一种高铁赤泥和熔融钢渣协同利用方法与流程

1.本发明属于固废利用技术领域，具体涉及的是一种高铁赤泥和熔融钢渣协同利用方法。


背景技术：

2.赤泥是氧化铝生产过程中产生的固体废弃物，我国每年产生赤泥1亿吨以上，历史堆存量在10亿吨以上，一直未能得到很好的利用。高铁赤泥是一种潜在的铁源，相比铁精矿，高铁赤泥的品位低，且含有钠元素，无法以原料的方式直接进入炼铁工序。目前大多通过磁选提铁或者还原焙烧 磁选提铁的预处理方式进行利用，其中磁选提铁工艺存在回收率低、产品铁品位低、尾渣依然需要填埋处理等问题，还原焙烧 磁选提铁工艺存在成本高、磁选尾渣难以利用等问题。
3.近年来，熔池熔炼，尤其是侧吹富氧熔池熔炼技术在有色冶炼、固废处理领域得到广泛应用，取得了很好的效果，将富氧侧吹熔池熔炼工艺应用于赤泥处理，可充分发挥该工艺反应效率高、烟气量小、自动化程度高、环保效果好等优势，同时也需要解决以下问题：1）、若将赤泥直接用于富氧侧吹熔池熔炼，因其含钠高，还原熔炼过程中钠大多数挥发至烟气中，粘接在余热锅炉或者收尘器上，影响正常生产；2）、相比铜、镍等有色金属的还原，铁的还原对气氛要求更高，冶炼温度更高，因此在工艺参数上需要有很大的调整；3）、高铁赤泥铁高、铝高，造渣需要选择富含硅、钙的辅料，使用天然辅料成本高、能耗高，寻求一种低廉的辅料非常有必要。
4.钢渣是炼钢过程中产生的固体废弃物，占钢产量的12-15%之间。钢渣碱度高，含铁高，常规处理工艺是“热焖/热泼 磁选”，铁类物料返回钢铁系统，但钢渣尾渣因游离氧化钙过高，影响了其正常使用，目前利用率不到三分之一。
5.专利“cn112981028a”公开了一种通过侧吹熔炼从赤泥中提取铁元素的方法。赤泥中含有大量的碱，直接采用侧吹还原熔炼将大量被还原挥发进入烟气中，粘接在余热锅炉、收尘器上，影响正常生产；另外，该专利照搬了有色冶炼侧吹熔炼工艺，未考虑铁还原的特点，生产时难以达到预期还原效果。
6.专利“cn101456573a”公开了一种拜耳法赤泥熔融还原的方法，通过在赤泥中配入硅石、还原剂和助溶剂，利用1600-1900℃的高温还原熔炼，获得硅铁和刚玉熔体。该专利利用赤泥生产硅铁，需要配入硅石和助熔剂，生产成本高；静态还原效率低，回收率低；赤泥中含有的碱金属（na的复合氧化物），在还原过程中挥发，影响熔炉和烟气净化系统的正常作业。
7.专利“cn103866128b”公布一种碳热法还原赤泥生产铝铁合金的方法。该方法需要湿法脱碱、酸浸的预处理工序获得氧化铝作为原料，浸出渣依然是难以利用的固体废弃物（由于赤泥中氧化铝含量并不高，浸出渣量与赤泥量相当）；碳热还原过程中需要加入铁矿石，增加了处理成本。
8.专利“cn104988321a”公开了一种“还原焙烧 熔分”的工艺处理赤泥得到氧化纳、铁水和水碎渣的方法，该专利可实现对赤泥的综合利用。该专利需要3个工序（焙烧、熔分和调质）实现对赤泥的利用，流程长；焙烧还原脱碱仅配碳，脱碱效果差；熔分为静态过程，效率低；造渣剂为石灰石，采用天然原料成本高。以上不足导致其处理成本高，限制其推广应用。
9.专利“cn110484734a”公开了一种高铁赤泥“强磁预选 深度还原熔炼”的方法，通过磁选获得铁精矿，然后精矿、煤和石灰在回转窑内还原焙烧，焙砂在还原炉内还原得到铁水和高铝渣，通过浸出回收铝。该工艺本质上属于还原焙烧 熔分的路线，提铁效率低，成本高。
10.专利“cn104988322a”公开了一种赤泥和钢渣协同处理的方法，通过将赤泥、钢渣和还原剂混合后还原焙烧、磁选得到含铁产品和尾料。该专利主要利用冷态钢渣尾渣，焙烧磁选工艺成本高、收益低。
