一种渣浴还原处理高炉粉尘的方法与流程

本发明属于冶金固体废弃物处理技术领域，特别涉及一种渣浴还原处理高炉粉尘的方法。

背景技术：

我国是钢铁工业大国,冶金粉尘排放量巨大，其中，高炉粉尘是典型的冶金粉尘之一；由于高炉粉尘中含有大量的铁资源，从高炉粉尘中回收铁资源一直备受关注；采用转底炉工艺处理高炉粉尘工艺已实现工业化应用，但这种工艺的主要问题包括以下三方面：第一，直接还原铁中硫含量控制存在问题，由于含碳球团以铁矿粉和煤粉为原料，矿和煤中的硫均没有经过预处理脱除，而且含碳球团渣铁熔分过程时间短，渣铁流动性差，因此脱硫效果较差，导致直接还原铁中硫含量较高；其次，热效率与生产效率低，转底炉主要依靠辐射传热加热炉料，同时转底炉炉膛高、料层薄，导致热效率与生产效率低等问题；；此外，含碳球团还原后经冷却自然粉化得到渣和铁粒，渣铁分离存在一定困难，影响了金属收得率；因此，开发更加合理的高炉粉尘处理方法，对提高高炉粉尘循环利用、促进企业节能减排具有十分重要的意义。

相比于转底炉工艺将高炉粉尘制成含碳球团进行直接还原的处理方法，渣浴熔融还原法具有反应界面大，反应效率高等优点，被认为是处理冶金固体废弃物的新途径；其中，渣浴碳热熔融还原法借助于碳对熔渣中有价金属氧化物的快速还原以及渣-金界面间的超大反应面积，可使生产效率得到提高；同时，渣浴熔融还原中的熔渣层对还原后所形成的金属熔体层具有精炼作用，可高效去除杂质元素，有助于获得高纯度的金属液或合金溶液。此外，渣浴还原借助于熔渣层与金属熔体层间的密度差更易实现渣金分离，提高了有价金属的还原收得率。

高炉粉尘的主要成分是含铁氧化物，铁元素的重量百分含量可达40%以上，同时含有部分SiO₂、CaO、Al₂O₃以及少量的ZnO、PbO、P₂O₅、K₂O、Na₂O等；众所周知，CaO-SiO₂-FeO体系是典型的冶金渣系之一，随其中FeO含量的减少，该体系熔化温度相应升高；因此，如果采用渣浴碳热熔融还原方法处理高炉粉尘过程，随其中FeO被不断还原，该体系熔渣的粘度不断增加，体系的还原动力学条件将逐渐恶化，需要在较高温度下才能保证还原反应持续进行；同时，熔渣黏度增加以及碳热还原反应产物CO气体易导致熔渣泡沫化，造成渣金分离困难；此外，渣浴碳热熔融还原所获得的主要产品是碳饱和铁水，存在产品附加值不高的问题。

技术实现要素：

针对高炉粉尘处理技术现状与存在的上述问题，本发明提出一种渣浴还原处理高炉粉尘的方法，通过在熔融状态下加入铝灰进行低温还原，在获得工业纯铁水的同时，降低生产成本，减少环境污染。

本发明的方法按以下步骤进行：

1、将高炉粉尘在钢包炉或感应炉中加热至1400~1500℃形成熔融渣池，然后将铝灰加入到熔融渣池中；铝灰的重量占高炉粉尘和铝灰总重量的27.0~37.0%；

2、将熔融渣池在1400~1500℃保温0.5~1.0h，保温的同时通过钢包炉或感应炉底部吹入氩气搅拌熔融渣池，氩气的压力为0.3~0.4MPa，流量为200~300L/min；

