權(quán)利要求

1.改性鋼渣的制備方法，其特征在于：通過富氧氣氛對鋼渣進行風(fēng)淬造粒，將FeO轉(zhuǎn)變?yōu)镕e 2O 3，再采用碳酸化技術(shù)將鋼渣中的Ca、P分離出去，得到改性鋼渣。

2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述風(fēng)淬的氣源主要為空氣，同時在主空氣管道上接入富氧管道，其設(shè)置富氧調(diào)節(jié)閥和富氧快切閥，用于調(diào)節(jié)富氧量和富氧過程中的安全性； 優(yōu)選的，富氧率為1％-3％，即控制風(fēng)淬氣氛中O 2的濃度為22％-24％。 

3.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于：氧氣和空氣混合后，經(jīng)高壓風(fēng)機加壓至0.5-0.6MPa，用于風(fēng)淬鋼渣的氣源。 

4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：鋼渣在風(fēng)淬反應(yīng)室內(nèi)進行風(fēng)淬，風(fēng)淬反應(yīng)室內(nèi)設(shè)置安全聯(lián)鎖，用于監(jiān)控和保證富氧風(fēng)淬的安全運行。 

5.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述碳酸化過程具體為：將風(fēng)淬改性后的鋼渣置于Ca、Fe分離室內(nèi)，乙酸濃度調(diào)為15％，控制液體的PH值為5.5-6，液固比15：1～25：1，反應(yīng)溫度控制在25～100℃，經(jīng)不斷攪拌60～90min后，實現(xiàn)鋼渣中的Ca、P和Fe的分離，得到富含Ca 2+、P的溶液和富含F(xiàn)e的改性鋼渣。 

6.權(quán)利要求1-6任一項所述的制備方法獲得的改性鋼渣。 

7.權(quán)利要求6所述的改性鋼渣在非高爐直接還原工藝中的應(yīng)用，其特征在于：具體應(yīng)用為還原配料。 

8.如權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于：碳酸化過程富含Ca 2+、P的溶液作為處理非高爐直接還原工藝煙氣的固碳、脫硫劑，用于非高爐直接還原工藝的煙氣處理。 其中，煙氣處理后，通過真空抽濾機，分離出固體和液體，其中固體作為水泥生產(chǎn)的原料，而液體中富含乙酸成分，按照乙酸：磷酸三丁酯摩爾量的1：1進行添加萃取，從廢水中分離出乙酸和磷酸三丁酯的混合液，廢水進入Ca、Fe分離室內(nèi)循環(huán)利用。 

9.如權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于：乙酸和磷酸三丁酯的混合液進入蒸餾分離系統(tǒng)內(nèi)，蒸餾分離出乙酸和磷酸三丁酯，循環(huán)利用。 

10.如權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于：從除塵后的煙氣中引出溫度約為150-180℃的煙氣，與固碳、脫硫后的煙氣混合升溫，消除煙羽。

說明書

改性鋼渣、制備方法及在非高爐直接還原工藝的應(yīng)用

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于冶金固廢資源化利用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及改性鋼渣、制備方法及在非高爐直接還原工藝的應(yīng)用。

背景技術(shù)

公開該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已經(jīng)成為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

目前，鋼渣的利用率不足30％，主要的利用方向為建材領(lǐng)域，而鋼渣中的f-CaO和f-MgO限制了其利用率。鋼渣中TFe含量約為25％，其中FeO的含量約占20％，剩余41％的CaO，因此從鋼渣的化學(xué)成分來看，其具有一定的回收鐵和固碳、脫硫的特性，但由于鋼渣固溶了約3-5％的有害元素P，且還原FeO的難度較Fe 2O 3的大，且CaO形成的硅酸鹽相經(jīng)高溫生成，晶體發(fā)育完全，反應(yīng)活性低等問題，因此限制了其在冶金或環(huán)保領(lǐng)域內(nèi)的使用。如現(xiàn)有技術(shù)提出了一種用氧鼓泡液態(tài)鋼渣制備低成本膠凝材料的方法及得到的低成本膠凝材料的方法，雖然能夠?qū)︿撛M行利用，但是需要添加硅質(zhì)調(diào)整劑和鋁質(zhì)調(diào)整劑增加鋼渣的膠凝性，處理流程繁瑣，成本較高，且無法解決鋼渣中P含量高，無法在冶金流程回用的問題。

