低砷铁矿石烧结-焙烧脱砷及其除尘灰焙烧脱砷研究

摘要

合理利用复杂矿产，符合钢铁企业长远发展的需求。我国有大量含砷量较低(0.01％～0.1％)的铁矿石，但砷会影响矿石利用率及后续冶金产品质量。因此，低砷铁矿石利用率一直较低。本文调研了含砷矿石脱砷、铁水脱砷、含砷物的处理情况，总结了砷元素对铁水、钢水及环境的危害。针对目前低砷铁矿石的利用率问题，运用FactSage进行了低砷铁矿石烧结脱砷、低砷铁矿石焙烧脱砷的热力学计算及试验验证，并探究了烧结脱砷与焙烧脱砷的机理;在此之后，进一步探索含砷烟尘中砷的走向及除砷路线，并通过热力学与试验来分析焙烧除尘灰脱砷的影响因素。运用电感耦合等离子体原子发射光谱法、X射线衍射、扫描电子显微镜、激光粒度分析仪、热重分析仪等分析矿物的物化性质，得出结论如下:
　　(1)热力学研究表明，烧结脱砷产物及脱砷率与温度、氧分压及碱度密切相关。在烧结过程中，残留在烧结矿中的砷，主要是以固态砷酸盐(FeAsO4、 AlAsO4、Mg3(AsO4)2、 Ca3(AsO4)2)、As2S2(s)或As2O3(s)存在，其它砷会以气态物质脱除。碱度越大，砷酸盐生成的温度区域越宽，同时脱砷越困难。试验表明，烧结矿碱度及料层位置对脱砷率有一定影响，但配煤比和抽风负压影响更大。在弱氧化性气氛条件下，含毒砂的低砷铁矿石合适的脱砷工艺为:配煤比5.0％～6.0％、抽风负压14kPa、高碱度。
　　(2)烧结工艺中，砷可以在点火层、烧结层和燃烧层中被脱除。在点火层，烧结矿层和燃烧层，一部分FeAsS与过量氧发生反应，生成FeAsO4，其余的FeAsS则与氧气反应，生成As2O3(g)和SO2(g)气体而挥发。挥发的As2O3(g)，一部分与Al2O3或CaO反应，生成AlAsO4和Ca(AsO4)2，导致在烧结产物中砷的残留。预热层、干燥层和底层中的FeAsS则因温度偏低而较难以分解，故在高温区域中产生的As2O3(g)，在这低温层中与金属氧化物反应，生成砷酸盐而残留。
　　(3)热力学计算发现，氮气气氛或空气气氛下，焙烧含毒砂的低砷矿时，砷理论上以As2O3少量被脱除，残余砷以固态AlAsO4存在;而在真空下焙烧，脱砷稍有改观，超高真空下会有部分砷以AsO(g)形式脱除;当配碳比到4％～6％时，砷均转变为As2(g)和As4(g)相。试验发现，含毒砂的低砷铁矿石中的砷可在空气、氮气或真空气氛下通过焙烧而脱除。焙烧温度在1127℃以内，焙烧脱砷率和脱硫率均会随温度的升高而增大;温度继续增大至1227℃时，脱砷率和脱硫率会随之减小。最优的脱砷脱硫条件是在真空气氛下，焙烧时间为1h，焙烧温度1127℃，此时脱砷率和脱硫率为89.9％和96.3％。
　　(4)焙烧脱砷机理表明，空气气氛下焙烧含砷矿的脱砷效果不及氮气气氛焙烧脱砷效果。低温空气气氛下脱砷效率不佳，在于强氧化气氛生成的As2O5与其他氧化物生成了砷酸盐。空气或氮气气氛下焙烧脱砷，砷是以As2O3形式去除的，残余的砷会与矿中氧化物反应，生成砷酸盐，这证实了焙烧脱砷热力学中砷的走向的正确性。
　　(5)在烧结过程中被除尘设备收集到的除尘灰，是以固态As2O3(s)和As2O5(s)存在的。在空气或厌氧气氛条件下焙烧除尘灰，砷会转变为砷酸盐。但在550℃以上配比碳粉并隔绝空气的还原性条件下进行焙烧脱砷，砷基本上均以气态As2O3(g)存在。
　　(6)热力学研究发现，在还原性气氛下焙烧除尘灰，温度、配煤比、K2O与Na2O等碱性氧化物含量均会对脱砷产物及脱砷率有影响。试验证实，焙烧温度为400～450℃时，焙烧脱砷率可达89％，但随着温度升高至600℃，脱砷率降低至78.36％。因为升高温度时虽然有利于As2O3(g)挥发，但它也容易与氧化物反应生成砷酸盐。配煤比(2％～10％)、焙烧时间(10～40 min)对焙烧除尘灰脱砷率也无明显影响。合适焙烧除尘灰脱砷条件可控制在400℃，配煤比2％，焙烧时间10 min，即可使90％砷以As2O3(g)去除。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 钢铁中砷的来源及去除方式

