一种利用煤气化渣回收钢渣中铁的方法

1.本发明涉及工业固体废弃物综合利用技术领域，尤其涉及一种利用煤气化渣回收钢渣中铁的方法。


背景技术：

2.转炉钢渣属于大宗工业固体废弃物，排放量约为钢产量的15-20％，每年都以近亿吨的速度排放。转炉钢渣经破碎、磁选后，仍含有约10-30％左右的铁，具有较高的回收价值。
3.cn113621749a公开了一种利用稻壳灰提高钢渣中铁的还原效率方法，该方法不仅提高了铁回收率达到80％以上，而且实现农业废弃物稻的回收再利用，取得双重效果。然而，该方法所需还原温度较高(达到1500℃)，存在能耗较大的问题，且为了保证铁回收效率，还原过程中还须添加调质剂氧化铝和氧化硅，存在成本较高的问题；同时其冷却方式只能选择水淬冷却，铁分离时需要磁选铁等处理过程，操作繁琐。基于其存在的上述问题，该方法仍也有待于进一步改进。
4.煤气化渣属于工业固体废物的一种，是煤与氧气或富氧空气发生不完全燃烧生成co与h2的过程中，煤中无机矿物质经过不同的物理化学转变伴随着煤中残留的碳颗粒形成的固态残渣。随国家绿色生态文明建设的快速广泛推进，煤气化渣的综合利用在现代煤化工领域成为当前环保高质量发展要求中需要迫切解决的课题难点之一。然而，煤气化渣综合利用率低下，大量煤气化渣仍以露天填埋堆放等舍弃方式进行处理，长期堆放积累将会对水体、大气造成极大的污染。所以如何使煤气化渣高价值化回收二次利用减少资源浪费与经济损失，需要各领域进行大量推广研究。
5.因此，特提出本发明。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明提出一种利用煤气化渣回收钢渣中铁的方法，其兼具成本低、能耗小、操作更简便、铁回收率较高的优点。
7.本发明所述的钢渣中铁的回收方法，是以煤气化渣为还原剂，进行还原重构；其中，所述钢渣中feo
x
的含量为30-40％，feo
x
表示feo和fe2o3。
8.本发明通过对现有还原剂的深入研究后发现，煤气化渣中活性炭质组分充足，满足作为高温还原剂的条件，且含有充足且均衡的钙硅铝质组分，可在无需添加调质剂、节约成本的情况下仍获得较高的铁回收率，并显著降低还原温度，大大降低还原工艺的生产能耗，同时还可以实现风冷冷却方式，简化操作程序，从而取得多重预料不到的技术效果。
9.具体来讲，煤气化渣中同时含有充足的炭质和钙硅铝质组分。利用其中的炭质组分可实现钢渣熔体中铁相的还原，利用钙硅铝质组分可以有效降低物料的高温熔点，使物料更易达到铁沉降时所需粘度，提高熔体流动性，增大高温时物料之间融合程度及接触面积，促使铁还原反应更充分进行，从而在较低温度条件下实现较高的回收率，基于煤气化渣
与钢渣的混合熔体的特殊成分构成，所得熔体在高温下粘度较低，还原所得铁液更易发生沉降，随着反应的充分进行，铁逐渐沉降至下层，当反应完成后出炉冷却，可采用更简单的风冷方式达到冷却效果，冷却后物料呈现为分层状态，上层为提铁后钢渣，下层为块状铁，可直接进行铁分离回收，大大提高了回收效率。
10.本发明中，所述煤气化渣的添加量按钢渣中铁相及还原反应方程式计算，具体计算公式如式ⅰ：
11.m
(煤气化渣)
＝[41.65g1 56.25g2]
÷w炭
i；
[0012]
其中：
[0013]m(煤气化渣)
为理论上每500g钢渣中需添加煤气化渣的质量；
[0014]
g1为钢渣中feo的质量百分比；
[0015]
g2为钢渣中fe2o3的质量百分比；
[0016]w炭
为煤气化渣的含炭量百分比。
[0017]
为了提高回收效果，本发明还对上述方法的处理工艺进行优化。具体如下：
[0018]
本发明所述钢渣在回收处理前先进行预处理；所述预处理为对钢渣进行破碎、研磨及细度筛选；所述筛的目数为100目，筛余小于20％。通过过筛可过滤出钢渣中所含宏观铁粒，无需经高温还原即可分离。
[0019]
本发明所述钢渣铁相成分在40％以内(该成份范围并不包含过滤出的宏观铁粒的量)，从而保证煤气化渣中炭质成分充分参与feox的还原过程中，且更加精确的表明煤气化渣对铁回收过程起到的优化效果。所述钢渣中可经研磨脱出的铁粒量最大筛余为20％。研究表明，针对此类钢渣，本发明所述方法的回收效果更好。
[0020]
