中南大学不锈钢镍铬废物处理重点基金答辩2006-7-29.ppt

2006年国家自然科学钢铁联合基金重点项目汇报不锈钢冶炼粉尘处理与有价金属直接回收的基础研究,申请人：彭兵，柴立元申请单位：中南大学2006年7月,汇报提纲,一、立项依据二、拟解决的关键科学问题三、项目研究内容与技术路线四、预期目标与创新点五、研究基础与条件,一、立项依据,1.我国不锈钢行业可持续发展的迫切需要2.不锈钢粉尘处理技术发展的需要3.直接回收技术符合我国国情、适合宝钢需要4.新技术实施必须解决的关键问题,1.我国不锈钢行业可持续发展的迫切需要,我国不锈钢产量2006年将跃居世界第一。2004年前小于80万吨,2005年突破300万吨,2006年将达到920万吨，其中宝钢200万吨、太钢300万吨,每冶炼1吨不锈钢产生1020公斤粉尘，共1020万吨/年，其中含Ni:39%,Cr:813%,Fe:2238%等有价金属。,造成有价金属资源极大浪费，2005年镍、铬损失超过2.2万吨；重金属严重污染环境,2.不锈钢粉尘处理技术发展的需要,我国大规模不锈钢冶炼刚刚起步，国内目前无成熟的冶炼粉尘处理技术；有可能从国外引进的技术存在各自不足。,STAR熔融还原生产设施过于庞杂、投资和维护费用昂贵DaidoSteel用铝换铁不经济J&LSpecialtySteels与Dereco以硅换铁不经济，铬回收率低于70%InmetcoProcess仅获得中间合金海绵铁，能源利用率低，产品中脉石成分和硫含量较高Fasmet/Fastmelt获得直接还原铁，唯一的国际商业化技术。但铬回收率仅70%，操作条件和对还原剂质量要求高。,开发适合我国国情的自主知识产权新技术十分必要。,宝钢不锈钢生产工艺流程图,3.直接回收技术符合我国国情、适合宝钢需要,精炼粉尘,粉尘与炉渣,改造后的电炉除尘系统,烟气,炉渣粉尘,固化,做建材,镍铬粉尘,制粒,球团,铅锌粉尘,选择性还原,回收锌,4.新技术实施必须解决的关键问题,粉尘的有效分离及减量化不锈钢产品质量控制粉尘中镍铬的高效回收,二、拟解决的关键科学问题,1.球团还原及其与熔渣的相互作用机制2.气泡在熔体中的迁移与作用机制3.粉尘的形成与分离机理,三、研究内容与技术路线,1）球团还原及其与熔渣的相互作用机制球团渣壳模型球团中有价金属在渣壳内的还原机制还原产物在熔渣中的形态调控2）气泡在熔体中的迁移与作用机制球团存在下气泡在钢-渣界面的迁移与作用机制气泡在熔渣表面的分裂机制3）粉尘形成与分离机理,1.球团的还原及其与熔渣的相互作用机制球团渣壳模型,钢液,炉渣,球团,1.球团的还原及其与熔渣的相互作用机制球团渣壳模型,坩埚,电炉,N2入口,N2出口,炉渣,钢液,球团,采用XRF、ICP、XRD分析炉渣、钢液和球团。,1.球团的还原及其与熔渣的相互作用机制球团渣壳模型,建立球团还原过程渣壳形成与迁移的物理模型，正确认识球团还原过程。确立球团内金属氧化物、碳化物、还原金属以及钢液和炉渣成分的变化规律。确定热传导过程的边界条件，采用有限元法建立球团的热传导模型，掌握球团内温度的分布与变化规律。,1.球团的还原及其与熔渣的相互作用机制球团中有价金属在渣壳内的还原机制,微电子称,反应管,加热炉,热电偶,入气孔,气体采样管,保护气体引出,试样,保护气体引入,恒温区,热电偶,FTIR气体取样,反应室,1.球团的还原及其与熔渣的相互作用机制球团中有价金属在渣壳内的还原机制,远红外线通道,1.球团的还原及其与熔渣的相互作用机制球团中有价金属在渣壳内的还原机制,检测还原过程中球团质量随时间与温度的变化，建立动力学方程。研究还原气相成分CO和CO2等的变化规律，确定还原步骤及还原速率。结合球团中渣壳的迁移、物相变化、温度分布与还原速率，明确渣壳内金属的还原机制。,1.