11.专利“cn111850214a”公开了钢渣和赤泥协同利用的工艺，通过将赤泥、还原剂加入到钢渣中，还原得到铁和无害渣。该专利试图利用固体还原剂在静态环境下获得铁水，还原效率低，还原剂消耗量大，生产成本高。
12.专利“cn112939489a“公开了协同利用赤泥、转炉熔融钢渣生产铁水和无害渣的方法。该专利以赤泥作为钢渣的调质剂，且采用电炉作为熔融炉。
13.专利“cn101054628a”公开了一种从赤泥中提取钛渣的工艺，通过配料熔融除铁后对水碎渣进行酸性浸，除掉na、ca、mg、al、fe等杂质，获得富钛渣，该专利侧重点在提钛，熔融和酸浸都是为了除掉钛以外的杂质，适合含钛很高的赤泥。且赤泥中ti基本上以钛酸钙形式存在，通过熔融很难分离除理想的tio2。
14.专利“cn106148699a”公开了一种协同利用赤泥和红土镍矿制备镍铁合金的方法，通过将赤泥、红土镍矿、焦粉和石灰配料，利用矿热炉还原熔炼得到镍铁合金和无害渣。
15.若能以熔融钢渣作为赤泥还原熔炼的熔剂，依托钢铁厂处理赤泥，既可以充分发挥钢铁厂的煤气、蒸汽等能源介质优势，同时也可以协同处理钢厂的钢渣，达到以废治废的目的，从而实现降低赤泥处理成本，解决钢渣的出路，回收铁资源等目的。
16.针对现有技术的不足，本发明引入有色冶炼领域的富氧熔池熔炼技术，通过采用“干燥 还原挥发焙烧 富氧侧吹熔池熔炼”的方式，协同处理赤泥和熔融钢渣，产出铁水和无害渣。既解决了赤泥和钢渣的利用难题，同时通过钢厂和铝厂的介质协同，大幅度降低了处理成本。


技术实现要素：

17.本发明的目的在于克服背景技术中的不足，以处理高铁赤泥、熔融钢渣并回收铁水为主要目的，本发明提供一种高铁赤泥和熔融钢渣协同利用的方法。
18.本发明为解决背景技术中存在的技术问题而采取的技术方案是：一种高铁赤泥和熔融钢渣协同利用方法，本发明的主要原料是高铁赤泥和钢厂熔融钢渣，以协同处理高铁赤泥和熔融钢渣并回收铁元素为目的，除此之外还可以协同处理钢厂的含铁尘泥（如烧结灰、高炉瓦斯灰、转炉灰等），本发明的主要工艺路线为“干燥脱水 还原挥发焙烧 富氧侧吹熔池熔炼”，包括以下步骤：
s1、高铁赤泥干燥脱水：高铁赤泥中铁元素（以fe2o3计，干基）含量≥25wt%，tio2的含量≤10wt%，高铁赤泥干燥至含水量为8~10%；高铁赤泥中铁元素的含量过低，提铁性价比低，经济效益差；钛元素的含量过高，在还原过程中容易产生tin（c）等难熔物质，增加熔渣粘度，不利于铁的分离和渣排放；s2、高铁赤泥还原焙烧：s2-1、将步骤s1干燥脱水后的高铁赤泥与还原剂、含铁尘泥、返尘和粘结剂混合造粒，并且当高铁赤泥中na2o的含量＞3%时还需在混合物料中配入石灰石，其中：还原剂为焦粒、块煤或者兰碳中的一种或多种，还原剂中固定碳与（fe na）的摩尔比为0.6~0.8，还原剂的粒径为1-5mm；石灰石中的ca和赤泥中的游离ca之和（即混合料中的有效ca）与na的摩尔比为1~2，还原焙烧时配入石灰石粉通过利用cao从复合氧化物中置换na2o，以促进钾、钠的挥发；s2-2、步骤s2-1制得的粒状混合物料连续加入回转式焙烧炉或者转底炉中焙烧，粒状混合物料与窑内烟气逆流换热（即烟气流动方向与物料运动方向相反），经干燥、分解、还原、挥发等过程逐步脱除其中的自由水、结晶水、以及钠、钾、氯、锌等，脱除易挥发组份的同时进行还原反应（直接还原和间接还原），制得热焙砂；其中，还原焙烧温度为以下两种情形中的任一种：1）、当高铁赤泥中na2o的含量≤3%时，还原焙烧温度为600-800℃，此时无脱钠任务，所以粒状混合物料中无需配入石灰石；2）、当高铁赤泥中na2o的含量＞3%时，还原焙烧温度为1000-1200℃，优选1150℃。