CN116751909A - 一种钢渣和煤矸石的资源化利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钢渣和煤矸石的资源化利用方法。其包括：S1，提供钢渣、煤矸石和还原剂的混合渣料；S2，将混合渣料在1450～1550℃下进行焙烧处理，得到渣液和金属铁液；S3，将渣液进行水淬，得到活性微粉；处理金属铁液得到生铁料。本发明解决了现有技术中钢渣和煤矸石未得到充分资源化利用、钢渣中的有价金属铁不能充分回收、配加辅料为工业原料成本高的问题。

Description

一种钢渣和煤矸石的资源化利用方法

技术领域

本发明涉及固废处置及资源化利用技术领域，具体而言，涉及一种钢渣和煤矸石的资源化利用方法。

背景技术

随着工业的发展，钢渣、煤矸石等固体废弃物的存量逐年增加，成为了一大环境问题。目前已有越来越多的研究致力于回收这些固体废弃物中的可利用成分。

煤矸石是目前大量堆积的固体废弃物之一。根据原煤种和处理工艺，煤矸石中的碳含量一般在5～15％不等，因此煤矸石不能直接用于发电，实现资源化利用困难，这会带来严重的能源浪费和生态破坏。但是，在另一方面，煤矸石中的碳可以作为一种成本低廉的还原剂，实现变废为宝。

钢渣也是一种大宗量的固体废弃物，其占用了大量的土地资源，还会造成环境污染。钢渣中含有的铁、锰等金属元素在长期堆放的过程中也会产生有害气体或液体，对土壤、水源和空气造成污染。此外，钢渣还含有较多的氧化钙，因此钢渣的安定性不佳，这使得钢渣的运输过程中也存在安全隐患，同时也限制了钢渣的直接大批量利用。若能够实现钢渣的资源化利用，使其转化为具有使用价值的材料，不仅能够降低原材料消耗和能源消耗，还可以减少对环境的负面影响。因此，实现钢渣的资源化利用具有重要的意义。

更进一步地，如果能够将煤矸石作为还原剂应用于钢渣中铁的回收，则能够一举多得地实现这两种固体废弃物的资源化利用，具有良好的经济效益和环境效益，在工业化推广应用中具有良好的前景。

现有技术中已经有一些钢渣的资源化利用方法。

例如，专利CN114774609A公开了一种含钒钢渣的资源化利用方法，旨在解决现有方法对含钒钢渣资源化利用率较低的问题。其针对含钒钢渣的特点通过配加硅质原料对含钒钢渣进行调质，可使水淬处理后的熔态炉渣形成硅酸钙玻璃态物质，磨细后能作为高活性矿渣微粉使用，提高了含钒钢渣资源化利用率及利用附加值。但是该方法硅质原料配加的为含SiO₂量＞80％的硅石，且配加量为15～25％。另外，该方法还配加了5～15％的无烟煤和3～5％的萤石，成本较高。

专利CN115301716A将赤泥、粉煤灰、钢渣、煤矸石工业固废加热至1800～2400℃，然后加入Na₂CO₃、O₂和还原剂进行反应，分离出铁水和液态渣水；液态渣水加入钠盐在30～300℃反应，得到反应液和沉渣；将反应液依次通入钙盐沉淀槽、铝盐沉淀槽、硅酸槽，分别通入CO₂进行酸化反应，过滤后依次得到钙盐、铝盐、硅酸和碱液；将碱液进行浓缩结晶，得到钾盐和钠盐；把沉渣烘干，加热至600～1300℃通入Cl₂反应，得到气态TiCl₄和残渣；残渣加入氢氧化钠反应得到氢氧化镁。该发明加热温度过高，能耗较大且工艺比较复杂，渣中的铁元素未得到回收利用。

专利CN114134276B，将赤泥、碳粉或焦粉、磁选铁粉混合形成预处理粉料；向预处理粉料内添加粘合剂制作预处理母球；流态钢渣泼入冲撞单元内，预处理料斜向上冲撞流态钢渣，形成夹心球；凝固后的夹心球以回转搅拌的方式筛选成回收粉料和粗粒料；粗粒料磨粉形成破碎粉料；对回收粉料和破碎粉料磁选出的铁粉进行重复利用或作为成品铁料；非磁性的回收粉料和破碎粉料作为胶凝材料或水泥添加料进行利用。该发明工艺相对比较复杂，且需要成本较高的粘结剂，另外钢渣的配加量仅为10％，不利于实现钢渣的大宗量消纳。