因此，目前有必要提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)鋼渣中Ca、P、Fe元素的有效分離，并將分離后的鋼渣產(chǎn)品進行充分利用的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種改性鋼渣、制備方法及在非高爐直接還原工藝的應(yīng)用，在目前風(fēng)淬鋼渣處理工藝基礎(chǔ)上，引入富氧氣氛調(diào)節(jié)和間接碳酸化技術(shù)，實現(xiàn)鋼渣中鐵相組分的礦物轉(zhuǎn)變，Ca、P和Fe的有效分離，該改性后的鋼渣能夠直接應(yīng)用于非高爐直接還原工藝，且具有良好的反應(yīng)活性，實現(xiàn)高價值的鐵的回收。

為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明第一方面提供一種改性鋼渣的制備方法，具體為：通過富氧氣氛對鋼渣進行風(fēng)淬造粒，將FeO轉(zhuǎn)變?yōu)镕e 2O 3，再采用碳酸化技術(shù)將鋼渣中的Ca、P分離出去，得到改性鋼渣。

本發(fā)明第二方面提供一種上述方法獲得的改性鋼渣。

本發(fā)明第三方面提供一種上述改性鋼渣在非高爐直接還原工藝中的應(yīng)用，具體應(yīng)用為還原配料。

本發(fā)明的一個或多個實施方式至少具有以下有益效果：

圍繞制約鋼渣大量綜合利用的難點及國家“雙碳”目標，使用該工藝技術(shù)處理后，可實現(xiàn)鋼渣中Ca、P和Fe元素的有效分離，Ca用于尾氣中的固碳、脫硫，減少碳排放，F(xiàn)e進行提純富集后，用于非高爐直接還原，進而實現(xiàn)鋼渣價值最大化的利用，這符合我國降碳減排，減少國外鐵礦石的依賴，變廢為寶的循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展理念。

按照低品位鐵礦石噸度價格為10元計算，鋼渣中的Fe富集到35％，則價格為350元/噸，鋼渣本身價格為40元/噸(含運費)，按照1噸鋼渣產(chǎn)出0.68噸低品位富鐵料，則每噸鋼渣的收益為350×0.68-40＝198元/噸，按照我國鋼渣年產(chǎn)1億噸計算，則創(chuàng)造的效益可達到198億元/年。

該工藝技術(shù)全流程無廢水和固體廢棄物等無外排，實現(xiàn)了鋼渣在非高爐直接還原工藝中的應(yīng)用。

附圖說明

構(gòu)成本發(fā)明的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。

圖1為本發(fā)明所提供的改性鋼渣制備方法及應(yīng)用的流程示意圖；

其中，1、空氣氣源，2、高壓風(fēng)力，3、富氧調(diào)節(jié)閥，4、富氧快切閥，5、富氧管道氣源，6、風(fēng)淬反應(yīng)室，7、平均粒度為2mm的鋼渣，8、Ca、Fe分離室，9、板框壓濾機，10、TFe≥35％的固體顆粒，11、配料秤，12、混料機，13、圓盤造球機或高壓壓球機，14、烘干機，15、布料機，16、轉(zhuǎn)底爐或回轉(zhuǎn)窯，17、金屬化球團，18、降塵室，19、余熱回收系統(tǒng)，20、除塵系統(tǒng)，21、富Ca 2+的溶液，22、煙囪，23、真空抽濾機，24、CaCO 3等固體，25、富含乙酸的溶液，26、萃取反應(yīng)系統(tǒng)，27、萃取劑(磷酸三丁酯)，28、蒸餾分離系統(tǒng)，29、乙酸，30、水。

具體實施方式

應(yīng)該指出，以下詳細說明都是示例性的，旨在對本發(fā)明提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當理解的是，當在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術(shù)所介紹的，由于鋼渣固溶了約3-5％的有害元素P，且還原FeO的難度較Fe 2O 3的大，且CaO形成的硅酸鹽相經(jīng)高溫生成，晶體發(fā)育完全，反應(yīng)活性低等問題，限制了其在冶金或環(huán)保領(lǐng)域內(nèi)的使用。

為了解決如上的技術(shù)問題，本發(fā)明第一方面提供一種改性鋼渣的制備方法，具體為：通過富氧氣氛對鋼渣進行風(fēng)淬造粒，將FeO轉(zhuǎn)變?yōu)镕e 2O 3，再采用碳酸化技術(shù)將鋼渣中的Ca、P分離出去，得到改性鋼渣。

