古文全,郭光平,謝興同,吳 健,陳肖虎

（1.貴州省冶金化工研究所，貴州 貴陽(yáng) 550001；2.貴州大學(xué)材料科學(xué)與冶金工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550003）

含鋅煙塵還原揮發(fā)處理工藝的研究

古文全1,郭光平1,謝興同1,吳 健1,陳肖虎2

（1.貴州省冶金化工研究所，貴州 貴陽(yáng) 550001；2.貴州大學(xué)材料科學(xué)與冶金工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550003）

進(jìn)行了含鋅煙塵韋氏爐還原揮發(fā)處理工藝研究。結(jié)果表明：還原溫度、還原時(shí)間以及煤粉添加量對(duì)鋅揮發(fā)率有較大影響。采用最佳工藝參數(shù)進(jìn)行中試，產(chǎn)出含鋅52.68%的鋅氧粉，實(shí)現(xiàn)了含鋅煙塵的回收利用。

含鋅煙塵；還原揮發(fā)；揮發(fā)率；回收；鋅粉

近年來(lái)我國(guó)鋼鐵工業(yè)發(fā)展迅速，每年都大量的含鋅廢棄煙塵產(chǎn)生。以往該類煙塵由于含鋅較高難以返回鋼鐵廠循環(huán)使用，只能作為冶金廢棄物簡(jiǎn)單地進(jìn)行傾倒或填埋處理，不僅易對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的鋅、鉛重金屬污染[1]，而且造成粉塵中大量有色金屬資源的浪費(fèi)。如何有效利用該類冶金副產(chǎn)物，使之無(wú)害化和資源化，成為環(huán)保冶金工作者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

近年來(lái)，有學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室條件下將廢棄煙塵制備成配碳球團(tuán)，經(jīng)還原揮發(fā)處理得到適于冶金行業(yè)使用的富鋅二次粉塵和金屬化球團(tuán)[2]，本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)還原揮發(fā)處理技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀[3]，采用韋氏爐對(duì)含鋅煙塵進(jìn)行還原揮發(fā)處理半工業(yè)試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了工藝參數(shù)對(duì)球團(tuán)鋅揮發(fā)率的影響，為該類技術(shù)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為某鋼廠堆存的高爐廢棄煙塵以及還原煤、底煤、生石灰，其主要成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料

1.2 韋氏爐生產(chǎn)工藝

試驗(yàn)采用韋氏爐對(duì)煙塵進(jìn)行還原揮發(fā)處理，其工藝流程如圖1所示。

圖1 韋氏爐生產(chǎn)工藝流程

煙塵經(jīng)配碳、造球、干燥后制備成球團(tuán)，球團(tuán)與底煤裝入韋氏還原爐，在1 000～1 100℃的溫度下，ZnO被還原為Zn蒸汽并通過(guò)引風(fēng)機(jī)引入氧化室與自然抽入的空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的ZnO進(jìn)入沉降室，經(jīng)水冷煙通道被冷卻，當(dāng)冷卻溫度低于100℃時(shí)，ZnO被引入布袋除塵器得到收集。爐渣則由爐門排出，經(jīng)冷卻筒冷卻后堆存。

1.3 球團(tuán)鋅揮發(fā)率、鋅回收率的計(jì)算

將沉淀室與布袋收塵器收集到的鋅氧粉混合均勻，通過(guò)化學(xué)分析方法測(cè)定煙塵、鋅氧粉塵以及爐渣的鋅含量，用下式計(jì)算鋅揮發(fā)率和鋅回收率：

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

還原溫度、還原時(shí)間以及球團(tuán)配煤量是影響配碳球團(tuán)還原揮發(fā)過(guò)程的主要工藝因素[4]。為了研究上述因素對(duì)球團(tuán)鋅揮發(fā)率的影響，對(duì)不同工藝參數(shù)下球團(tuán)鋅揮發(fā)率進(jìn)行測(cè)試，以確定還原揮發(fā)處理的最佳工藝參數(shù)。

2.1 還原溫度和還原時(shí)間的影響

圖2為不同還原時(shí)間下，配碳球團(tuán)鋅揮發(fā)率與還原溫度的關(guān)系曲線。

圖2 還原時(shí)間、還原溫度與鋅揮發(fā)率的關(guān)系

從圖2可以看出，不同還原時(shí)間下，配碳球團(tuán)的鋅揮發(fā)率隨還原溫度升高而顯著增加，當(dāng)還原溫度低于1 050℃時(shí)，鋅揮發(fā)速度較慢，揮發(fā)率低于90%；還原時(shí)間延長(zhǎng)至30 min，還原溫度達(dá)到1 050℃以上時(shí)，揮發(fā)率可達(dá)90%以上；當(dāng)還原溫度大于1 100℃以上時(shí)，鋅揮發(fā)速度較快，揮發(fā)率基本趨于穩(wěn)定，達(dá)到最大值。

鋅在煙塵中主要以氧化鋅（ZnO）形態(tài)存在，其次為硅酸鋅(ZnO·SiO2)，鐵酸鋅(ZnO·Fe2O3)[5]。根據(jù)配碳球團(tuán)還原揮發(fā)基理[6]，在韋氏爐還原室內(nèi)，鋅氧化物還原反應(yīng)過(guò)程受到碳?xì)饣磻?yīng)、ZnO與C的局部反應(yīng)以及ZnO與CO的氣相擴(kuò)散反應(yīng)限制。上述反應(yīng)的反應(yīng)自由能變化ΔGθ與溫度T的近似關(guān)系式和反應(yīng)焓變?nèi)绫?。

表2 鋅氧化物還原反應(yīng)的ΔGθ-T近似關(guān)系式和焓變[7]

