轉(zhuǎn)爐鋼渣弱酸體系高效浸出工藝研究

張金池，劉貴清，解 雪，張 帆，王 芳，劉昱辰，吳祖璇

（江蘇北礦金屬循環(huán)利用科技有限公司，江蘇 徐州 221121）

鋼鐵工業(yè)是碳排放的重點(diǎn)行業(yè)之一，其碳排放量約占我國(guó)碳排放總量的六分之一，成為落實(shí)碳減排目標(biāo)的重要領(lǐng)域[1]。鋼渣是轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程產(chǎn)生的廢渣，CaO、MgO含量高，吸水膨脹性系數(shù)大，故利用率僅為25%左右[2]。從20世紀(jì)末至今，我國(guó)鋼渣累計(jì)堆存量超過(guò)20億t，占地超過(guò)1.3萬(wàn)hm2。鋼渣中的重金屬、堿金屬元素伴隨雨水沖刷，可進(jìn)入土壤、水以及大氣中，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)極大污染。因此，將碳排放和煉鋼固體廢物集成耦合，通過(guò)技術(shù)措施有效減少鋼鐵行業(yè)CO2排放量，同時(shí)提高鋼渣利用率，已成為當(dāng)前冶金行業(yè)急需解決的問(wèn)題。

目前常利用鋼渣含Ca高的特性，采用礦物碳酸化方式固定CO2，同時(shí)將固廢轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)CaCO3產(chǎn)品，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益[3-4]。HUIJGEN等[5]以鋼渣為原料固定CO2，考察多因素對(duì)反應(yīng)速率的影響，認(rèn)為顆粒尺寸和溫度是影響固碳反應(yīng)速率的最主要因素。在最佳條件下，固碳率達(dá)74%。TEIR等[6]采用乙酸體系浸出鋼渣和高爐渣，Ca浸出率大于90%，然后利用浸出液固定CO2同時(shí)制備碳酸鈣。KAKIZAWA[7]等同樣以乙酸為浸取劑，通過(guò)間接礦化固定CO2，結(jié)果表明，碳酸化轉(zhuǎn)化率不足20%，乙酸再生循環(huán)能耗大，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。王晨曄等[8]對(duì)CO2間接碳化轉(zhuǎn)爐鋼渣開(kāi)展深入研究，對(duì)乙酸浸出-固碳過(guò)程進(jìn)行耦合強(qiáng)化，碳酸化轉(zhuǎn)化率提高到50%。針對(duì)鋼鐵行業(yè)的固廢鋼渣，本文采用弱酸體系高效浸出Ca元素并協(xié)同浸出Mg元素，制備固碳材料固定鋼鐵行業(yè)產(chǎn)生的CO2，促進(jìn)鋼渣的高值化利用同時(shí)減少碳排放量，其工業(yè)應(yīng)用前景良好。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用鋼渣由國(guó)內(nèi)某企業(yè)提供，通過(guò)球磨機(jī)破碎、研磨后，對(duì)原料的粒度進(jìn)行篩析，粒度分布和主要化學(xué)成分如表1和表2所示。從表1可以看出，鋼渣粒度主要分布在+100目和-200目，+60目、60～100目、100～150目、150～200目和-200目的部分占比分別為31.16%、23.60%、8.00%、7.65%、29.58%。由表2可知，鋼渣原料的主要成分為Fe、Ca、Mg、Mn、Al等。粒度增大，F(xiàn)e、Ca、Mg含量降低，Al含量增加，其他元素含量變化不大。

表1 原料粒度分布

表2 不同粒度原料的化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方法

首先準(zhǔn)確稱取一定量原料置于燒杯中，加入一定量水，在水浴攪拌條件下加入乙酸溶液。保溫反應(yīng)結(jié)束后，進(jìn)行固液分離。渣多次洗滌后，于電熱恒溫真空干燥箱內(nèi)（溫度105 ℃）烘干5 h，濾液和洗水合并送檢，根據(jù)浸出渣檢測(cè)結(jié)果計(jì)算各元素的浸出率。本研究系統(tǒng)考察了原料粒度、反應(yīng)時(shí)間、溫度、液固比和酸加入倍數(shù)等因素對(duì)Ca、Mg浸出效果的影響。試驗(yàn)所用設(shè)備包括數(shù)顯恒溫水浴鍋、數(shù)顯強(qiáng)力攪拌器、循環(huán)水式多用真空泵、電熱恒溫真空干燥箱和電子天平。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料粒度對(duì)浸出效果的影響

控制反應(yīng)溫度70 ℃、液固比5∶1、乙酸用量1.1倍（Ca、Mg浸出理論乙酸消耗量為1倍），攪拌浸出3 h，考察不同鋼渣粒度對(duì)浸出效果的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 原料粒度對(duì)浸出效果的影響

由圖1可知，隨著原料粒度的增加，Ca、Mg浸出率逐漸增加，F(xiàn)e浸出率逐漸降低。當(dāng)原料粒度由低于60目增加至200目以上時(shí)，Ca浸出率由68.56%增加到81.11%，Mg浸出率由15.96%增加到25.91%，F(xiàn)e浸出率由13.76%降低到5.54%。這是由于原料粒度增加，原料與浸出試劑的接觸面積增加，有利于Ca、Mg的浸出，從而使Ca、Mg浸出率大幅提高；而Fe與Ca、Mg浸出過(guò)程互為競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，浸出試劑總量一定的情況下，Ca、Mg的浸出在一定程度下會(huì)抑制Fe的浸出，導(dǎo)致Fe浸出率降低。因此，原料粒度需要控制在200目以上。