在風(fēng)淬造粒工藝中，引入富氧，調(diào)節(jié)風(fēng)淬過程中鋼渣中鐵氧化物礦物相的轉(zhuǎn)變，將大量的FeO轉(zhuǎn)變?yōu)镕e 2O 3，有利于鋼渣參與非高爐直接還原反應(yīng)。

通過對風(fēng)淬改性后的鋼渣，經(jīng)過乙酸提取Ca 2+，濃縮提純Fe元素后，用于非高爐直接還原工藝配料中，起到骨架作用，提高生球強度，有利于提高金屬化率。同時提取出的富Ca 2+、P溶液作為非高爐直接還原工藝的固碳、脫硫劑，降低生產(chǎn)過程中的碳、硫排放。

在本發(fā)明的一個或多個實施方式中，所述風(fēng)淬主要采用空氣進行，同時在主空氣管道上接入富氧管道，其設(shè)置富氧調(diào)節(jié)閥和富氧快切閥，用于調(diào)節(jié)富氧量和富氧過程中的安全性；

進一步的，富氧率為1％-3％，即控制風(fēng)淬氣氛中O 2的濃度為22％-24％；

進一步的，O 2和空氣混合后，經(jīng)高壓風(fēng)機加壓至0.5-0.6MPa，用于風(fēng)淬鋼渣的氣源。

在本發(fā)明的一個或多個實施方式中，鋼渣在風(fēng)淬反應(yīng)室內(nèi)進行風(fēng)淬，風(fēng)淬反應(yīng)室內(nèi)設(shè)置安全聯(lián)鎖，用于監(jiān)控和保證富氧風(fēng)淬的安全運行。其中，主要監(jiān)控反應(yīng)室內(nèi)的溫度、O 2含量和壓力等。

經(jīng)富含O 2的風(fēng)淬后，鋼渣中的FeO含量90％以上轉(zhuǎn)變?yōu)镕e 2O 3，有利于后續(xù)直接還原工藝中鐵氧化物的還原。

反應(yīng)方程式為：

4FeO+O 2→2Fe 2O 3

進一步的，所述碳酸化過程具體為：將風(fēng)淬改性后的鋼渣置于Ca、Fe分離室內(nèi)，乙酸濃度調(diào)為15％，控制液體的PH值為5.5-6，液固比15：1～25：1，反應(yīng)溫度控制在25～100℃，經(jīng)不斷攪拌60～90min后，實現(xiàn)鋼渣中的Ca、P和Fe的分離，得到富含Ca 2+、P的溶液和富含F(xiàn)e的改性鋼渣。

反應(yīng)方程式如下：

CaSiO 3+2CH 3COOH→Ca 2++2CH 3COO -1+SiO 2+H 2O (1)

鋼渣中的Ca和P主要集中在硅酸相中(CaSiO 3)，而Fe主要集中在難溶于弱酸中的RO相固溶體中，因此通過該技術(shù)，可實現(xiàn)約80％以上Ca和P元素主要進入溶液中，即鋼渣中32％的進入溶液中，而Fe元素留在未溶的固體中，經(jīng)計算未溶固體中TFe含量可富集到35％以上，且P元素也已被分離，經(jīng)過板框壓濾機的固液分離，留有的固體可用于冶金流程中。

本發(fā)明第二方面提供一種上述方法獲得的改性鋼渣。

本發(fā)明第三方面提供一種上述改性鋼渣在非高爐直接還原工藝中的應(yīng)用，具體應(yīng)用為還原配料。

因鋼渣表面和內(nèi)部已被大量侵蝕出Ca元素，因此剩余的鋼渣表面和內(nèi)部粗糙，且保留了強度較高的RO相，因此用于非高爐直接還原配料中，可以作為生球的“骨架料”，增大各原料間的“握裹力”經(jīng)過混料機、圓盤造球機或壓球機，烘干機干燥后，提高生球的強度，減少了生球在爐內(nèi)的破損率，且能增大生球中各原料與C和CO的接觸面積，增大直接還原的反應(yīng)效率，從而提升最終產(chǎn)品金屬化球團的金屬化率指標，產(chǎn)出的金屬化球團主要用于煉鋼轉(zhuǎn)爐的冷卻劑或者用于高爐煉鐵。