总的来说，现有技术中，存在或者加热温度较高，能耗较大且不能回收渣中的铁资源的问题，或者能实现铁资源回收的工艺所加原料为工业原料且配比较多成本较高，或者用固废为主料钢渣中铁回收的工艺，钢渣配加比例较低且工艺相对比较复杂，没有实现大批量的钢渣综合利用等问题，不利于工业化推广。

鉴于此，有必要提供一种钢渣利用率高、能够充分回收有价金属铁、成本低廉的煤矸石和钢渣资源化利用方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种钢渣和煤矸石的资源化利用方法，以解决现有技术中钢渣和煤矸石未得到充分资源化利用、钢渣中的有价金属铁不能充分回收、配加辅料为工业原料成本高的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种钢渣和煤矸石的资源化利用方法，其包括：S1，提供钢渣、煤矸石和还原剂的混合渣料；S2，将混合渣料在1450～1550℃下进行焙烧处理，得到渣液和金属铁液；S3，将渣液进行水淬，得到活性微粉；处理金属铁液得到生铁料。

进一步地，焙烧处理的温度为1450～1500℃，焙烧时间为20～80min；优选焙烧时间为20～40min。

进一步地，钢渣占混合渣料的重量百分比≥75％。

进一步地，钢渣与煤矸石的重量比为(75～85):(10～20)。

进一步地，钢渣、煤矸石的重量比为(78～83):(12～18)。

进一步地，还原剂与钢渣的重量比为(3～5):(75～85)，优选为(4～5):(75～85)；更优选地，还原剂为无烟煤、焦炭、石墨中的一种或多种。

进一步地，混合渣料的平均粒径＜5mm；优选混合渣料的粒径为80μm筛余≤15％。

进一步地，在得到渣液和金属铁液之后，步骤S2还包括：将渣液和金属铁液分别倒入渣包中进行保温。

进一步地，在焙烧处理之前，步骤S2还包括：将混合渣料进行升温的升温阶段，且升温速率为5～20℃/min。

进一步地，在步骤S2之前，将混合渣料搅拌20～30min。

应用本发明的技术方案，提供了一种钢渣和煤矸石的资源化利用方法。本发明的原料主要为当前堆存量较大的固体废弃物钢渣和煤矸石，回收得到了活性微粉，同时产生的铁水中铁的含量为90％以上，尾渣中铁的含量降到了1％以下。本发明中铁的回收率达到了90％以上，并且生产工艺简单、原料成本低廉，有良好的经济效益和环境效益，适合在工业上大规模推广应用。除此之外，本发明的焙烧温度较低，能耗较小，进一步节约了成本。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。

为了解决如前所述的现有技术中的问题，本发明提供了一种钢渣和煤矸石的资源化利用方法，其包括：S1，提供钢渣、煤矸石和还原剂的混合渣料；S2，将所述混合渣料在1450～1550℃下进行焙烧处理，得到渣液和金属铁液；S3，将所述渣液进行水淬，得到活性微粉；处理所述金属铁液得到生铁料。

本发明的原料主要为当前堆存量较大的固体废弃物钢渣和煤矸石，由于钢渣中含有较多的氧化钙，安定性不好，所以不能直接进行大批量的利用，而现存钢渣中还含有较多的氧化铁含量，大量堆积造成了铁资源的浪费。煤矸石由于碳含量比较低，不能直接用于发电，造成了煤矸石的大量堆积，会带来严重的能源浪费和生态破坏。利用煤矸石中的碳还原钢渣中的氧化铁，既能实现碳资源的高效利用，又能实现铁的资源化回收，同时制备出了副产品活性微粉，同时又能减少大宗固废钢渣和煤矸石的排放量，达到了“以废治废，变废为宝”的目的。本发明制备的生铁中铁的含量为90％以上，尾渣中铁的含量降到了1％以下，铁的回收率达到了90％以上，并且生产工艺简单、原料成本低廉，有良好的经济效益和环境效益，适合在工业上大规模推广应用。除此之外，本发明的焙烧温度较低，能耗较小，进一步节约了成本。

在本发明的一种典型的实施方式中，钢渣的主要组分可以包括：CaO 35～40wt％，Fe₂O₃18～25wt％，SiO₂ 15～20wt％，Al₂O₃ 5～10wt％，MgO 5～10wt％；煤矸石的碳含量可以包括：8～12wt％，焙烧除碳后测得其主要组分可以包括：SiO₂ 52～60wt％，Al₂O₃ 25～30wt％，Fe₂O₃6～10wt％，CaO 1～5wt％。上述的钢渣和煤矸石中，各自地，还可能含有少量的其它杂质，这些杂质含量较低，并且对于本发明中工艺的影响可以忽略，故不再赘述。

