CN110950348B - 一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺 - Google Patents
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Abstract
一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,包括以下步骤:1)制作还原物料:将高硅铁矿制作成待烧结球团;2)还原待烧结球团:高温加热待烧结球团,得到还原球团,排出烧结烟气;3)破碎磨选出高硅尾渣:破碎还原球团得到还原碎料,采用超细磨装置磨选还原碎料得到还原粉料,磁选还原粉料得到高硅尾渣;4)提取硅酸钠溶液:向高硅尾渣中加入碱液得到固液混合物,浸出硅酸钠溶液;5)提炼白炭黑:向硅酸钠溶液中加入酸洗涤,析出硅酸沉淀,过滤得到滤液,干燥硅酸沉淀得到白炭黑。本申请提供的方案,能够利用高硅铁矿生产白炭黑,提高白炭黑的品质。
Description
技术领域
本发明涉及一种生产白炭黑的工艺,具体涉及一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,属于铁矿冶金技术领域。
背景技术
截止2018年,我国铁矿石资源保有储量约470亿t,但97%为贫矿,平均铁品位仅为34.29%,比世界铁矿石平均铁品位(48.24%)低14个点,比四大矿山铁矿石平均铁品位(56.07%)低22个点。这种矿石在我国湖南衡阳、宁乡等地储量巨大,仅衡阳市境内的洞口铁矿储量达5~6亿吨,但这些矿石一般含铁矿物嵌布粒度极细,达到-400目,甚至-600目以上,常规选矿手段难以得到有效富集。
处理铁矿石传统的高温冶金工艺主要包括磁化焙烧、直接还原(煤基法和气基法)及配料烧结-高炉炼铁法。磁化焙烧虽然是从铁矿石中回收金属铁较好的处理工艺,但产品为磁铁矿及少量浮士体,产品档次低,价格便宜。同时,该工艺无论是回转窑法、竖炉法,还是流化床法,由于其铁回收率低、还原程度难以均匀化及设备大型化的难题等未解决,目前均停留在实验室研究阶段。配矿烧结-高炉法为我国低品位矿的利用提供一条思路,但是该方法吨铁水的能耗高、渣量大,既浪费宝贵了焦煤资源,又会造成炉料顺行困难。在国家节能环保和高炉精料方针的号召下,该工艺将会逐渐被淘汰。目前传统直接还原工艺中气基法和部分煤基法需要使用氧化球团,而高硅低品位铁矿石采用氧化球团-直接还原工艺的吨铁能耗非常大,不具有节能环保优势。部分煤基还原工艺可以采用矿-煤复合球团进行生产,但是高硅铁矿石在传统直接还原的高温条件下会产生大量铁橄榄石,造成铁回收失败。因此,从高硅低品位铁矿石中高效回收铁资源成为难点。
与此同时,针对该高硅铁矿含硅量高的特点,若能够充分利用生产还原铁粉的工艺环节,助力于后期高硅尾渣的处理,生产优质的硅酸钠,再利用优质的硅酸钠生产超纯的白炭黑,将会有效提高该铁粉还原工艺的副产值。
因此,如何提供一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其能够利用高硅铁矿生产白炭黑,提高白炭黑的生产品质,是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足,本发明的目的在于利用高硅铁矿生产白炭黑,提高白炭黑的品质。本发明提供一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,包括以下步骤:1)制作还原物料:将高硅铁矿制作成待烧结球团。2)还原待烧结球团:高温加热待烧结球团,得到还原球团,排出烧结烟气。3)破碎磨选出高硅尾渣:破碎还原球团得到还原碎料,采用超细磨装置磨选还原碎料得到还原粉料,磁选还原粉料得到高硅尾渣。4)提取硅酸钠溶液:向高硅尾渣中加入碱液得到固液混合物,浸出硅酸钠溶液。5)提炼白炭黑:向硅酸钠溶液中加入酸洗涤,析出硅酸沉淀,过滤得到滤液,干燥硅酸沉淀得到白炭黑。
根据本发明的第一个实施方案,提供一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺:
一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,包括以下步骤:
1)制作还原物料:将高硅铁矿制作成待烧结球团。
2)还原待烧结球团:高温加热待烧结球团,得到还原球团,排出烧结烟气。
3)破碎磨选出高硅尾渣:破碎还原球团得到还原碎料,采用超细磨装置磨选还原碎料得到还原粉料,磁选还原粉料得到高硅尾渣。
4)提取硅酸钠溶液:向高硅尾渣中加入碱液得到固液混合物,浸出硅酸钠溶液。
