专利摘要
本发明提出一种高铁赤泥铁、铝、钠高效分离的方法，方法以高铁赤泥为原料，适当加入铁精矿和焦粉后压制成赤泥球团；干燥、预热后使用转底炉直接还原铁、钠等金属氧化物；还原后的金属化球团送入铁浴式氧煤熔融还原炉高温熔化分离；分离后的铁用于炼钢，高铝熔渣经改性后回收氧化铝；从废气携带的烟尘中回收钠金属氧化物；氧煤熔融还原炉产生的混合煤气经改质后返回转底炉使用。本发明可有效实现赤泥资源的高效回收和大规模工业综合利用。
权利要求
1.一种高铁赤泥铁、铝、钠高效分离综合利用的方法，其特征在于该方法以化学成分为：Fe2O3为30~70wt%、Al2O3为10~50wt%、SiO2为0~15wt%、Na2O为0~10wt%、其余为水和其他杂质的高铁赤泥为原料，适当加入铁精矿并按照一定比例加入焦粉后压制成赤泥含碳球团；利用废气干燥、预热后，使用转底炉直接还原法还原赤泥含碳球团中的金属氧化物；将还原后的赤泥金属化球团热送进入铁浴式氧煤熔融还原炉，通过煤氧燃烧进行高温熔化分离；分离后的铁水送至炼钢系统，高铝高温熔渣经添加氧化钙改性后，控温冷却获得自粉性炉渣供浸出工艺提纯回收氧化铝使用；从废气携带的烟尘中回收附着在烟尘上的氧化钠；氧煤熔融还原炉产生的混合煤气经改质后返回转底炉作燃烧燃料使用。
2.根据权利要求1所述的高铁赤泥铁、铝、钠高效分离综合利用的方法，其特征在于：适当加入铁精矿是指在高铁赤泥中加入铁精矿，保证Fe2O3和Al2O3的总含量不小于50wt%；按照一定比例加入焦粉是指所用焦粉中的固定碳含量与高铁赤泥所含铁氧化物、钠氧化物和加入铁精矿所含的铁氧化物中的氧元素总含量的摩尔比为C/O=1.1~1.4；压制成赤泥含碳球团是指使用压球机或造球机制成直径为8~30mm的球型或椭球型球团。
3.根据权利要求1所述的高铁赤泥铁、铝、钠高效分离综合利用的方法，其特征在于，使用转底炉直接还原法还原赤泥球团中的金属氧化物是指：将赤泥含碳球团按照装料厚度为1~5层的范围装入到转底炉内，向转底炉内通入由铁浴式氧煤熔融还原炉产生并经改质炉处理的高温煤气，与利用转底炉尾气预热的富氧空气燃烧，炉膛温度控制为1200~1450℃，还原时间为20~60min，制取金属化率为50~95%的赤泥金属化球团。
4.根据权利要求1所述的高铁赤泥铁、铝、钠高效分离综合利用的方法，其特征在于，将还原后的赤泥金属化球团热送进入铁浴式氧煤熔融还原炉，通过煤氧燃烧进行高温熔化分离是指：将赤泥金属化球团高温输送装入到无料柱、氧煤熔融还原炉内，全氧煤粉混合喷入炉内渣中，喷入的煤粉量控制在300～1000kg/吨铁水，氧气用量控制在500～1200m3/吨铁水；依据赤泥金属化球团中Al2O3和SiO2的含量加入适量的CaO熔剂，控制炉渣二元碱度m（CaO）/m(SiO2)在1.0～1.2之间；控制二次燃烧率（PCR=CO2%/（CO%+CO2%）×100％）在8~50%范围内，相应的炉内熔渣温度为1600±100℃。
5.根据权利要求1所述的高铁赤泥铁、铝、钠高效分离综合利用的方法，其特征在于，分离后的铁水送至炼钢系统，高铝高温熔渣经添加氧化钙改性后，控温冷却获得自粉性炉渣供浸出工艺提纯回收氧化铝使用是指：熔炼终点的铁水由铁水罐送至炼钢系统，上层高铝渣排出过程中加入生石灰，配入生石灰的数量保证熔渣中碱度CaO/SiO2=2.0±0.1，CaO/Al2O3=1.4±0.1范围内，控制冷却速度小于10℃/min，以使生成的矿相90wt%为铝酸钙炉渣。
