經(jīng)文波, 黃儒德, 任佳龍

(百色學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院, 廣西 百色 533000)

0 引言

我國是世界上的鋁制品生產(chǎn)大國,在鋁制品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的含鎳污泥固體廢棄物,按照鋁制品生產(chǎn)規(guī)模,廣西每年含鎳污泥排放量預(yù)計(jì)2 000 t左右,全國預(yù)計(jì)每年30 000 t 以上。 截至目前,含鎳污泥僅有少量用于充填礦井,小部分經(jīng)火法或濕法工藝回收有價(jià)金屬,大量含鎳污泥堆積在渣場,造成了鎳資源的浪費(fèi),還占用土地,對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

鎳是一種重要的有價(jià)金屬,具有較好的耐腐蝕、耐高溫等性能,在不銹鋼、合金及電池領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增加。 2022 年11 月純鎳價(jià)格達(dá)到20 萬元/t,因此鎳的回收具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

國內(nèi)外綜合利用含鎳固廢的方法主要有還原提鎳[1-2]、冶煉鋼鐵產(chǎn)品[3]、制作微晶玻璃[4-5]、生產(chǎn)混凝土[6-7]以及礦山填埋[8-9]五大類。 芬蘭Harjavalta 鎳廠于1990 年進(jìn)行了從含鎳固廢中回收鎳的相關(guān)試驗(yàn),結(jié)果表明在100 kVA 的電弧爐中加入7%的碳后,鎳回收率為97%[10]。 喻正軍等[11]用還原硫化法從鎳轉(zhuǎn)爐渣中回收鎳,還原劑、硫化劑與爐渣的質(zhì)量百分比分別為3.5%、25%,熔煉溫度為1 360 ℃,保溫時(shí)間為3 h,該條件下鎳回收率為96.08%。 Pan 等[12]用煤粉作還原劑,控制合適的爐渣堿度以及還原溫度等條件,將鎳閃速爐渣還原,緩冷后進(jìn)行磁選分離,得到含鎳3.25%的精礦,鎳回收率達(dá)到82.20%。 現(xiàn)有的含鎳固廢處理方法中,濕法冶金需酸溶,成本高;還原熔煉法能耗高,含鎳10% 鎳鐵能耗在700 kgce/t 以上,CO2排放在2.29 t/t 以上;直接還原磨磁選法生產(chǎn)鎳,鎳回收率低,小于90.00%;制作微晶玻璃、生產(chǎn)混凝土以及礦山填埋等方法,不能充分利用含鎳固廢中的鎳資源。

本文依托廣西某企業(yè)含鎳污泥處理項(xiàng)目,針對(duì)含鎳污泥分散、黏結(jié)性差,而含鐵赤泥黏性強(qiáng)的特點(diǎn),創(chuàng)新性提出(含鎳污泥+含鐵赤泥)造球-中高溫直接還原-磨磁選工藝,由于中高溫直接還原技術(shù)在固態(tài)下進(jìn)行,可有效減少能耗。 與現(xiàn)有含鎳固廢處理工藝相比,該工藝不僅在低能耗、低排放條件下實(shí)現(xiàn)了含鎳污泥和含鐵赤泥的鎳鐵提取利用,還減少了固廢堆存,所生產(chǎn)的鎳鐵合金可以供給鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)高附加值不銹鋼,還原后剩余的氧化物主要成分為SiO2、Al2O3、CaO 和MgO,可用于生產(chǎn)水泥原料。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料和燃料

廣西某鋁制品企業(yè)年產(chǎn)500 t 含鎳污泥,該污泥主要組成為:氧化鎳11% ～12%,氧化鋁25% ～26%,氫氧化鋁7% ～8%,硅酸錫5% ～6%;次要礦物:隱品質(zhì)泥質(zhì)34% ～35%,氧化鈣5% ～6%,有機(jī)物9% ～10%。 樣品呈深褐黑色,泥狀,粒徑2 ～65 mm,烘干后樣品呈土狀。 試驗(yàn)中用到的含鎳污泥、赤泥、燃料的成分如表1 所示。 含鐵赤泥作為黏結(jié)劑使用。