5)提炼白炭黑:向硅酸钠溶液中加入酸洗涤,析出硅酸沉淀,过滤得到滤液,干燥硅酸沉淀得到白炭黑。
作为优选,步骤3)中超细磨装置的出料粒度为600-900目。优选为750-850目。
作为优选,步骤2)中低温加热的温度为800℃-1200℃,优选为900℃-1000℃,更优选为900℃-980℃。
作为优选,步骤2)中低温加热的时间为15-45min,优选为20-30min。
作为优选,步骤1)中,包括以下步骤:
1a)破碎铁矿石得到铁矿石碎料,破碎内配煤得到内配煤碎料。
1b)将铁矿石碎料和内配煤碎料在粘结剂的作用下配料、磨矿,得到球团原料。
1c)球团原料在造球装置中,制成球团。
1d)干燥球团:将球团在第一干燥装置进行干燥预热得到待烧结球团。
作为优选,步骤2)中排出的烧结烟气通入步骤5)中的硅酸钠溶液中,得到净化烟气。
或
步骤2)中排出的烧结烟气先通入第一干燥装置对球团进行干燥,再通入步骤5)中的硅酸钠溶液中,得到净化烟气。
作为优选,净化烟气通入步骤3)中的超细磨装置防止铁氧化。
作为优选,步骤5)中的滤液通入造球装置中参与步骤1c)的造球过程。
作为优选,步骤4)中,采用逆流浸出法从高硅尾渣中浸出硅酸钠溶液。其中,包括以下步骤。
4a)高硅尾渣正向碱浸:第一层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第二层碱浸单元进行碱浸。第二层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第三层碱浸单元进行碱浸。
4b)浸出溶液逆向排出:在第三层碱浸单元加入碱液,第三层浸出溶液加入到第二层碱浸单元,第二层浸出溶液加入到第一层碱浸单元,第一层碱浸单元的浸出溶液通入硅酸钠存储容器中。
4c)保持弱碱性:向第一层碱浸单元和第二层碱浸单元补入碱液,保持第一层碱浸单元和第二层碱浸单元溶液PH值为7-9,优选为7.5-8.5。
作为优选,步骤4)中碱浸后剩余的滤渣作为粘结剂参与到步骤1)中的待烧结球团制取过程。
作为优选,步骤2)中产生的烧结烟气与步骤4)中的固液混合物进行换热。
根据本发明的第二个实施方案,提供一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺:
一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,包括以下步骤:
1)制作还原物料:将高硅铁矿制作成待烧结球团。
2)还原待烧结球团:高温加热待烧结球团,得到还原球团,排出烧结烟气。
3)破碎磨选出高硅尾渣:破碎还原球团得到还原碎料,采用超细磨装置磨选还原碎料得到还原粉料,磁选还原粉料得到高硅尾渣。
4)提取硅酸钠溶液:向高硅尾渣中加入碱液得到固液混合物,浸出硅酸钠溶液。
5)生成白炭黑:将硅酸钠溶液喷入100-600℃二氧化碳气体中,得到高硅含钠固体;再对高硅含钠固体进行稀酸洗涤、过滤得到滤液,干燥固体得到白炭黑。
作为优选,步骤3)中超细磨装置的出料粒度为600-900目。优选为750-850目。
作为优选,步骤2)中低温加热的温度为800℃-1200℃,优选为900℃-1000℃,更优选为900℃-980℃。
作为优选,步骤2)中低温加热的时间为15-45min,优选为20-30min。
作为优选,步骤1)中,包括以下步骤:
1a)破碎铁矿石得到铁矿石碎料,破碎内配煤得到内配煤碎料。
1b)将铁矿石碎料和内配煤碎料在粘结剂的作用下配料、磨矿,得到球团原料。
1c)球团原料在造球装置中,制成球团。
1d)干燥球团:将球团在第一干燥装置进行干燥预热得到待烧结球团。
作为优选,步骤2)中排出的烧结烟气通入步骤5)中的硅酸钠溶液中,得到净化烟气。
或
步骤2)中排出的烧结烟气先通入第一干燥装置对球团进行干燥,再通入步骤5)中的硅酸钠溶液中,得到净化烟气。
作为优选,净化烟气通入步骤3)中的超细磨装置防止铁氧化。
作为优选,步骤5)中的滤液通入造球装置中参与步骤1c)的造球过程。
作为优选,步骤4)中,采用逆流浸出法从高硅尾渣中浸出硅酸钠溶液。其中,包括以下步骤。
4a)高硅尾渣正向碱浸:第一层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第二层碱浸单元进行碱浸。第二层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第三层碱浸单元进行碱浸。
4b)浸出溶液逆向排出:在第三层碱浸单元加入碱液,第三层浸出溶液加入到第二层碱浸单元,第二层浸出溶液加入到第一层碱浸单元,第一层碱浸单元的浸出溶液通入硅酸钠存储容器中。