3、保温结束后分别排放液态金属和尾渣，液态金属为工业纯铁水。

上述方法中选用的高炉粉尘中铁元素的重量百分比为35~46%。

上述方法中选用的铝灰中金属Al的重量百分比为25~35%。

上述的工业纯铁水中Fe的重量百分比≥98%。

上述方法中高炉粉尘中Fe的回收率为90~95%。

上述方法处理每吨高炉粉尘获得0.30~0.36吨工业纯铁水。

上述的加热和保温过程中主要发生如下化学反应：

3(FeO) + 2[Al] = 3Fe(l) + (Al₂O₃) （1）

(Fe₂O₃) + 2[Al] = 2Fe(l) + (Al₂O₃) （2）

通过上述反应的发生，使高炉粉尘中氧化铁得以还原，并形成不含碳的以Fe为主要成分、少量P为杂质成分的工业纯铁水。

CaO-SiO₂-Al₂O₃三元体系作为另一个典型的冶金渣系，随其中Al₂O₃含量增加，该体系的熔化温度和熔渣黏度将显著降低；因此，如果借鉴渣浴碳热熔融还原原理，在1400~1500℃左右温度下，用金属铝作为还原剂对高炉粉尘进行渣浴铝热熔融还原处理时，即使作为初始主要成分的CaO-SiO₂-FeO体系中FeO含量因还原反应进行而逐渐减少，但随着还原产物Al₂O₃的生成，反应体系中Al₂O₃含量将逐渐增加，也可保证熔渣具有较低的熔化温度和黏度，有利于保证高炉粉尘在渣浴铝热熔融还原过程中的动力学条件；其次，对高炉粉尘采用渣浴铝热熔融还原时，由于无气体产物产生，可避免泡沫渣的形成，从而为渣金分离创造良好条件。此外，用铝还原高炉粉尘所获得的金属铁液中不含碳，经过精炼去除铁液中的P等杂质元素后，可获得工业纯铁，较生铁具有更高的附加值；然而，采用金属铝对高炉粉尘进行渣浴铝热熔融还原处理时，由于金属铝价格昂贵，将不可避免导致处理成本的增加。

铝灰是电解铝或铸生产工艺中产生的熔渣经冷却加工后的产物，其成分主要为15%~35%的金属铝，其余为包括Al₂O₃和SiO₂在内的氧化物。根据铝灰来源与成分不同，每吨铝灰价格在数百元左右。用铝灰替代金属铝作为还原剂对熔化后的高炉粉尘进行渣浴还原时，不仅可解决处理成本问题，且随铝灰中原有Al₂O₃和反应产物Al₂O₃向熔渣中的不断溶解溶解，可在还原反应的进程中动态调整熔渣的熔化温度与黏度，避免发生熔渣“返干”现象，保证良好的还原动力学条件，并有利于促进金属液滴的聚合长大与渣金分离，获得高附加值产品。

本发明方法的特点在于：用铝灰作为还原剂对高炉粉尘进行渣浴铝热熔融还原处理，是典型的以废治废，可实现固体废弃物的高效利用；不仅克服了碳热熔融还原过程中因熔渣返干而导致动力学条件变差的问题，还可获得不含碳的工业纯铁，较普通生铁具有更高的附加值；此外，这种方法的处理成本低，环境污染小。

具体实施方式

本发明实施例中选用的高炉粉尘为普通高炉粉尘，成分按重量百分比含CaO 5.0~6.0%，SiO₂ 5.5~6.5%，Al₂O₃ 2.0~4.0%，TFe 35.0~46.0%，Zn 0.5~0.8%，余项为挥发分及杂质成分。

本发明实施例中采用的铝灰为电解铝灰，其成分按重量百分比含Al 20~30%，Al₂O₃ 30~45%，SiO₂ 4~6%，Na₂O 1~3%，MgO 2~3%，CaO<2.0%，FeO+MnO<1.0%。

本发明实施例中将铝灰加入到熔融渣池中采用的设备为喷粉罐，采用的载气为氮气，通过喷吹加入熔融渣池中。

实施例1

高炉粉尘的成分按重量百分比含CaO 5.0%，SiO₂ 5.5%，Al₂O₃ 2.0%，TFe 36.0%，Zn 0.6%；

铝灰的成分按重量百分比含Al 32.5%，Al₂O₃ 31.5%，SiO₂ 28.3%，Na₂O 2.5%，MgO 2.5%，CaO 1.8%，FeO 0.6%，MnO 0.3%；

方法为：

将高炉粉尘在钢包炉中加热至1400℃形成熔融渣池，然后将铝灰加入到熔融渣池中；铝灰的重量占高炉粉尘和铝灰总重量的27.1%；

将熔融渣池在1400℃保温0.5h，保温的同时通过钢包炉或感应炉底部吹入氩气搅拌熔融渣池，氩气的压力为0.3MPa，流量为200L/min；

保温结束后分别排放液态金属和尾渣，液态金属为工业纯铁水，Fe的重量百分比99.6%；高炉粉尘中Fe的回收率为93%，处理每吨高炉粉尘获得0.30吨工业纯铁水。

实施例2

高炉粉尘的成分按重量百分比含CaO 6.0%，SiO₂ 6.5%，Al₂O₃ 4.0%，TFe 45.0%，Zn 0.4%，余项为挥发分及杂质成分；

铝灰的成分按重量百分比含Al 31.5%，Al₂O₃ 32.5%，SiO₂ 28.3%，Na₂O 2.5%，MgO 2.5%，CaO 1.8%，FeO 0.6%，MnO 0.3%；

