加新型调控物料SiO₂和CaO，可以实现在较低的焙烧温度和较短的焙烧时间下获得较高的Zn挥发率，与传统工艺相比减少了能耗，提高了焙烧效率；

3）本发明采用的添加新型调控物料SiO₂和CaO，可以实现气体的循环利用，减少了焦炭使用，与传统工艺相比节省了物料成本的同时减少了有害气体的排放；

4）本发明采用的添加新型调控物料SiO2和CaO，能提高钢铁冶炼烟尘灰的碱度，增大混合物料熔点，同时调控物料和钢铁冶炼烟尘灰中其他氧化物形成反应竞争机制，控制液相熔融物生成，降低物料的粘附能力，将烘干后的内结圈沉积物与未添加调控物料的回转窑内结圈表面沉积物相比重量减少了80%，明显抑制了结圈现象；

5）本发明采用的添加新型调控物料SiO2和CaO，铁精矿的回收率达到80%~90%，另外调控物料最终混入回转窑的尾渣中，可用于制备建筑材料，避免了二次污染。

附图说明

图1为本发明实施例的工艺流程图。

具体实施方式

下面将结合附图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部分实施例，而不是全部的实施例。

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作简单地说明。因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

实施例中所用的钢铁冶炼烟尘灰原料是从攀钢集团采集的钢铁冶炼烟尘灰的混合样品，对该钢铁冶炼烟尘灰进行多元素分析，结果见表1。本实施例中对比用的回转窑内结圈物质是从攀枝花市泓岩科技有限公司采集的回转窑内结圈物质样品，并对回转窑内结圈物质进行多元素分析，结果见表2。

表1钢铁冶炼烟尘灰原料中的多元素分析结果（%）

从多元素分析结果说明，钢铁冶炼烟尘灰中的全铁含量为22.35%，碳含量为26.68%，锌含量为23.34%。

表2对比用回转窑内结圈物质的多元素分析结果（%）

元素	C	O	Al	Si	Ca	Mg	Fe	Zn	S
										含量	5.79	31.09	7.88	12.49	14.50	1.31	23.45	0.57	0.76

从多元素分析结果说明，在回转窑内结圈物质包括Zn₂A_l4Si₅O₁₈, Mg₂Al₄Si₅O₁₈组成，并包含大量的Fe₃O₄。

见图1，是本发明一种抑制窑内结圈并提高锌的回收率的方法的工艺流程图，在实验室条件下对钢铁冶炼烟尘灰进行综合回收研究。实验室采用的中试线回转窑长50m，内径1.2m，衬有50mm厚度耐火材料，沿窑长方向埋设8支热电偶，实现连续测温。物料由窑尾加入，焙烧后物料由窑头排出，落入水淬池；窑头设有烧嘴，采用灌装液化气做燃料，烧嘴和窑内负压可调，回转窑主体倾斜角1~8°可调，转速0~20转/分钟可调。

如用于规模化生产中时，回转窑也可以替换为反射窑或隧道窑。烟气回收系统中可设置旋风除尘器和静电式布袋除尘器，使不同比重的锌沉泥和飞灰能更好的分离。

本发明一种抑制窑内结圈并提高锌的回收率的方法的具体步骤如下：

1）混料，在钢铁冶炼烟尘灰中加入占钢铁冶炼烟尘灰总质量12%~14%的焦炭，再加入钢铁冶炼烟尘灰总质量12%~13%的调控物料，调控物料是由SiO2和CaO组成的均匀复配物，SiO2与CaO的质量比为3:1；SiO2的纯度≥96%，CaO的纯度≥95%；

2）装料，将钢铁冶炼烟尘灰、焦炭、调控物料用混合搅拌机混合1.5h，使钢铁冶炼烟尘灰、焦炭、调控物料三者混合均匀，混合物料倒入自制的焙烧容器中，并将装填后的焙烧容器进行晃动，使料层高度均匀一致，当料层厚度达到35mm时停止加料与晃动，然后取适量的焦炭均匀覆盖在平整料层的表面；

3）焙烧，将混合均匀后的物料装入带有烟气回收系统的回转窑中进行还原焙烧，进行恒温焙烧，焙烧温度为1200℃，焙烧时间达到2.2h时，断电降温，混合物料随炉自然冷却，焙烧过程与冷却过程中，每隔10min进行一次主动抽气，当炉温降低到900℃以下时，将焙烧容器移除，完成97%以上的锌挥发后被捕获收集，烟气回收系统收集获得锌元素的沉泥产品。将烟气回收系统中收集的Zn进行沉积、过滤、烘干，以备后续进行氧化Zn的制备。实验室采用的烟气回收系统的抽气机的抽气压力为-0.2~-0.8个大气压；

