含锌冶金尘泥还原焙烧-磁选分离试验.pdf

第14卷第2 期2024年2 月doi:10.3969/j.issn.2095-1744.2024.02.018有色金属工程Nonferrous Metals EngineeringVol.14,No.2February2024含锌冶金尘泥还原焙烧一磁选分离试验施艳鸿1-2，李奇勇12.3，廖靖华2.3，李强2 3，杨思伟2，周靖洋2（1.福建师范大学环境与资源学院，福州350 117；2.三明学院资源与化工学院，福建三明36 50 0 4；3.清洁生产技术福建省高校工程研究中心，福建三明36 50 0 4)摘要：为实现钢铁企业含锌冶金尘泥低碳环保高效的资源化利用，对铁含量为30.38%、锌含量为4.7 9%的含锌冶金尘泥进行还原焙烧一磁选分离研究。结果表明，该含锌冶金尘泥直接磁选难以实现锌铁有效分离，在焙烧温度9 50、焙烧时间2 0 min、磁选强度10 0 mT等条件下，磁选精矿铁回收率为7 9.50%、铁含量为57.0 0%、锌含量为2.45%，磁选尾矿锌回收率为7 1.0 6%、锌含量为9.9 2%、铁含量为16.8 1%，锌铁分离效果较好。磁选产物中精矿主要以单质Fe为主，尾矿主要由SiO2与ZnO等物相组成。关键词：含锌冶金尘泥；资源化利用；还原焙烧；磁选；锌铁分离中图分类号：TD982Experiment on Reduction Roasting-Magnetic Separation of Metallurgical文献标志码：ADust Containing Zinc文章编号：2 0 9 5-17 44(2 0 2 4)0 2-0 136-0 6SHI Yanhong*2,LI Qiyongl-2-3,LIAO Chinghua3,LI Qiang,YANG Siwei?,ZHOU Jingyang?(1.College of Environmental and Resource Science,Fujian Normal University,Fuzhou 350117,China;2.College of Resources and Chemical Engineering,San Ming University,Sanming 365004,China;3.Cleaner Production Technology Engineering Research Center of Fujian Universities,Sanming 365004,China)Abstract:To realize the low-carbon,environmentally protection and efficient resource utilization of metallurgicaldust containing zinc in iron and steel enterprises,the reduction roasting-magnetic separation of metallurgical dustcontaining zinc with iron content of 30.38%and zinc content of 4.79%was studied.The experimental results showthat the direct magnetic separation of metallurgical dust containing zinc is difficult to achieve effective separation ofzinc and iron.Under the conditions of roasting temperature of 950o C,roasting time of 20 min and magneticseparation intensity of 100 mT.The iron recovery rate of magnetic separation concentrate is 79.50%,the ironcontent is 57.00%,and the zinc content is 2.45%.The zinc recovery rate of magnetic separation tailings is 71.06%,the zinc content is 9.92%,and the iron content is 16.81%.The separation rates of zinc and iron is better.Theconcentrate