4c)保持弱碱性:向第一层碱浸单元和第二层碱浸单元补入碱液,保持第一层碱浸单元和第二层碱浸单元溶液PH值为7-9,优选为7.5-8.5。
作为优选,步骤4)中碱浸后剩余的滤渣作为粘结剂参与到步骤1)中的待烧结球团制取过程。
作为优选,步骤2)中产生的烧结烟气与步骤4)中的固液混合物进行换热。
在本申请的第一个实施方案中,高硅铁矿被制成烧结待烧结球团后,进入直接还原***,在直接还原***中,经过高温加热,烧结球团发生氧化还原反应,球团内的铁矿石还原出微小的铁单体,得到还原球团。对还原球团进行破碎磨选处理,先将还原球团破碎得到还原碎料,再采用超细磨装置将还原碎料研磨成还原粉料。还原粉料通过磁选,磁选出还原铁粉,剩余的即为高硅尾渣。最后将高硅滤渣通过碱浸的方式,得到硅酸钠。本申请提供的技术方案,在步骤3)的破碎磨选的过程中,最终将还原球团磨成超细粉末。也就是说,高硅尾渣也成呈超细粉末状,从而增大了高硅尾渣的比表面积。使得在步骤4)碱浸的过程中,高硅尾渣能够与碱液更充分更快速的反应。于此同时,由于将硅氧化物磨成超细粉末,氧化硅的粒度小。氧化硅大多以硅氧四面体的形式存在。那么在氧化硅与碱反应的过程中,氧化硅在碱性条件下呈酸性,即氧化硅以形成硅酸的形式与氢氧化钠反应。钠离子与硅酸根离子结合。准确来说是钠离子与硅酸根离子的氧形成化学键,钠离子与硅酸根离子的结合,使得反应中,氧化硅不断的溶于氢氧化钠,生成硅酸钠。将还原球团磨成超细粉末状的还原粉料,有利于氧化硅的溶解。同时可以有效的减少碱的添加量,降低生产成本。再得到优质硅酸钠的前提下,向优质硅酸钠中加入酸(例如:稀酸,盐酸等),即可得到硅酸沉淀,过滤干燥后得到优质白炭黑。
在本申请的第二个实施方案中,高硅铁矿被制成烧结待烧结球团后,进入直接还原***,在直接还原***中,经过高温加热,烧结球团发生氧化还原反应,球团内的铁矿石还原出微小的铁单体,得到还原球团。对还原球团进行破碎磨选处理,先将还原球团破碎得到还原碎料,再采用超细磨装置将还原碎料研磨成还原粉料。还原粉料通过磁选,磁选出还原铁粉,剩余的即为高硅尾渣。最后将高硅滤渣通过碱浸的方式,得到硅酸钠。本申请提供的技术方案,在步骤3)的破碎磨选的过程中,最终将还原球团磨成超细粉末。也就是说,高硅尾渣也成呈超细粉末状,从而增大了高硅尾渣的比表面积。使得在步骤4)碱浸的过程中,高硅尾渣能够与碱液更充分更快速的反应。于此同时,由于将硅氧化物磨成超细粉末,氧化硅的粒度小。氧化硅大多以硅氧四面体的形式存在。那么在氧化硅与碱反应的过程中,氧化硅在碱性条件下呈酸性,即氧化硅以形成硅酸的形式与氢氧化钠反应。钠离子与硅酸根离子结合。准确来说是钠离子与硅酸根离子的氧形成化学键,钠离子与硅酸根离子的结合,使得反应中,氧化硅不断的溶于氢氧化钠,生成硅酸钠。将还原球团磨成超细粉末状的还原粉料,有利于氧化硅的溶解。同时可以有效的减少碱的添加量,降低生产成本。再得到优质硅酸钠的前提下,将优质硅酸钠溶液喷入高温(100-600℃)的二氧化碳气体中,使得硅酸钠充分的跟二氧化碳进行反应,产生超细粉末状的高硅含钠固体,即氧化硅和碳酸钠的固体混合物。再对高硅含钠固体进行稀酸洗涤,粉末状的碳酸钠与稀酸反应迅速,快速溶解。最终得到超细粉末状的活性二氧化硅,即白炭黑。本申请提供的方案,能够产生高质量超纯度的活性白炭黑。
需要说明的是,从提硅提铁两个角度来看,超细磨矿不仅是制备超细铁粉的过程,还是制备超细提硅原料的过程。通过试验发现,高硅尾渣碱浸过程属于未反应核模型,反应从颗粒外部逐步向内进行。通过超细磨将尾渣颗粒变小,提高了粉体的反应表面积,进而加快了硅的浸出速率。
在本申请中,超细磨装置所磨成的还原粉料的粒度要求为600-900目。优选为750-850目。现有技术已经完全能够实现这一技术特征。对粒度的要求进行限制,是综合了研磨耗能,磁选方式的选择得出来的。
需要进一步说明的是,目前工业上生产沉淀法白炭黑厂家均采用火法制备硅酸钠溶液。生产硅酸钠的原料为石英砂、纯碱,将二者按一定比例混合送至反射窑炉中,经高温煅烧(1400℃左右)熔化炉后水淬包装即为固体硅酸钠。将固体硅酸钠在一定温度、压力下将其溶化成液体即为水玻璃。化学反应式为:Na2CO3+SiO2→(高温)Na2SiO3+CO2↑。与湿法生产水玻璃相比,干法工艺能耗高,硅酸钠杂质含量高,应用沉淀法制备白炭黑产品质量差。本工艺通过还原焙烧起到提硅降铁降铝目的,再通过超细磨矿实现了浸出原料粒度细化,再经过磁选-强磁选后实现硅富集之后,采用常压低温低碱耗浸出可制备出模数在2.5以上杂质含量极低的高品质硅酸钠溶液,实现了绿色生产。