6.根据权利要求1所述的高铁赤泥铁、铝、钠高效分离综合利用的方法，其特征在于，所述的改质是指：将燃烧后的含二氧化碳、一氧化碳、水蒸气和氢气的混合煤气，通入焦炭床反应器进行改质，使煤气的氧化度(H2O%+CO2%)/(H2O%+CO2%+H2%+CO%)×100％降低至10%以内。
说明书
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及一种高铁赤泥铁、铝、钠等有价金属元素高效分离综合利用的方法。
背景技术
赤泥是一种氧化铝生产过程中所产生的固体废弃物。中国氧化铝企业每生产1t氧化铝则副产1.0~1.8t赤泥。目前，中国的赤泥堆存量已达2亿多吨，预计2015年将达到3亿吨。赤泥的堆存不仅需要维护，而且占用土地、污染环境、并且存在着安全隐患。
普遍采用的拜耳法生产氧化铝后外排的赤泥，其主要化学成分为：Fe2O3为10~70wt%、Al2O3为8~50wt%、SiO2为7~15wt%、Na2O为3~10wt%、CaO为10~25wt%，由此看出，赤泥中的铁含量比较丰富，但由于钠等碱金属以及氧化铝含量超标，不能直接用于炼铁或者直接还原生产金属化球团，在工业生产中未能得到大量使用。随着品位高、易分选的铁矿资源的日益减少，铁矿石价格持续高涨，迫切需要依靠技术进步来最大限度地开发如赤泥一类的复杂难选冶的贫化资源。
现阶段回收赤泥中氧化铝的生产方法主要是烧结法，该方法以拜耳法赤泥和碳酸钠混合，在1000℃以上进行烧结，得到固体铝酸钠烧结产物，然后用稀碱溶液溶出得到铝酸钠溶液，往溶液中通入CO2得到氢氧化铝，煅烧氢氧化铝即可得到氧化铝产品。残留在溶液中的碳酸钠可继续循环使用。回收氧化钠的方法是在未回收氧化铝的情形下，通过向赤泥里添加CaO进行水热反应，让氧化钠进入液相，进而达到回收氧化钠的目的。回收铁的方法一般是在常规烧结矿或球团矿或块矿等入炉炉料中添加少量赤泥，使含铁炉料中钠等碱金属含量≤0.35%，否则碱金属在炉内累积，破坏炉衬，此外，含铁炉料中的氧化铝含量要求使炉渣氧化铝含量尽量控制在7~15wt%之间，以防止高铝渣产生的炉墙粘结、炉缸堆积等破坏高炉正常冶炼的问题。
以上铝、铁、钠等的回收方法均存在能耗高、回收率低、经济上不可行和难以实现大规模工业应用等问题，严重制约赤泥中有价金属的回收和综合利用。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种高铁赤泥铁、铝、钠高效分离综合利用的方法。核心工艺步骤为：
（1）将赤泥制成合格的含碳球团；
（2）使用转底炉直接还原法还原赤泥中的铁、钠等金属氧化物;
（3）转底炉还原出的钠金属进入转体炉上层后氧化为氧化钠，从废气携带的烟尘中回收这些附着在烟尘上的氧化钠；
（4）将还原后的赤泥金属化球团热送进入铁浴式氧煤熔融还原炉，通过煤氧燃烧进行高温熔化，以完成铁、铝熔融分离；
（5）分离后的铁水送至炼钢系统，高铝高温熔渣经添加氧化钙改性后，控温冷却获得自粉性炉渣经传统浸出工艺提纯回收氧化铝。
