第11期 高金涛等：高炉粉尘Fe和Zn非熔态分离工艺 ·1269· 炉粉尘Fe、Zn非熔态分离”工艺，并选取国内典型 1.2工艺流程 钢铁企业的高炉粉尘为研究对象，进行了高炉非熔 图3为“高炉粉尘Fe、Zn非熔态分离”工艺流 态还原、还原产物磁选分离和Z的回收富集等系统 程图，主要包括以下三个工序 的实验研究，成功地将高炉粉尘全部转化为MFe、 (1)核心工序一高炉粉尘非熔态还原.在 Z0等有价资源，探索出一条高炉粉尘类超细固体 1000℃以下，将粉尘中铁、锌氧化物在非熔融状态 废弃物再资源化利用的新途径 下予以还原；反应产物亦为固态，还原过程不会发生 烧结，反应产物分散度很高 1实验 (2)后处理工序1一还原产物磁选分离.基 1.1原料的基础性能 于MFe与其他元素的密度和铁磁性的差异，采用磁 本研究选用唐山钢铁集团有限责任公司的高炉 选/重选等物理方法，实现MFe与其他元素的分离， 粉尘，经X射线荧光分析(XRF)、化学分析、X射线 直接获得高纯度的金属铁 衍射(XRD)分析和粒度分析等基础特性研究，得知 (3)后处理工序2—含锌挥发物中Z的回 粉尘中TFe的质量分数为30%（以Fe,03形式存 收、富集.非熔态还原能同时实现粉尘中锌氧化物 在)，Zn的质量分数为12.11%（以Zn0形式存在）， 的还原，还原出的锌以蒸气形式挥发出，对其进行回 C的质量分数为25.8%，并伴随少量Ca、Si、Mg和 收、富集，锌蒸气于收集过程中被氧化、凝华成高纯 A1的氧化物，粉尘的平均粒度为2.4m,粒度分布 度的Zn0. 范围是770~5970nm,粉尘分散度较窄. KCI KCI 图1为高炉粉尘的X射线衍射谱.可以看出： 后处理工序2 -乙n回收、富集 Fe主要以三价氧化物形式存在，Zn主要以氧化物 Znlg↑ 含锌 Zn 形式存在. 挥发物 核心工序 非熔态还原 1200 ZaO)MF,还原产物 1000 高炉粉尘Fe,0, 下e MFe 后处理工序1 非熔态分离 800 C 非磁性 余C 出) G物料 600 磁性 40 物料 'www内 图3高炉粉尘Fe、Zn非熔态分离工艺 40 50 60 70 80 90 Fig.3 Process route for the separation of Fe and Zn from BF dust at 2) non-molten state 图1高炉粉尘X射线衍射谱 Fig.1 XRD pattern of BF dust 1.3高炉粉尘非熔态还原实验 1.3.1还原条件的确定 图2为高炉粉尘的粒度分布情况.可以看出： 基于铁、锌氧化物的还原热力学分析（如图4 粉尘的粒度集中分布在770~5970nm之间.图中Q 所示)可知：在纯H,或C0的强还原气氛下，在 为累积分布，q为粒度分布 907~1000℃温度区间即可分别实现粉尘中 100 名 Fe,0,(s)→Fe(s)和Zn0(s)→Zn(g)的转变：同时 80 16 高炉粉尘的超细粒度亦为铁、锌氧化物的高度还原 60 12 财 提供了动力学基础.图中p(C0)和e(H,)分别表 40 8 示C0和H2的体积分数. 