钢铁厂除尘灰提取氯化钾的研究

程利山

(运城市南惠化工有限公司，山西 运城 044000)

目前我国钢铁企业年产达到9亿t，连续逐年升高。在冶炼过程中，烧结机通过电除尘器每年要产生大约2 000万t左右[1-2]烟尘，其里面含有丰富的钾、钠等金属元素。而我国钾资源十分匮乏，并且分布不平衡，主要集中在西北和西南边远省区。我国作为农业大国，钾肥每年基础需求量在1 000万t，因此从除尘灰中提取氯化钾对我国农业持续发展显得尤为重要[3-6]。

文章以西部某钢铁厂的烧结电除尘灰为原料，通过分析其成分，研究采用水洗、浸取、分步蒸发分离等方法制备有价值的氯化钾，并且联产氯化钠的工艺方案，实现了钾、钠元素的提取分离，该工艺的开发为钢铁企业解决固废提供了技术途径。

1 实验器材与方法

1.1 实验材料和仪器

硫酸(98%)、盐酸(32%)、碳酸氢钠、氯化钡、碳酸钠、硫酸铵、硫化钠均为分析纯；原料烧结灰，活性炭(山西新华活性炭有限公司)。

DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器(巩义裕高科技仪器厂)；SHZ-D(Ⅲ)循环水式多用真空泵(巩义裕高科技仪器厂)；101-2AB型电热鼓风干燥箱(天津市泰斯特仪器有限公司)；Perkin-Elmer OPTIMA 3000 电感耦合等离子体原子发射光谱仪(IPC, 美国珀金埃尔默公司)。

1.2 实验方法和装置

称取一定的除尘灰放至烧杯中，加入一定量的水并开动搅拌，经过60 min后，用真空过滤抽滤水不溶物，根据其成分，加入一定量的氯化钡、硫酸铵、碳酸钠、碳酸氢钠等除去杂质沉淀，然后加入活性炭脱色过滤，用盐酸调溶液pH值6.5～7.5，进行真空蒸发浓缩，通过称量蒸发出水量来控制蒸发终点，达到终点后过滤氯化钾晶体。母液则继续加热蒸发，控制蒸发水量，达到终点后趁热过滤出氯化钠晶体。实验装置见图1。

图1 提取氯化钾试验装置Fig.1 Experimental equipment of preparation of KCl

2 实验结果与讨论

2.1 除尘灰元素检测结果

对不同时段烧结灰的成分分析见表1。从表1可以看出除尘灰里面除铁元素外，还要有钾、钠、钙、铅等多种有价值元素，并且含量随着矿料的不同而略有不同，但是其主要成分无太大变化。

表1 不同时段烧结灰中主要金属元素分析结果Tab.1 Analysis results of main metal elements in sintering ash at different time periods %

2.2 水浸取试验结果

考虑工业化生产中如果液体中氯化钾的浓度太低蒸发过程需要大量的蒸汽。通过对不同水与灰(质量比)浸取除尘灰试验，最终确定水与灰为4 ∶1时最佳，即确保钾的浸取率高，又确保其较高有效成分浓度，避免其蒸发过程需要大量能耗。其浸取液成分检测结果见表2。

表2 浸取水溶液分析结果Tab.2 Analysis results of leached aqueous solution g·L-1

从表2可看出，溶液中除了钾、钠金属元素外，还有少量的杂质离子，如钙、铝、锌等(含量相应比较多)；铅、锰、铁等(含量相应比较少)，这主要是溶液中存在硫酸根，其中硫酸钙的溶度积KspCaSO4=9.1×10-6相对比较大，而KspPbSO4=1.6×10-8比较小，因此溶液中钙离子还是比较多。

2.3 除杂试验结果与分析

根据上述水溶液中离子分析结果，首先加入过量氯化钡来除去硫酸根离子，然后再采用碳酸钠或碳酸氢钠来除去钙、镁、铅、锰等金属离子和多余残留钡离子。再加入0.5%左右的活性炭进行脱色处理，得到蒸发前滤液，液体成分见表3。

表3 水溶液分析结果Tab.3 Analysis results of aqueous solution g·L-1

2.4 蒸发试验结果与分析

图2 不同温度下氯化钾和氯化钠水溶液相图Fig.2 Phase diagram of KCl and NaCl aqueous solutions at different temperatures

表4 氯化钾晶体分析结果Tab.4 Analysis results of KCl crystal %

从表4分析结果来看，浓缩比在84%时，液体蒸发过程中有少量氯化钠析出，混入氯化钾产品中，产品只能达到工业Ⅰ类合格品，而控制浓缩比在82%时，产品质量达到Ⅰ类一等品。因此，实际工业生产中确保氯化钾产品质量应该控制浓缩比在82%以下比较好。而母液在高温下按33%浓缩比来控制，析出氯化钠产品都能达到精制工业盐一级(干盐)，分析结果见表5。

表5 氯化钠晶体分析结果Tab.5 Analysis results of NaCl crystal %

3 实验结论

利用国内西部某钢铁厂的烧结电除尘灰为原料，采用水洗浸钾，除杂过滤，真空蒸发，结晶分离等实验研究，得到如下结论：

1)钢厂除尘灰经水浸后，主要成分是钾、钠、镁、铝、钙的氯化物及硫酸盐，其中氯化钾占76%左右，具有一定的回收价值。

2)控制蒸发过程浓缩比在82%以下，可获得工业氯化钾质量达到国标GB6549-2011中Ⅰ类一等品要求，产品外观质量很好。

3)控制蒸发过程浓缩比为33%，可获得工业盐质量达到国标GB/T5462-2015精制盐的质量要求。

4)此次实验只是简单蒸发过程，实际生产中通过母液循环从而提高钾、钠的回收率。