在本发明中，生成的水淬渣的物相主要为玻璃相，经过粉磨后可以制成活性微粉，是一种可以替代水泥等具有附加值的产品。

在本发明中，步骤S2中焙烧处理的过程不必在惰性气氛的保护下进行，这是因为在焙烧的过程中，钢渣在焙烧过程中熔融作为液相；而煤矸石中的碳将先参与铁氧化物的还原反应生成一氧化碳气体，一氧化碳气体继续参与还原反应被消耗又得到二氧化碳气体；这样，一氧化碳和二氧化碳气体在反应的环境中维持着动态平衡。因此，本发明的工艺中，不会出现大量的回收的铁被氧化的现象。不额外添加惰性气体还出自实际设备成本、工艺复杂程度的考虑。并且，额外地添加惰性气体还会降低反应体系中还原性气体的浓度，因此可能反而对产物的回收率存在负面的影响。

为了更好地进行铁的回收，在一种优选的实施方式中，焙烧处理的温度为1450～1500℃，焙烧时间为20～80min；优选焙烧时间为20～40min。上述进一步优选的焙烧处理条件可以在保证所得渣液和金属铁液良好流动性的基础上，更加节约能耗。

在一种优选的实施方式中，钢渣占混合渣料的重量百分比≥75％。在一些实施例中，本发明可以实现对大宗固废钢渣中铁资源的回收，具有良好的经济价值。

在一种优选的实施方式中，钢渣与煤矸石的重量比为(75～85):(10～20)。钢渣主要由钙、铁、硅、铝、镁和少量锰、磷等的氧化物组成。主要的矿物相为硅酸二钙、硅酸三钙、铁铝酸钙以及硅、镁、铁、锰、磷的氧化物形成的固熔体，还含有少量游离氧化钙以及金属铁、氟磷灰石等。煤矸石的主要成分为二氧化硅、三氧化二铝和碳，另外还含有三氧化二铁、氧化钙、氧化镁、氧化钠、氧化钾、五氧化二磷、硫和微量稀有元素。本发明通过调控上述优选的比例，可以使本发明的混合渣料具有适宜的二元碱度(mCaO/mSiO₂，其中，m代表重量)，该碱度的渣料和高炉渣成分相近，水淬后烘干粉磨可以直接制备成活性微粉，替代水泥用于建筑行业。在焙烧的过程中，适宜的碱度有利于渣液的流动性和能耗的降低，还会提高炉子的使用寿命。

本发明中，混合渣料的二元碱度控制在0.8～1.2之间。

出于进一步调整碱度的目的，优选钢渣、煤矸石的重量比为(78～83):(12～18)。

在本发明的配料中，因煤矸石中含有的碳可以起到部分还原剂的作用，因此需要额外添加的还原剂用量相比现有工艺得以削减。在一种优选的实施方式中，还原剂与钢渣的重量比为(3～5):(75～85)，优选为(4～5):(75～85)；更优选地，还原剂为无烟煤、焦炭、石墨中的一种或多种。根据这样的配比，本发明可以在实现充分还原的基础上进一步节约成本。出于经济成本和加快反应速率的目的，优选以无烟煤作为还原剂。

为了使混合渣料中的各组分混合更加均匀，在一种优选的实施方式中，混合渣料的平均粒径＜5mm；优选混合渣料的粒径为80μm筛余≤15wt％(以重量计)。在实际的操作中，细化固体废料的过程可以应用颚式破碎机、球磨机实现。球磨时间为30～40min，或者为获得具有更高比表面积的渣料而采用更长时间的处理工艺。当粒径较小时，混合渣料中各组分越能够充分接触、混合均匀，有利于提高铁的回收率。

为了保持渣液和金属铁液的流动性，更有利于后续的操作，在一种优选的实施方式中，在得到渣液和金属铁液之后，步骤S2还包括：将渣液和金属铁液分别倒入渣包中进行保温。

在一种优选的实施方式中，在焙烧处理之前，步骤S2还包括：将混合渣料进行升温的升温阶段，且升温速率为5～20℃/min。通过这样优选的升温阶段，能够使物料的温度更加均匀，从而更加有利于焙烧处理的进行。