in the magnetic separation product is mainly composed of elemental Fe,and the tailings are mainlycomposed of SiOz and ZnO.Key words:metallurgical dust containing zinc;resource utilization;reducing roasting;magnetic separation;separation of zinc and iron收稿日期：2 0 2 3-10-11基金项目：中央引导地方科技发展专项（2 0 2 2 L3027）；福建省科技厅引导性项目（2 0 2 0 Y0090、2 0 2 2 Y 0 0 7 5）；闽江源生态保护研究院培育项目(MJ2021002)Fund:The Special Project of Central Government Guiding Local Science and Technology Development(2022L3027);The Guiding Projects ofFujian Provincial Science and Technology Department(2020Y0090,2022Y0075);Cultivation Project of Minjiangyuan Ecological ProtectionResearch Institute(MJ2021002)作者简介：施艳鸿（19 9 7 一），女，硕士研究生，研究方向为含锌冶金尘泥资源化利用。通信作者：廖靖华（19 8 6 一），男，博士，教授，研究方向为工业固废资源化利用。引用格式：施艳鸿，李奇勇，廖靖华，等，含锌冶金尘泥还原焙烧一磁选分离试验J.有色金属工程，2 0 2 4，14（2）：136-141.SHI Yanhong,LI Qiyong,LIAO Chinghua,et al.Experiment on Reduction Roasting-Magnetic Separation of Metallurgical Dust ContainingZincLJJ.Nonferrous Metals Engineering,2024,14(2):136-141.第2 期自“双碳”概念在第7 5届联合国大会上提出，“双碳”目标对固体废物管理提出了新要求，以“减量化、资源化、无害化”为原则，推进固体废物回收和综合利用、减污降碳协同增效。若能基于固废资源特点，有效实现多种固废的协同资源化及高附加值利用，对于促进经济社会低碳绿色发展意义重大。冶金尘泥是钢铁冶炼过程中产生的主要固体废物之一1-2。近年来我国钢铁行业每年产生的冶金尘泥量达到0.8 1.2 亿t,造成一定的环境污染压力，但含有Fe、Zn、C 等有价成分，因此，回收冶金尘泥对推进钢铁行业清洁生产、节能减排和循环经济发展具有重要的现实意义3-5。冶金尘泥中的锌是钢铁冶炼过程中典型的有害元素6 ，实现含锌冶金尘泥资源化利用的首要任务是将锌铁分离。目前钢铁企业含锌冶金尘泥资源化利用最常见的方式是高温火法工艺7-8 ，即通过回转窑或转底炉工艺在1100130 0 的高温下分离、回收除尘灰中的锌、CompositionsTFeContents30.38由表1可知，含锌冶金尘泥中主要化学成分为Fe、Zn 和C，其含量分别为30.38%、4.7 9%和31.25%。由图1可知，该含锌冶金尘泥存在的物相主要为Fe2O、Zn Fe 2 O 4和C,其中铁主要以Fe2O3的形式存在。152025 303520/()图1含锌冶金尘泥的XRD图谱Fig.1 XRD pattern of metallurgical dust containing zinc1.2试验方法将含锌冶金尘泥放人埚内，盖上盖后置于马弗炉内进行还原焙烧试验；焙烧产物通过磁选分离出带磁性的精矿和非磁性尾矿，通过测定计算施艳鸿等：含锌冶金尘泥还原焙烧一磁选分离试验表1含锌冶金尘泥的化学成分Table 1(Chemical composition of metallurgical dust containing zincZnTC4.7931.251124045150556065570137铁资源，具有生产效率高、脱锌率高等优点 ，是当前含锌冶金尘泥有价元素回收的有效途径。但目前回转窑工艺在高温下窑内易结圈、结瘤导致回转窑作业率低；而转底炉工艺也存在焙烧温度高、炉底料层薄、焙烧过程碳排放量大等缺点10-12 。