DOC《沉铁渣回收利用中的脱硫试验研究》

沉铁渣回收利用中的脱硫试验研究 刘群1,谭军1,陈启元1,廖舟2,张平民1,尹周澜1 (1.

中南大学 化学化工学院,有色金属资源化学教育部重点实验室,长沙 410083;

2.株洲冶炼集团股份有限公司,湖南株洲 412000) 摘要:模拟 熔池熔炼法从沉铁渣中回收铁 工艺的高温氧化脱硫阶段,考察了温度、气氛和冷却方式对沉铁渣脱硫程度及铁富集效果的影响.硫酸铁分解脱硫的热力学计算与热分析表明,硫酸铁分解脱硫的温度分别为780.0 ℃和875.2 ℃,热力学计算得到的相变温度、分解温度与热分析曲线的吸热峰位置、失重阶段相吻合.沉铁渣脱硫阶段的最佳工艺条件为:炉膛温度1

300 ℃,氧气气氛,水淬法冷却产物.此时沉铁渣的脱硫率为99.55%,铁在产物中的含量为37.92%. 关键词:熔池熔炼;

沉铁渣;

脱硫;

铁富集;

热力学计算;

热分析 中图分类号:TF813;

X705 文献标志码:A 文章编号:1007-7545(2014)02-0000-00 Study on Desulphurization in Iron-sinking Slag Recycling LIU Qun1, TAN Jun1, CHEN Qi-yuan1, LIAO Zhou2, ZHANG Ping-min1, YIN Zhou-lan1 (1. Key Laboratory of Resources Chemistry of Nonferrous Metals, Ministry of Education, College of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Zhuzhou Smelter Group Co., Ltd., Zhuzhou 412000, Hunan, China) Abstract:The effects of temperature, atmosphere and cooling on desulfurization and iron-enrichment were investigated by simulating oxidative desulfurization stage of recycling iron from iron-sinking slag by bath smelting. Thermodynamic calculation and thermoanalysis demonstrate that desulfurization temperatures of iron sulfate are

780 ℃ and 875.2 ℃, respectively, and phase transition temperatures from thermodynamic calculation are consistent with TG and DSC results. The desulfurization rate of iron-sinking slag is 99.55% and iron content is upgraded to 37.92% under the optimum conditions of furnace temperature of

1 300 ℃, oxygen atmosphere and water-quenching. Key words:bath smelting;

iron-sinking slag;

desulphurization;

iron-enrichment;

thermodynamic calculation;

thermoanalysis 沉铁渣是湿法炼锌过程中产生的一种固体渣,富集了铁、锌、铅、锰等多种有价金属[1],这些金属一旦进入水体和土壤,将对环境造成严重污染[2].沉铁渣的回收利用不仅能保护环境,避免资源浪费,也可以提高企业的经济效益[3-4].目前国内外对于沉铁渣的回收利用都没有理想的方法,开展经济与环境友好的冶炼新工艺,有效回收废渣资源势在必行[3,5].熔池熔炼是钢铁和有色重金属冶炼的重要方法,已有采用熔池熔炼法搭配浸锌渣、沉铁渣等废渣炼铅的报道[6-8].沉铁渣中的铁含量一般在24%~55%(质量分数)[9],可以采用熔池熔炼法回收.硫在生铁中的含量是钢铁性能的一项重要指标[10],提高脱硫率对沉铁渣熔池熔炼工艺中铁的回收非常重要[11-12].本文模拟 熔池熔炼法从沉铁渣中回收铁工艺 的高温氧化脱硫阶段,主要研究铁的富集及硫的脱除行为,为后续的还原阶段提供条件和依据.

1 试验原料与方法 1.1 试验原料和仪器 沉铁渣取自株洲冶炼厂,部分主要元素X射线荧光光谱法(XRF)分析结果(%):O 37.

00、Fe 25.

66、Zn 16.

67、S 8.

27、Si 3.

11、Ca 2.