为了使混合渣料中的各组分充分混匀，在一种优选的实施方式中，在步骤S2之前，将混合渣料搅拌20～30min。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

如无特别说明，下列实施例和对比例中，混合渣料的粒径为80μm筛余≤15％。

如无特别说明，下列实施例和对比例中，所选用钢渣的主要组成包括：CaO38.36wt％，Fe₂O₃ 21.43wt％，SiO₂ 17.45wt％，Al₂O₃ 5.61wt％，MgO 5.69wt％，以及余量的其它杂质；下列实施例和对比例中，所选用煤矸石的碳含量为11.86wt％，在焙烧除碳后测得该煤矸石的组成成分及含量，结果为：SiO₂ 54.22wt％，Al₂O₃ 27.98wt％，Fe₂O₃9.14wt％，CaO 2.63wt％，以及余量的其它杂质。在实施过程中，焙烧除碳的目的在于测定煤矸石的组成成分和含量，在本发明所涉及的实际的钢渣和煤矸石的资源化利用过程中应使用未焙烧的含有一定碳含量的煤矸石。本领域技术人员易知，不同种类、或者同种类而不同批次的钢渣和煤矸石的组分及组分含量可能存在差异；并且，对于同批次的钢渣或煤矸石中，其成分含量的检测结果也可能随取样位置等因素而发生变化。故而，以上数值仅代表本批次钢渣和煤矸石在本次检测中的结果。

实施例1

将钢渣、煤矸石和无烟煤进行粉磨处理后，再将三者以84:12:4的比例混合均匀；

将混合渣料投入搅拌机中，搅拌20min，使各物料混合均匀；

将混匀后的物料送入电炉中，以10℃/min的升温速率将炉温升至1500℃，保温60min后，分别将产生的渣液和金属液倒入相应的渣包中，待冷却处理后，分别对产生的金属块和尾渣进行成分分析，得到铁块的Fe含量为94.86％，可作为优质生铁料使用，渣中的Fe含量为0.86％，原钢渣中93.90％的铁元素被提取回收到了生铁料中。

实施例2

将钢渣、煤矸石和无烟煤进行粉磨处理后，再将三者以77:18:5的比例混合均匀；

将混合渣料投入搅拌机中，搅拌25min，使各物料混合均匀；

将混匀后的物料送入电炉中，以10℃/min的升温速率将炉温升至1500℃，保温40min后，分别将产生的渣液和金属液倒入相应的渣包中，待冷却处理后，分别对产生的金属块和尾渣进行成分分析，得到铁块的Fe含量为91.68％，可作为优质生铁料使用，渣中的Fe含量为0.24％，原钢渣中95.66％的铁元素被提取回收到了生铁料中。

实施例3

将钢渣、煤矸石和无烟煤进行粉磨处理后，再将三者以76:20:4的比例混合均匀；

将混合渣料投入搅拌机中，搅拌30min，使各物料混合均匀；

将混匀后的物料送入电炉中，以10℃/min的升温速率将炉温升至1500℃，保温60min后，分别将产生的渣液和金属液倒入相应的渣包中，待冷却处理后，分别对产生的金属块和尾渣进行成分分析，得到铁块的Fe含量为98.47％，可作为优质生铁料使用，渣中的Fe含量为0.84％，原钢渣中95.86％的铁元素被提取回收到了生铁料中。

实施例4

将钢渣、煤矸石和无烟煤进行粉磨处理后，再将三者以82:15:3的比例混合均匀；

将混合渣料投入搅拌机中，搅拌20min，使各物料混合均匀；

将混匀后的物料送入电炉中，以10℃/min的升温速率将炉温升至1450℃，保温60min后，分别将产生的渣液和金属液倒入相应的渣包中，待冷却处理后，分别对产生的金属块和尾渣进行成分分析，得到铁块的Fe含量为94.94％，可作为优质生铁料使用，渣中的Fe含量为0.85％，原钢渣中95.38％的铁元素被提取回收到了生铁料中。

实施例5

将钢渣、煤矸石和无烟煤进行粉磨处理后，再将三者以82:14:4的比例混合均匀；

将混合渣料投入搅拌机中，搅拌25min，使各物料混合均匀；

将混匀后的物料送入电炉中，以10℃/min的升温速率将炉温升至1450℃，保温40min后，分别将产生的渣液和金属液倒入相应的渣包中，待冷却处理后，分别对产生的金属块和尾渣进行成分分析，得到铁块的Fe含量为91.56％，可作为优质生铁料使用，渣中的Fe含量为0.55％，原钢渣中96.58％的铁元素被提取回收到了生铁料中。

