电炉炼钢烟尘真空短流程收锌系统及方法与流程

1.本发明属于冶炼技术领域，具体涉及一种电炉炼钢烟尘真空短流程收锌系统及方法。


背景技术：

2.随着我国废钢积蓄量的增加、电力供应的改善以及国家“双碳”政策的提出，要求炼钢行业增加短流程炼钢——废钢冶炼，在2022年1月27日工信部八部委联合印发《关于加快推动工业资源综合利用的实施方案》中明确提出：到2025年要求利用废钢铁达到3.2亿吨；我国电炉炼钢的发展将迎来机遇期。
3.电炉炼钢烟尘的产出量可达到炼钢装炉量的1％～2％，3.2亿吨废钢将产生320～640万吨除尘灰，除尘灰是一种颗粒极细的烟尘，一般情况下，粒度在20/an以下的颗粒占总量的85％以上。化学成分也比较复杂,除铁及其化合物外，还含有多种其它金属化合物，如锌、镍、铬及许多有害物质如铅、镉、六价铬、氰等金属及其化合物，可见电炉烟尘是一种极其有害的固体废弃物。
4.随着电炉炼钢工艺中镀锌废钢使用比例逐渐增大，这将造成含锌电炉粉尘量的增加。已有研究表明，我国目前含锌电炉粉尘年产量高达百万多吨，后续还会越来越多，如下表所示，其中锌元素的质量分数达到10％～30％左右，国外某些钢厂电炉粉尘锌元素含量甚至达到40％之多，因此被视为一种潜在的二级资源。若不对这些二级资源中锌、铁元素加以回收利用，不仅会造成金属资源的浪费而且会对环境造成污染。电炉粉尘中的锌主要以铁酸锌(znfe2o4)的形式存在，铁酸锌属于尖晶石类物质，其氧离子呈紧密堆积状态，晶格具有较大的稳定性，具有弱磁性，这一特性增大了含锌电炉粉尘中锌、铁等有价元素的回收利用难度。
5.由上所述电炉烟尘是一种极其宝贵的资源，下表为根据资料介绍电炉灰中的铁主要以fe
203
的形态存在，锌主要以铁酸锌(znfe
203
)和氧化锌的形态存在，灰中的其它成分以氧化物的形态存在，某单位电炉烟尘的成分参见下表，铁酸锌颗粒具有弱磁性，它的表面可以吸附大量的其它颗粒，同时氧化锌、氧化铅则吸附在feo、fe
203
的表面，使得电炉灰中的铁很难象其它含铁固体废物那样用物理破碎、磁选等方法进行分离回收。
6.电炉烟尘的物相组成％
[0007][0008]
过去为了回收电炉除尘灰中的锌，大多采用回转窑的模式，具体工艺为：将除尘灰配一定比例的碳压制成快，送入回转窑在高温条件下实现还原，还原反应方程：
[0009]
zno c＝zn co
[0010]
回转窑温度为1200℃～1300℃，还原后的锌蒸汽挥发在窑中被空气再氧化为氧化锌，氧化锌粉尘随烟气进入除尘器被布袋捕集，此时的锌灰为含锌60％～70％的氧化锌，含杂质较多又叫次氧化锌。次氧化锌作为原料在锌冶炼行业进行湿法冶炼，湿法炼锌过程的
缺点一是不能高收率的收取锌，湿法炼锌的废渣仍然有6％以上的锌，因此该方法不能适用于低品位原料；二是湿法炼锌的冶炼渣同样属于危废，需要进一步再处理。
[0011]
回转窑在还原焙烧过程中，物料的还原程度较难控制，由此会造成铁氧化物过度还原形成金属铁，而金属铁在高温炉膛中易与其他废渣组分烧结在一起形成复杂的金属包裹体，最后造成回转窑渣硬度大、成分复杂，后续处理困难；另一方面，在后续堆放存放过程中，回转窑渣中的重金属易对环境造成污染；回转窑高温挥发法还具有能耗高、设备损耗大、设备维护成本高、环境污染严重等缺点。
[0012]
