魏秀泉1 馬騰飛2 佘雪峰2
(1北京安康科創(chuàng)節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?； 2北京科技大學)
摘 要：文章考察了不同碳氧比和溫度條件下，直接還原過程中的鐵還原率、 金屬化率、 還原脫鋅和脫鉛率、KCl和 NaCl 揮發(fā)脫除率，通過實驗可知，含鋅粉塵制備的含碳球團可以脫除鋅、 鉛、 鉀和鈉， 同時有效利用粉塵中的碳資源還原鐵氧化物得到金屬化球團；在 1200 ~1330℃范圍內(nèi)，溫度對鐵氧化物還原，鋅和鉛的還原脫除，KCl和 NaCl 的揮發(fā)脫除影響明顯，當粉塵碳氧比為1.0還原溫度為1300℃ ，還原時間大于18min 時，反應接近最終平衡點，可獲得金屬化率大于80％ ，鋅鉛幾乎完全脫除，鉀鈉脫除率大于90％ 的金屬化球團。
關鍵詞：直接還原；含鋅粉塵；回收；轉(zhuǎn)底爐
我國是鋼鐵產(chǎn)量大國，2017 年我國鋼鐵產(chǎn)量達到8.2億t 左右.通常鋼鐵企業(yè)粉塵產(chǎn)生量為鋼產(chǎn)量的 10％ 左右，也就是說我國鋼鐵企業(yè)2017年粉塵產(chǎn)生量為 8200 萬 t。這些粉塵含有大量的鐵、 碳元素， 其中一部分粉塵還含有鋅、 鉛、 鉀和鈉等元素[1 －2] ， 返回燒結(jié)處理會對高爐帶來鋅、 鉛循環(huán)富集問題，若堆放處理又會帶來環(huán)境污染。 因此，為綜合利用冶金粉塵資源，提出采用轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝處理鋼鐵廠含鋅粉塵[3 －5] 。文章以萊鋼提供冶金粉塵為研究對象，對轉(zhuǎn)底爐工藝流程中的關鍵問題進行了深入的基礎研究， 所獲得的基礎數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)底爐工藝設計及應用提供了基礎參數(shù)。主要對冶金粉塵進行了系統(tǒng)分析，獲得了粉塵的化學成分，然后考察在1200 ~ 1330℃時，鐵還原率、 金屬化率、 還原脫鋅和脫鉛率、 KCl和 NaCl的揮發(fā)脫除率等.
1 實驗原料與實驗方法
1.1 實驗原料
選取的冶金粉塵主要產(chǎn)生于燒結(jié)、 煉鐵、 煉鋼和軋鋼等工序，不同工序產(chǎn)生粉塵的物理特性也不相同，為保證試驗結(jié)果的準確性，必須使試樣具有代表性，將取得樣品采用四分法進行縮分，縮分樣品保留作為實驗樣品。
各種粉塵的成分分析結(jié)果見表 1，可以看出: 高爐布袋除塵灰碳含量高達 34.00%鋅含量高達到16.60%，鉀為 0.76%，但含鐵品位較低只有 17.03%，轉(zhuǎn)爐細灰和轉(zhuǎn)爐污泥含鐵品位較高分別為 52.30%和58.19%其中轉(zhuǎn)爐細灰中堿金屬含量高于一般除塵灰的含量(鉀鈉分別為1.01%和1.67%）；電爐灰中的堿金屬和鋅含量也比較高，鋅含量為2.61%，鉀含量為 1.32%，其成分一般隨加入廢鋼不同而產(chǎn)生變化。
1.2 實驗設備及方法
首先按 C / O 為1.0的方案對各種粉塵進行配料 (配入水量12％ ±0.5%混合粉塵成分見表 2。配好的混合料經(jīng)強力混合機混料 3min，然后通過對輥壓球機壓制成球團，將生球放入烘干箱內(nèi)烘干 4h(烘干箱設定溫度為 378K)，烘干后的球團裝入鐵鉻鋁鉬絲編成的吊籃， 將吊籃放置到1573 K、 152K、 1573K 和 160K 的溫度區(qū)進行還原， 生球分別還原3min、 6min、 9min、12min、 15min、 1min。到達預定還原時間取出球團，放在氮氣中急速冷卻，采用化學分析方法，計算相應的金屬化率、 脫鋅率、 脫鉛率、 脫鉀率、 脫鈉率和氧化鐵還原率。