温度过低钠的挥发效果差，温度过高易粘接，影响生产；s3、富氧侧吹熔池熔炼：s3-1、将步骤s2制得的热焙砂转运至熔炼炉炉前料仓内，缓存时间1-2h；热焙砂转运过程中温度控制在600-800℃，转运全过程密闭，防止热焙砂降温和氧化；高温熔融钢渣通过渣包和返渣流槽加入熔炼炉内，渣流槽材质优选铸铁。熔融钢渣与热焙砂的质量比为0.3~0.5；熔炼炉内二次加入还原剂，二次加入还原剂的添加量为热焙砂总重量的20-40%；s3-2、采用富氧侧吹熔池熔炼炉进行熔炼，熔炼过程鼓入一次风、二次风和三次风：一次风富氧浓度≥50%，一次风喷入熔池内部用于熔池内co的燃烧，并且在一次风的搅拌作用下，焙砂发生熔化、还原、造渣反应，熔炼温度为1500℃，因密度不同分离得到铁水、熔渣和一次烟气：铁水经渗碳后通过铁排放口放出后送往炼钢车间，铁水温度1400-1450℃；熔渣经澄清分离后通过渣排放口排出，排放温度≤1550℃，采用cao-sio
2-mgo-al2o
3-tio2五元渣系，通过配料控制渣cao/sio2=1.0-1.3，sio2/al2o3=1.5-2.0,熔点≤1500℃，1500℃时粘度≤1pa
•
s，然后熔渣进行水碎，水碎渣作为建材原料；二次风从炉膛空间鼓入，一次烟气从熔池中排出后与二次风发生燃烧反应，二次风富氧浓度≤35%，控制二次燃烧的温度为1550-1650℃；三次风从余热锅炉的膜式壁侧墙鼓入，二次燃烧后的烟气与三次风进行充分燃烧并通过锅炉换热至300℃以下，二次燃烧后的烟气与三次风充分燃烧以实现烟气中co的彻
底燃烧完全，降温后的烟气经收尘、脱硫后排放；本发明熔炼过程产生的烟气全部采用余热锅炉降温和回收热量，余热锅炉采用膜式壁结构，锅炉出口烟气温度≤200℃；s4、焙砂收尘和熔炼收尘得到的低钠尘返回步骤s2-1中用于配料，高钠尘送往铝冶炼厂作为钠源使用。
19.本发明的工艺原理（主要反应）：s1、高铁赤泥干燥脱水：h2o
→
h2o
↑
；s2、高铁赤泥还原焙烧：a、干燥、分解：h2o
→
h2o
↑
；caco3→
cao co2↑
；b、还原：fe(oh)3→
fe2o3 h2o
↑
；fe2o3 c
→
fe3o4 co
↑
；fe3o4 c
→
feo co
↑
；feo c
→
fe co
↑
；feo co
→
fe co2↑
；c、交互反应：c co2→
co
↑
；d、脱杂：naalo2 c
→
2na
↑
co
↑
al2o3；na2o
•
al2o3•
2sio2 c cao
→
na
↑
co
↑
2cao
•
sio2 al2o3；zno c
→
zn
↑
co
↑
；nacl
→
nacl
↑
；kcl
→
kcl
↑
；s3、富氧侧吹熔池熔炼：a、还原：feo c
→
fe co
↑
；fe3o4 c
→
fe co
↑
；b、燃烧：c o2→
co
↑
；co o2→
co
↑
；c、造渣：cao sio2→
2cao
•
sio2。
20.进一步的，在所述步骤s1中，高铁赤泥通过汽车、袋装或者管道输送至钢厂，或者当氧化铝厂位于钢厂附近时，将脱水前的赤泥浆液用管道泵送至干燥车间，在干燥车间压滤得到高铁赤泥，滤液重新返回氧化铝厂，既可以降低污泥运输过程中的成本，而且可以改善环境。
21.进一步的，在所述步骤s1中，高铁赤泥干燥采用蒸汽干燥或者回转窑干燥。采用蒸汽干燥可以充分利用熔炼时烟气余热回收产生的蒸汽，降低能耗和生产成本；若采用回转窑干燥，燃料优选钢厂低热值的煤气。
22.进一步的，在所述步骤s2-2中，还原焙烧的燃料为钢厂煤气，以降低焙烧成本，煤气热值不够时采用富氧助燃，以提高火焰温度。