從表2可知，ZnO與C的直接還原反應(yīng)開(kāi)始溫度較ZnO與CO的間接還原反應(yīng)開(kāi)始溫度要低，一定條件下，配碳球團(tuán)內(nèi)部ZnO與C的直接還原反應(yīng)較容易進(jìn)行，而ZnO與C(s)和CO(g)還原反應(yīng)焓變均為正值，屬吸熱反應(yīng)，提高韋氏爐內(nèi)溫度有利于ZnO的還原。根據(jù)文獻(xiàn)[8]對(duì)ZnO還原反應(yīng)各限制環(huán)節(jié)表觀活化能的計(jì)算結(jié)果，氣相擴(kuò)散環(huán)節(jié)較其它限制環(huán)節(jié)具有較大的表觀活化能，配碳球團(tuán)的還原揮發(fā)速度主要由反應(yīng)3控制，延長(zhǎng)球團(tuán)焙燒時(shí)間有助于上述反應(yīng)的充分進(jìn)行。

2.2 煤粉添加量的影響

試驗(yàn)中保持煙塵∶底煤＝1∶1的加料量不變，在造球過(guò)程中則系統(tǒng)改變煙塵與還原煤的質(zhì)量比R（R=m煙塵灰/m還原煤），制備出的球團(tuán)在1 100℃焙燒40 min，比較不同配加煤粉量對(duì)球團(tuán)鋅揮發(fā)率的影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制的配煤量與鋅揮發(fā)率的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 煤粉添加量與鋅揮發(fā)率的關(guān)系

由圖3可見(jiàn)，鋅揮發(fā)率隨著R值的增大而逐漸降低，這表明隨著球團(tuán)中還原煤加入量的減少，鋅揮發(fā)率呈降低的趨勢(shì)，當(dāng)R≤2時(shí)，鋅揮發(fā)率≥90%且變化不大；而當(dāng)R＞2時(shí)，鋅揮發(fā)率急劇降低。

在還原揮發(fā)工藝中，煤既是還原劑，又是整個(gè)反應(yīng)熱的來(lái)源，還原煤的加入必須過(guò)量才能保證球團(tuán)內(nèi)的氧化鋅得到充分還原；另外，充足煤粉燃燒釋放的熱量也能夠提高韋氏爐內(nèi)的升溫速度，在很短的時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到還原揮發(fā)反應(yīng)所需的溫度[9]。因此，在相同的還原條件下，球團(tuán)的鋅揮發(fā)率隨配加煤粉量的增加而提高。

3 最佳工藝參數(shù)選擇

由工藝試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)還原溫度高于1 100℃、還原時(shí)間大于40 min、R≤2∶1時(shí)，球團(tuán)鋅揮發(fā)率較高，還原揮發(fā)處理的效果較佳，但過(guò)高的還原溫度和較長(zhǎng)的還原時(shí)間對(duì)鋅揮發(fā)率的影響有限。根據(jù)圖2，當(dāng)還原溫度和還原時(shí)間在1 100℃、40 min以上時(shí)，鋅揮發(fā)率變化已不明顯；結(jié)合圖3，煤粉配比值R小于2時(shí)，鋅揮發(fā)率的變化也較小，達(dá)到極值?？紤]電力、燃料、人工等經(jīng)濟(jì)費(fèi)用問(wèn)題，選定還原溫度1 100℃、還原時(shí)間40 min、R=2∶1為還原揮發(fā)處理的最佳工藝參數(shù)。采用上述工藝參數(shù)進(jìn)行中試生產(chǎn)，具體生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 中試生產(chǎn)數(shù)據(jù)

單次加料中，配碳球團(tuán)與底煤的加料量保持1∶1不變。中試生產(chǎn)期間累計(jì)處理煙塵2 800 kg，產(chǎn)出含鋅52.68%的鋅氧粉共計(jì)774.44 kg，鋅揮發(fā)率為93.39%，鋅轉(zhuǎn)化率為89.31%。該鋅氧粉可進(jìn)一步深加工為金屬鋅或高純氧化鋅，也可返回鋼鐵廠作為鍍鋅鋼材生產(chǎn)原料[1]，實(shí)現(xiàn)廢棄煙塵中有色金屬資源的回收利用。

4 結(jié)論

（1）本試驗(yàn)研究條件下，韋氏爐還原揮發(fā)處理的最佳工藝參數(shù)為：還原溫度1 100℃，還原時(shí)間40 min，造球過(guò)程中煙塵與還原煤粉的配比R為2∶1。

（2）采用最佳工藝參數(shù)進(jìn)行中試生產(chǎn)，累計(jì)處理高爐煙塵2 800 kg，產(chǎn)出含鋅52.68%的鋅氧粉774.44 kg，該鋅粉可用于鋅冶金生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)冶金廢棄煙塵的綜合利用。

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Abstract:Research of the zinc dust treatments with reduction-volatilization process and W-Zinc-Oxygen furnace was carried out.The result shows that the reduction temperature,reduction time and coal dust content have obvious influence on the volatilization rate of zinc.The zinc-oxide powder containing 52.68%Zn can be produced by adopting the optimum process parameter in pilot-scale experiment,the recovery of zinc dust was realized.

Key words:zinc dust;reduction and volatilization;volatilization rate;recovery;zinc powder

Research of zinc dust treatments with reduction-volatilization process

GU Wen-quan,GUO Guang-ping,XIE Xing-tong,WU Jian,CHEN Xiao-hu

TF813；X756

B

1672-6103（2011）02-0057-03

古文全（1968—），男，研究方向：鋅冶金。

2010-10-21

貴州省社會(huì)發(fā)展科技攻關(guān)項(xiàng)目（黔科合S字[2007]1012）資助