对于电炉炼钢除尘灰的上述特点，国家将电炉除尘灰列为危废，需要专有单位收集处理，电炉烟尘的处理主要是采取填埋或弃置，既造成环境污染，又浪费了宝贵的金属资源.“十四五”规划国家提倡研发资源利用方面的创新新技术，因此，探求既能无害化处理电炉烟尘。又能有效回收其中的可用金属，力争获得环境和经济两方面效益的综合利用技术是非常必要的，但到目前为止，因电炉烟尘的物化性能、成分及含量等既与冶炼钢种有关，也与所在地区的废钢原料有关，所以还没有规范、有效、成套的处理技术。
[0013]
综上所述，电炉炼钢除尘灰属于危废行列，需要按照危废进行专门处置，电炉炼钢除尘里面含有高的锌、铁等有价金属，传统电炉炼钢除尘灰中金属的回收有回转窑法、烟化法，转底炉等，但是现有所有工艺都存在流程长、不能直接回收金属锌的缺点，造成新的污染以及很大的资源性、能耗型浪费。


技术实现要素：

[0014]
本发明提供一种电炉炼钢烟尘真空短流程收锌系统及方法，解决现有技术回收流程长、回收能耗高、回收效率低等的问题。
[0015]
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
[0016]
电炉炼钢烟尘真空短流程收锌系统，包括：
[0017]
球料制备系统，用于将炼钢除尘灰与碳、添加剂混合制成干燥球料；
[0018]
真空还原罐总成，用于将所述球料真空加热还原，生成锌蒸汽；
[0019]
加热炉体，包覆在真空还原罐总成外，用于给真空还原罐总成提供热源；
[0020]
锌蒸汽冷凝系统，连接在真空还原罐总成上部，用于冷凝锌蒸汽，生产粗锌；
[0021]
粗锌精炼系统，用于精炼提纯粗锌、铸锭；
[0022]
还原渣磁选回收系统，用于将还原渣破碎磁选，作为炼钢原料。
[0023]
进一步的，还包括：
[0024]
一氧化碳稳压利用装置，用于将真空还原罐总成在球料还原后产生的一氧化碳收集后稳压提供给加热炉体，作为真空还原罐总成的反应热源。
[0025]
进一步的，所述真空还原罐总成为搅拌式真空还原罐总成，包括还原罐体，还原罐体下端设置带有密封盖的出渣口，还原罐体上端为罐体开口，在罐体开口上端密封连接所述锌蒸汽冷凝系统，锌蒸汽冷凝系统包括冷凝器外壳和设置在冷凝器外壳内的多级冷凝盘，在冷凝器外壳上设置带密封的排气口和装料口；所述还原罐体内设置搅拌芯轴，搅拌芯轴的外壁设置有螺旋叶片，搅拌芯轴的上端通过转轴连接旋转驱动装置，旋转驱动装置设置在冷凝器外壳的上端，通过装料口向搅拌芯轴外填装球料。
[0026]
进一步的，在所述还原罐体内还设置排气内筒，通过装料口向搅拌芯轴和排气内
筒之间的空腔内填装球料，在排气内筒上环向开设多层排气孔，每个排气孔为倒三角形结构，排气内筒和还原罐体内壁之间构成反应气体上升通道。
[0027]
进一步的，所述真空还原罐总成为中心管式真空还原罐总成，包括还原罐体，还原罐体下端设置带有密封盖的出渣口，还原罐体上端为罐体开口，在罐体开口上端密封连接所述锌蒸汽冷凝系统，锌蒸汽冷凝系统包括冷凝器外壳和设置在冷凝器外壳内的多级冷凝盘，在冷凝器外壳上设置带密封的排气口和装料口；所述还原罐体内固定设置中心管，中心管为空心结构，其上端为中心管开口，在中心管上开设多层集气孔，中心管内构成反应气体上升通道。
[0028]
进一步的，所述球料制备系统包括电子配料装置、多级混料装置、压球机和球料烘干预热机。
[0029]
进一步的，所述冷凝器外壳外接强制风冷装置、自然风冷装置或水冷装置。
[0030]
进一步的，所述加热炉体的结构类型为室状加热炉或者井式加热炉；所述加热炉体的热源类型为气体加热炉或者电加热炉。
[0031]
电炉炼钢烟尘真空短流程收锌方法，包括如下步骤：
