含鋅煙塵還原揮發(fā)處理工藝的研究

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 550001；2.貴州大學材料科學與冶金工程學院,貴州 貴陽 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 550001；2.貴州大學材料科學與冶金工程學院,貴州 貴陽 550003）

進行了含鋅煙塵韋氏爐還原揮發(fā)處理工藝研究。結果表明：還原溫度、還原時間以及煤粉添加量對鋅揮發(fā)率有較大影響。采用最佳工藝參數(shù)進行中試，產(chǎn)出含鋅52.68%的鋅氧粉，實現(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

近年來我國鋼鐵工業(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單地進行傾倒或填埋處理，不僅易對環(huán)境造成嚴重的鋅、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。如何有效利用該類冶金副產(chǎn)物，使之無害化和資源化，成為環(huán)保冶金工作者研究的熱點問題。

近年來，有學者在實驗室條件下將廢棄煙塵制備成配碳球團，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[2]，本文針對目前國內還原揮發(fā)處理技術的應用現(xiàn)狀[3]，采用韋氏爐對含鋅煙塵進行還原揮發(fā)處理半工業(yè)試驗，系統(tǒng)研究了工藝參數(shù)對球團鋅揮發(fā)率的影響，為該類技術的推廣應用提供技術參考。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗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 試驗材料

1.2 韋氏爐生產(chǎn)工藝

試驗采用韋氏爐對煙塵進行還原揮發(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，球團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蒸汽并通過引風機引入氧化室與自然抽入的空氣發(fā)生氧化反應，生成的ZnO進入沉降室，經(jīng)水冷煙通道被冷卻，當冷卻溫度低于100℃時，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 球團鋅揮發(fā)率、鋅回收率的計算

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

2 試驗結果及分析

還原溫度、還原時間以及球團配煤量是影響配碳球團還原揮發(fā)過程的主要工藝因素[4]。為了研究上述因素對球團鋅揮發(fā)率的影響，對不同工藝參數(shù)下球團鋅揮發(fā)率進行測試，以確定還原揮發(fā)處理的最佳工藝參數(shù)。

2.1 還原溫度和還原時間的影響

圖2為不同還原時間下，配碳球團鋅揮發(fā)率與還原溫度的關系曲線。

圖2 還原時間、還原溫度與鋅揮發(fā)率的關系

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

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)配碳球團還原揮發(fā)基理[6]，在韋氏爐還原室內，鋅氧化物還原反應過程受到碳氣化反應、ZnO與C的局部反應以及ZnO與CO的氣相擴散反應限制。上述反應的反應自由能變化ΔGθ與溫度T的近似關系式和反應焓變如表2。

表2 鋅氧化物還原反應的ΔGθ-T近似關系式和焓變[7]

從表2可知，ZnO與C的直接還原反應開始溫度較ZnO與CO的間接還原反應開始溫度要低，一定條件下，配碳球團內部ZnO與C的直接還原反應較容易進行，而ZnO與C(s)和CO(g)還原反應焓變均為正值，屬吸熱反應，提高韋氏爐內溫度有利于ZnO的還原。根據(jù)文獻[8]對ZnO還原反應各限制環(huán)節(jié)表觀活化能的計算結果，氣相擴散環(huán)節(jié)較其它限制環(huán)節(jié)具有較大的表觀活化能，配碳球團的還原揮發(fā)速度主要由反應3控制，延長球團焙燒時間有助于上述反應的充分進行。

2.2 煤粉添加量的影響

試驗中保持煙塵∶底煤＝1∶1的加料量不變，在造球過程中則系統(tǒng)改變煙塵與還原煤的質量比R（R=m煙塵灰/m還原煤），制備出的球團在1 100℃焙燒40 min，比較不同配加煤粉量對球團鋅揮發(fā)率的影響，根據(jù)試驗結果繪制的配煤量與鋅揮發(fā)率的關系曲線，見圖3。

圖3 煤粉添加量與鋅揮發(fā)率的關系

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

在還原揮發(fā)工藝中，煤既是還原劑，又是整個反應熱的來源，還原煤的加入必須過量才能保證球團內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的升溫速度，在很短的時間內即可達到還原揮發(fā)反應所需的溫度[9]。因此，在相同的還原條件下，球團的鋅揮發(fā)率隨配加煤粉量的增加而提高。

3 最佳工藝參數(shù)選擇

由工藝試驗結果可見，當還原溫度高于1 100℃、還原時間大于40 min、R≤2∶1時，球團鋅揮發(fā)率較高，還原揮發(fā)處理的效果較佳，但過高的還原溫度和較長的還原時間對鋅揮發(fā)率的影響有限。根據(jù)圖2，當還原溫度和還原時間在1 100℃、40 min以上時，鋅揮發(fā)率變化已不明顯；結合圖3，煤粉配比值R小于2時，鋅揮發(fā)率的變化也較小，達到極值?？紤]電力、燃料、人工等經(jīng)濟費用問題，選定還原溫度1 100℃、還原時間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，配碳球團與底煤的加料量保持1∶1不變。中試生產(chǎn)期間累計處理煙塵2 800 kg，產(chǎn)出含鋅52.68%的鋅氧粉共計774.44 kg，鋅揮發(fā)率為93.39%，鋅轉化率為89.31%。該鋅氧粉可進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]，實現(xiàn)廢棄煙塵中有色金屬資源的回收利用。

4 結論

（1）本試驗研究條件下，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℃，還原時間40 min，造球過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)進行中試生產(chǎn)，累計處理高爐煙塵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)，實現(xiàn)冶金廢棄煙塵的綜合利用。

[1]王東彥.寶鋼含鋅粉塵快速還原技術[J].寶鋼技術，2005,（3）:32.

[2]王東彥，陳偉慶，周榮章，林宗彩.處理含鋅鉛鋼鐵廠粉塵的Inmetco工藝[J].環(huán)境工程，1997，15(3)：50.

[3]王東彥，顧德仁.鋼鐵廠低鋅粉塵處理技術發(fā)展方向分析[J].世界鋼鐵，2002，(2):7.

[4]張建良，閆永芳，徐 萌，趙小紅，張曦東.高爐含鋅粉塵的脫鋅處理[J].鋼鐵，2006，41(10)：79.

[5]劉建輝，王祖榮，羅斌輝，馬建方.威爾茲工藝無害化處理及綜合利用含鋅物料的生產(chǎn)實踐[J].湖南有色金屬，2008，24(6)：16.

[6]王東彥，陳偉慶，周榮章，李景捷，林宗彩.鋼鐵廠含鋅鉛粉塵配碳球團的直接還原工藝[J].北京科技大學學報，1997，19(2):131.

[7]楊 輝.含鋅電爐粉塵處理及工藝參數(shù)優(yōu)化[D].重慶：重慶大學，2007.19-20.

[8]郭興忠，張丙懷，陽海彬.含碳氧化鋅球團還原的動力學[J].重慶大學學報(自然科學版)，2002，25(5):88.

[9]周 云，彭開玉，李遼沙，王世俊，王海川，董元篪.電爐含鋅粉塵在微波場下脫鋅的試驗研究[J].金屬礦山，2006，（2）:84.

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

貴州省社會發(fā)展科技攻關項目（黔科合S字[2007]1012）資助