在本申请提供的方案,所针对的高硅铁矿具有铁品位低的特点,但该高硅铁矿石的含铁矿物的嵌布粒度极细。也就是说,当对该铁矿进行加热还原的过程中,还原出来的铁单体的粒度就非常的细。现有技术中,一般加热直接还原的方案所选用的加热温度高于1200℃,且持续时间超过45min。将现有技术应用与该高硅铁矿的提炼过程,会导致,铁矿中的还原出来的铁单体过度富集,导致粒度增大。以此会使得,后期难以磨选。因此在本申请方案中,结合该高硅铁矿的特点,采用低温加热的方案为800℃-1200℃,优选为900℃-1000℃,更优选为900℃-980℃。且该低温加热方案的持续时间为15-45min,优选为20-30min。以防止铁单体的粒度长大,有利于后面工序的磨选。
需要进一步说明的是,与常规铁矿石煤基直接还原相比较,高硅铁矿石对还原温度要求更高,在此基础上开发了铁矿内配煤复合小球团直接还原工艺。采用低温(高温段仅900-980℃)快速(高温段900-980℃持续时间仅20-30min)直接还原方法,将高硅铁矿石中铁氧化物迅速转变为金属铁。
其中,铁矿煤基直接还原主要化学反应包括如下反应:
3Fe2O3(s)+C(s)→2Fe3O4(s)+CO(g) 式(1)
3Fe2O3(s)+CO(g)→2Fe3O4(s)+CO2(g) 式(2)
Fe3O4(s)+CO(g)→3 FeO(s)+CO2(g)(T≥843 K) 式(3)
FeO(s)+CO(g)→Fe(s)+CO2(g) 式(4)
C(s)+CO2(g)→2CO(g) 式(5)
2FeO(s)+SiO2(s)→2FeO·SiO2(s) 式(6)
1/2(2FeO·SiO2)(s)+CO(s)→Fe(s)+1/2SiO2(s)+CO2(g) 式(7)
需要进一步说明的是,铁颗粒预富集后脉石和铁分离程度提高,脉石主要以SiO2为主,焙烧后结晶度大幅降低,活性高,可磨性好,降低能耗。同时金属铁的可塑性强,因此整体磨矿时间短,磨矿能耗低。还原***所得金属铁颗粒细小,因此磨矿过程仅需要达到铁颗粒单体解离即可得到超细粒度铁粉。
在本申请中,结合工艺的自身特点。第一个方案,将步骤2)中排出的烧结烟气通入步骤5)中的硅酸钠溶液中生成硅酸,得到净化烟气。烧结烟气中含有大量CO2,二氧化碳溶于水后形成碳酸,碳酸属于弱酸,酸性比硅酸强,因此烧结烟气通入硅酸钠溶液后,析出硅酸,和得到含有碳酸钠的溶液。
第二个方案,步骤2)中排出的烧结烟气先通入第一干燥装置对球团进行干燥,再通入步骤5)中的硅酸钠溶液中生成硅酸。在利用烧结烟气为中心或还原性气体的理化性质的同时,还利用了烧结烟气高温的特点,用烧结烟气在第一干燥装置中对球团进行干燥和预热。能够有效利用能量,减少资源浪费。
在本申请中,烧结烟气通入硅酸溶液后得到净化烟气,由于烧结烟气中主要含有N2、CO2,由于制球团时C过量,烧结烟气中还可能存在CO。烧结烟气中的CO2溶于水后,净化烟气中主要存在大量的N2,和少量的CO2,还可能存在少量的CO。也就是说净化烟气为中性或者还原性气体。中性或者还原性气体能够防止超细磨过程中,高温铁粉接触氧气氧化。
需要进一步说明的是,采用超细磨矿方式生产超细铁粉,磨矿是干磨或湿磨的任一种,磨矿过程使用回转窑烟气作为保护气氛。
在本申请中,还存在第二干燥装置,第二干燥装置用于干燥磁选出来的还原铁粉,采用净化后的烟气作为超细铁粉烘干和钝化介质,起到资源综合利用和流程优化的作用。
需要进一步是说明的是,由于超细磨装置中的物料为刚烧结过的物料,温度高。净化烟气通入超细磨装置中除了起到防止还原铁粉氧化的作用外,还能够对超细磨装置中的还原铁粉起到降温的作用。
在本申请中,硅酸钠通入烧结烟气后的滤液,通入造球装置中参与造球过程,降低减少了废液的排放。
传统方案中,由于渣料中的氧化硅粒度过大。为了让氧化硅能够尽快的融入碱液中,往往采用的方式为,加大碱液的添加量。
在本申请中,步骤4)加入碱液浸出,加入碱液的量为保持混合溶液的PH值为弱碱性即可。即不需要过量的加入碱液。这是由于步骤3)中,采用超细磨的方式,将还原粉料的粒度控制在600-900目的范围内。优选为750-850目。因此可以在添加少量碱液的情况下,将氧化硅完全溶解。而控制碱液少量加入的方式,即为控制回合溶液的PH值。因此通过控制溶液的PH值,来控制碱液的添加量。
需要说明的是,如图3所示,高硅铁矿石中主要脉石成分为SiO2,在本工艺还原焙烧温度范围内SiO2结晶度大幅降低,转变为非晶态SiO2,活性高,为后续碱浸提硅创造有利条件。同时,在本工艺温度范围内进行还原焙烧,石英相会发生二级相变,由α-石英向β-石英及β2-鳞石英转变,最后在冷却过程中逐步转变为α-鳞石英。由热力学分析可知,与原矿中结晶态的α-石英相比(吉布斯自由能-87.84kJ·mol-1),α-鳞石英(-174.29kJ·mol-1)和非晶态SiO2(-210.92kJ·mol-1)与NaOH反应的热力学条件更加优越,有效促进硅的浸出。