表1 原料及燃料數(shù)據(jù)Table 1 Raw materials and Fuels data

1.2 試驗(yàn)方法與原理

將破碎、磨細(xì)、篩分得到的-200 目含鎳污泥、含鐵赤泥固廢資源和煤粉,按一定比例配料,混勻造球。 生成球團(tuán)經(jīng)篩分烘干后,進(jìn)入高溫爐焙燒,在還原氣氛下還原,焙燒溫度1 000 ～1 150 ℃,還原時(shí)間30 ～50 min,生球團(tuán)在還原爐內(nèi)受熱反應(yīng)生成的固態(tài)DRI 球團(tuán);球團(tuán)出爐后經(jīng)水冷,送去一段磨礦磁選法處理,磁場強(qiáng)度3 600 Oe,提取的鎳鐵經(jīng)過烘干得到還原鎳鐵粉。 整個(gè)工藝主要反應(yīng)見式(1) ～(6)。 其中,(1)為氧化鎳還原反應(yīng),(2) ～(3)為鐵氧化物的逐級(jí)還原反應(yīng),(4)為FeO 直接還原反應(yīng),(5)為FeO 間接還原反應(yīng),(6)為CO2與C 的溶損反應(yīng)。

含鎳污泥提取鎳鐵生產(chǎn)工藝流程見圖1。

圖1 含鎳污泥提鎳鐵工藝流程Fig.1 Ferronickel extraction process from nickel sludge

2 正交試驗(yàn)

配料比例如表2 所示,按4 因素3 水平正交試驗(yàn)L9(34)方法試驗(yàn),按物理熱70%利用率計(jì)算能耗,按鎳鐵95% 品位校正成本、能耗和CO2排放指標(biāo)。

表2 配料表Table 2 List of ingredients

3 分析與結(jié)果

4 因素3 水平L9(34)正交試驗(yàn)的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3,根據(jù)表3 數(shù)據(jù)計(jì)算分析,提煉出配煤比、焙燒溫度、焙燒時(shí)間和磨礦時(shí)間影響兩種固廢協(xié)同還原鎳鐵的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù),分別見表4、表5、表6、表7。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of experimental data

表4 配煤比的影響Table 4 Influence of coal blending

表5 焙燒溫度的影響Table 5 Influence of roasting temperature

表6 焙燒時(shí)間的影響Table 6 Influence of roasting time

表7 磨礦時(shí)間的影響Table 7 Influence of grinding time

3.1 配煤比的影響

配煤比的影響如表4 所示。 由表中數(shù)據(jù)可得出:隨著配煤比提高,雖然鎳鐵還原反應(yīng)得到改善,還原提鎳鐵后鎳鐵粉中鎳品位和鎳鐵品位提高,鎳鐵回收率總趨勢提高,但耗炭增加,料成本、能耗、CO2排放增加,按鎳鐵95%品位校正后的料成本、能耗、CO2排放也增加。 從節(jié)能角度出發(fā),配煤以4%較好, 雖然鎳鐵粉鎳品位69.85%、 鎳鐵品位87.75%、鎳鐵回收率73.23% 較低, 但料成本471 元/t、能耗706 kgce/t、CO2排放0.98 t/t 以及按95%品位校正后的料成本511 元/t、能耗765 kgce/t、CO2排放1.06 t/t 均最低。

3.2 焙燒溫度的影響

焙燒溫度的影響如表5 所示。 表5 表明,焙燒溫度升高,有助于改善鎳鐵還原反應(yīng),提高鎳鐵粉中鎳品位、 鎳鐵品位和鎳鐵回收率。 焙燒溫度1 150 ℃時(shí),鎳鐵粉鎳鐵品位91.61%、鎳回收率79.58%、鎳鐵回收率達(dá)到試驗(yàn)最高值80.35%;成本650 元/t、能耗822 kgce/t、CO2排放1.58 t/t,均達(dá)到試驗(yàn)最低值;按95% 品位校正后的料成本676 元/t、能耗852 kgce/t、CO2排放1.64 t/t,也是試驗(yàn)最低值。

3.3 焙燒時(shí)間的影響

焙燒時(shí)間的影響如表6 所示。 表6 表明,焙燒時(shí)間過短,鎳鐵還原反應(yīng)不充分;焙燒時(shí)間適當(dāng)延長,鎳鐵粉中鎳品位和鎳鐵品位及鎳鐵回收率也提高;但焙燒時(shí)間過長(50 min),炭消耗過多,還原效果變差,雖然鎳鐵粉品位升高,但鎳鐵粉鎳鐵回收率下降,料成本、能耗、CO2排放增加;按鎳鐵95%品位校正后,焙燒時(shí)間過短或過長,料成本、能耗、CO2排放指標(biāo)均較高,以焙燒時(shí)間45 min 為較好。 此條件下,鎳鐵回收率達(dá)到最高值75.94%,按95%品位校正后,CO2排放1.73 t/t,達(dá)到最低。