0 4 确定高炉粉尘非熔态还原实验的因子和水平 为：因子A为温度，A1910℃，A21010℃：因子B为 i0- 10 10 10 粒度um 还原时间，B,2h,B,4h;因子C为还原气氛，C,纯 图2炉粉尘粒度分布 H2,C,纯C0 Fig.2 Grain size distribution of BF dust 目标变量为：金属化率Y,、气化脱锌率Y2以及第 11 期 高金涛等: 高炉粉尘 Fe 和 Zn 非熔态分离工艺 炉粉尘 Fe、Zn 非熔态分离”工艺，并选取国内典型 钢铁企业的高炉粉尘为研究对象，进行了高炉非熔 态还原、还原产物磁选分离和 Zn 的回收富集等系统 的实验研究，成功地将高炉粉尘全部转化为 MFe、 ZnO 等有价资源，探索出一条高炉粉尘类超细固体 废弃物再资源化利用的新途径． 1 实验 1. 1 原料的基础性能 本研究选用唐山钢铁集团有限责任公司的高炉 粉尘，经 X 射线荧光分析( XRF) 、化学分析、X 射线 衍射( XRD) 分析和粒度分析等基础特性研究，得知 粉尘中 TFe 的质量分数为 30% ( 以 Fe2O3 形式存 在) ，Zn 的质量分数为 12. 11% ( 以 ZnO 形式存在) ， C 的质量分数为 25. 8% ，并伴随少量 Ca、Si、Mg 和 Al 的氧化物，粉尘的平均粒度为 2. 4 μm，粒度分布 范围是 770 ～ 5 970 nm，粉尘分散度较窄． 图 1 为高炉粉尘的 X 射线衍射谱． 可以看出: Fe 主要以三价氧化物形式存在，Zn 主要以氧化物 形式存在． 图 1 高炉粉尘 X 射线衍射谱 Fig． 1 XRD pattern of BF dust 图 2 为高炉粉尘的粒度分布情况． 可以看出: 粉尘的粒度集中分布在 770 ～ 5970 nm 之间． 图中 Q 为累积分布，q 为粒度分布． 图 2 炉粉尘粒度分布 Fig． 2 Grain size distribution of BF dust 1. 2 工艺流程 图 3 为“高炉粉尘 Fe、Zn 非熔态分离”工艺流 程图，主要包括以下三个工序． ( 1) 核心工序———高炉粉尘非熔态还原． 在 1 000 ℃以下，将粉尘中铁、锌氧化物在非熔融状态 下予以还原; 反应产物亦为固态，还原过程不会发生 烧结，反应产物分散度很高． ( 2) 后处理工序 1———还原产物磁选分离． 基 于 MFe 与其他元素的密度和铁磁性的差异，采用磁 选/重选等物理方法，实现 MFe 与其他元素的分离， 直接获得高纯度的金属铁． ( 3) 后处理工序 2———含锌挥发物中 Zn 的回 收、富集． 非熔态还原能同时实现粉尘中锌氧化物 的还原，还原出的锌以蒸气形式挥发出，对其进行回 收、富集，锌蒸气于收集过程中被氧化、凝华成高纯 度的 ZnO． 图 3 高炉粉尘 Fe、Zn 非熔态分离工艺 Fig． 3 Process route for the separation of Fe and Zn from BF dust at non-molten state 1. 3 高炉粉尘非熔态还原实验 1. 3. 1 还原条件的确定 基于铁、锌氧化物的还原热力学分析( 如图 4 所示) 可 知: 在 纯 H2 或 CO 的强还原气氛下，在 907 ～ 1 000 ℃ 温度区间即可分别实现粉尘中 Fe2O3 ( s) →Fe( s) 和 ZnO( s) →Zn( g) 的转变; 同时 高炉粉尘的超细粒度亦为铁、锌氧化物的高度还原 提供了动力学基础． 图中 φ( CO) 和 φ( H2 ) 分别表 示 CO 和 H2 的体积分数． 确定高炉粉尘非熔态还原实验的因子和水平 为: 因子 A 为温度，A1 910 ℃，A2 1 010 ℃ ; 因子 B 为 还原时间，B1 2 h，B2 4 h; 因子 C 为还原气氛，C1 纯 H2，C2纯 CO． 目标变量为: 金属化率 Y1、气化脱锌率 Y2 以及 ·1269·