本文以钢铁企业冶炼过程中所产生的高炉除尘灰为原料，采用还原焙烧一磁选的资源化利用方法，探究在较低焙烧温度下含锌冶金尘泥中锌与铁的分离效果，以期实现含锌冶金尘泥低碳环保高效的资源化利用。1试验原料及方法1.1试验原料试验所选用的含锌冶金尘泥为福建某钢铁厂的高炉除尘灰，其外观呈黑色粉末状，含水率为3.43%。对含锌冶金尘泥分别进行化学成分分析、XRD分析，其结果分别如表1和图1所示。/%SiO2FeOAl2037.003.151-Fe,0,2-ZnFe,043-C1Cao2.832.63磁选精矿的铁含量、锌含量、铁回收率以及磁选尾矿的锌含量、铁含量、锌回收率来判断锌铁的分离效果。2结果与讨论2.1含锌冶金尘泥直接磁选的锌铁分离效果试验首先探究含锌冶金尘泥直接磁选的锌铁分离效果，在不同磁场强度等条件下，磁选精矿指标和磁选尾矿指标如图2 和图3所示。65Iron content-Iron recovery60o-Zinccontent55504540L50图2 含锌冶金尘泥直接磁选的磁选精矿指标Fig.2 Magnetic concentrate index of direct magneticseparation of metallurgical dust containing zincMgO1.100.99100Magneticfield intensity/mTSPb0.72150K20Na20P2Os0.400.25100806040UO.2200Jo2002500.1386413850口403020-Ir o n c o n t e n t10F-Zinc recovery-O-Zinc content0L50图3含锌冶金尘泥直接磁选的磁选尾矿指标Fig.3Magnetic tailings index of direct magneticseparation of metallurgical dust containing zinc由图2 可知，随着磁场强度的增大，磁选精矿铁回收率逐渐增大、铁含量逐渐减小、锌含量逐渐增大。由图3可知，随着磁场强度增大，磁选尾矿锌回收率、锌含量和铁含量均逐渐减小。当磁场强度为50 mT时，磁选精矿铁回收率仅为7.0 8%、铁含量为56.43%、锌含量为3.6 1%，磁选尾矿锌回收率为9 4.0 2%、锌含量为4.8 3%、铁含量为2 9.2 6%；当磁场强度为2 50 mT时，磁选精矿铁回收率为55.6 4%、铁含量为44.9 1%、锌含量为6.22%，磁选尾矿锌回收率为48.7 7%、锌含量为3.92%、铁含量为2 0.9 5%。在较弱的磁场强度下含锌冶金尘泥直接磁选的精矿和尾矿中的锌含量未出现明显差异，表明锌的富集分离效果不理想，磁选精矿的铁含量虽较原料有所提升，但磁选精矿铁回收率很低，铁的分离回收效果较差。在较强的磁场强度下，含锌冶金尘泥中的锌与铁也未明显分离。2.2焙烧温度对含锌冶金尘泥锌铁分离效果的影响由于含锌冶金尘泥直接磁选的锌铁分离效果不理想，故考虑对含锌冶金尘泥进行还原焙烧处理，再对焙烧产物进行磁选分离。在焙烧时间为10 min、磁选磁场强度为10 0 mT等条件下，研究不同焙烧温度对含锌冶金尘泥锌铁分离效果的影响，磁选精矿指标和磁选尾矿指标如图4和图5所示，焙烧产物的XRD图谱如图6所示。由图4可知，随着焙烧温度的提高，磁选精矿铁回收率呈现先减小后增大的趋势，铁含量增大、锌含量逐渐减小。由图5可知，随着焙烧温度的提高，磁选尾矿锌回收率和铁含量呈现先增大后减小的趋势、锌含量逐渐增大。有色金属工程10071280960口40ouIz320Jo100150Magnetic field intensity/mT第14卷6510078608055600065045402002506440A-Iron content-Ironrecovery-Zinc content800850图4不同焙烧温度下含锌冶金尘泥磁选的磁选精矿指标Fig.4Magnetic concentrate index of magneticseparation of metallurgical dust containing zincunder different roasting temperatures50-Iron content-Zinc recovery40-0-Zinc content3020101800图5不同焙烧温度下含锌冶金尘泥磁选的磁选尾矿指标Fig.5Magnetic tailings index of magneticseparation of metallurgical dust containing zinc underdifferent roasting temperatures1-Fe,0,4-Fe,042-ZnFe,045-Fe03-C6-Fe552530图6不同焙烧温度下焙烧产物的XRD图谱Fig.6XRD