1．1．1 钢铁中砷的来源

1．1．2 钢铁生产过程的脱砷方式

1．2 含砷矿石焙烧与烧结脱砷研究现状

1．2．1 含砷铁矿石焙烧与烧结气化脱砷

1．2．2 含砷铁矿石烧结(焙烧)脱砷影响因素分析

1．2．3 含砷有色金属矿石脱砷研究

1．3 炼钢过程脱砷研究现状

1．3．1 金属及合金还原脱砷

1．3．2 碱性炉渣脱砷

1．3．3 真空脱砷

1．4 含砷物的处理

1．4．1 含砷气体处理

1．4．2 含砷固体处理

1．4．3 含砷液体处理

1．4．4 冶金中砷的走向及分布

1．4．5 含砷物料处理原则

1．5 课题的提出及研究目的

1．6 论文研究内容

第2章 含砷铁矿石烧结脱砷研究

2．1 含砷铁矿石烧结脱砷热力学

2．1．1 烧结气化脱砷的热力学基础

2．1．2 热力学计算基本条件

2．1．3 氯分压对烧结含砷产物及脱砷率的影响

2．1．4 温度对烧结脱砷率及含砷产物的影响

2．1．5 碱度对烧结产物砷酸盐的影响

2．1．6 热力学计算验证

2．2 低砷铁矿石烧结脱砷试验研究

2．2．1 试验原料设备及方法

2．2．2 料层厚度对脱砷率的影响

2．2．3 料层位置对脱砷率的影响

2．2．4 配煤比对脱砷率的影响

2．2．5 抽风负压对脱砷率的影响

2．2．6 碱度对脱砷率的影响

2．3 烧结脱砷机理的研究

2．3．1 试验材料

2．3．2 设备与方法

2．3．3 不同烧结层脱砷矿XRD分析

2．3．4 烧结工艺脱砷机理分析

2．3．5 烧结工艺脱砷率的分析

2．4 本章小结

第3章 含砷铁矿石焙烧脱砷研究

3．1 含砷铁矿石烧结脱砷热力学

3．1．1 焙烧脱砷热力学介绍

3．1．2 气氛对焙烧含砷产物的影响

3．1．3 温度对焙烧含砷产物的影响

3．2 低砷铁矿石焙烧脱砷试验研究

3．2．1 试验原料设备及方法

3．2．2 试验结果与分析

3．3 毒砂铁矿焙烧脱砷动力学

3．3．1 试验材料及步骤

3．3．2 反应动力学模型

3．3．3 反应速率常数及活化能计算

3．4 焙烧脱砷机理研究

3．4．1 试验材料

3．4．2 设备与方法

3．4．3 结果与分析

3．5 本章小结

第4章 含砷除尘灰脱砷路线

4．1 含砷除尘灰砷存在状态热力学

4．2 含砷除尘灰除砷路线及砷的走向

4．3 焙烧除尘灰脱砷路线试验研究

4．3．1 试验原料设备及方法

4．3．2 结果与分析

4．4 本章小结

第5章 含砷除尘灰焙烧脱砷研究

5．1 含砷除尘灰除砷热力学

5．1．1 焙烧温度对含砷除尘灰除砷热力学的影响

5．1．2 配煤比对含砷除尘灰除砷热力学的影响

5．1．3 K2O量对含砷除尘灰除砷热力学的影响

5．1．4 Na2O量对含砷除尘灰除砷热力学的影响

5．1．5 温度对含饱和K2O量的除尘灰除砷热力学的影响

5．2 含砷除尘灰除砷试验研究

5．2．1 试验原料设备及方法

5．2．2 焙烧温度对含砷除尘灰除砷的影响

5．2．3 配煤比对含砷除尘灰除砷的影响

5．2．4 焙烧时间对含砷除尘灰除砷的影响

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间取得的科研成果

攻读博士学位期间参加的科研项目