球团的还原及其与熔渣的相互作用机制还原产物在熔渣中的形态调控,加入球团,形态调整剂,控制系统,熔渣流变行为研究,X-射线,CCD摄像机,熔渣微观结构研究,熔渣发泡性能研究,1高温电炉2热电偶3样品坩埚4石墨坩埚5轻质砖盖6石英管7钼棒8刻度尺9导电钼丝10指示灯11支架12测温仪表13氩气瓶14流量计15吹气软管16压力表,1.球团的还原及其与熔渣的相互作用机制还原产物在熔渣中的形态调控,采用XRF、ICP、XRD分析炉渣和钢液成分及物相，确定还原剂和调整剂的添加效果，防止还原金属在炉渣扩散迁移中被再次氧化。结合炉渣的流变行为研究、高温拉曼光谱与核磁共振分析，确定炉渣的网络结构及镍铬等在网络中的存在形式，使镍铬最大限度进入钢液。考查发泡剂对炉渣发泡性能的影响，实现炉渣最大泡沫化，提高节能效果。,2.气泡在熔体中的迁移与作用机制球团存在下气泡在钢-渣界面的迁移与作用机制,氩气,塑料小球,NaCl、固体悬浮物等,有机玻璃容器,2.气泡在熔体中的迁移与作用机制球团存在下气泡在钢-渣界面的迁移与作用机制,记录气泡通过钢渣界面的情况,2.气泡在熔体中的迁移与作用机制气泡在钢-渣界面的迁移与作用机制,通过水力模型研究，确定气泡的长大与表面张力、粘度、静压强的关系，分析气泡大小、温度、设备几何尺寸等对气泡在界面停留时间的影响，建立气泡运动方程模拟高温熔体气泡行为。采用X透射高温实验数据对气泡运动方程进行修正，确定高温下气泡通过钢渣界面的运动学模型，增强气泡携带固体夹杂物迅速通过钢渣界面进入炉渣的能力。,2.气泡在熔体中的迁移与作用机制气泡在熔渣表面的分裂机制,气泡,膜滴,喷射液滴,2.气泡在熔体中的迁移与作用机制气泡在熔渣表面的分裂机制,记录气泡在熔渣表面破裂过程，分析膜滴和喷射液滴的产生机制,取样不同操作条件下收集的粉尘，采用SEM和XRD分析形貌与物相,2.气泡在熔体中的迁移与作用机制气泡在熔渣表面的分裂机制,明确膜滴与喷射液滴尺寸及数量与气泡压力、表面张力、界面张力、炉渣的物理化学性质之间的关系。控制气泡在熔渣表面的分裂，降低粉尘量和提高炉渣泡沫化程度。掌握膜滴和喷射液滴的特征，为分离炉渣粉尘和镍铬粉尘提供理论依据。,3.粉尘形成与分离机理,金属氧化物碳炉渣成分,粉尘的非均相成核与长大,粉尘的均相成核与长大,3.粉尘形成与分离机理,球团,坩埚,电炉,N2入口,沉降式除尘装置,旋风式除尘装置,过滤式除尘装置,排放,改变温度、流量、压力、氮气通入速度，分别从三种除尘装置取样分析粉尘的成分、物相和形貌，结合膜滴和喷射液滴的产生规律，考查不同成分粉尘的分离过程。,3.粉尘形成与分离机理,掌握粉尘的均相形核与非均相形核规律，确定临界形核半径与临界形核功，明确非均相形核过程中接触角的定量作用关系。掌握粉尘长大过程机制，确定其长大与烟气压力、流速、温度之间的关系，为铅锌粉尘的分离提供理论依据。,四、预期成果与创新点预期成果,1.丰富高温冶金基础理论建立球团渣壳作用模型，揭示球团还原过程机理，控制镍铬的物相成分及在球团、钢液和炉渣之间的分布。明确气泡在熔体中的迁移与作用机制，建立气泡的运动学模型，促进钢液中气泡和夹杂物的脱除，控制膜滴和喷射液滴形态实现不同成分粉尘的分离。发表SCI论文16篇以上。,四、预期成果与创新点预期成果,2.构建不锈钢冶炼粉尘直接还原回收新技术原型拟申请国家发明专利4项：不锈钢冶炼不同成分粉尘的分离方法不锈钢冶炼粉尘球团直接还原回收技术不锈钢冶炼粉尘直接回收过程的炉渣调控方法不锈钢冶炼铅锌粉尘选择性还原回收技术,四、预期成果与创新点预期成果,3.人才培养为我国不锈钢冶炼行业培养博士23名、硕士58名建设一支不锈钢冶炼废弃物综合处理的研究队伍,四、预期成果与创新点创新点,建立球团渣壳模型,揭示球团内还原过程的本质规律，有利于镍铬等的高效回收。确立电弧炉冶炼过程的气泡运动学模型,有利于气泡和夹杂物的脱除，保证不同成分粉尘有效分离和不锈钢产品质量。构建不锈钢冶炼粉尘直接回收技术原型。