[0032]
将炼钢除尘灰与碳、添加剂按比例混合，压球制成干燥的球料；
[0033]
将球料在真空环境下加热还原，生成锌蒸汽；
[0034]
冷凝锌蒸汽，生产并收集粗锌；
[0035]
对粗锌进行精炼提纯、铸锭；
[0036]
将还原渣进行破碎磁选，磁选后的金属铁和氧化铁作为炼钢原料。
[0037]
进一步的，还包括如下步骤：所述球料在真空环境下加热还原生成一氧化碳，将一氧化碳收集稳压后作为燃料为球料提供热源。
[0038]
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0039]
1.本发明实现了除尘灰中金属锌的纯净化直接回收，相对传统方法回收制取次氧化锌更直接和缩短流程，本发明通过在1000℃～1200℃的加热温度下，在真空状态完成金属锌和铁单质的同工艺双回收，真空还原的能耗更低、较低的炉温使还原罐总成寿命更长、封闭的生产系统更环保，无危废和固废产生。
[0040]
2.本发明的一个实施例设置有一氧化碳稳压利用装置，用于将真空还原罐总成在球料还原后副产的一氧化碳收集后稳压提供给加热炉体，作为真空还原罐总成的反应热源，在节省能耗的同时，避免了有毒气体的排放；
[0041]
3.本发明的一个实施例的真空还原罐总成为搅拌式真空还原罐总成，其设有搅拌芯轴，用以实现物料的搅拌，达到物料的受热均匀性、还原的彻底性，达到低品位物料的高效、极限回收。
[0042]
4.为实现还原蒸汽的有效排出，本发明的一个实施例在还原罐体内还设置排气内筒，在排气内筒上环向开设多层倒三角形结构的排气孔，排气内筒和还原罐体内壁之间构成反应气体上升通道，倒三角形结构的排气孔结构同时也避免了进灰堵塞。
[0043]
当然地，实施本发明的各技术方案并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
[0044]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
[0045]
图1为本发明实施例1的工作流程示意图；
[0046]
图2为本发明实施例1搅拌式真空还原罐总成的结构示意图；
[0047]
图3为本发明实施例1排气内筒的展开结构示意图；
[0048]
图4为排气内筒局部剖视图；
[0049]
图5为本发明实施例2中心管式真空还原罐总成的结构示意图；
[0050]
图6为本发明实施例2中心管的展开结构示意图；
[0051]
图中，1-还原罐体，2-装料口，3-排气口，4-排气内筒，5-搅拌芯轴，6
‑ꢀ
球料，7-排气孔，8-冷凝器外壳，9-多级冷凝盘，10-转轴，11-旋转驱动装置，12-螺旋叶片，13-密封盖，14-加热炉体，15-中心管，16-集气孔。
具体实施方式
[0052]
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
[0053]
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
[0054]
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。下面结合附图和实施例，对本发明做详细说明。
[0055]