為保證爐內(nèi)中性氣氛，管式爐底部通入N2，流量為 5L / min，實驗高溫還原設備采用高溫硅鉬爐， 額定功率8kW，額定溫度 1973K，爐管材 質(zhì)為剛玉莫來石，爐管尺寸為 Φ95 ( 80) × 720mm，實驗設備及原理如圖1 所示。
2 實驗結(jié)果及分析
2.1 溫度和碳氧比對還原速率影響
圖 2、圖 3 是球團碳氧比為 1.0溫度為 1200~ 1330℃時，還原時間與球團金屬化率及鐵氧化物還原度的關系，從圖中可以看出，還原溫度對球團金屬化率和鐵氧化物還原率影響較為明顯，隨著溫度升高，鐵氧化物還原達到平衡時金屬化率和還原率所需時間越短， 說明鐵氧化物直接還原速度越快，這是由于鐵氧化物直接還原屬于吸熱反應，溫度越高，反應速率越快。當還原溫度高于 1330℃ 時，反應終了的金屬化率和鐵氧化物還原率能達到 85％ 以上。
圖 4、 圖 5 是在13600℃條件下，分別采用碳氧比為 0.8、0.9和1.0時，金屬化率、 還原度與還原時間的關系。隨著碳氧比的增加， 含碳球團的金屬化率和還原度有所增加， 在四種碳氧比條件下， 當還原時間小于 9min 時,不同碳氧比的球團金屬化率和還原度區(qū)別不大,還原時間超過 9min 后，碳氧比對球團的金屬化率和還原率影響變大，球團中碳氧比越高，還原反應終點的金屬化率和還原度越高，要達到 70％ 以上的金屬化率，碳氧比應不低于 0.9。
2.2 溫度對脫鋅和脫鉛的影響
圖6、圖7 是碳氧比為1.0溫度為1200 ~1330℃ 時，還原時間與球團脫鋅率和脫鉛率的關系。
從圖 6 中可以看出，還原溫度對球團脫鋅率影響較為明顯，隨著溫度升高，球團還原達到平衡時的脫鋅率所需時間越短，在 1200 和 1250℃條件下分別還原 18 和 24min， 球團脫鋅率達到99％ 以上， 而在1300 和 1330℃ 條件下只需還原15min，球團脫鋅率就可達到 99％ 以上。
圖 7 的趨勢與圖 6 類似，但圖 7 曲線斜率更大，說明脫鉛過程比脫鋅更加容易， 在 1300 ~ 1330℃還原 15min， 脫鉛率就能達到 99％ 以上。
2.3 溫度對脫鉀和脫鈉的影響
球團還原過程中伴隨著KCl和 NaCl 的揮發(fā)脫除， KCl和 NaCl 幾乎不溶解于 Fe 和渣相，KCl和 NaCl 的熔點很低， 分別為773 和800.07，沸點分別為1500 和 1465℃ ， 根據(jù)表 2列出的 KCl和 NaCl 在800 ~ 1350℃ 的蒸氣壓，可以確定 KCl和 NaCl 在球 團中 ( 1200~ 1330℃ ) 屬于液態(tài)蒸發(fā)過程，隨著溫度升高， KCl和 NaCl 所對應的蒸氣壓增大，因此溫度越高，揮發(fā)越容易。
在實驗過程中，考察了溫度與時間對鉀鈉脫除率的影響，實驗結(jié)果如圖 8 和圖 9 所示，從圖中可以看出，環(huán)境溫度對鉀鈉脫除率有一定的影響，當環(huán)境溫度為1330℃ 時球團揮發(fā)脫鉀達到平衡的時間比1200℃要短15min， 在1330℃環(huán)境溫度條件下，還原 15min 鉀鈉含量即可降低到0.1%左右。
3 結(jié)論
考察了不同直接還原工藝條件下，鐵還原率、 金屬化率、 還原脫鋅和脫鉛率、 KCl和 NaCl 的脫除率， 主要結(jié)論如下:
(1) 通過直接還原過程，含鋅粉塵制備的 含碳球團可以脫除鋅、 鉛、 鉀和鈉，同時有效利用粉塵中的碳資源還原鐵氧化物得到金屬化球團。
(2) 在1200 ~ 1330℃ 范圍內(nèi)，溫度對鐵氧化物還原，鋅和鉛的還原脫除，KCl和 NaCl 的揮發(fā)脫除影響明顯，即還原溫度越高，還原速度越快，脫除速率越快。
(3 ) 當粉塵碳氧比為 1.0還原溫度為1300℃ ，還原時間大于1min 時，反應接近最終平衡點，可獲得金屬化率大于80％，鋅鉛幾乎完全脫除，鉀鈉脫除率大于 90％ 的金屬化球團。
參考文獻
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