生物污泥还原钢铁厂含锌粉尘规律_魏汝飞.pdf
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1、 第5 8卷 第6期 2 0 2 3年6月钢 铁I r o na n dS t e e lV o l.5 8,N o.6,p 1 3 4-1 4 2 J u n e2 0 2 3 D O I:1 0.1 3 2 2 8/j.b o y u a n.i s s n 0 4 4 9-7 4 9 x.2 0 2 2 0 7 4 6生物污泥还原钢铁厂含锌粉尘规律魏汝飞,张飞虎,孟东祥,龙红明,李家新(安徽工业大学冶金工程学院,安徽 马鞍山2 4 3 0 0 2)摘 要:钢铁尘泥是钢铁冶炼过程中产生的主要固体废弃物之一,如果直接堆放或排放,必然会造成环境污染,且尘泥中的有价元素也没有得到有效利用,因此对
2、其进行资源化利用已成为钢铁厂面临的严重问题。火法工艺在钢铁尘泥的处理工艺中应用最广泛,在火法处理工艺的基础上,提出利用生物污泥中的碳代替煤粉/焦粉作为还原剂对钢铁含锌粉尘进行还原处理的新思路。在模拟转底炉的条件下进行了高温还原试验,选取质量比、反应温度和反应时间3个因素为主要影响因素,研究了尘泥含碳团块中铁氧化物和锌氧化物的高温自还原规律。采用X R D、S EM、G C/M S和X R F等手段对反应前后团块矿物组成、微观形貌、元素分布和化学成分等方面进行深入分析。研究结果表明,尘泥含碳团块的金属化率和锌脱除率随着生物污泥所占质量比的增大和反应温度的升高而增大。随着反应时间的延长,尘泥含碳团
3、块的金属化率和锌脱除率先增加,2 0m i n后趋于稳定。当电炉灰和生物污泥的质量比为10.6 9、反应温度为13 0 0、反应时间为2 0m i n时,尘泥含碳团块的金属化率可达9 8.4 8%,锌脱除率可达9 8.9 5%。这说明利用生物污泥还原钢铁含锌粉尘,可以实现有价元素锌的回收,还原后得到的金属化团块可返回到钢铁生产流程中,实现钢铁尘泥中铁元素的资源化利用。关键词:含锌粉尘;生物污泥;自还原反应;金属化率;锌脱除率;资源化利用文献标志码:A 文章编号:0 4 4 9-7 4 9 X(2 0 2 3)0 6-0 1 3 4-0 9L a wo f z i n c-b e a r i n
4、 gd u s t f r o mi r o na n ds t e e lp l a n t r e d u c e db yb i o l o g i c a l s l u d g eWE IR u f e i,Z HANGF e i h u,ME NGD o n g x i a n g,L ONG H o n g m i n g,L I J i a x i n(S c h o o l o fM e t a l l u r g i c a lE n g i n e e r i n g,A n h u iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,M
5、 a a n s h a n2 4 3 0 0 2,A n h u i,C h i n a)基金项目:安徽省自然科学基金资助项目(2 2 0 8 0 8 5 ME 1 2 1,2 2 0 8 0 8 5 J 1 9);国家重点研发计划重点专项资助项目(2 0 2 2 Y F C 3 9 0 1 4 0 5)作者简介:魏汝飞(1 9 8 5),男,博士,副教授;E-m a i l:w e i r u f e i a h u t.e d u.c n;收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 6通信作者:龙红明(1 9 7 9),男,博士,教授;E-m a i l:y a f l h m1 2 6.c
6、o mA b s t r a c t:D u s t a n ds l u d g e i s o n e o f t h em a i ns o l i dw a s t e sp r o d u c e d i n t h ep r o c e s s o f i r o na n ds t e e lm a k i n g.I f i t i sd i-r e c t l ys t a c k e do rd i s c h a r g e d,i tw i l l i n e v i t a b l yc a u s ee n v i r o n m e n t a lp o l l
7、u t i o n,a n dt h ev a l u a b l ee l e m e n t s i nt h ed u s ta n ds l u d g eh a v en o tb e e ne f f e c t i v e l yu t i l i z e d,s o i t sr e s o u r c eu t i l i z a t i o nh a sb e c o m eas e r i o u sp r o b l e mf a c e db ys t e e lp l a n t s.P y r o m e t a l l u r g ym e t h o d i
8、sm o s tw i d e l yu s e di nt h et r e a t m e n tp r o c e s so f t h ed u s ta n ds l u d g e.B a s e do nt h ep y r o m e t a l l u r g i c a l t r e a t m e n tp r o c e s s,an e wi d e ao fu s i n gc a r b o nf r o mb i o l o g i c a ls l u d g e i n s t e a do fc o a lp o w d e ra n dc o k ep