优选的，过筛后钢渣需与煤气化渣预混合，以达到在随炉升温过程中煤气化渣与钢渣始终充分接触反应的目的。且为使铁回收效率更加精确，预混合过程中需严格控制混料装置的密封性以及出料时装置内的残留料量，使混合料质量损失在5％以内。
[0021]
进一步的，煤气化渣中炭量普遍在10％左右，作为优选，所述煤气化渣的含炭量应》20％，更有利于提高铁的回收效率。
[0022]
优选的，所述煤气化渣的主要化学成分为：含炭量26.13％，cao 10.79％，mgo 2.07％，sio
2 36.05％，al2o
3 11.73％，余量为不可避免杂质。该种煤气化渣中主要成分与钢渣中主要成分相似，且多为可降低高温熔点的钙硅铝质材料，在作为还原材料同时亦可作为钙硅铝质组分调节材料，较为理想。研究结果表明，相比其他煤气化渣，成分在此范围内的煤气化渣用于上述钢渣的铁回收过程效果更好。
[0023]
所述还原反应的温度控制在1400℃，保温20-30min即可获得较高的回收率。研究表明，温度1500℃与1400℃对应的铁回收率持同水平，因而采用本发明所述方法可在较低温度条件下，获得较高的铁回收率，明显降低工艺能耗。
[0024]
优选的，本发明中，炉温从0℃升温至1400℃，应严格控制升温速率。若升温速度过快会导致混合料内外温差较大受热不均，且炉膛内温度与理论温度误差较大难以精准控制反应最佳温度。若升温速度过小会使煤气化渣在钢渣未达熔融态时便过量消耗，导致煤气化渣利用率较低。因此最佳升温速率应控制在15-20℃/min，以获得更好的铁回收效果。
[0025]
优选的，本发明中，应在炉温升温前即将混合料投入炉温为0℃的炉膛内，避免因高温投料导致的过热度较高引起的煤气化渣损耗，最大程度提高煤气化渣的利用率。
[0026]
进一步的，本发明所述冷却方式为风冷，控制风速为2-3m/s。研究表明，风速过快会导致铁未完全沉降，过慢会导致重构渣结晶相过多且铁相与重构渣再次融合粘连，对铁分离造成困难。本发明通过合理控制风速，达到在冷却后铁相最易分离的状态。
[0027]
作为本发明的具体实施方式之一，所述钢渣中铁的回收方法，包括：
[0028]
(1)钢渣破碎后研磨，过100目筛，筛余小于20％；所述高铁转炉钢渣中feo
x
的含量为30-40％，feo
x
表示feo和fe2o3；
[0029]
(2)将步骤(1)所得钢渣与煤气化渣充分混合，质量损失小于5％；所述煤气化渣的含炭量》20％；
[0030]
所述煤气化渣的添加量按照公式ⅰ计算，所述公式ⅰ如下：
[0031]m(煤气化渣)
＝[41.65g1 56.25g2]
÷w炭
i；
[0032]
其中，m
(煤气化渣)
为理论上每500g高铁钢渣中需添加煤气化渣的质量；g1为高铁钢渣中feo的质量百分比；g2为高铁钢渣中fe2o3的质量百分比；w
炭
为煤气化渣的含炭量百分比；
[0033]
(3)炉温从0℃以15-20℃/min的速率升温至1400℃，保温20-30min；将所得熔融态材料立即在强风下进行快速冷却；所述风速为2-3m/s。
[0034]
本发明的有益效果在于：
[0035]
本发明首次采用锅炉废弃物煤气化渣作为钢渣中铁回收工艺的的还原剂，并基于钢渣及煤气化渣的成分特点，通过采取预处理方式优化还原反应条件及冷却方式，既实现锅炉废弃物煤气化渣的高效再利用，减少其排放带来的环境污染及资源浪费，又能够在保持较高回收率的前提下显著降低还原温度，从现有的1500℃降低至1400℃，节约了能耗；同时仅使用单一还原剂，无需添加调质剂，降低了回收成本，并实现风冷替代水冷，简化冷却程序。
具体实施方式
[0036]
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0037]
以下所涉及的钢渣中feox含量＞30％。
[0038]
实施例1
[0039]
本实施例提供一种转炉钢渣中铁回收方法，具体如下：
[0040]
(1)将钢渣先经破碎机破碎5min，后经球磨机研磨1.5h后过100目筛，筛余为15％。测定过筛后钢渣成分，具体如下：
[0041]
钢渣化学成分为：cao 39.6％，mgo 9.22％，sio
2 9.36％，al2o
3 4.31％，fe2o
3 34.02％，余量为不可避免的杂质；所述钢渣中铁相成分(即feox)为：feo17.68％，fe2o
3 14.25％。
[0042]