patterns of roasted products underdifferent roasted temperatures2200900950Temperature/850900Temperature/C6552524一354020/()100010012809606403200Jo95010001000595059002442442554850八800一24550556065第2 期当焙烧温度为8 0 0 时，磁选精矿铁含量较低为53.6 8%、锌含量较高为5.7 8%，磁选尾矿锌含量为4.39%，锌的富集分离不明显；当焙烧温度为900时，磁选精矿铁回收率仅为7.57%，磁选尾矿铁含量为37.2 5%，精矿铁回收率低且尾矿中的铁含量较高，铁的分离回收效果较差；当焙烧温度达到9 50 时，磁选精矿铁回收率提高至7 7.7 5%，锌含量减小至2.7 8%，铁含量为55.0 5%，磁选尾矿的锌含量提升至9.19%，铁含量为17.0 2%，锌主要富集在尾矿中，其分离效果显著，同时磁选精矿铁回收率和铁含量较高，铁的富集分离效果也较好；综合考虑焙烧能耗及锌铁分离的效果，含锌冶金尘泥的焙烧温度选择9 50 比较合适。由图6 可知，相比于含锌冶金尘泥原料，当焙烧温度为8 0 0 时，焙烧产物的物相以ZnFe2O4和Fe:O为主，含锌冶金尘泥中的弱磁性Fe2O：转化为强磁性Fe:O4，此时磁选精矿铁回收率较高，由于ZnFe2O仍然存在，锌容易跟随铁进人磁选精矿，从而导致磁选精矿中锌含量较高13-141，当焙烧温度为900时，ZnFe2O4和Fe:O的衍射峰完全消失，焙烧产物的物相以FeO为主，因此磁选精矿的铁回收率急剧下降，由于ZnFe2O4已分解，导致磁选尾矿中锌回收率增大；当焙烧温度达到9 50 后，由于焙烧产物中出现单质Fe，导致磁选精矿铁回收率增大。2.3焙烧时间对含锌冶金尘泥锌铁分离效果的影响在焙烧温度为9 50、磁场磁选强度为10 0 mT等条件下，研究不同焙烧时间对含锌冶金尘泥锌铁分离效果的影响，磁选精矿指标和磁选尾矿指标如图7和图8 所示，焙烧产物的XRD图谱如图9 所示。65100860805560045040uo.-Iron content24520Iron recoveryZinc.content405图7不同焙烧时间下含锌冶金尘泥磁选的磁选精矿指标Fig.7Magnetic concentrate index of magneticseparation of metallurgical dust containing zincunder different roasting times施艳鸿等：含锌冶金尘泥还原焙烧一磁选分离试验-Ir o n c o n t e n t10-Zinc recovery-O-Zinc content05图8 不同焙烧时间下含锌冶金尘泥磁选的磁选尾矿指标Fig.8Magnetic tailings index of magneticseparation of metallurgical dust containing zincunder different roasting times1-Fe,04-Fe02-ZnFe,0,5-Fe3-C25303540455055606520/()图9不同焙烧时间时所得产物的XRD图谱Fig.9XRD patterns of the products obtainedat different roasted times由图7 可知，随着焙烧时间延长，磁选精矿铁回收率和铁含量增大、锌含量逐渐减小。由图8 可知，随着焙烧时间延长，磁选尾矿锌回收率先增大后减小、锌含量逐渐增大、铁含量逐渐减小。6当焙烧时间为5min时，磁选精矿铁回收率较低为6 5.16%，磁选尾矿锌回收率为6 8.8 5%，锌铁分离效果不理想；当焙烧时间达到2 0 min时，磁选精矿铁含量较高为57.0 0%，锌含量减小至2.45%，磁选尾矿锌含量较高为9.9 2%、铁含量为16.8 1%，锌主要富集在尾矿中，铁的富集分离效果明显，锌铁分离效果较好；当焙烧时间延长至30 min时，磁选1020Time/min1395010071240F80口口6000620F40ouIZ20J01020Time/min15八2130精矿铁回收率虽然有所增大，但磁选尾矿锌回收率减小。因此，从低碳、节能、环保的角度及锌铁分离的效果考虑，含锌冶金尘泥在9 50 焙烧温度下焙烧2 0 min较为合适。由图9 可知，随着焙烧时间的延长，焙烧产物的933030min520min10min5min11Rawmaterial70140物相发生了变化。