9、 o w d e ra sr e d u c i n ga g e n t t or e d u c e z i n c-b e a r i n gd u s t f r o mi r o na n ds t e e l p l a n t a r ep u t f o r w a r d.T h es i m u l a t e dh i g ht e m p e r a t u r er e d u c t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tu n d e rt h ec o n d i t i o n so fr o t
10、 a r yh e a r t hf u r n a c e.T h r e ef a c-t o r s,i n c l u d i n gm a s sr a t i o,r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dr e a c t i o nt i m e,w e r es e l e c t e da st h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r st os t u d yt h eh i g ht e m p e r a t u r es e l f-r e d u c t i o nl a wo
11、f i r o no x i d ea n dz i n co x i d e i nc a r b o n-b e a r i n ga g g l o m e r a t e sm a d eb yd u s t a n ds l u d g e(C A D S).X R D,S EM,G C/M Sa n dX R Fw e r eu s e dt oa n a l y z et h em i n e r a l c o m p o s i t i o n,m i c r o s t r u c-t u r e,e l e m e n td i s t r i b u t i o na
12、n dc h e m i c a l c o m p o s i t i o no fC A D Sb e f o r e a n da f t e r t h e r e a c t i o n.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h em e t a l l i z a t i o nr a t ea n d t h e z i n c r e m o v a l r a t eo fC A D S i n c r e a s e sw i t h t h e i n c r e a s eo f t h em a s s r a t i oo f b
13、 i o l o g i c a l s l u d g ea n dr e a c t i o nt e m p e r a t u r e.W i t ht h ee x t e n s i o no f r e a c t i o nt i m e,t h em e t a l l i z a t i o nr a t ea n dz i n cr e m o v a l r a t eo fC A D Si n c r e a s e df i r s t,a n dt h e nt ob e s t a b l ea f t e r 2 0m i n.Wh e nt h em a s
14、 s r a t i oo f e l e c t r i c f u r n a c ea s ht ob i o l o g i c a l s l u d g e i s10.6 9,t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e i s13 0 0,a n dt h er e a c t i o nt i m e i s2 0m i n,t h em e t a l l i z a t i o nr a t eo fC A D Sc a nr e a c h9 8.4 8%,a n dt h ez i n cr e m o v a l r a t e
15、o fC A D Sc a nr e a c h9 8.9 5%.T h i ss h o w s t h a t t h e r e c o v e r yo f v a l u a b l ee l e-m e n t z i n cc a nb er e a l i z e db yu s i n gb i o l o g i c a l s l u d g e t or e d u c ez i n c-b e a r i n gd u s t,a n dt h em e t a l l i z e da g g l o m e r a t e so b-t a i n e da f
16、t e r r e d u c t i o nc a nb er e t u r n e dt ot h es t e e lp r o d u c t i o np r o c e s s,t or e a l i z et h er e s o u r c eu t i l i z a t i o no f i r o ne l e-m e n t i nd u s t a n ds l u d g e f r o mi r o na n ds t e e l p l a n t.第6期魏汝飞,等:生物污泥还原钢铁厂含锌粉尘规律K e yw o r d s:z i n c-b e a r
17、i n gd u s t;b i o l o g i c a ls l u d g e;s e l f-r e d u c i n gr e a c t i o n;m e t a l l i z a t i o nr a t e;z i n cr e m o v a lr a t e;r e-s o u r c eu t i l i z a t i o n 钢铁行业是中国过去几十年基础设施建设的基石1,为国民经济的发展提供了强有力的材料支撑。但钢铁冶炼过程中也会产生大量的固体废弃物2-3。钢铁尘泥是钢铁工业生产过程中产生的固体废弃物的重 要 组 成 部 分,它 的 产 量 一 般 为 粗 钢
