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出铁口除尘灰加负压堆浸处理的研究探讨

诸荣孙，潘正国，伊廷锋

(安徽工业大学)

摘 要：出铁口除尘灰掺入10%的烧结返矿自然筑堆，堆高为44cm，采用间歇式喷淋(1/2闲置)，喷淋强度6～12L/m2·h，室温下加负压堆浸。经过30天的堆浸作业后，出铁口除尘灰浸出渣中的锌含量降低到0.2561%。采用同样的布液强度用清水淋洗堆浸渣以脱除渣中吸附的Na+和ZnO22-等离子。水洗干净的堆浸渣可返回烧结配料使用，不会对高炉产生锌害。出铁口除尘灰堆浸脱锌工艺在技术上是可行的。

关 键 词：出铁口除尘灰；负压；堆浸；锌浸出率

0 前言

在钢铁生产各工序中，均有大量的粉尘和污泥产生，其主要品种有：高炉煤气干法除尘灰、高炉煤气湿法洗涤污泥、出铁口除尘灰、转炉污泥和电炉除尘灰等，其总量要占到企业钢产量的4%～7%。如高炉尘泥中主要含铁和碳，一般还含锌和铅等有害元素，具体含量与进入高炉的原料和冶炼的钢种有关。在钢铁企业，对于锌含量低于1%的的高炉瓦斯泥、转炉泥和出铁口除尘灰等一般返回烧结循环利用。但是，这些粉尘或尘泥含有K、Na和Zn等有害元素，K、Na和Zn在高炉内的循环富集对高炉危害极大[1，2]。因此，对于一个大型钢铁企业，锌含量高于1%的含铁粉尘的数量每年达到十几万吨。如何处理这部分尘泥，已是世界各国钢铁企业节能减排发展循环经济、实行清洁化生产的一个重要课题。目前，国内外基本都采用火法工艺来脱除钢铁厂含锌尘泥中锌，主要有Waelz回转窑工艺[3]、转底炉工艺[4]和Fastment工艺[5]等。如马钢引进日本的转底炉工艺专利技术处理含铅锌尘泥，投资几亿元人民币，于2009年7月正式投入运营，年处理尘泥量近20万t以上[6]；山东莱钢采用国内设计的转底炉工艺专利技术处理本公司的含铅锌尘泥，与马钢不同的是采用压团团块。但是该工艺目前还是起步阶段，存在的主要问题仍在于转底炉薄层炉料操作以及采用膨润土造球黏结剂生产的高碳球团容易爆裂等问题导致整个工艺的生产率低，能耗高，成本高，同时还存在着设备投资巨大、建设周期长和维护成本高等缺点。而采用氯化焙烧处理钢铁厂含锌粉尘，对设备的腐蚀过于严重，有些厂已为此而倒闭[7]。B.Asadi zeydabadi[8]采用硫酸浸出-黄钾铁矾铵法净化-萃取-电极锌工艺来处理高炉含锌粉尘。但酸法在常温常压下的锌铅浸出率较低(80%左右)，且铁也会大量溶出，酸浸类方法浸渣中的锌含量在0.5%以上，因而浸渣作为钢铁厂原料，所含的铁碳也得不到有效利用。所以，本研究根据化学选矿与湿法冶金的选择性浸出与提取原理，提出采用碱法堆浸-电解工艺处理钢铁厂低锌铅含铁粉尘，碱法堆浸既能回收铅和锌元素，铁和碳留在浸出渣中，水洗脱碱后的浸出渣又可返回作炼铁烧结配料使用。整个工艺成为一条资源综合利用、无污染和清洁的碱法堆浸-电解处理钢铁低铅锌含铁粉尘的新工艺。其次，这一研究也是对含泥量超过80%的泥质矿物堆浸出的一种探索和尝试。

1 试验

1.1 试验原理

钢铁企业含锌尘泥中的锌主要以氧化态的形式存在，氧化锌在碱性体系中浸出可以通过Zn-H2O体系的电位-pH图进行分析，根据相关热力学数据[9]，计算Zn-H2O体系所包含的各个重要化学反应及其电势E和pH，结果如表1所示。