相比于含锌冶金尘泥原料，当焙烧时间为5min时，含锌冶金尘泥中的Fe2O：和ZnFe2O4的物相发生了变化导致生成了单质Fe和FeO的物相，焙烧产物中出现FeO的衍射峰，导致磁选精矿铁回收率较低；焙烧时间延长至2 0 min以上时,FeO的衍射峰消失，焙烧产物的物相以单质Fe为主，导致磁选精矿铁回收率增大。2.4磁场强度对含锌冶金尘泥锌铁分离效果的影响为探究磁选磁场强度对含锌冶金尘泥中锌铁分离效果的影响，含锌冶金尘泥在经过焙烧温度950、焙烧时间2 0 min的处理后进行磁选试验，在不同磁场强度的条件下，磁选精矿指标和磁选尾矿指标如图10 和图11所示。656055504540L50图10 不同磁场强度下的磁选精矿指标Fig.10Magnetic separation concentrate index underdifferent magnetic field intensity5040口3020-Ir o n c o n t e n t10-Zinc recovery-O-Zinc content050图11不同磁场强度下的磁选尾矿指标Fig.11 Magnetic separation tailings index underdifferent magnetic field intensity由图10 可知，随着磁场强度增大，磁选精矿铁回收率先增大后趋向平衡、铁含量和锌含量先减小后趋向平衡。由图11可知，随着磁场强度增大，磁选尾矿锌回收率和铁含量逐渐减小后趋向平衡、锌有色金属工程含量先增大后趋向平衡。当磁选强度为50 mT时，磁选精矿铁回收率较低为57.9 3%，磁选尾矿锌含量较低为7.2 9%，锌铁分离效果不理想；当磁选强度为10 0 mT时，磁选精矿铁回收率大幅提升至7 9.50%、锌含量为2.45%，磁选尾矿锌含量为9.9 2%，锌主要富集在尾矿中，铁的富集分离效果明显，锌铁分离效果较好。因此，选择磁选磁场强度为10 0 mT较好。2.5还原烧一磁选产物的物相分析分别对含锌冶金尘泥在焙烧温度9 50、焙烧时间2 0 min、磁选磁场强度10 0 mT的较优条件下的磁选产物进行XRD分析，结果如图12 和图13所示。100880660+40uo.I-AIron content20I-Ironrecovery-Zinc.content10100150Magneticfield intensity/mT100Magneticfield intensity/mT第14卷1-Fe2-Si0,2202530354045505560657020/()200250100712809口604020Jo150200图12磁选精矿的XRD图谱Fig.12XRD pattern of the magnetic concentrate21-Fe2-Sio,3-Zno336202530354045505560657020/()图13磁选尾矿的XRD图谱250Fig.13XRD patterns of the magneticseparation tailings由图12 和图13可看出，磁选产物中的磁选精矿产物主要存在物相为单质Fe，同时含有少量的SiO2。磁选尾矿产物中部分单质Fe依然存在，这表示着在磁选过程中有部分单质Fe损失所产生。此外，磁选尾矿产物中，SiO2和ZnO具有明显的衍射峰，锌主要以ZnO的形式存在。第2 期3结论1)试验所用钢铁企业含锌冶金尘泥中铁含量为30.38%、锌含量为4.7 9%，铁主要以Fe20：的物相形式存在，原料中的锌铁均具有回收利用价值。2)对含锌冶金尘泥原料直接进行磁选较难实现锌铁的分离与回收利用，马弗炉还原焙烧预处理可以大幅提高磁选精矿的铁回收率、铁含量，通过磁选试验更好的将锌富集在尾矿中利于收集。3）含锌冶金尘泥在马弗炉还原焙烧温度950、焙烧时间2 0 min的条件下，原料中的Fe2O3主要还原为单质Fe;磁场强度10 0 mT时，磁选精矿铁回收率为7 9.50%、铁含量为57.0 0%、锌含量为2.45%，磁选尾矿锌回收率为7 1.0 6%、锌含量为9.92%、铁含量为16.8 1%，锌铁分离效果较好。4)在含锌冶金尘泥较优条件处理下的磁选产物的磁选精矿产物中主要以单质Fe为主，磁选尾矿产物中主要以 SiO2和ZnO为主，锌主要以ZnO的形式存在。参考文献：1尚海霞,李海铭，魏汝飞，等.钢铁尘泥的利用技术现状及展望J.钢铁，2 0 19,54（3）：9-17.SHANG Haixia,LI Haiming,WEI Rufei,et 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