本发明是利用真空碳热还原技术回收电炉炼钢除尘灰中的锌和铁的装置，其热力学原理是：将除尘灰和碳按照一定的配比进行均匀混合后压制成球，将制好的料球放在封闭的金属罐内，金属罐放在室状加热炉或者井式电炉内加热，加热温度控制在1000℃～1200℃，如前述所，电炉炼钢除尘灰的成分主要是：氧化铁、氧化锌和铁酸锌，高温下氧化铁、氧化锌进行还原，铁酸锌先分解再还原，还原反应如下：
[0056]
zno c
→
zn co
[0057]
fe2o3→
fe3o4→
fe
[0058]
znfe2o4→
zno zn fe3o4→
fe
[0059]
最终反应产物成为锌和铁的单质和铁的氧化物。
[0060]
真空还原的特点是能够将还原温度降低，本发明相对常压下还原需要的工况温度要低100℃～200℃，同时真空条件下隔绝氧气，反应产物锌蒸汽不会被氧化，实践证明在真空条件下锌蒸汽冷凝后的纯度可以达到96％以上。
[0061]
实施例1：
[0062]
本实施例提供一种电炉炼钢烟尘真空短流程收锌系统，该系统主要包括：球料制备系统、真空还原罐总成、加热炉体、锌蒸汽冷凝系统、粗锌精炼系统、还原渣磁选回收系统和一氧化碳稳压利用装置。
[0063]
球料制备系统包括电子配料装置、多级混料装置、压球机和球料烘干预热机，该系统用于将炼钢除尘灰与碳、添加剂依次进行配料、混料、压球和球料预热，最终得到干燥的球料。
[0064]
参见图2，真空还原罐总成用于将所述球料真空加热还原，生成锌蒸汽；具体的，本实施例中真空还原罐总成为搅拌式真空还原罐总成，其包括还原罐体1，还原罐体1整体为空心长筒结构，还原罐体下端为出渣口，出渣口为锥形开口结构，出渣口设置有可打开的密封盖13；还原罐体1的上端为其罐体开口，在罐体开口上端密封连接锌蒸汽冷凝系统；参见图3和图4，本实施例中，还原罐体内1还设置排气内筒4，图3为排气内筒4沿其中经的展开示意图，通过装料口2向搅拌芯轴5和排气内筒4之间的空腔内填装球料6，在排气内筒4上环向开设多层排气孔7，每个排气孔7为倒三角形结构，排气内筒4和还原罐体1内壁之间构成反应气体上升通道；锌蒸汽冷凝系统用于冷凝锌蒸汽，生产粗锌，在本实施例中，锌蒸汽冷凝系统包括冷凝器外壳8和设置在冷凝器外壳8内的多级冷凝盘9，冷凝器外壳8可以外接强制风冷装置、自然风冷装置或水冷装置，多级冷凝盘9可以完成不同金属不同温度区域的冷凝，达到不同金属的纯净化、分区域回收，在冷凝器外壳8上设置带密封的排气口3和装料口2，排气口3用于连接真空泵或通过真空泵连接一氧化碳稳压利用装置，完成抽真空或者反应副产一氧化碳的收集、稳压再利用，装料口2用于为排气内筒4内填充球料6。在还原罐体1纵向中央设置搅拌芯轴5，搅拌芯轴5的上端通过转轴10连接旋转驱动装置11，旋转驱动装置11可驱动搅拌芯轴5沿其纵轴自转，在搅拌芯轴 2的外壁设置有螺旋叶片12，带有螺旋叶片12的搅拌芯轴2可以更好的搅拌球料6，实现球料6的受热均匀性、还原的彻底性，达到球料3的有效、极限回收；旋转驱动装置11包括旋转电机和减速器，旋转驱动装置11设置在冷凝器外壳8 的上端，转轴10密封穿过冷凝器外壳8中央与搅拌芯轴2连接。
[0065]
加热炉体14包覆在真空还原罐总成外，用于给真空还原罐总成提供热源；加热炉体的结构类型可选室状加热炉或者井式加热炉；加热炉体的热源类型可选气体加热炉或者电加热炉。
[0066]
粗锌精炼系统，包括精炼炉、连铸机，用于精炼提纯粗锌、铸锭；
[0067]
还原渣磁选回收系统，包括破碎机、磁选机，用于将还原渣破碎磁选，磁选后的金属铁和氧化铁作为炼铁原料。剩余的渣料主要成分是过剩的碳和杂质，可以回收作为还原剂重新使用。
