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(xué))
摘 要：文章考察了不同碳氧比和溫度條件下，直接還原過(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)可知，含鋅粉塵制備的含碳球團(tuán)可以脫除鋅、 鉛、 鉀和鈉， 同時(shí)有效利用粉塵中的碳資源還原鐵氧化物得到金屬化球團(tuán)；在 1200 ~1330℃范圍內(nèi)，溫度對(duì)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(dāng)粉塵碳氧比為1.0還原溫度為1300℃ ，還原時(shí)間大于18min 時(shí)，反應(yīng)接近最終平衡點(diǎn)，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(tuán)。
關(guān)鍵詞：直接還原；含鋅粉塵；回收；轉(zhuǎn)底爐
我國(guó)是鋼鐵產(chǎn)量大國(guó)，2017 年我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量達(dá)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(shuō)我國(guó)鋼鐵企業(yè)2017年粉塵產(chǎn)生量為 8200 萬(wàn) 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?zé)Y(jié)處理會(huì)對(duì)高爐帶來(lái)鋅、 鉛循環(huán)富集問(wèn)題，若堆放處理又會(huì)帶來(lái)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(duì)象，對(duì)轉(zhuǎn)底爐工藝流程中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了深入的基礎(chǔ)研究， 所獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)底爐工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了基礎(chǔ)參數(shù)。主要對(duì)冶金粉塵進(jìn)行了系統(tǒng)分析，獲得了粉塵的化學(xué)成分，然后考察在1200 ~ 1330℃時(shí)，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(shí)驗(yàn)原料與實(shí)驗(yàn)方法
1.1 實(shí)驗(yàn)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(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須使試樣具有代表性，將取得樣品采用四分法進(jìn)行縮分，縮分樣品保留作為實(shí)驗(yàn)樣品。
各種粉塵的成分分析結(jié)果見(jiàn)表 1，可以看出: 高爐布袋除塵灰碳含量高達(dá) 34.00%鋅含量高達(dá)到16.60%，鉀為 0.76%，但含鐵品位較低只有 17.03%，轉(zhuǎn)爐細(xì)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(xì)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(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法
首先按 C / O 為1.0的方案對(duì)各種粉塵進(jìn)行配料 (配入水量12％ ±0.5%混合粉塵成分見(jiàn)表 2。配好的混合料經(jīng)強(qiáng)力混合機(jī)混料 3min，然后通過(guò)對(duì)輥壓球機(jī)壓制成球團(tuán)，將生球放入烘干箱內(nèi)烘干 4h(烘干箱設(shè)定溫度為 378K)，烘干后的球團(tuán)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(jìn)行還原， 生球分別還原3min、 6min、 9min、12min、 15min、 1min。到達(dá)預(yù)定還原時(shí)間取出球團(tuán)，放在氮?dú)庵屑彼倮鋮s，采用化學(xué)分析方法，計(jì)算相應(yīng)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(shí)驗(yàn)高溫還原設(shè)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(lái)石，爐管尺寸為 Φ95 ( 80) × 720mm，實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理如圖1 所示。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 溫度和碳氧比對(duì)還原速率影響
圖 2、圖 3 是球團(tuán)碳氧比為 1.0溫度為 1200~ 1330℃時(shí)，還原時(shí)間與球團(tuán)金屬化率及鐵氧化物還原度的關(guān)系，從圖中可以看出，還原溫度對(duì)球團(tuán)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(dá)到平衡時(shí)金屬化率和還原率所需時(shí)間越短， 說(shuō)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(yīng)，溫度越高，反應(yīng)速率越快。當(dāng)還原溫度高于 1330℃ 時(shí)，反應(yīng)終了的金屬化率和鐵氧化物還原率能達(dá)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(shí)，金屬化率、 還原度與還原時(shí)間的關(guān)系。隨著碳氧比的增加， 含碳球團(tuán)的金屬化率和還原度有所增加， 在四種碳氧比條件下， 當(dāng)還原時(shí)間小于 9min 時(shí),不同碳氧比的球團(tuán)金屬化率和還原度區(qū)別不大,還原時(shí)間超過(guò) 9min 后，碳氧比對(duì)球團(tuán)的金屬化率和還原率影響變大，球團(tuán)中碳氧比越高，還原反應(yīng)終點(diǎn)的金屬化率和還原度越高，要達(dá)到 70％ 以上的金屬化率，碳氧比應(yīng)不低于 0.9。
2.2 溫度對(duì)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(shí)，還原時(shí)間與球團(tuán)脫鋅率和脫鉛率的關(guān)系。
從圖 6 中可以看出，還原溫度對(duì)球團(tuán)脫鋅率影響較為明顯，隨著溫度升高，球團(tuán)還原達(dá)到平衡時(shí)的脫鋅率所需時(shí)間越短，在 1200 和 1250℃條件下分別還原 18 和 24min， 球團(tuán)脫鋅率達(dá)到99％ 以上， 而在1300 和 1330℃ 條件下只需還原15min，球團(tuán)脫鋅率就可達(dá)到 99％ 以上。
圖 7 的趨勢(shì)與圖 6 類似，但圖 7 曲線斜率更大，說(shuō)明脫鉛過(guò)程比脫鋅更加容易， 在 1300 ~ 1330℃還原 15min， 脫鉛率就能達(dá)到 99％ 以上。
2.3 溫度對(duì)脫鉀和脫鈉的影響
球團(tuán)還原過(guò)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(diǎn)很低， 分別為773 和800.07，沸點(diǎn)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(tuán)中 ( 1200~ 1330℃ ) 屬于液態(tài)蒸發(fā)過(guò)程，隨著溫度升高， KCl和 NaCl 所對(duì)應(yīng)的蒸氣壓增大，因此溫度越高，揮發(fā)越容易。
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，考察了溫度與時(shí)間對(duì)鉀鈉脫除率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 8 和圖 9 所示，從圖中可以看出，環(huán)境溫度對(duì)鉀鈉脫除率有一定的影響，當(dāng)環(huán)境溫度為1330℃ 時(shí)球團(tuán)揮發(fā)脫鉀達(dá)到平衡的時(shí)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(guò)直接還原過(guò)程，含鋅粉塵制備的 含碳球團(tuán)可以脫除鋅、 鉛、 鉀和鈉，同時(shí)有效利用粉塵中的碳資源還原鐵氧化物得到金屬化球團(tuán)。
(2) 在1200 ~ 1330℃ 范圍內(nèi)，溫度對(duì)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(dāng)粉塵碳氧比為 1.0還原溫度為1300℃ ，還原時(shí)間大于1min 時(shí)，反應(yīng)接近最終平衡點(diǎn)，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(tuán)。
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