4）烘干，取出回转窑内结圈沉积物，并进行烘干，烘干时间为2.5h，烘干温度为130℃~140℃，将实施例取样的回转窑内结圈沉积物进行元素检测，元素检测结果如表3所示；

5）水淬处理，对步骤3）排出的焙烧矿与窑内结圈物分别进行水淬处理，水淬前温度不低于850℃，水淬后冷却至50℃以下；

6）磨矿-弱磁选回收，将水淬处理后的物料给入磨矿-弱磁选回收系统，磨矿粒度区间为90%，弱磁选后获得铁品位为67%以上的铁精矿和尾矿；弱磁选设备为湿式永磁筒式磁选机，筒表面平均磁感应强度为200mT，可获得全铁品位67%以上的铁精矿。

将步骤6）取出的焙烧容器放置在高温箱中进行干燥，当焙烧容器中的水分全部挥发后进行称重，并取样检测其中Zn元素的含量，获得锌品位为0.58%，经换算，锌挥发率达到了97.42%。

表3实施例回转炉内结圈物质多元素分析结果（%）

从表3可以看出，调控物料的加入可以有效地减少回转炉内结圈表面物质中低熔点化合物（如Al、Si、Ca等）的含量，避免了对回转炉内结圈表面的频繁清理，可以有效的提高钢铁厂的经济效益，并且调控物料的加入对Zn元素的挥发起到了高效的促进作用，多种Zn的化合物都得到了充分的还原反应，同时原料的消耗降低，向环境中排放的有害气体含量也必然会大幅减少。

当然，本发明还可以有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变与变形，但这些相应的改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims

1.一种抑制窑内结圈并提高锌的回收率的方法，其特征在于，将全铁品位≥20%、含锌品位≥20%的钢铁冶炼烟尘灰采用以下工艺步骤，实现97%以上锌挥发率，并获得铁品位为67%以上的铁精矿，同时减少80%回转窑内结圈表面物质的沉积，具体步骤如下：

混料，在含锌的钢铁冶炼烟尘灰中加入占钢铁冶炼烟尘灰总质量10%~15%的焦炭，再加入钢铁冶炼烟尘灰总质量10%~15%的调控物料，所述调控物料是由SiO₂和CaO组成的均匀复配物，SiO₂与CaO的质量比为3:0.9~1.1；

装料，将钢铁冶炼烟尘灰、焦炭、调控物料用混合搅拌机混合1h~2h，使钢铁冶炼烟尘灰、焦炭、调控物料三者混合均匀；

焙烧，将混合均匀后的物料装入带有烟气回收系统的回转窑中进行还原焙烧，焙烧温度为1150~1350℃，焙烧时间为2h~3h；

烘干，取出回转窑内结圈沉积物，并进行烘干，烘干时间为2h~4h，烘干温度为100℃~150℃；

水淬处理，对步骤3）排出的焙烧矿与窑内结圈物分别进行水淬处理，并冷却至常温；

磨矿-弱磁选回收，将水淬处理后的物料给入磨矿-弱磁选回收系统，磨矿粒度区间为88%~92%，弱磁选后获得铁品位为67%以上的铁精矿和尾矿；

2.根据权利要求1所述的一种抑制窑内结圈并提高锌的回收率的方法，其特征在于，所述调控物料中的SiO₂与CaO的优选质量比为3:1。

3.根据权利要求1所述的一种抑制窑内结圈并提高锌的回收率的方法，其特征在于，所述SiO₂的纯度≥96%。

4.根据权利要求1所述的一种抑制窑内结圈并提高锌的回收率的方法，其特征在于，所述CaO的纯度≥95%。

5.根据权利要求1所述的一种抑制窑内结圈并提高锌的回收率的方法，其特征在于，所述主动抽气的压力为-0.2~-0.8个大气压。

6.根据权利要求1所述的一种抑制窑内结圈并提高锌的回收率的方法，其特征在于，所述回转窑可以替换为反射窑或隧道窑。

7.根据权利要求1所述的一种抑制窑内结圈并提高锌的回收率的方法，其特征在于，所述弱磁选设备为湿式永磁筒式磁选机，筒表面平均磁感应强度为180~220mT。

8.根据权利要求1所述的一种抑制窑内结圈并提高锌的回收率的方法，其特征在于，所述烟气回收系统中设有旋风除尘器和静电式布袋除尘器。