根据表1计算结果作图，可得Zn-H2O体系的电位-pH图(见图1)，图中0、-1、-2分别表示lgαZn2或者lgαZnO22-。

由图1可以看出，氧化锌既可以溶于酸性体系中生成Zn2+，也可以溶于碱性体系中生成ZnO22-，因此从热力学角度看，采用NaOH溶液浸出出铁口除尘灰中的锌是可行的。其次，出铁口除尘灰采用NaOH水溶液堆浸出处理，铁与碳不会在氢氧化钠溶液中大量溶出，而锌和铅进入溶液，净化处理后浸出液可根据铅和锌在碱电解液中析出电位的差别进行选择性电解，先电解提铅后再电解提锌，电锌后的废电解液用碱调整浓度后直接返回堆浸工序布于堆中；而脱去锌铅的堆浸渣含铁与碳量升高，经过水洗-脱碱晾干后可作为烧结原料返回烧结使用，脱碱洗水可补充堆浸出蒸发所消耗的水或用于下一堆配浸出剂溶液。这样，整个工艺就构成了一条资源综合利用、无污染和清洁的碱法堆浸-电解处理钢铁企业低铅锌含铁粉尘的新工艺。

1.2 试验原料及仪器试剂

1.2.1 试验原料与试剂

试验所用出铁口除尘灰取自某炼铁厂，因为是干法除尘灰，含水量低，粒级在250～74μm，其化学分析结果如表2所示。

堆浸用的溶浸剂为氢氧化钠(工业纯)。测定浸出液中锌含量所用的试剂主要有：乙二胺四乙酸二钠(分析纯)、乙酸钠(分析纯)、乙酸(分析纯)、氟化铵(分析纯)、硫代硫酸钠(分析纯)及抗坏血酸(分析纯)。

1.2.2 试验设备与试验方法

堆浸试验装置为自主设计，主要仪器有耐酸耐碱泵、流量计、PVC材质的浸出柱及集液箱等。而常规浸出试验在500mL烧杯中进行，采用水浴加热。首先将250mL NaOH溶液加热到指定温度，然后放入50g试样，采用磁力搅拌器在400r/min的速度下搅拌浸出，浸出结束后过滤。浸出液(或堆浸液)中锌离子浓度采用EDTA容量法测定。

2 试验结果与讨论

2.1 出铁口除尘灰的浸出性能试验结果与讨论

2.1.1 NaOH浓度对出铁口除尘灰中锌浸出率的影响

在搅拌速度为400r/min、液固比为5∶1、浸出温度为25℃及浸出时间4h的条件下，研究了不同浓度的NaOH对出铁口除尘灰中锌浸出率的影响，试验结果见图2。

由图2可以看出，出铁口除尘灰的锌浸出率随着NaOH浓度的增加而升高；除尘灰中锌在2mol/L的浓度下浸出率达到17.21%，而当溶浸液浓度为6mol/L时锌的浸出率也仅为20.87%，因出铁口除尘灰含锌量比较低，可以采用2mol/LNaOH溶浸剂来进行堆浸出作业。2.1.2浸出时间对高炉尘泥中锌浸出率的影响在搅拌速度为400r/min、液固比为5∶1、浸出温度为25℃及溶浸液NaOH的浓度为2mol/L的条件下，研究了不同浸出时间对出铁口除尘灰中锌浸出率的影响，其结果见图3。

由图3可以看出，在2mol/L的NaOH溶浸液的条件下，出铁口除尘灰中锌的浸出率随着浸出时间的延长而不断增加，但是当浸出时间达到8d之后浸出率增加缓慢。

总体而言，出铁口除尘灰中的锌在2mol/L的NaOH溶液中浸出性能比较好，可以借鉴贵金属(如金和银等)堆浸工艺来脱除出铁口除尘灰中的锌。

2.2 出铁口除尘灰加负压堆(柱)浸试验

钢铁厂含锌粉尘的堆浸研究在国内外未见报道。出铁口除尘灰粒级在250～74μm范围，大致和高泥矿堆浸中的泥质颗粒粒径0.074mm范围相似。若将出铁口除尘灰单独筑堆浸出，必然导致出铁口除尘灰堆的密实度增大，容易造成出铁口除尘灰堆泥化板结，影响浸出剂的均匀渗滤以及降低出铁口除尘灰堆的渗透性，甚至板结到浸出剂溶液不能渗流，使堆浸作业中断。为此，参照高泥矿堆添加疏松物方法[10，11]来解决出铁口除尘灰不能应用溶浸采矿法这一难题，采用配入10%的3～6.3mm的烧结矿返矿与出铁口除尘灰混合均匀，进行筑堆柱浸出或槽浸出试验，解决出铁口除尘灰堆浸出的结块以及布液渗透问题。