方法为：

将高炉粉尘在感应炉中加热至1450℃形成熔融渣池，然后将铝灰加入到熔融渣池中；铝灰的重量占高炉粉尘和铝灰总重量的32.4%；

将熔融渣池在1450℃保温1h，保温的同时通过钢包炉或感应炉底部吹入氩气搅拌熔融渣池，氩气的压力为0.4MPa，流量为300L/min；

保温结束后分别排放液态金属和尾渣，液态金属为工业纯铁水，Fe的重量百分比99.7%；高炉粉尘中Fe的回收率为90%，处理每吨高炉粉尘获得0.35吨工业纯铁水。

实施例3

高炉粉尘的成分按重量百分比含CaO 6.0%，SiO₂ 6.0%，Al₂O₃ 3.0%，TFe 40.0%，Zn 0.3%，余项为挥发分及杂质成分；

铝灰的成分按重量百分比含Al 32.5%，Al₂O₃ 31.5%，SiO₂ 27.4%，Na₂O 2.5%，MgO 2.0%，CaO 1.8%，FeO 0.5%，MnO 0.2%；

方法为：

将高炉粉尘在钢包炉中加热至1450℃形成熔融渣池，然后将铝灰加入到熔融渣池中；铝灰的重量占高炉粉尘和铝灰总重量的32.4%；

将熔融渣池在1450℃保温1h，保温的同时通过钢包炉或感应炉底部吹入氩气搅拌熔融渣池，氩气的压力为0.4MPa，流量为300L/min；

保温结束后分别排放液态金属和尾渣，液态金属为工业纯铁水，Fe的重量百分比99.7%；高炉粉尘中Fe的回收率为95%，处理每吨高炉粉尘获得0.35吨工业纯铁水。

实施例4

高炉粉尘的成分按重量百分比含CaO 6.0%，SiO₂ 6.0%，Al₂O₃ 2.0%，TFe 46.0%，Zn 0.3%，余项为挥发分及杂质成分；

铝灰的成分按重量百分比含Al 32.5%，Al₂O₃ 31.5%，SiO₂ 27.4%，Na₂O 2.5%，MgO 2.0%，CaO 1.8%，FeO 0.5%，MnO 0.2%；；

方法为：

将高炉粉尘在感应炉中加热至1450℃形成熔融渣池，然后将铝灰加入到熔融渣池中；铝灰的重量占高炉粉尘和铝灰总重量的32.2%；

将熔融渣池在1450℃保温50min，保温的同时通过钢包炉或感应炉底部吹入氩气搅拌熔融渣池，氩气的压力为0.4MPa，流量为250L/min；

保温结束后分别排放液态金属和尾渣，液态金属为工业纯铁水，Fe的重量百分比99.8%；高炉粉尘中Fe的回收率为92%，处理每吨高炉粉尘获得0.36吨工业纯铁水。

实施例5

高炉粉尘的成分按重量百分比含CaO 5.8%，SiO₂ 6.0%，Al₂O₃ 2.0%，TFe 45.0%，Zn 0.3%，余项为挥发分及成分杂质；

铝灰的成分按重量百分比含Al 26.0%，Al₂O₃ 36.5%，SiO₂ 29.5%，Na₂O 3.0%，MgO 2.5%，CaO 1.7%，FeO 0.4%，MnO 0.4%；

方法为：

将高炉粉尘在感应炉中加热至1500℃形成熔融渣池，然后将铝灰加入到熔融渣池中；铝灰的重量占高炉粉尘和铝灰总重量的37%；

将熔融渣池在1500℃保温40min，保温的同时通过钢包炉或感应炉底部吹入氩气搅拌熔融渣池，氩气的压力为0.3MPa，流量为250L/min；

保温结束后分别排放液态金属和尾渣，液态金属为工业纯铁水，Fe的重量百分比99.5%；高炉粉尘中Fe的回收率为94%，处理每吨高炉粉尘获得0.35吨工业纯铁水。