含锌烟尘还原挥发处理工艺的研究

古文全,郭光平,谢兴同,吴 健,陈肖虎

（1.贵州省冶金化工研究所，贵州 贵阳 550001；2.贵州大学材料科学与冶金工程学院,贵州 贵阳 550003）

含锌烟尘还原挥发处理工艺的研究

古文全1,郭光平1,谢兴同1,吴 健1,陈肖虎2

（1.贵州省冶金化工研究所，贵州 贵阳 550001；2.贵州大学材料科学与冶金工程学院,贵州 贵阳 550003）

进行了含锌烟尘韦氏炉还原挥发处理工艺研究。结果表明：还原温度、还原时间以及煤粉添加量对锌挥发率有较大影响。采用最佳工艺参数进行中试，产出含锌52.68%的锌氧粉，实现了含锌烟尘的回收利用。

含锌烟尘；还原挥发；挥发率；回收；锌粉

近年来我国钢铁工业发展迅速，每年都大量的含锌废弃烟尘产生。以往该类烟尘由于含锌较高难以返回钢铁厂循环使用，只能作为冶金废弃物简单地进行倾倒或填埋处理，不仅易对环境造成严重的锌、铅重金属污染[1]，而且造成粉尘中大量有色金属资源的浪费。如何有效利用该类冶金副产物，使之无害化和资源化，成为环保冶金工作者研究的热点问题。

近年来，有学者在实验室条件下将废弃烟尘制备成配碳球团，经还原挥发处理得到适于冶金行业使用的富锌二次粉尘和金属化球团[2]，本文针对目前国内还原挥发处理技术的应用现状[3]，采用韦氏炉对含锌烟尘进行还原挥发处理半工业试验，系统研究了工艺参数对球团锌挥发率的影响，为该类技术的推广应用提供技术参考。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验材料为某钢厂堆存的高炉废弃烟尘以及还原煤、底煤、生石灰，其主要成分如表1所示。

表1 试验材料

1.2 韦氏炉生产工艺

试验采用韦氏炉对烟尘进行还原挥发处理，其工艺流程如图1所示。

图1 韦氏炉生产工艺流程

烟尘经配碳、造球、干燥后制备成球团，球团与底煤装入韦氏还原炉，在1 000～1 100℃的温度下，ZnO被还原为Zn蒸汽并通过引风机引入氧化室与自然抽入的空气发生氧化反应，生成的ZnO进入沉降室，经水冷烟通道被冷却，当冷却温度低于100℃时，ZnO被引入布袋除尘器得到收集。炉渣则由炉门排出，经冷却筒冷却后堆存。

1.3 球团锌挥发率、锌回收率的计算

将沉淀室与布袋收尘器收集到的锌氧粉混合均匀，通过化学分析方法测定烟尘、锌氧粉尘以及炉渣的锌含量，用下式计算锌挥发率和锌回收率：

2 试验结果及分析

还原温度、还原时间以及球团配煤量是影响配碳球团还原挥发过程的主要工艺因素[4]。为了研究上述因素对球团锌挥发率的影响，对不同工艺参数下球团锌挥发率进行测试，以确定还原挥发处理的最佳工艺参数。

2.1 还原温度和还原时间的影响

图2为不同还原时间下，配碳球团锌挥发率与还原温度的关系曲线。

图2 还原时间、还原温度与锌挥发率的关系

从图2可以看出，不同还原时间下，配碳球团的锌挥发率随还原温度升高而显著增加，当还原温度低于1 050℃时，锌挥发速度较慢，挥发率低于90%；还原时间延长至30 min，还原温度达到1 050℃以上时，挥发率可达90%以上；当还原温度大于1 100℃以上时，锌挥发速度较快，挥发率基本趋于稳定，达到最大值。

锌在烟尘中主要以氧化锌（ZnO）形态存在，其次为硅酸锌(ZnO·SiO2)，铁酸锌(ZnO·Fe2O3)[5]。根据配碳球团还原挥发基理[6]，在韦氏炉还原室内，锌氧化物还原反应过程受到碳气化反应、ZnO与C的局部反应以及ZnO与CO的气相扩散反应限制。上述反应的反应自由能变化ΔGθ与温度T的近似关系式和反应焓变如表2。

表2 锌氧化物还原反应的ΔGθ-T近似关系式和焓变[7]

从表2可知，ZnO与C的直接还原反应开始温度较ZnO与CO的间接还原反应开始温度要低，一定条件下，配碳球团内部ZnO与C的直接还原反应较容易进行，而ZnO与C(s)和CO(g)还原反应焓变均为正值，属吸热反应，提高韦氏炉内温度有利于ZnO的还原。根据文献[8]对ZnO还原反应各限制环节表观活化能的计算结果，气相扩散环节较其它限制环节具有较大的表观活化能，配碳球团的还原挥发速度主要由反应3控制，延长球团焙烧时间有助于上述反应的充分进行。