在本申请中,采用逆流浸出的方式能够得到高模数的硅钠比的硅酸钠溶液。在高硅尾渣中包含了,少量的氧化亚铁、γ-氧化铝、活性炭。氧化亚铁不溶于碱,在浸出过程中,进入滤渣。γ-氧化铝具有极强的吸水性能,其内部结构为多孔结构,能够起到一定的吸附过滤作用。另外活性炭同样为多孔结构,具有过滤作用。因此在采用逆流浸出的方式时,从第一层碱浸单元到第三层碱浸单元,不单只具有让氧化硅充分与氢氧化钠反应的作用。由于高硅尾渣中存在少量的γ-氧化铝、活性炭,能够使得逆流浸出的过程中,起到更高的过滤吸附的作用,从而使得最终得到的硅酸钠溶液的模数高。
需要说明的是,硅钠比的模数为浸出的硅的量比上加入碱液中钠的量。即能够减少碱液的使用。
需要进一步说明的是,从回收硅元素的角度来看,还原焙烧过程是一个提硅、降铁、降铝的过程,可获得高品质硅酸钠溶液,为后续制备白炭黑创造有利条件。还原焙烧既是一个将铁的氧化物转变为金属铁的过程,又是将含量最多的物质晶态SiO2转变为非晶态SiO2的过程。在热力学上,与Fe2O3相比,金属铁与碱液发生反应的热力学条件更差,因此焙烧-磁选后的尾渣中铁元素更不易进入提硅液中。由于铁矿原矿中含有的铝氧化物主要为α-Al2O3,而α-Al2O3活性很强,容易与NaOH反应消耗碱液并进入提硅液中,铝元素在白炭黑产品中属于毒性元素,因此对白炭黑制备不利。根据热力学相图分析可知,当焙烧温度提高至930-960℃时,α-Al2O3将逐步转变为不易与碱液反应的γ-Al2O3。同时,该温度范围时莫来石也将析出SiO2转从而使提硅率进一步提高。
氧化铝相关的化学反应如下:
α-Al2O3→γ-Al2O3式(8)
Al2O3·2SiO2→γ-Al2O3+2SiO2式(9)
因此,通过还原焙烧实现了铁矿石提硅降铁降铝的目的,为生产高品质提硅液创造良好条件。
在本申请中,高硅尾渣经过碱液浸出后,得到硅酸钠溶液和滤渣。滤渣中含有氧化铝遇碱生成的胶体,具有一定粘性。将滤渣作为造球的粘结剂,可以减少额外粘结剂的使用,降低生产成本。
在本申请中,利用烧结烟气与步骤4)中的碱浸溶液进行换热,能够提高碱液的温度,加快氧化硅与碱液的反应,提高碱浸的速率。
需要补充说明的是,本申请提供的方案,实现工业三废零排放。该工艺将工业三废(废水、废气、废固)均变废为宝,结合工艺自身的优势特点全部返回利用,实现了工业生产零排放。其中废水中主要物质为还原***所需添加剂,故返回造球***利用。废气经换热、净化处理后用作球团干燥、浸出供热、白炭黑沉淀剂、铁粉磨矿保护气氛及铁粉烘干的钝化气体。废固包括中矿和浸出滤渣两部分,其中中矿为低铁含碳渣,可作为水泥合格原料。滤渣可作为粘结剂返回配料***全部使用。因此,整个工艺实现了工业三废零排放。
本申请提供的方案,实现能量的100%利用。整个工艺能耗最高的工序为直接还原***,而该***烟气带走热量占到了总热量的20-40%,这部分热量在其他直接还原工艺中并未得到较好的利用,甚至是直接排放损失掉。本工艺将该部分热量先后用于干燥生球团、换热后供给低温浸出,剩余热量产蒸汽用于厂区其他用途,实现了能量100%利用。
本申请提供的方案,生产成本低,产品质量高。本工艺原料来源广,成本低。工序简单,设备造价低。产品为高质量超细铁粉和高质量超纯白炭黑,具有较大的利润空间。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1、本申请提供的技术方案,通过短时间低温加热,直接还原出超细粒度的还原铁粉,降低焙烧过程的能源消耗;
2、本申请提供的技术方案,产出的还原铁粉粒度超细,能有利于破碎磨矿,降低磨矿的能耗;
3、本申请提供的技术方案,使用净化后的烟气烘干还原铁粉和钝化铁粉颗粒,余热利用,有利于节约能源;
4、本申请提供的技术方案,利用烧结烟气作为磨矿过程中的保护气体,有利于保证超细磨产出还原铁粉的质量;
5、本申请提供的技术方案,低温加热的直接还原技术,能够确保高硅铁矿石的α-石英转变为α-鳞石英,有利于硅的浸出;
6、本申请提供的技术方案,采用超细磨技术处理还原球团,一能得到超细还原铁粉,二能加快后期硅的浸出速率;
7、本申请提供的技术方案,采用碱液浸出硅酸钠的方案,有利于降低能耗;
8、本申请提供的技术方案,实现了工业三废的零排放,达到了能量100%回收利用的目的,降低生成成本,提高产品质量。
附图说明
图1为本发明高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺的概要流程图;
图2为本发明高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺的整体细节流程图;