37、Pb 1.96.X射线衍射(XRD)分析铁与硫的物相结果:Ca(SO4)(H2O)2 19.1%、ZnFe2O4 39.3%和K(Fe3(SO4)2(OH)6) 29.7%.所用试剂Fe2O

3、Fe2(SO4)

3、CaSO

4、CaO、SiO2均为分析纯. 主要仪器:ZF-6050型真空干燥箱、FA2004电子天平、SX-4-16箱式电阻炉、KSY智能温度控制柜、NETZSCH STA

449 C热分析仪. 收稿日期:2013-08-23 基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2011AA061003) 作者简介:刘群(1988-),女,河南项城人,硕士研究生;

通信作者:谭军(1971-),女,湖南长沙人,副教授,硕士生导师. 1.2 试验方法 采用化学试剂按照沉铁渣的成分配料,模拟熔池熔炼法回收沉铁渣.将沉铁渣中涉及到铁和硫元素的化合物ZnFe2O

4、K(Fe3(SO4)2(OH)6)和CaSO4换算成Fe2O

3、Fe2(SO4)3和CaSO4,按照Fe2O3∶Fe2(SO4)3∶CaSO4∶CaO∶SiO2=2.685∶3.6∶1.5∶1.0∶1.0进行配料,计算配料中铁、硫和硅的含量分别为29.51%、12.44%和4.77%. 将高58 mm、外径22 mm、内径19 mm的石英坩埚(模拟熔池)放入电阻炉,按升温速率10 ℃/min升至900 ℃后恒温30 min,然后调节升温速率为5 ℃/min至脱硫温度,恒温2 h.向电阻炉内通入气体并保持通气状态,10 min后将样品(粒径均小于0.154 mm)通过进样器加入到炉膛内的坩埚,进样结束后恒温30 min.最后取出石英坩埚,骤冷,取出反应产物,并分析铁和硫元素的含量,计算铁的增加率以及脱硫率.

2 试验结果与讨论 2.1 硫酸铁分解脱硫的热力学分析 用分析纯试剂配料模拟沉铁渣的分解脱硫试验,主要是研究硫酸铁的分解过程.因此,首先对硫酸铁的分解反应进行了热力学计算和热分析.通过热力学计算得出硫酸铁的分解压,并由其确定分解脱硫的温度.由文献数据[13-14]以及热力学数据[15]可以计算出不同温度下反应式(1)的标准吉布斯自由能变和硫酸铁的分解压. (1) 熔池熔炼炉升温氧化阶段的冶炼炉气中,通常以SO2计量表征元素硫的气态化合物.因此,将硫酸铁的分解压转换为一定氧分压条件下二氧化硫的平衡分压,SO2和SO3之间的化学反应为: (2) 由文献数据计算不同温度下反应式(2)的标准平衡常数,并取氧分压为=0.21PB(PB是大气压力),可以计算出不同温度下Fe2(SO4)3分解气氛中SO2的平衡分压. 由热力学计算得出,当温度分别为

500、800和900 K时,SO2平衡分压分别为8.26*10-

12、1.45和1.70*102 Pa,Fe2(SO4)3分解不明显.当温度为953 K时,SO2分解压为1.41*103 Pa,Fe2(SO4)3开始分解且产物Fe2O3由α相转变为β相.当温度为1

053 K时,SO2平衡分压为4.25*104 Pa,Fe2(SO4)3发生分解且产物Fe2O3由β相转变为γ相.当温度为1

200、1 300和1

450 K时,SO2平衡分压分别为2.26*

106、1.95*107和2.85*108 Pa,Fe2(SO4)3分解反应剧烈.上述热力学计算结果表明,Fe2(SO4)3分解气氛中SO2的平衡分压随温度的升高而增大,Fe2(SO4)3的分解脱硫温度为1

053 K(780 ℃). Fe2(SO4)3・xH2O在空气气氛条件下热分解脱硫过程的TG-DSC分析结果如图1所示. 图1 Fe2(SO4)3・xH2O分解的TG-DSC曲线 Fig.1 TG-DSC curve of decomposition of Fe2(SO4)3・xH2O 由图1可知,TG曲线在100.0 ℃后有明显的失重阶段,且DSC曲线在103.2 ℃和194.2 ℃附近有吸热峰出现,主要是Fe2(SO4)3・xH2O吸热脱水失重.TG曲线在650.0 ℃之后有两个失重阶段,且DSC曲线在703.7 ℃附近有明显的吸热峰,与温度为953 K(680 ℃)时的计算结果吻合;

DSC曲线在875.2 ℃附近有吸热峰,与温度为1

053 K(780 ℃)时的计算结果吻合.热分析结果表明,Fe2(SO4)3的分解脱硫温度为875.2 ℃. 结合热力学计算与热分析可知,Fe2(SO4)3分解的TG曲线失重阶段、DSC曲线吸放热峰位置与热力学计算数据吻合较好,但热分析温度比热力学计算温度在相应段分别高出23.7 ℃和........