2.2 煤粉添加量的影响

试验中保持烟尘∶底煤＝1∶1的加料量不变，在造球过程中则系统改变烟尘与还原煤的质量比R（R=m烟尘灰/m还原煤），制备出的球团在1 100℃焙烧40 min，比较不同配加煤粉量对球团锌挥发率的影响，根据试验结果绘制的配煤量与锌挥发率的关系曲线，见图3。

图3 煤粉添加量与锌挥发率的关系

由图3可见，锌挥发率随着R值的增大而逐渐降低，这表明随着球团中还原煤加入量的减少，锌挥发率呈降低的趋势，当R≤2时，锌挥发率≥90%且变化不大；而当R＞2时，锌挥发率急剧降低。

在还原挥发工艺中，煤既是还原剂，又是整个反应热的来源，还原煤的加入必须过量才能保证球团内的氧化锌得到充分还原；另外，充足煤粉燃烧释放的热量也能够提高韦氏炉内的升温速度，在很短的时间内即可达到还原挥发反应所需的温度[9]。因此，在相同的还原条件下，球团的锌挥发率随配加煤粉量的增加而提高。

3 最佳工艺参数选择

由工艺试验结果可见，当还原温度高于1 100℃、还原时间大于40 min、R≤2∶1时，球团锌挥发率较高，还原挥发处理的效果较佳，但过高的还原温度和较长的还原时间对锌挥发率的影响有限。根据图2，当还原温度和还原时间在1 100℃、40 min以上时，锌挥发率变化已不明显；结合图3，煤粉配比值R小于2时，锌挥发率的变化也较小，达到极值。考虑电力、燃料、人工等经济费用问题，选定还原温度1 100℃、还原时间40 min、R=2∶1为还原挥发处理的最佳工艺参数。采用上述工艺参数进行中试生产，具体生产数据如表3所示。

表3 中试生产数据

单次加料中，配碳球团与底煤的加料量保持1∶1不变。中试生产期间累计处理烟尘2 800 kg，产出含锌52.68%的锌氧粉共计774.44 kg，锌挥发率为93.39%，锌转化率为89.31%。该锌氧粉可进一步深加工为金属锌或高纯氧化锌，也可返回钢铁厂作为镀锌钢材生产原料[1]，实现废弃烟尘中有色金属资源的回收利用。

4 结论

（1）本试验研究条件下，韦氏炉还原挥发处理的最佳工艺参数为：还原温度1 100℃，还原时间40 min，造球过程中烟尘与还原煤粉的配比R为2∶1。

（2）采用最佳工艺参数进行中试生产，累计处理高炉烟尘2 800 kg，产出含锌52.68%的锌氧粉774.44 kg，该锌粉可用于锌冶金生产，实现冶金废弃烟尘的综合利用。

[1]王东彦.宝钢含锌粉尘快速还原技术[J].宝钢技术，2005,（3）:32.

[2]王东彦，陈伟庆，周荣章，林宗彩.处理含锌铅钢铁厂粉尘的Inmetco工艺[J].环境工程，1997，15(3)：50.

[3]王东彦，顾德仁.钢铁厂低锌粉尘处理技术发展方向分析[J].世界钢铁，2002，(2):7.

[4]张建良，闫永芳，徐 萌，赵小红，张曦东.高炉含锌粉尘的脱锌处理[J].钢铁，2006，41(10)：79.

[5]刘建辉，王祖荣，罗斌辉，马建方.威尔兹工艺无害化处理及综合利用含锌物料的生产实践[J].湖南有色金属，2008，24(6)：16.

[6]王东彦，陈伟庆，周荣章，李景捷，林宗彩.钢铁厂含锌铅粉尘配碳球团的直接还原工艺[J].北京科技大学学报，1997，19(2):131.

[7]杨 辉.含锌电炉粉尘处理及工艺参数优化[D].重庆：重庆大学，2007.19-20.

[8]郭兴忠，张丙怀，阳海彬.含碳氧化锌球团还原的动力学[J].重庆大学学报(自然科学版)，2002，25(5):88.

[9]周 云，彭开玉，李辽沙，王世俊，王海川，董元篪.电炉含锌粉尘在微波场下脱锌的试验研究[J].金属矿山，2006，（2）:84.

Abstract:Research of the zinc dust treatments with reduction-volatilization process and W-Zinc-Oxygen furnace was carried out.The result shows that the reduction temperature,reduction time and coal dust content have obvious influence on the volatilization rate of zinc.The zinc-oxide powder containing 52.68%Zn can be produced by adopting the optimum process parameter in pilot-scale experiment,the recovery of zinc dust was realized.

Key words:zinc dust;reduction and volatilization;volatilization rate;recovery;zinc powder

Research of zinc dust treatments with reduction-volatilization process

GU Wen-quan,GUO Guang-ping,XIE Xing-tong,WU Jian,CHEN Xiao-hu

TF813；X756

B

1672-6103（2011）02-0057-03

古文全（1968—），男，研究方向：锌冶金。

2010-10-21

贵州省社会发展科技攻关项目（黔科合S字[2007]1012）资助