23.进一步的，在所述步骤s2-2中，热焙砂与还原焙烧过程中产生的还原焙烧烟气（温度约300℃）经重力收尘、布袋收尘或者电收尘后送入脱硫系统，其中重力尘返回步骤s2-1作为造粒的原料，布袋尘或者电尘因为钠含量高，反馈至铝厂作为钠源。
24.进一步的，在所述步骤s3-1中，热焙砂通过溜槽、热料转运料斗或者埋刮板输送机进行转运。
25.进一步的，在所述步骤s3-1中，炉前料仓内部设有隔热材料，控制仓壁温度≤50℃，防止热损失过大导致焙砂大幅降温；料仓设有秤重料位计量系统和排料系统，可实现连续定量下料。
26.进一步的，在所述步骤s3-2中，富氧熔池熔炼炉上设置用于补充热量的燃料烧嘴，燃料采用煤粉或者天然气，燃料烧嘴采用欠氧燃烧以维持强还原性气氛，供氧量为完全燃烧需要量的50%，高温高压燃烧气直接从渣层鼓入并穿透铁水层，起到搅拌铁水、补热和渗碳的作用。
27.进一步的，在所述步骤s3-2中，降温后的烟气采用布袋收尘器或者电收尘器收尘，收集的烟尘返回铝厂作为碱源。
28.与现有技术相比本发明的有益效果为：本发明依托钢铁厂处理赤泥，既可以充分发挥钢铁厂的煤气、蒸汽等能源介质优势，同时也可以协同处理钢厂的钢渣，达到以废治废的目的。
29.采用本发明高铁赤泥和熔融钢渣协同利用方法，以年处理50万吨（干基）赤泥为例，可协同处置约25万吨熔融钢渣（相当于200万吨钢厂的渣量），年回收铁水约21万吨，铁回收率超过90%，单位铁水处理成本约2100元，每年产生净利润约1.5亿元，所有二次固废都得到了有效利用，经济效益和环保效益均很明显。
附图说明
30.图1为本发明流程图。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
32.实施例1如图1所示的一种高铁赤泥和熔融钢渣协同利用方法，包括以下步骤：s1、高铁赤泥干燥脱水：高铁赤泥通过袋装送至试验车间，含水32%，干基成分为：fe：31%、ca：8%、si：4.7%、na：5%、al：10%；高铁赤泥用量200kg/h（干基），采用蒸汽干燥机干燥至含水量为8%，蒸汽用量55kg/h；s2、高铁赤泥还原焙烧：将步骤s1干燥脱水后的高铁赤泥与焦粉25kg/h、石灰石粉50kg/h、膨润土6kg/h混合造粒，混合粒料在回转窑内还原焙烧，还原焙烧温度为1150℃，物料停留时间2h，还原焙烧的燃料为钢厂转炉煤气，用量15nm3/h，得到热焙砂230kg/h；还原焙烧烟气经重力收尘、布袋收尘或者电收尘后送入脱硫系统，其中重力尘返回步骤s2作为
造粒的原料，布袋尘或者电尘因为钠含量高，反馈至铝厂作为钠源；s3、富氧侧吹熔池熔炼：s3-1、将步骤s2制得的热焙砂通过热料转运料斗转运至熔炼炉炉前料仓内，缓存时间1h，炉前料仓内部设有隔热材料，控制仓壁温度≤50℃，料仓设有秤重料位计量系统和排料系统；热焙砂转运过程中温度控制在600℃，转运全过程密闭，防止热焙砂降温和氧化；高温熔融钢渣通过渣包和返渣流槽加入熔炼炉内，熔融钢渣110kg/h，熔融钢渣的干基成分为：fe：23.5%、cao：46.5%、sio2：13.5%；熔炼炉内二次加入还原剂：还原煤40kg/h，煤粉30kg/h，氧气70nm3/h；s3-2、采用富氧侧吹熔池熔炼炉进行熔炼，富氧熔池熔炼炉上设置用于补充热量的燃料烧嘴，燃料采用煤粉，燃料烧嘴采用欠氧燃烧以维持强还原性气氛，供氧量为完全燃烧需要量的50%，熔炼过程鼓入一次风、二次风和三次风：一次风富氧浓度65%，一次风喷入熔池内部用于熔池内co的燃烧，并且在一次风的搅拌作用下，焙砂发生熔化、还原、造渣反应，熔炼温度为1500℃，因密度不同，分离得到铁水85kg/h（fe93.8%）、熔渣263kg/h，铁回收率91.5%，钢渣消纳率55%，煤比1117kg/t（铁水）；铁水经渗碳后通过铁排放口放出后送往炼钢车间，铁水温度1400℃；熔渣经澄清分离后通过渣排放口排出，排放温度≤1550℃，采用cao-sio
