赤泥提铁降低能耗研究

经文波 李惟宗 吴志宪

(1.百色学院 材料科学与工程学院，2.百色学院 生态铝产业学院，3.广西壮族自治区 铝基新材料工程研究中心)

赤泥[1]是氧化铝生产工艺中产生的废渣，含铁10%～40%，每生产1 t氧化铝产生赤泥0.8～2 t。目前我国年产赤泥10 000万t以上，其中广西壮族自治区年产赤泥1 400万t，大部分堆存处理，浪费大量铁金属资源和土地资源，影响环境。

加强固废资源高效回收利用是冶金工业的发展方向之一。赤泥中的铁一般采用还原法提取生成铁粉，因质地纯净、成分稳定，是一种可代替废钢、冶炼优质钢和特殊钢的理想炉料[2]。

针对赤泥提铁技术国内外学者已进行了大量研究[3-12]。高建阳等使用煤基直接还原烧成—渣铁磁选分离—母液溶出的方法处理拜尔法赤泥，最佳焙烧温度1 200 ℃，焙烧时间2 h，磁场强度2 000 A/m，产品金属化率92.9%，含铁品位93.7%，铁回收率94.42%[13]。李国兴等人针对赤泥使用了拜耳法进行直接还原—磁选试验，当直接还原温度为1 200 ℃时，还原时间2.5 h，CCO用量15%，实验煤用量30%，NCC用量3%，得到了含铁品位91.34%、铁回收率88.36%的粉末铁[14]。中国铝业山东有限公司第二氧化铝厂拜耳法溶出后的赤泥在实验室配加等量的高活性碳、低灰分含量的煤，进行还原焙烧再磁选分离，所得产品金属化率92.9%，含铁品位93.7%，铁回收率达到94.42%[15]。李佩鸿等用平果赤泥直接还原焙烧磁选，实验配入18%的还原剂，焙烧时间120 min，焙烧温度1 000 ℃，产品海绵铁含铁84.17%，铁回收率86.96%[16]。崔石岩等使用添加30%的SG为还原剂，在还原温度1 200 ℃、还原时间60 min、磨矿细度-74 μm占62%的条件下，进行高炉灰与赤泥共还原—磁选回收铁试验，最终获得铁品位92.05%、铁回收率92.14%的直接还原铁[17]。徐文珍等以氢气和碳粉作还原剂，采用分段还原—磁选法对赤泥进行两次还原，一次还原后的产物再配碳二次还原，在温度1 000 ℃、焙烧时间120 min、碳粉和赤泥质量比为1∶5的条件下，磁选后的还原铁粉品位93.19%，回收率79.53%[18]。

文章在以前研究基础[19-21]上，通过直接还原实验降低赤泥提铁能耗，以便于进一步提高赤泥固废资源利用率，改善环境。

1 赤泥直接还原提铁实验流程

将赤泥固废、还原煤先配料、混匀，然后破碎磨细筛分造球，粒度8～12 mm。

生球团经筛分烘干后，进入高温炉内一次直接还原，还原温度1 000～1 150 ℃，还原时间为30～50 min。生球团在还原炉内受热，主要进行铁氧化物的逐级还原吸热反应(1)～(3)、CO2与C的溶损吸热反应(4)、氧化亚铁间接还原放热反应(5)和CO燃烧放热反应(6)。

3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO-110.1 kJ/mol

(1)

Fe3O4+C=3FeO+CO-186.7 kJ/mol

(2)

FeO+C=Fe+CO-152.2 kJ/mol

(3)

CO2+C=2CO-165.8 kJ/mol

(4)

FeO+CO=Fe+CO2+ 13.6 kJ/mol

(5)

CO+1/2O2=2CO2+ 283.4 kJ/mol

(6)

出炉后的DRI球团经过一段磨矿磁选处理，其中：磨矿时间固定为30 min，通过细磨实现铁与脉石的单体解离，再通过磁选烘干的方法回收得到还原铁粉。

2 实验

原燃料成分如表1所示，对影响因素配煤比、焙烧温度、焙烧时间和磁场强度按照四因素三水平设计(表2)正交实验L9(34)，实验数据统计如表3所示。按DRI球团物理热及煤气热值利用率70.00%考虑利用能耗，并按95.00%铁品位折算：