图3为SiO2多型转变关系图;
图4为铁矿还原***热力学吸放热分析图;
图5为铁矿还原***热力学CO消耗分析图。
具体实施方式
根据本发明的实施方案,提供一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺:
一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,包括以下步骤:
1)制作还原物料:将高硅铁矿制作成待烧结球团。
2)还原待烧结球团:高温加热待烧结球团,得到还原球团,排出烧结烟气。
3)破碎磨选出高硅尾渣:破碎还原球团得到还原碎料,采用超细磨装置磨选还原碎料得到还原粉料,磁选还原粉料得到高硅尾渣。
4)提取硅酸钠溶液:向高硅尾渣中加入碱液得到固液混合物,浸出硅酸钠溶液。
5)提炼白炭黑:向硅酸钠溶液中加入酸洗涤,析出硅酸沉淀,过滤得到滤液,干燥硅酸沉淀得到白炭黑。
作为优选,步骤3)中超细磨装置的出料粒度为600-900目。优选为750-850目。
作为优选,步骤2)中低温加热的温度为800℃-1200℃,优选为900℃-1000℃,更优选为900℃-980℃。
作为优选,步骤2)中低温加热的时间为15-45min,优选为20-30min。
作为优选,步骤1)中,包括以下步骤:
1a)破碎铁矿石得到铁矿石碎料,破碎内配煤得到内配煤碎料。
1b)将铁矿石碎料和内配煤碎料在粘结剂的作用下配料、磨矿,得到球团原料。
1c)球团原料在造球装置中,制成球团。
1d)干燥球团:将球团在第一干燥装置进行干燥预热得到待烧结球团。
作为优选,步骤2)中排出的烧结烟气通入步骤5)中的硅酸钠溶液中,得到净化烟气。
或
步骤2)中排出的烧结烟气先通入第一干燥装置对球团进行干燥,再通入步骤5)中的硅酸钠溶液中,得到净化烟气。
作为优选,净化烟气通入步骤3)中的超细磨装置防止铁氧化。
作为优选,步骤5)中的滤液通入造球装置中参与步骤1c)的造球过程。
作为优选,步骤4)中,采用逆流浸出法从高硅尾渣中浸出硅酸钠溶液。其中,包括以下步骤。
4a)高硅尾渣正向碱浸:第一层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第二层碱浸单元进行碱浸。第二层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第三层碱浸单元进行碱浸。
4b)浸出溶液逆向排出:在第三层碱浸单元加入碱液,第三层浸出溶液加入到第二层碱浸单元,第二层浸出溶液加入到第一层碱浸单元,第一层碱浸单元的浸出溶液通入硅酸钠存储容器中。
4c)保持弱碱性:向第一层碱浸单元和第二层碱浸单元补入碱液,保持第一层碱浸单元和第二层碱浸单元溶液PH值为7-9,优选为7.5-8.5。
作为优选,步骤4)中碱浸后剩余的滤渣作为粘结剂参与到步骤1)中的待烧结球团制取过程。
作为优选,步骤2)中产生的烧结烟气与步骤4)中的固液混合物进行换热。
实施例1
一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,包括以下步骤:
1)制作还原物料:将高硅铁矿制作成待烧结球团。
2)还原待烧结球团:高温加热待烧结球团,得到还原球团,排出烧结烟气。
3)破碎磨选出高硅尾渣:破碎还原球团得到还原碎料,采用超细磨装置磨选还原碎料得到还原粉料,磁选还原粉料得到高硅尾渣。
4)提取硅酸钠溶液:向高硅尾渣中加入碱液得到固液混合物,浸出硅酸钠溶液。
5)提炼白炭黑:向硅酸钠溶液中加入酸洗涤,析出硅酸沉淀,过滤得到滤液,干燥硅酸沉淀得到白炭黑。
实施例2
重复实施例1,只是步骤3)中超细磨装置的出料粒度为800目。
实施例3
重复实施例2,只是步骤2)中低温加热的温度为950℃。
实施例4
重复实施例3,只是步骤2)中低温加热的时间为25min。
实施例5
重复实施例4,只是步骤1)中,包括以下步骤:
1a)破碎铁矿石得到铁矿石碎料,破碎内配煤得到内配煤碎料。
1b)将铁矿石碎料和内配煤碎料在粘结剂的作用下配料、磨矿,得到球团原料。
1c)球团原料在造球装置中,制成球团。
1d)干燥球团:将球团在第一干燥装置进行干燥预热得到待烧结球团。
实施例6
重复实施例5,只是步骤2)中排出的烧结烟气通入步骤5)中的硅酸钠溶液中,得到净化烟气。
实施例7
重复实施例5,只是步骤2)中排出的烧结烟气先通入第一干燥装置对球团进行干燥,再通入步骤5)中的硅酸钠溶液中,得到净化烟气。
实施例8
重复实施例7,只是净化烟气通入步骤3)中的超细磨装置防止铁氧化。
实施例9
重复实施例8,只是步骤5)中的滤液通入造球装置中参与步骤1c)的造球过程。
