基于碳热还原的拜耳法赤泥资源化综合用研究李帅

基于碳热还原的拜耳法赤泥资源化利用研究1CONTENTS目录绪论1结论4赤泥含碳球团还原—熔分过程的实验研究2赤泥基精炼脱硫渣系设计及钢液脱硫实验研究32目录页绪论3引言4图1.1我国近十年来氧化铝产量产量世界第一引言

目前，我国赤泥累计堆存量已达3.5亿吨，而赤泥综合利用率仅为4%。世界上大多数氧化铝厂都是将赤泥进行堆积或倾入深海，其处置成本约占氧化铝产品产值的5%。因赤泥排放量巨大、碱度高，传统的处理方式会对人类的生产、生活造成多方面的影响。51.0~1.8t的赤泥引言604030201占用土地和农田污染空气侵蚀建筑物、破坏土壤污染地下水赤泥研究现状目前全世界每年排放赤泥过亿吨，国外铝工业也十分关注赤泥问题，加拿大铝业公司（ALCAN）和美国铝业公司（ALCOA）在制定面向新世纪的战略规划时，把赤泥问题放在十分重要的位置，所以氧化铝工业的赤泥问题是世界性的难题。为此，国内外专家学者对赤泥的资源化利用进行了大量研究，如利用其钙、硅组分多的特点，将赤泥用于生产建筑材料；根据其多孔结构、粒径小、比表面积大、碱度高等性质用于吸附环境中的污染物质或制备催化剂；针对其赋存丰富的金属元素进行提取。资源利用存在的问题赤泥消耗量少（催化剂、吸附剂等）产品经济性差（微晶玻璃/填料等）综合利用不彻底（金属铁、有价金属提取等）6研究目的及意义7研究目的利用含碳球团还原技术处理赤泥，实现赤泥中铁资源的低成本回收，并将除铁后的赤泥改质成精炼脱硫渣，以期实现赤泥资源化利用。研究意义

中国是全球最大钢铁生产国和消费国，每年需要进口大量的铁矿石，同时在钢铁冶炼过程中还需要消耗大量的钢铁辅助材料，例如炼钢脱硫剂、铁水预处理剂等，而赤泥中含有一定量的铁，如能将赤泥成功应用于钢铁冶炼，并将提铁后的残渣通过调质处理制备钢铁辅助材料，有望借助钢铁工业的巨大体量大规模消纳赤泥，这不仅能在一定程度上解决氧化铝工业废渣处理难题，而且能缓解钢铁行业中铁矿石资源紧缺的压力，同时为钢厂创造更多的利润，具有重大环境意义和经济意义。主要研究内容赤泥基精炼脱硫渣系设计及钢液脱硫实验研究赤泥含碳球团还原—熔分过程的实验研究赤泥资源化利用新工艺的提出9目录页赤泥含碳球团还原—熔分过程的实验研究10表3.1赤泥成分（质量分数/%）本实验采用还原剂为硫含量低的兰炭，其成分如表3.2

表3.2兰炭成分（质量分数/%）实验原料11拜耳法赤泥XRD图谱12图3.2赤泥的XRD图谱分析干燥温度120℃、2h压力30MPa,时间2min（C/O=1.2）13图3.1球团制备工艺流程含碳球团制备工艺120r·min-1,1h图3.4压制好的含碳球团热重实验设备实验采用管式电阻炉，发热体材料为硅碳棒，温度由计算机控制，炉管直径为Φ50mm，电子天平量程200g，测量精度±0.001g。图3.5热重实验装置实验温度：900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃。14计算机每30s计数一次，连续5min天平示数不变化，结束实验。图3.6焙烧过程中还原度随时间的变化结果分析15结果分析图3.7不同温度对金属化率、残余碳含量的影响16金属化球团熔分实验研究图3.10高温管式炉装置示意图实验装置17熔分实验方案图3.17CaO-SiO2-Al2O3相图18熔分实验方案图3.18熔分实验流程图19图3.19熔分后渣铁形貌实验结果图3.20熔分后金属铁的收得率图3.19为高温熔分后典型的坩埚内部示意图，其中图（a）所示实验未能实现渣铁分离，图（b）所示实验较好的实现了渣铁分离。20金属收得率是从投入产出角度评价整个炼铁生产过程中的工作质量的重要指标。实验结果表3.8熔分铁的化学成分（质量分数/%）实验点CSPSi2#铁5.730.0120.190.0123#铁5.540.0110.190.0414#铁5.340.0160.160.0135#铁4.870.0070.440.0216#铁5.790.0120.240.012