表1 原燃料成分 %

表2 因素水平设计

表3 实验数据统计

赤泥提铁能耗=还原煤能耗+炉料加热能耗+反应能耗-利用能耗+其他能耗

3 分析

处理表3数据，得到因素影响统计见表4。

表4 因素影响统计

3.1 配煤比

当配煤比为8%～12%时，还原提铁后平均铁粉品位为93.88%～95.57%，极差1.69%，最高铁品位95.57%；随着配煤比增加，铁回收率增加，极差9.90%，最高铁回收率67.14%；按95.00%铁品位折算能耗为848～1 122 kgce/t，极差264 kgce/t；虽然配煤比10%能耗最低，但考虑到铁回收率，配煤比12%较适宜。

3.2 焙烧温度

当焙烧温度为1 000～1 100℃时，还原提铁后平均铁粉品位为92.23%～95.77%，极差3.54%，最高铁品位95.77%；随着焙烧温度增加，铁回收率增加，极差55.10%，最高铁回收率87.02%；按95.00%铁品位折算能耗为518～1 778 kgce/t，极差1 260 kgce/t；焙烧温度增加，促进铁还原反应，焙烧温度1 100 ℃时较适宜。

3.3 焙烧时间

当焙烧时间为35～45 min时，还原提铁后平均铁粉品位为93.90%～95.54%，极差1.64%，最高铁品位95.54%；随着焙烧时间增加，铁回收率降低，极差13.84%，最高铁回收率68.75%；按95.00%铁品位折算能耗为815～1 223 kgce/t，极差408 kgce/t；焙烧时间过长，磁选后铁回收率降低，能耗增加。综合考虑铁回收率和能耗，焙烧时间35 min较适宜。

3.4 磁场强度

当磁场强度为2 000～3 000 A/m时，还原提铁后平均铁粉品位为92.58%～95.58%，极差3.01%，最高铁品位95.58%；随着磁场强度增加，铁回收率增加，极差20.40%，最高铁回收率74.95%；按95.00%铁品位折算能耗为706～1 183 kgce/t，极差477 kgce/t；磁场强度增加，有利于铁回收率增加，磁场强度3 000 A/m较适宜。

根据极差数据，影响因素由强至弱为：

铁粉品位：焙烧温度→磁场强度→配煤比→焙烧时间；

铁回收率：焙烧温度→磁场强度→焙烧时间→配煤比；

能耗：焙烧温度→磁场强度→焙烧时间→配煤比。

综合评价：赤泥配煤12%、焙烧温度1 100 ℃、焙烧时间35 min、磁场强度3 000 A/m，为赤泥直接还原提铁反应的适宜条件。

4 优化实验

根据实验分析数据，以赤泥配煤12%→10%→8%、焙烧温度1 100→1 150 ℃、焙烧时间35→30 min、磁场强度3 000A/m为反应条件进一步优化实验，数据如表5所示。

表5 优化实验数据

由表5可知，当赤泥配煤8%、焙烧温度1 150 ℃、焙烧时间30 min、磁场强度3 000 A/m时，能耗最低∶铁粉品位96.19%，铁回收率92.47%，能耗455 kgce/t，按95.00%铁品位折算能耗449 kgce/；当赤泥配煤12%、焙烧温度1 150 ℃、焙烧时间30 min、磁场强度3 000 A/m时，铁回收率最高∶铁粉品位96.34%，铁回收率96.46%，能耗490 kgce/t，按95.00%铁品位折算能耗483 kgce/t。

5 结论

(1)研究采用直接还原方法从赤泥中提取铁粉，目的是降低赤泥提铁能耗，以便于进一步提高赤泥固废资源利用率，改善环境保护。

(2)对影响因素配煤比、焙烧温度、焙烧时间和磁场强度按照四因素三水平设计正交实验L9(34)，实验发现配煤比、焙烧温度、焙烧时间、磁场强度都会影响铁粉品位、铁回收率、能耗；影响能耗的因素由强至弱为：焙烧温度→磁场强度→焙烧时间→配煤比。

(3)综合考虑，当赤泥配煤12%、焙烧温度1 150 ℃、焙烧时间30 min、磁场强度3 000 A/m时，铁回收率最高：铁粉品位96.34%，铁回收率96.46%，能耗490 kgce/t，按95.00%铁品位折算能耗483k gce/t。