实施例10
重复实施例9,只是步骤4)中,采用逆流浸出法从高硅尾渣中浸出硅酸钠溶液。其中,包括以下步骤。
4a)高硅尾渣正向碱浸:第一层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第二层碱浸单元进行碱浸。第二层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第三层碱浸单元进行碱浸。
4b)浸出溶液逆向排出:在第三层碱浸单元加入碱液,第三层浸出溶液加入到第二层碱浸单元,第二层浸出溶液加入到第一层碱浸单元,第一层碱浸单元的浸出溶液通入硅酸钠存储容器中。
4c)保持弱碱性:向第一层碱浸单元和第二层碱浸单元补入碱液,保持第一层碱浸单元和第二层碱浸单元溶液PH值为7.5。
实施例11
重复实施例10,只是步骤4)中碱浸后剩余的滤渣作为粘结剂参与到步骤1)中的待烧结球团制取过程。
实施例12
重复实施例11,只是步骤2)中产生的烧结烟气与步骤4)中的固液混合物进行换热。
Claims (21)
1.一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,包括以下步骤:
1)制作还原物料:将高硅铁矿制作成待烧结球团;
2)还原待烧结球团:高温加热待烧结球团,得到还原球团,排出烧结烟气;
3)破碎磨选出高硅尾渣:破碎还原球团得到还原碎料,采用超细磨装置磨选还原碎料得到还原粉料,磁选还原粉料得到高硅尾渣;
4)提取硅酸钠溶液:向高硅尾渣中加入碱液得到固液混合物,浸出硅酸钠溶液;
5)提炼白炭黑:向硅酸钠溶液中加入酸洗涤,析出硅酸沉淀,过滤得到滤液,干燥硅酸沉淀得到白炭黑;
步骤2)中加热的温度为900℃-980℃;步骤3)中超细磨装置的出料粒度为600-900目。
2.一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,包括以下步骤:
1)制作还原物料:将高硅铁矿制作成待烧结球团;
2)还原待烧结球团:高温加热待烧结球团,得到还原球团,排出烧结烟气;
3)破碎磨选出高硅尾渣:破碎还原球团得到还原碎料,采用超细磨装置磨选还原碎料得到还原粉料,磁选还原粉料得到高硅尾渣;
4)提取硅酸钠溶液:向高硅尾渣中加入碱液得到固液混合物,浸出硅酸钠溶液;
5)生成白炭黑:将硅酸钠溶液喷入100-600℃二氧化碳气体中,得到高硅含钠固体;再对高硅含钠固体进行稀酸洗涤、过滤得到滤液,干燥固体得到白炭黑;步骤2)中加热的温度为900℃-980℃;步骤3)中超细磨装置的出料粒度为600-900目。
3.根据权利要求1或2所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,步骤3)中超细磨装置的出料粒度为750-850目。
4.根据权利要求3所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,步骤2)中加热的时间为15-45min。
5.根据权利要求4所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,步骤2)中加热的时间为20-30min。
6.根据权利要求1-2、4-5中任一项所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,步骤1)中,包括以下步骤:
1a)破碎铁矿石得到铁矿石碎料,破碎内配煤得到内配煤碎料;
1b)将铁矿石碎料和内配煤碎料在粘结剂的作用下配料、磨矿,得到球团原料;
1c)球团原料在造球装置中,制成球团;
1d)干燥球团:将球团在第一干燥装置进行干燥预热得到待烧结球团。
7.根据权利要求3所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,步骤1)中,包括以下步骤:
1a)破碎铁矿石得到铁矿石碎料,破碎内配煤得到内配煤碎料;
1b)将铁矿石碎料和内配煤碎料在粘结剂的作用下配料、磨矿,得到球团原料;
1c)球团原料在造球装置中,制成球团;
1d)干燥球团:将球团在第一干燥装置进行干燥预热得到待烧结球团。
8.根据权利要求1-2、4-5、7中任一项所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,步骤2)中排出的烧结烟气通入步骤5)中的硅酸钠溶液中,得到净化烟气;或
步骤2)中排出的烧结烟气先通入第一干燥装置对球团进行干燥,再通入步骤5)中的硅酸钠溶液中,得到净化烟气。