2.2 液固比對(duì)浸出效果的影響

控制原料粒度200目以上、反應(yīng)溫度70 ℃、乙酸用量1.1倍，攪拌浸出3 h，考察液固比對(duì)浸出效果的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 液固比對(duì)浸出效果的影響

由圖2可得，隨著液固比的增加，Ca浸出率先增加后降低，Mg浸出率逐漸增加，F(xiàn)e浸出率先降低后增加。當(dāng)液固比由3增加至5時(shí)，Ca浸出率由75.02%增加至81.11%，Mg浸出率由22.14%增加至25.91%，F(xiàn)e浸出率由13.74%降低至5.54%。經(jīng)分析，隨著液固比的提高，溶液體積增加，溶液中金屬的濃度降低，有利于Ca、Mg的浸出，但促進(jìn)了Fe的氧化，使其轉(zhuǎn)化為Fe(OH)3沉淀析出，故Fe浸出率降低。繼續(xù)提高液固比，Ca浸出率降低，Mg浸出率不再顯著增加，原因可能是酸濃度降低，而Fe浸出率增加，原因可能是浸出競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的影響。因此，最佳液固比選擇5∶1。

2.3 反應(yīng)溫度對(duì)浸出效果的影響

控制原料粒度200目以上、液固比5∶1、乙酸用量1.1倍，攪拌浸出3 h，考察反應(yīng)溫度對(duì)浸出效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫度對(duì)浸出效果的影響

由圖3可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，Ca浸出率先增加后降低，Mg浸出率變化不大，F(xiàn)e浸出率逐漸降低。當(dāng)反應(yīng)溫度由25 ℃升高至55 ℃時(shí)，Ca浸出率由75.15%增加至85.17%，Mg浸出率穩(wěn)定在28%左右，F(xiàn)e浸出率由14.23%降低至6.21%。經(jīng)分析，隨著溫度的升高，活化分子增多，分子運(yùn)動(dòng)速率加快，有利于浸出反應(yīng)的進(jìn)行，而溫度升高促進(jìn)了Fe的氧化沉淀，故Fe浸出率降低。繼續(xù)升高溫度至85 ℃，Ca浸出率降低為80.58%，Mg、Fe浸出率變化不大，原因可能是溫度過(guò)高，乙酸揮發(fā)量增加。因此，溫度選擇55 ℃。

2.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)浸出效果的影響

控制原料粒度200目以上、反應(yīng)溫度55 ℃、液固比5∶1、乙酸用量1.1倍，進(jìn)行試驗(yàn)，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)浸出效果的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 時(shí)間對(duì)浸出效果的影響

由圖4可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，Ca、Mg浸出率逐漸增加，F(xiàn)e浸出率逐漸降低。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間由0.5 h延長(zhǎng)到1.5 h時(shí)，Ca浸出率由69.89%增加至85.23%，Mg浸出率由18.83%增加至26.35%，F(xiàn)e浸出率由13.04%降低至10.28%。繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，Ca、Mg浸出率不再明顯變化，F(xiàn)e的氧化沉淀反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，F(xiàn)e浸出率降低至6%左右。反應(yīng)時(shí)間不足2 h時(shí)，產(chǎn)生的大量膠狀物影響固液分離。因此，反應(yīng)時(shí)間選擇2 h。

2.5 酸加入倍數(shù)對(duì)浸出效果的影響

控制原料粒度200目以上、反應(yīng)溫度55 ℃、液固比5∶1，攪拌浸出2 h，考察酸加入倍數(shù)對(duì)浸出效果的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著酸加入倍數(shù)的增加，Ca、Mg、Fe浸出率逐漸增加。當(dāng)酸加入倍數(shù)由1增加至1.2時(shí)，Ca浸出率由71.59%增加至85.01%，Mg浸出率維持在26%，F(xiàn)e浸出率由5.08%增加至6.53%。繼續(xù)增加酸用量，Ca、Mg浸出率變化不大，F(xiàn)e大量溶出，說(shuō)明Ca、Mg浸出達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。由于Fe含量過(guò)高，固碳產(chǎn)物碳酸鹽的純度降低，綜合考慮Ca、Mg浸出效果，酸加入倍數(shù)選擇1.2。

圖5 酸加入倍數(shù)對(duì)浸出效果的影響

綜上所述，鋼渣弱酸體系高效浸出Ca、Mg試驗(yàn)的最佳工藝參數(shù)為：原料粒度200目以上、溫度55 ℃、液固比5∶1、反應(yīng)時(shí)間2 h、酸加入倍數(shù)1.2。在最佳條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，Ca、Mg、Fe的浸出率分別為85.24%、26.44%、5.83%。

3 結(jié)論

本文針對(duì)鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)爐鋼渣，采用弱酸體系浸出Ca、Mg元素。在原料粒度200目以上、溫度55 ℃、液固比5∶1、反應(yīng)時(shí)間2 h、酸加入倍數(shù)1.2的最佳條件下，Ca、Mg、Fe浸出率分別為85.24%、26.44%、5.83%，實(shí)現(xiàn)Ca元素高效浸出及Mg元素協(xié)同浸出。該工藝在實(shí)現(xiàn)固廢資源化利用的同時(shí)制備固碳材料，用于固定鋼鐵行業(yè)產(chǎn)生的CO2，為我國(guó)碳達(dá)峰碳中和貢獻(xiàn)綿薄之力。