2-mgo-al2o
3-tio2五元渣系，通过配料控制渣cao/sio2=1.0，sio2/al2o3=1.5，熔点≤1500℃，1500℃时粘度≤1pa
•
s，然后熔渣进行水碎，水碎渣作为建材原料；二次风从炉膛空间鼓入，一次烟气从熔池中排出后与二次风发生燃烧反应，二次风富氧浓度30%，控制二次燃烧的温度为1550℃；三次风从余热锅炉的膜式壁侧墙鼓入，二次燃烧后的烟气与三次风进行充分燃烧并通过锅炉换热至300℃以下，降温后的烟气经收尘、脱硫后排放，降温后的烟气采用布袋收尘器或者电收尘器收尘，收集的烟尘返回铝厂作为碱源；s4、焙砂收尘和熔炼收尘得到的低钠尘返回步骤s2-1中用于配料，高钠尘送往铝冶炼厂作为钠源使用。
33.实施例2一种高铁赤泥和熔融钢渣协同利用方法，包括以下步骤：s1、高铁赤泥干燥脱水：原始赤泥同实施例1，采用蒸汽干燥机干燥至含水9%，蒸汽用量52kg/h；s2、高铁赤泥还原焙烧：将步骤s1干燥脱水后的高铁赤泥与焦粉26.3kg/h、石灰石粉46.5kg/h、膨润土5.6kg/h混合造粒，混合粒料在回转窑内还原焙烧，还原焙烧温度为1100℃，物料停留时间2h，还原焙烧的燃料为钢厂转炉煤气，用量11nm3/h，得到热焙砂227kg/h；s3、富氧侧吹熔池熔炼：s3-1、将步骤s2制得的热焙砂通过热料转运料斗转运至熔炼炉炉前料仓内，料仓同实施例1；高温熔融钢渣通过渣包和返渣流槽加入熔炼炉内，熔融钢渣122.6kg/h，熔融钢渣成分同实施例1；熔炼炉内二次加入还原剂（还原煤）41.3kg/h，煤粉25.2kg/h，氧气65.5nm3/h；
s3-2、侧吹熔炼炉及熔炼过程同实施例1：一次风富氧浓度65%，熔炼温度为1500℃，得到铁水88.5kg/h（fe93.8%）、熔渣272kg/h铁回收率91.2%，钢渣消纳率61.3%，煤比1050kg/t（铁水）；炉渣排放温度1550℃，cao/sio2=1.2，sio2/al2o3=1.8，熔点≤1500℃，1500℃时粘度≤1pa
•
s；二次风富氧浓度35%，二次燃烧的温度1600℃。
34.实施例3一种高铁赤泥和熔融钢渣协同利用方法，试验过程同实施例1，赤泥、钢渣成分同实施例1，包括以下步骤：s1、高铁赤泥干燥脱水：高铁赤泥200kg/h，采用蒸汽干燥干燥至含水量为10%，蒸汽用量50.8kg/h；s2、高铁赤泥还原焙烧：含水10%的高铁赤泥与焦粉23.4kg/h、石灰石粉53.8kg/h、膨润土5.7kg/h混合造粒后送回转窑还原焙烧，还原焙烧温度为1200℃，焙烧时间2h，采用钢厂转炉煤气nm3/h，得到热焙砂229.3kg/h；s3、富氧侧吹熔池熔炼：熔融钢渣170.9kg/h，二次加入还原剂（还原煤）49.8kg/h，煤粉30kg/h，氧气77nm3/h；一次风富氧浓度70%，一次风量59nm3/h，熔炼温度1550℃；二次风富氧浓度35%，二次燃烧的温度为1650℃，二次风量89nm3/h。
35.炉渣排放温度1550℃，cao/sio2=1.3，sio2/al2o3=2.0，熔点≤1500℃，1500℃时粘度≤1pa
•
s；获得铁水99.4kg/h（fe93.7%）、熔渣319.3，铁回收率91.1%，钢渣消纳率85.5%，煤比1037kg/t（铁水）。
36.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。