18、 产 量 的8%1 2%4-5。根据国家统计局公布的数据,中国粗钢产量在2 0 2 0年达到1 0.6 5亿t,由此推算钢铁冶金尘泥的产量为1亿t左右6-7。由于目前外售市场狭小,企业对钢铁尘泥的需求量有限,如果采取常规的处理方式如堆放、就地填埋等会造成土壤污染、水污染和大气污染。而且尘泥中Z n、K、N a等元素质量分数较高,如果不回收利用会造成严重的资源浪费8。同时,钢铁冶炼的时候还会产生生物污泥,生物污泥主要由焦化、冷轧轧制和冷轧碱洗等工艺产生的废水经厌氧-缺氧-好氧法工艺处理后产生的污泥9。常见的生物污泥有活性颗粒污泥、厌氧颗粒污泥、好氧颗粒污泥和絮状颗粒污泥,其有机物含量高,总碳质量
19、分数一般大于3 0%(干基),干基高 位热值也很 高,一般大 于2 00 0 0k J/k g。生物污泥一般采用厌氧消化法和焚烧法进行处理。污泥的厌氧消化技术存在反应器体积大和停留时间长等缺点1 0。焚烧处理可以有效地实现污泥的减量和无害化处理。吴植华等1 1通过将煤泥拌生物污泥在循环流化床锅炉中燃用,既减少了对煤的需求,又最大化减小了污泥的体积,实现了污泥稳定化、减量化和资源化处理。但在焚烧过程中会产生大量污染物,如大气污染物和飞灰等,如果这些污染物没有得到妥善处置,则会对环境产生二次污染1 2。此外,黄川等1 3利用污水处理厂的脱水污泥代替部分黏土配料烧制出符合国家标准的轻质陶粒,该方法既
20、利用了污泥中有机碳作燃料,又利用了污泥中的无机物作原料。目前,钢铁尘泥主要处理工艺包括物理法、湿法和火法1 43种。物理法工艺处理钢铁尘泥效率低,一般只作为火法与湿法工艺的预处理工序1 5-1 7。湿法工艺存在单元流程多、成本较高等问题。目前,火法处理工艺是钢铁企业应用最广泛的回收利用钢铁尘泥的方法。主要有回转窑工艺、转底炉工艺等1 8-1 9。转底炉工艺主要是在高温条件下利用含碳球团自还原使锌脱除,得到金属化球团,其中还原剂碳粉的主要来源是除尘灰中的碳或是外加的焦粉、煤粉2 0。佘雪峰等2 1通过多种检测方法对烧结灰、高炉灰、电炉灰等进行了基础物性研究,提出转底炉直接还原工艺处理粉尘的优势。
21、董剑豪等2 2模拟转底炉工艺进行试验,在12 0 0、还原3 0m i n的条件下含碳球团的金属化率达到了9 5.6 3%。转底炉工艺在一定程度上可以实现F e、C、Z n等有价元素的资源化利用2 3。生物污泥中碳含量较高,理论上生物污泥中碳也可以作为还原剂对钢铁含锌粉尘进行还原,但此方面的研究未见报道。在钢铁尘泥火法处理的基础上,本工作提出了将生物污泥与钢铁含锌粉尘混合到一起,以生物污泥作为还原剂,对钢铁含锌粉尘进行还原处理的新思路。通过对质量比、反应温度和反应时间的调节,拟揭示生物污泥对尘泥含碳团块的金属化率和锌脱除率的影响规律。本工作的开展对实现钢铁含锌粉尘和生物污泥的资源化利用具有重要
22、意义。1 原料和试验方法1.1 原料本试验含锌粉尘选用电炉灰为原料,生物污泥选取焦化生物污泥为原料,它们来源于中国某钢铁厂,其成分分别见表1表4。表1 电炉灰的化学成分(质量分数)T a b l e1 C h e m i c a l c o m p o s i t i o no f e l e c t r i ca r c f u r n a c ea s h%Z n OF e2O3C a OS i O2A l2O3M g OM n O P b2O5F e O7.8 5 6 4.2 5 6.6 73.3 0 0.4 2 3 2.5 34.1 6 0.7 2 4 4.2 5表2 生物污泥的工业分
23、析(质量分数)T a b l e2 P r o x i m a t ea n a l y s i so fb i o l o g i c a l s l u d g e%种类灰分挥发分固定碳水分干基4 6.9 75 2.8 40.1 60湿基1 7.0 81 9.2 60.0 66 3.6表3 生物污泥有机元素分析(干基)(质量分数)T a b l e3 A n a l y s i so fo r g a n i c e l e m e n t s i nb i o l o g i c a l s l u d g e(d r yb a s i s)%CHNSO3 0.8 62.5 52.2 4
24、2.1 31 5.2 5531钢 铁第5 8卷表4 生物污泥灰分的化学成分(质量分数)T a b l e4 C h e m i c a l c o m p o s i t i o no fa s h i nb i o l o g i c a l s l u d g e%F e2O3F e OA l2O3N a2OP b2O5S i O2T i O2C a O4 1.3 63.2 97.4 81 5.1 95.1 66.0 41.8 21.2 1 从表1表4中可以看出,电炉灰中的铁、锌元素含量很高,铁元素主要以F e2O3的形式存在,锌元素主要以Z n O的形式存在。生物污泥(干基)的挥发分含量
25、很高,固定碳含量很低,这不同于传统火法工艺使用的还原剂(挥发分含量较低,固定碳含量较高),但生物污泥中(干基)碳元素质量分数很高,为3 0.8 6%,可以作为还原剂还原钢铁含锌粉尘。通常,生物污泥(湿基)的水含量很高2 4,本试验选取的生物污泥水含量高达6 3.6%,因此,生物污泥工业化利用之前需进行脱水,针对污泥工业化利用时,对污泥含水率要求较高,一般采用生物法协同水热法,辅以机械脱水,再通过热干化技术将含水率降低到2 0%以下2 5。生物污泥灰分的主要成分为F e2O3,其质量分数为4 1.3 6%。利用生物污泥作为还原剂,既能使污泥中的碳元素得到利用,同时其中铁元素也能通过金属化团块返回
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