非高爐直接還原工藝主要的配料如下：

表1

表2控制指標為：

進一步的，碳酸化過程富含Ca 2+、P的溶液作為處理非高爐直接還原工藝煙氣的固碳、脫硫劑，用于非高爐直接還原工藝的煙氣處理。

其中，主要是Ca 2+與煙氣中的CO 2和SO 2反應(yīng)生成CaCO 3和CaSO 4·2H 2O漿液，通過真空抽濾機，分離出固體和液體，其中固體作為水泥生產(chǎn)的原料，而液體中富含乙酸成分，按照乙酸：磷酸三丁酯摩爾量的1：1進行添加萃取，從廢水中分離出乙酸和磷酸三丁酯的混合液，廢水進入Ca、Fe分離室內(nèi)循環(huán)利用。乙酸和磷酸三丁酯的混合液進入蒸餾分離系統(tǒng)內(nèi)，根據(jù)不同的沸點，乙酸的沸點為117.9℃，磷酸三丁酯的沸點為288.28℃，蒸餾分離出乙酸和磷酸三丁酯，循環(huán)利用。

其中，使用有機溶劑磷酸三丁酯的萃取和蒸餾工藝，實現(xiàn)乙酸、水的循環(huán)利用，有效降低該工藝的處理成本。

使用該處理方法，可能導(dǎo)致外排煙氣中出現(xiàn)煙羽，因此本系統(tǒng)單獨從除塵后的煙氣引出溫度約為150-180℃的煙氣，與固碳、脫硫后的煙氣混合升溫，消除煙羽。

反應(yīng)式如下，生成CaCO 3和CaSO 4·2H 2O沉淀物，促進反應(yīng)向右進行：

Ca 2++2CH 3COO -1+CO 2+H 2O→CaCO 3↓+2CH 3COOH (2)

Ca 2++2CH 3COO -1+SO 2+O 2+2H 2O→CaSO 4·2H 2O↓+2CH 3COOH (3)

為了使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更加清楚地了解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下將結(jié)合具體的實施例詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

實施例1

一種改性鋼渣的制備方法：使用空氣作為主氣源，通過管道外摻入1％～3％的富氧，使用于風(fēng)淬液態(tài)鋼渣的氣源中的含O 2量達到22％～24％，按照風(fēng)淬鋼渣的工藝參數(shù)，風(fēng)淬用的氣源壓力為0.5MPa～1MPa，噴嘴的出口風(fēng)速≥400m/s，噸渣氣耗量在1500m 3～3000m 3/h，將液態(tài)鋼渣在風(fēng)淬反應(yīng)室內(nèi)制得平均粒度為2mm的鋼渣顆粒，鋼渣顆粒進入Ca、Fe分離室，經(jīng)過處理后，實現(xiàn)鋼渣中的Ca、Fe分離，混合物經(jīng)過板框壓濾機實現(xiàn)固液分離，得到富含Ca 2+、P的溶液和TFe≥35％的固體顆粒，該部分富含鐵的固體顆粒即為改性鋼渣。

實施例2

實施例1中所述改性鋼渣在非高爐直接還原工藝中的應(yīng)用：

經(jīng)配料秤計量后，按照表1中的配比(改性鋼渣25％，高爐布袋灰30％，煉鋼除塵灰20％，燒結(jié)機頭灰10％，重力除塵灰10％，膨潤土5％)，改性鋼渣與其他原料一同輸送進入混料機內(nèi)，實現(xiàn)各原料的均勻混合，再進入圓盤造球機或高壓壓球機內(nèi)，將各種混合物制成成分均勻的球體顆粒，然后再進行烘干脫除水分，經(jīng)布料機輸送，進入轉(zhuǎn)底爐或回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，產(chǎn)出金屬化球團，煙氣進入降塵室內(nèi)，進行一次重力除塵，之后進入余熱回收系統(tǒng)，產(chǎn)出蒸汽，煙氣進一步降溫后，進入除塵系統(tǒng)，收集煙氣中的顆粒物后，進入上述制得的富含Ca 2+、P的溶液中，進行固碳、脫硫，實現(xiàn)煙氣降低CO 2和SO 2的排放。富含Ca 2+、P的溶液與煙氣反應(yīng)后，進入真空抽濾機，分離出CaCO 3等固體顆粒，還有富含乙酸的液體，富含乙酸的液體進入萃取系統(tǒng)，加入磷酸三丁酯進行萃取后，再進入蒸餾分離系統(tǒng)，按照乙酸的沸點為117.9℃，磷酸三丁酯的沸點為288.28℃，使用蒸汽加熱分離乙酸和磷酸三丁酯，分離出來的水繼續(xù)循環(huán)利用。