,五、研究基础与条件已完成的前期研究,1.完成钢铁联合基金“不锈钢冶炼粉尘直接还原回收机理的研究”（50274073）掌握了不锈钢粉尘球团碳热还原过程规律明确了还原过程的控制因素建立了直接还原过程动力学模型,五、研究基础与条件已完成的前期研究,2.博士学位论文“不锈钢电弧炉粉尘处理的基础理论及工艺研究”获全国优秀博士学位论文提名奖不锈钢电弧炉冶炼粉尘的特性电弧炉粉尘的制粒不锈钢粉尘球团还原过程的热力学基础不锈钢冶金炉渣计算热力学不锈钢粉尘球团直接还原工艺参数,五、研究基础与条件已完成的前期研究,3.完成湖南省计划科技攻关项目“电弧炉炼钢及粉尘的处理”（00GKY2030）不锈钢冶炼粉尘直接还原初步工艺,五、研究基础与条件发表的相关代表性论文,近年在该项目领域共发表论文50多篇，其中国外知名刊物12篇，SCI收录17篇，EI收录21篇,B.Peng,J.Lobel,J.A.Kozhinski,M.Bourassa.Non-isothermalreductionkineticsofEAFdust-basedpellets.CIMBulletin,2001,94(1049):64-70J.Lobel,B.Peng,M.Bourassa,J.A.Kozinski.Pilot-scaledirectrecyclingoffluedustgeneratedinelectricstainlesssteelmaking().IronandSteelmaker,2000,27(1):41-45J.Lobel,B.Peng,M.Bourassa,J.A.Kozinski.Pilot-scaledirectrecyclingoffluedustgeneratedinelectricstainlesssteelmaking().57thElectricFurnaceConferenceProceedings,Nov.14-16,1999,Pittsburgh,USA,IronandSteelSociety:501-508PengBing,PengJi,YuDi.Modelingofthermalconductivityofstainless-steelmakingdustpellets.Trans.NonferrousMet.China.,2004,14(1):184-189ChaiLiyuanandZhongHaiyun,PreparingfineTaCpowderfromwasteTantalum,MetalPowderReport,2000,55(4):30-33ZhangChuanfu,PengBing,PengJi,J.Lobel,J.A.Kozinski.ElectricArcFurnaceDustNon-isothermalReductionKinetics.TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2000,10(4):524-530,五、研究基础与条件发表的相关代表性论文,Non-isothermalreductionkineticsofEAFdust-basedpellets,Pilot-scaledirectrecyclingoffluedustgeneratedinelectricstainlesssteelmaking,2020/5/3,有色金属冶金国家重点学科粉末冶金国家重点实验室粉末冶金国家工程研究中心国家环境保护有色金属工业污染控制工程技术中心冶金分离科学与工程有色工业重点实验室项目单位完全具备研究条件,五、研究基础与条件创新研究平台,项目负责人彭兵教授，留学加拿大McGillUniversity,一直从事不锈钢粉尘的直接回收技术及相关研究。项目组主要成员柴立元教授，留学日本名古屋大学，从事铬渣等固体废物的处理与资源化研究。教育部新世纪优秀人才