(2)所采用的煤气化渣含炭量＞20％，其化学成分为：含炭量26.13％，cao 10.79％，mgo 2.07％，sio
2 36.05％，al2o
3 11.73％，余量为不可避免杂质。
[0043]
取500g钢渣细粉进行铁分离实验过程。将上述钢渣、煤气化渣经混料机混合30min，混料前后质量损失4％。
[0044]
煤气化渣的添加量按照公式ⅰ计算，所述公式ⅰ如下：
[0045]m(煤气化渣)
＝[41.65g1 56.25g2]
÷w炭
i；
[0046]
其中，m
(煤气化渣)
为理论上每500g高铁钢渣中需添加煤气化渣的质量；g1为高铁钢渣
中feo的质量百分比；g2为高铁钢渣中fe2o3的质量百分比；w
炭
为煤气化渣的含炭量百分比。
[0047]
经计算，500g钢渣对应添加的煤气化渣的质量为59.70g。
[0048]
(3)将混合好的材料装入刚玉坩埚中放入炉膛内，炉温从0℃以15-20℃/min的速率升温至1400℃，保温20min后取出，立即放入强风下进行急速冷却，控制风速为2-3m/s，温度降至室温后试样结块分层，进行渣铁分离。
[0049]
实施例2
[0050]
本实施例提供一种铁回收方法，具体如下：
[0051]
(1)将钢渣先经破碎机破碎5min，后经球磨机研磨1.5h后过100目筛，筛余为14％。测定过筛后钢渣成分，具体如下：
[0052]
钢渣化学成分为：cao 39.6％，mgo 9.22％，sio
2 9.36％，al2o
3 4.31％，fe2o
3 34.02％，余量为不可避免的杂质；所述钢渣中铁相成分(即feox)为：feo17.68％，fe2o
3 14.25％。
[0053]
(2)所采用的煤气化渣含炭量＞20％，其化学成分为：含炭量26.13％，cao 10.79％，mgo 2.07％，sio
2 36.05％，al2o
3 11.73％，余量为不可避免杂质。
[0054]
取100g钢渣细粉进行铁分离实验流程。将上述钢渣、煤气化渣经混料机混合30min，混料前后质量损失2％。煤气化渣的添加量按照公式ⅰ计算，所述公式ⅰ如下：
[0055]m(煤气化渣)
＝[8.33g1 11.25g2]
÷w炭ⅰ；
[0056]
其中，m
(煤气化渣)
为理论上每100g钢渣中需添加煤气化渣的质量；g1为钢渣中feo的质量百分比；g2为钢渣中fe2o3的质量百分比；w
炭
为煤气化渣的含炭量百分比。
[0057]
经计算，100g钢渣对应添加的煤气化渣的质量为11.94g。
[0058]
(3)将混合好的材料装入刚玉坩埚中放入炉膛内，炉温从0℃以15-20℃/min的速率升温至1400℃，保温20min后取出，立即放入强风下进行急速冷却，控制风速为2-3m/s，温度降至室温后试样结块，渣铁分层，进行渣铁分离。
[0059]
试验例1
[0060]
本试验例测试实施例1所述回收方法的钢渣中铁的回收率，具体如下：
[0061]
进行五组平行测试，测得煤气化渣作为还原剂时，铁回收率数据如表1所示：
[0062]
表1
[0063]
第1组第2组第3组第4组第5组81.60％84.54％80.91％83.26％83.20％
[0064]
试验例2
[0065]
本试验例测试实施例2所述方法的钢渣中铁的回收率，具体如下：
[0066]
进行五组平行测试，测得煤气化渣作为还原剂时，铁回收率数据如表2所示：
[0067]
表2
[0068]
第1组第2组第3组第4组第5组82.36％80.44％85.01％80.67％84.56％
[0069]
总结：
[0070]
1、根据表1和表2可知，利用工业废弃物煤气化渣作为还原剂用于钢渣中铁回收时，铁回收率可达到80％以上，且提高5倍钢渣处理量时，该方法仍保持较高的回收率，说明该方法适用性广，稳定性好，回收率不受加料总量的影响，更适合工业化推广。
[0071]
2、根据表1和表2可知，采用单一的还原剂，无需添加调质剂，同样可以获得较高的铁回收率，降低了回收成本；同时还原温度明显降低，节约大量能耗；此外，基于该熔体成分的特性，熔体粘度较低，液态铁更容易下沉分离，因而可采用更简便的风冷方式进行冷却，大大简化了冷却程序，铁分离过程更加便捷。
[0072]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。