9.根据权利要求3所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,步骤2)中排出的烧结烟气通入步骤5)中的硅酸钠溶液中,得到净化烟气;或
步骤2)中排出的烧结烟气先通入第一干燥装置对球团进行干燥,再通入步骤5)中的硅酸钠溶液中,得到净化烟气。
10.根据权利要求8所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,净化烟气通入步骤3)中的超细磨装置防止铁氧化。
11.根据权利要求9所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,净化烟气通入步骤3)中的超细磨装置防止铁氧化。
12.根据权利要求6所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,步骤5)中的滤液通入造球装置中参与步骤1c)的造球过程。
13.根据权利要求7、9-11中任一项所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,步骤5)中的滤液通入造球装置中参与步骤1c)的造球过程。
14.根据权利要求1-2、4-5、7、9-12中任一项所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,步骤4)中,采用逆流浸出法从高硅尾渣中浸出硅酸钠溶液;其中,包括以下步骤;
4a)高硅尾渣正向碱浸:第一层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第二层碱浸单元进行碱浸;第二层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第三层碱浸单元进行碱浸;
4b)浸出溶液逆向排出:在第三层碱浸单元加入碱液,第三层浸出溶液加入到第二层碱浸单元,第二层浸出溶液加入到第一层碱浸单元,第一层碱浸单元的浸出溶液通入硅酸钠存储容器中;
4c)保持弱碱性:向第一层碱浸单元和第二层碱浸单元补入碱液,保持第一层碱浸单元和第二层碱浸单元溶液p H值为7-9。
15.根据权利要求3所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,步骤4)中,采用逆流浸出法从高硅尾渣中浸出硅酸钠溶液;其中,包括以下步骤;
4a)高硅尾渣正向碱浸:第一层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第二层碱浸单元进行碱浸;第二层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第三层碱浸单元进行碱浸;
4b)浸出溶液逆向排出:在第三层碱浸单元加入碱液,第三层浸出溶液加入到第二层碱浸单元,第二层浸出溶液加入到第一层碱浸单元,第一层碱浸单元的浸出溶液通入硅酸钠存储容器中;
4c)保持弱碱性:向第一层碱浸单元和第二层碱浸单元补入碱液,保持第一层碱浸单元和第二层碱浸单元溶液p H值为7-9。
16.根据权利要求14所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,保持第一层碱浸单元和第二层碱浸单元溶液p H值为7.5-8.5。
17.根据权利要求15所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,保持第一层碱浸单元和第二层碱浸单元溶液p H值为7.5-8.5。
18.根据权利要求1-2、4-5、7、9-12、15-17中任一项所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,步骤4)中碱浸后剩余的滤渣作为粘结剂参与到步骤1)中的待烧结球团制取过程。
19.根据权利要求3所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,步骤4)中碱浸后剩余的滤渣作为粘结剂参与到步骤1)中的待烧结球团制取过程。
20.根据权利要求1-2、4-5、7、9-12、15-17、19中任一项所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,步骤2)中产生的烧结烟气与步骤4)中的固液混合物进行换热。
21.根据权利要求3所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺,其特征在于,步骤2)中产生的烧结烟气与步骤4)中的固液混合物进行换热。
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