实施例6

将钢渣、煤矸石和无烟煤进行粉磨处理后，再将三者以80:15:5的比例混合均匀；

将混合渣料投入搅拌机中，搅拌20min，使各物料混合均匀；

将混匀后的物料送入电炉中，以10℃/min的升温速率将炉温升至1450℃，保温20min后，分别将产生的渣液和金属液倒入相应的渣包中，待冷却处理后，分别对产生的金属块和尾渣进行成分分析，得到铁块的Fe含量为92.46％，可作为优质生铁料使用，渣中的Fe含量为0.14％，原钢渣中97.64％的铁元素被提取回收到了生铁料中。

实施例7

与实施例6的区别在于，钢渣、煤矸石和无烟煤的重量比为90:10:5。得到铁块的Fe含量为86.58％，不可作为优质生铁料使用，渣中的Fe含量为1.86％，原钢渣中87.69％的铁元素被提取回收到了生铁料中。

实施例8

与实施例6的区别在于，钢渣、煤矸石和无烟煤的重量比为70:30:3。得到铁块的Fe含量为87.89％，不可作为优质生铁料使用，渣中的Fe含量为1.90％，原钢渣中86.97％的铁元素被提取回收到了生铁料中。

实施例9

与实施例6的区别在于，以等重量的焦炭作为还原剂。得到铁块的Fe含量为90.68％，可作为优质生铁料使用，渣中的Fe含量为0.86％，原钢渣中91.68％的铁元素被提取回收到了生铁料中。

对比例1

与实施例6的区别在于，不使用煤矸石，钢渣和无烟煤的重量比为84:16。在相同的温度范围内，得到铁块的Fe含量为84.68％，不可作为优质生铁料使用，渣中的Fe含量为11.71％，原钢渣中26.53％的铁元素被提取回收到了生铁料中。

对比例2

与实施例6的区别在于，焙烧温度为1350℃。得到铁块的Fe含量为57.18％，不可作为优质生铁料使用，渣中的Fe含量为11.14％，原钢渣中仅22.66％的铁元素被提取回收到了生铁料中。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明充分地利用了当前堆存量多的两种工业固体废弃物钢渣和煤矸石，提取废钢渣中的铁，工艺简单、制备的生铁块可以直接用于钢铁行业，经济效益好，具有较好的应用前景。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钢渣和煤矸石的资源化利用方法，其特征在于，包括：

S1，提供钢渣、煤矸石和还原剂的混合渣料；

S2，将所述混合渣料在1450～1550℃下进行焙烧处理，得到渣液和金属铁液；

S3，将所述渣液进行水淬，得到活性微粉；处理所述金属铁液得到生铁料。

2.根据权利要求1所述的钢渣和煤矸石的资源化利用方法，其特征在于，所述焙烧处理的温度为1450～1500℃，焙烧时间为20～80min；优选所述焙烧时间为20～40min。

3.根据权利要求1或2所述的钢渣和煤矸石的资源化利用方法，其特征在于，所述钢渣占所述混合渣料的重量百分比≥75％。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的钢渣和煤矸石的资源化利用方法，其特征在于，所述钢渣与所述煤矸石的重量比为(75～85):(10～20)。

5.根据权利要求4所述的钢渣和煤矸石的资源化利用方法，其特征在于，所述钢渣与所述煤矸石的重量比为(78～83):(12～18)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的钢渣和煤矸石的资源化利用方法，其特征在于，所述还原剂与所述钢渣的重量比为(3～5):(75～85)，优选为(4～5):(75～85)；更优选地，所述还原剂为无烟煤、焦炭、石墨中的一种或多种。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的钢渣和煤矸石的资源化利用方法，其特征在于，所述混合渣料的平均粒径＜5mm；优选所述混合渣料的粒径为80μm筛余≤15％。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的钢渣和煤矸石的资源化利用方法，其特征在于，在得到所述渣液和所述金属铁液之后，所述步骤S2还包括：将所述渣液和所述金属铁液分别倒入渣包中进行保温。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的钢渣和煤矸石的资源化利用方法，其特征在于，在所述焙烧处理之前，所述步骤S2还包括：将所述混合渣料进行升温的升温阶段，且升温速率为5～20℃/min。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的钢渣和煤矸石的资源化利用方法，其特征在于，在所述步骤S2之前，将所述混合渣料搅拌20～30min。