實施例3

實施例1中所述改性鋼渣在非高爐直接還原工藝中的應(yīng)用：

經(jīng)配料秤計量后，按照表1中的配比(改性鋼渣35％，高爐布袋灰25％，煉鋼除塵灰15％，燒結(jié)機頭灰10％，重力除塵灰10％，膨潤土5％)，改性鋼渣與其他原料一同輸送進入混料機內(nèi)，實現(xiàn)各原料的均勻混合，再進入圓盤造球機或高壓壓球機內(nèi)，將各種混合物制成成分均勻的球體顆粒，然后再進行烘干脫除水分，經(jīng)布料機輸送，進入轉(zhuǎn)底爐或回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，產(chǎn)出金屬化球團，煙氣進入降塵室內(nèi)，進行一次重力除塵，之后進入余熱回收系統(tǒng)，產(chǎn)出蒸汽，煙氣進一步降溫后，進入除塵系統(tǒng)，收集煙氣中的顆粒物后，進入上述制得的富含Ca 2+、P的溶液中，進行固碳、脫硫，實現(xiàn)煙氣降低CO 2和SO 2的排放。富含Ca 2+、P的溶液與煙氣反應(yīng)后，進入真空抽濾機，分離出CaCO 3等固體顆粒，還有富含乙酸的液體，富含乙酸的液體進入萃取系統(tǒng)，加入磷酸三丁酯進行萃取后，再進入蒸餾分離系統(tǒng)，按照乙酸的沸點為117.9℃，磷酸三丁酯的沸點為288.28℃，使用蒸汽加熱分離乙酸和磷酸三丁酯，分離出來的水繼續(xù)循環(huán)利用。

下面結(jié)合圖1進行改性鋼渣的制備方法及其應(yīng)用的具體說明：

(1)液態(tài)鋼渣進入風(fēng)淬反應(yīng)室6，使用富氧增壓后的空氣作為氣源2，制得平均粒度為2mm的鋼渣顆粒7。

(2)平均粒度2mm的鋼渣顆粒7，經(jīng)輸送皮帶等輸送設(shè)備進入Ca、Fe分離室8，通過向分離室內(nèi)加入循環(huán)水和乙酸，調(diào)整反應(yīng)所需的乙酸濃度，開啟分離室內(nèi)的攪拌機，按照設(shè)定的反應(yīng)時間進行反應(yīng)，得到一種固液混合體。

(3)固液混合體經(jīng)渣漿泵等輸送設(shè)備送入板框壓濾機9，實現(xiàn)固體和液體的分離，得到富含Ca 2+的溶液21和TFe≥35％的固體顆粒10。

(4)TFe≥35％的固體顆粒10，經(jīng)過配料秤11計量后，與各種原料送入混料機12內(nèi)，進行混合均勻，在送入圓盤造球機或高壓壓球機13，經(jīng)造球后成型后，送入烘干機14進行脫除水分，進入布料機15，經(jīng)其均勻喂料后，送入轉(zhuǎn)底爐或回轉(zhuǎn)窯16內(nèi)，在爐窯內(nèi)發(fā)生高溫直接還原反應(yīng)，產(chǎn)出金屬化球團產(chǎn)品17，產(chǎn)出的高溫煙氣經(jīng)18、19、20進行余熱回收和除塵，通入富含Ca 2+、P溶液進行固碳、脫硫反應(yīng)，注意需要在外排煙囪引入除塵系統(tǒng)排出的高溫煙氣，用于對混合煙氣升溫，避免煙羽的產(chǎn)生。

(5)富含Ca 2+、P溶液進行固碳、脫硫反應(yīng)后，產(chǎn)生含固懸濁液，送入真空抽濾機23內(nèi)，實現(xiàn)固液分離，得到24固體CaCO 3和25富含乙酸的液體，該部分液體進入萃取系統(tǒng)26，加入按照摩爾比，磷酸三丁酯：乙酸＝1:1進行萃取反應(yīng)，萃取后的混合溶劑進入蒸餾分離系統(tǒng)28，按照乙酸和磷酸三丁酯的沸點不同進行蒸餾分離，分離出的乙酸29、磷酸三丁酯27和水30進行循環(huán)使用。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。