[0068]
参见图1，下面介绍本实施例的具体工作过程：
[0069]
烟尘灰与碳、添加剂按照一定比例混合后压制成球，利用真空还原罐总成的余热对料球烘干并余热，然后送入真空还原罐总成内在真空下加热还原，还原后的锌蒸汽进入冷凝器冷凝为粗锌和锌粉，还原结束粗锌和锌粉送入精炼工序精炼后铸锭入库。脱锌后的还原渣主要是氧化铁和单质铁，经过破碎和磁选后作为炼铁原料。精炼后的氧化锌渣料、锭皮和还原产生的氧化锌粉收集后重新配炭压球再还原。还原渣磁选后剩余为过剩的碳，回收后作为还原剂再利用。由此可见，本发明可以完成充分循环利用、无害化、无废化的收集工作。
[0070]
其中，料球送入真空还原罐总成内在真空下加热还原，具体包括如下步骤：
[0071]
首先将料球通过装料口装入还原罐体内的排气内筒内，为实现料球在排气内筒内的受热均匀，本实施例设置有用于实现料球搅拌的搅拌芯轴，料球装填完成后，关闭所有的进出口的阀门和密封盖。密封后开始启动排气口连接的真空阀，还原罐体内剩余气体会从排气口排出达到还原需要的真空状态，由于工业生产是连续作业，还原罐体在装料后会造成炉温降低，降温幅度在100℃左右，需要一边进行料球搅拌一边进行炉内升温，当料球达到还原需要的温度，料球开始进行还原反应，此时还原罐体内产生金属锌和一氧化碳的混合气，由于炉温高于金属锌的汽化温度，金属锌呈蒸汽态；锌蒸汽与一氧化碳的混合气体在真空泵抽力的作用下向经过排气内筒和还原罐体内壁之间构成反应气体上升通道向上运动，在真空还原罐总成上部设置有锌蒸汽冷凝系统，锌蒸汽冷凝系统在加热炉体之外的非加热区，锌蒸汽经过锌蒸汽冷凝系统时被冷凝成液体或固体储存在多级冷凝盘内，一氧化碳气体通过排气口随真空泵排出，排出的一氧化碳气体被收集，可以作为燃料用于加热炉升温和保温。由于搅拌芯轴的作用，真空还原罐总成内的料球被完全均匀受热并实现完全还原，此时金属锌被冷凝收集，铁被还原为单质铁或氧化铁存在料渣中；真空还原罐总成内料球的还原全部完成后，关闭真空，用氮气或氩气破真空，冷却锌蒸汽冷凝系统中的锌，开盖取出金属锌，随后提升搅拌芯轴，打开密封盖将还原渣从出渣口排出到渣箱，到此整个还原过程结束，重新开始装料、还原、收锌、出渣的过程，如此周期性的工作实现连续生产。
[0072]
实施例2：
[0073]
参见图4-图6，与实施例1不同的是，在本实施例中，真空还原罐总成为中心管式真空还原罐总成，其包括还原罐体1，还原罐体1下端同样设置带有密封盖13的出渣口，还原罐体1上端为罐体开口，在罐体开口上端密封连接锌蒸汽冷凝系统，锌蒸汽冷凝系统包括冷凝器外壳8和设置在冷凝器外壳8内的多级冷凝盘9，在冷凝器外壳8上设置带密封的排气口3和装料口2；还原罐体1 内固定设置中心管15，中心管15为空心管状结构，其上端为中心管开口，在中心管上开设多层集气孔16，中心管15与还原罐体1之间填充球料6，中心管15 内构成反应气体上升通道。
[0074]
本实施例采用中心管结构替代实施例1中的搅拌芯轴，在中心管15上开若干个集气孔16用于排气，中心管15结构为固定结构，其制作成本更低。但是，中心管结构的还原效率和还原收率相比搅拌轴结构的效果要差一些。还原周期相对更长。
[0075]
需要说明的是，在其他实施例中，本领域技术人员也可以将中心管结构与搅拌芯轴相结合，也就是在中心管结构上布置一定的螺旋结构，通过
[0076]
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。