称取粒度大于6.3mm的成品烧结矿2kg，装入Ø250mm×1600mm PVC管柱浸装置底部作为垫底料。将3～6.3mm的2.4kg烧结返矿与24kg出铁厂除尘灰机械混匀，装入柱浸出装置，任其自然堆积，再匀平料柱的横截面，用卷尺测量柱高，柱高为44cm(不含铺底料)。配制NaOH浓度为2mol/L水溶液，共40L。倒入集液箱中。开启循环泵，调节流量，在室温下滴淋强度为8～12L/m2·h，采用滴淋12h、闲置12h的滴淋制度。作业期间锌浸出率与浸出时间关系曲线如图4所示。

出铁口除尘灰掺烧结返矿筑堆作业在初期比较顺利，第5天下午开始从柱浸出装置底部渗流浸出液至集液箱。但在10d后发现柱内灰堆上部表面有部分溶浸液淤积，改用滴淋强度为6～12L/m2·h进行滴淋，几乎没有浸出液回流至集液箱。于是，采用真空泵在柱堆底部加负压进行强化浸出。加负压浸出后，作业开始正常。作业30d后，炉灰内锌含量降到0.25%左右，满足返回烧结要求。

2.3 堆浸出渣水洗脱碱脱锌

干基出铁口除尘灰的最大吸水率大致在40%，在堆浸出中必然会吸收40%左右的浸出剂水液，而浸出液中含有较多的Na+与ZnO22-等离子，伴有Na和Zn的浸出渣返回烧结配料烧成烧结矿，烧结矿中的Na及Zn在高炉内因富集作用会造成不利影响，必须采用清水淋洗柱中的堆浸出渣以达到脱碱脱锌的目的。水洗脱碱脱锌仍在浸出装置中进行的。首先把浸出装置中的浸出液取出，将集液槽内清洗干净，倒入足量的清水，清水经过泵打至柱堆顶部，从底部渗流出洗水，用塑料桶收集洗水。水洗的滴淋制度和强度与堆浸相同，整个水洗作业是清水滴淋。并定时分析洗水中的锌含量。其结果如图5所示。

由图5可以看出：流出的洗水中的锌含量随着水洗时间延长逐渐降低，即堆浸渣残留的浸出液浓度越来越低，碱度也越来越低。在清水洗6d之后，流出的洗水中锌的浓度仅为0.0519g/L，再用酚酞指示剂溶液检测洗水的碱度，水洗液呈极弱的红色，说明水洗液的碱度很低。这样就完成一个周期的堆浸出作业。水洗脱碱脱锌后，水洗干净的堆浸出渣中仅含0.2561%的锌，在晾干后可以返回作为烧结配料使用，而洗水可以返回配制下一堆堆浸的溶浸液。

3 结语

通过对高炉尘泥的浸出及堆浸试验研究，可以得出以下结论：

1)出铁口除尘灰的常规浸出性能的研究结果表明，在搅拌速度为400r/min、液固比为5∶1、浸出温度为25℃及浸出时间4h的条件下，出铁口除尘灰中锌的浸出率随氢氧化钠浓度升高而增高；而在搅拌速度为400r/min，液固比为5∶1，浸出温度为25℃及溶浸液NaOH的浓度为2mol/L1的条件下，出铁口除尘灰中锌的浸出率随着浸出时间的延长而不断增加。总体来说，出铁口除尘灰中的锌可浸出性能比较好。

2)出铁口除尘灰粒级在250～74μm范围，和高泥矿堆浸的泥质颗粒粒径0.074mm范围大致相似，尽管采用掺10%烧结返矿堆浸与较低的布液滴淋强度(6～12L/m2·h)作业，还需采用真空泵在柱堆底部加负压进行强化浸出。说明全泥矿或除尘灰堆浸出还需要寻找更合适的掺杂物作为筑堆的疏松材料。

3)出铁口除尘灰掺烧结返矿筑堆加负压堆浸出试验结果表明，在经过30d滴淋和6d的水洗脱碱脱锌作业后，水洗干净的堆浸出渣中仅含0.2561%的锌，可以返回作为烧结配料加以利用，不会对高炉造成不利影响。前一堆浸出液可以用于下一堆浸出，直至浸出液里的锌离子浓度达到电解要求，再通过电解得到金属锌粉，而电解锌粉后的电解液又可返回堆浸使用。

4)采用碱法堆浸-电解工艺来处理出铁口除尘灰脱锌并分离出可作为烧结原料用的堆浸渣在技术上是可行的；该工艺具有投资少、流程短、操作简单和成本低等特点，具有重要的工程应用价值和环保价值，可作为处理钢铁厂低锌铅含铁粉尘二次资源的综合利用技术。

参 考 文 献

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