根据GB/T717-1998炼钢生铁标准，

熔分铁符合炼钢生铁标准。熔分后获得的金属铁既能以冷态形式对外销售，也可以通过热装形式装入电炉或是转炉中直接炼钢，还可以用于高炉降低焦比。21实验结果表3.9熔分除铁渣的化学成分（质量分数/%）

渣成分位于12CaO·7Al2O3初晶区内或初晶区周围时渣铁分离效果良好。同时渣中磷、硫含量较低，鉴于工业上精炼脱硫渣成分通常也位于12CaO·7Al2O3初晶区内或初晶区周围，后期可考虑将熔分后的渣用于炼钢脱硫。22实验结果图3.14熔分渣XRD分析23目录页赤泥基精炼脱硫渣系设计及钢液脱硫实验研究2425图4.1半球点法熔点熔速测定仪

精炼渣的熔化温度时衡量其性能的重要指标之一。精炼渣的熔化温度越低，过热度越高，流动性越好，脱硫反应进行的就越快，如果炉渣没有熔化或熔化情况不好，这势必影响到熔渣的脱硫速率和脱硫效果。实验装置

渣系熔点测定使用半球法熔点测定仪，测试误差±5%，恒温精度±1°C，升温速度误差一般在±3°C/min，试样高度测量误差±2%。图4.2熔分渣熔化性能测定结果26实验结果1360℃1397.1℃和1404℃

钢铁生产用的脱硫渣熔点一般在1300℃~1400℃。从熔化性能角度考虑可将3#、4#、5#、6#渣用于钢液脱硫。熔分温度存在继续降低的可能熔分温度的优化图4.3温度对渣

铁分离的影响27熔分温度:1450℃表4.7热力学计算的结果(1600℃)

文献[1]给出Al2O3-CaO-MgO-MnO-SiO2渣系的硫容(lgCS值为-5~-1)及CaO-SiO2-Al2O3-MgO-BaO的硫容(lgCS值为-3~-2)，对比前人研究，可知，赤泥除铁渣具有相对较大的硫容。[1]成国光,宋波,陆钢,等.钢液深脱硫精炼工艺的研究[J],钢铁,2001,36(3):21-22.利用光学碱度模型计算熔分渣的脱硫能力2829脱硫实验实验原料表4.8工业纯铁成分（质量分数/%）化学纯试剂FeS来调节初始硫含量钢液中渣的加入量为钢液质量的3%1600℃、铝脱氧至10ppm实验条件脱硫实验实验结果图4.7钢中硫含量随时间变化关系45.5%76.6%30赤泥资源化利用新工艺提出n(C)/n(O)=1.2、还原温度1200℃

、还原时间12min还原工艺条件熔分温1450℃CaO添加量为24.9%~57.6%、Al2O3

添加量为9.4%~42.4%。熔分工艺条件

采用转底炉进行还原焙烧，将还原后的球团直接热装到电弧炉进行熔分。工业上拟采用设备

图4.8赤泥资源化利用新工艺31目录页结论3233主要结论12

赤泥含碳球团经还原焙烧后金属化率可达83.5%以上，且金属化率随还原温度的升高显著增大，1200℃下还原12min后金属化率可达91.3%，还原效果良好。

向赤泥金属化球团中添加24.9%~57.6%的CaO及9.4%~42.4%的Al2O3进行改质，在1450℃下进行终还原和熔分，可实现渣铁的有效分离，金属铁收得率可达到92%以上，所得铁水质量符合炼钢要求；熔分渣中w(T.Fe)可降至0.5%以下，具有低氧化性和高碱度。34主要结论34

经调质后的熔分渣中主要物