3.4 磨礦時(shí)間的影響

磨礦時(shí)間的影響如表7 所示。 表7 表明,磨礦時(shí)間延長,鎳鐵粉過細(xì),損失增加,雖然鎳鐵粉品位提高,但鎳鐵粉鎳鐵回收率下降,料成本、能耗、CO2排放升高,按鎳鐵95%品位校正后料成本、能耗、CO2排放也升高。 以磨礦時(shí)間30 min 為較好,此條件下, 鎳鐵粉鎳鐵品位87.76%, 鎳鐵回收率78.09%最高,料成本647 元/t、能耗813 kgce/t、CO2排放1.58 t/t 最低,按鎳鐵95%品位校正后的料成本690 元/t、能耗874 kgce/t、CO2排放1.67 t/t 也最低。

3.5 影響因素排序

綜合表4 ～7 中的數(shù)據(jù),按極差由強(qiáng)到弱影響因素排序。 ①鎳鐵粉中鎳品位:焙燒時(shí)間→焙燒溫度→配煤比→磨礦時(shí)間;②鎳鐵粉中鎳鐵品位:焙燒時(shí)間→焙燒溫度→配煤比→磨礦時(shí)間;③鎳鐵粉中鎳回收率:配煤比→焙燒溫度→磨礦時(shí)間→焙燒時(shí)間;④鎳鐵粉中鎳鐵回收率:配煤比→焙燒溫度→磨礦時(shí)間→焙燒時(shí)間;⑤料成本:配煤比→磨礦時(shí)間→焙燒溫度→焙燒時(shí)間;⑥能耗:配煤比→磨礦時(shí)間→焙燒溫度→焙燒時(shí)間;⑦CO2排放:配煤比→磨礦時(shí)間→焙燒溫度→焙燒時(shí)間。

按鎳鐵95%品位校正后,對(duì)影響料成本、能耗和CO2排放的因素由強(qiáng)到弱排序。 ①料成本:配煤比→焙燒溫度→磨礦時(shí)間→焙燒時(shí)間;②能耗:配煤比→焙燒溫度→磨礦時(shí)間→焙燒時(shí)間;③CO2排放:配煤比→焙燒溫度→磨礦時(shí)間→焙燒時(shí)間。

綜上所述,影響各項(xiàng)指標(biāo)的主要因素是配煤比,其次是焙燒溫度和磨礦時(shí)間,最后是焙燒時(shí)間。 以配煤比為4%、焙燒溫度1 150 ℃、焙燒時(shí)間45 min、磨礦時(shí)間30 min 為最優(yōu)工藝條件,獲得的鎳鐵粉中鎳品位75.00%以上、鎳鐵品位93.00%以上,鎳鐵回收率達(dá)到80.00%以上;按鎳鐵95%品位校正后的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為料成本475 元/t 以下、能耗712 kgce/t以下、CO2排放0.99 t/t 以下。

4 結(jié)論

本文將含鎳污泥與含鐵赤泥造球后,采用中高溫直接還原-磨磁選工藝提取鎳鐵,并按照4 因素3水平正交試驗(yàn)方法進(jìn)行了試驗(yàn),得出如下結(jié)論。

1)利用含鐵赤泥黏性強(qiáng)的特點(diǎn),將其與含鎳污泥造球后協(xié)同還原提取鎳鐵的工藝可行,試驗(yàn)最佳工藝參數(shù)為配煤比4%、焙燒溫度1 150 ℃、焙燒時(shí)間45 min、磨礦時(shí)間30 min。 此條件下,提取的鎳鐵粉鎳品位75.00%以上、鎳鐵品位93.00%以上,鎳鐵回收率達(dá)到80.00%以上;按鎳鐵95%品位校正后的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為料成本475 元/t 以下、 能耗712 kgce/t以下、CO2排放0.99 t/t 以下。

2)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)影響鎳鐵提取工藝料成本、能耗和CO2排放的因素從強(qiáng)到弱為配煤比→焙燒溫度→磨礦時(shí)間→焙燒時(shí)間。

與現(xiàn)有含鎳固廢處理工藝相比,該工藝不僅在低能耗、低排放條件下實(shí)現(xiàn)了含鎳污泥和含鐵赤泥的鎳鐵提取利用,還減少了固廢堆存,所生產(chǎn)的鎳鐵合金可以供給鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)高附加值不銹鋼,還原后剩余的氧化物主要成分為SiO2、Al2O3、CaO 和MgO,可用于生產(chǎn)水泥原料。