本发明所述的高铁赤泥的化学成分为：Fe2O3为30~70wt%、Al2O3为10~50wt%、SiO2为0~15wt%、Na2O为0~10wt%，其余为水和其他杂质。
本发明所述的赤泥含碳球团是将具有上述化学成分的高铁赤泥和焦粉按照一定比例混合后使用压球机或造球机制成直径为8~30mm的球型或椭球型球团。造球时可适当配入铁精矿粉，提高入炉原料的品位，保证Fe2O3和Al2O3的总含量不小于50wt%，所用焦粉中的固定碳含量与高铁赤泥所含铁氧化物、钠氧化物和加入铁精矿所含的铁氧化物中的氧元素总含量的摩尔比为C/O=1.1~1.4。
本发明所述的转底炉直接还原法是将上述制成的赤泥含碳球团干燥、预热后布料装入转底炉内进行快速还原。装料层数控制在1~5层范围内。转底炉的热量来源于铁浴熔分炉产生的高温煤气经改质炉后送入转底炉内，与利用转底炉尾气预热的富氧空气燃烧，炉膛温度控制为1200~1450℃。转底炉料层内为强还原气氛，球团内的铁的氧化物和钠的氧化物，被球团内部的碳直接还原，还原时间为20~60min，得到金属化率为50~95%赤泥金属化球团。转底炉还原出的钠金属在球团表层高温还原势下形成钠蒸汽，钠蒸汽进入转体炉上层后被氧化为氧化钠，附着在烟尘上随废气排出，所以要从废气携带的烟尘中回收这些附着在烟尘上的氧化钠；
本发明所采用的铁浴熔分炉为氧煤熔融还原炉。将上述赤泥金属化球团高温连续输送并经耐高温布料器装入铁浴炉，铁浴炉内无料柱，氧气煤粉混合喷入渣内，装入的赤泥金属化球团在渣层内完成还原和熔分，喷入的煤粉量控制在300～1000kg/吨铁水，氧气用量控制在500～1200m3/吨铁水，依据赤泥金属化球团中Al2O3和SiO2的含量加入适量的CaO熔剂，控制炉渣二元碱度m（CaO）/m(SiO2)在1.0～1.2之间；控制二次燃烧率（PCR=CO2%/（CO%+CO2%）×100％）在8~50%范围内，相应的炉内熔渣温度为1600±100℃。
在本发明所述的铁铝分离方法中，熔炼终点的铁水由铁水罐送炼钢系统，上层高铝渣排出过程中加入生石灰，配入生石灰的数量必须保证熔渣中碱度CaO/SiO2=2.0±0.1，CaO/Al2O3=1.4±0.1范围内，控温冷却，冷却速度小于10℃/min，以使生成的矿相90wt%为铝酸钙炉渣。
本发明中氧煤熔融还原炉所产生的混合煤气主要包含二氧化碳、一氧化碳、水蒸气和氢气，将这种煤气通入焦炭床反应器进行改质，使煤气的氧化度(H2O%+CO2%)/(H2O%+CO2%+H2%+CO%)×100％降低至10%以内，优选为5%以内，改质后的高热值煤气返回转底炉作燃烧燃料使用。
与现有技术相比，本发明的优势或特点主要包括以下方面：
（1）本发明使用转底炉直接还原赤泥球团工艺，与传统高炉处理钠高铁矿资源相比，能还原出金属钠蒸汽，并在烟气管道中回收氧化钠，而不会在炉内结瘤富集，破坏炉衬。
（2）本发明使用氧煤铁浴熔融还原炉进行金属化球团的深还原工艺，与传统高炉相比，由于铁浴熔分炉无固体料柱且冶炼温度较高不致造成炉渣粘稠，炉缸堆积，并且能使得炼铁固体废弃物高铝渣资源化利用，提取氧化铝，产生更好的经济效益。
（3）本发明与背景技术中的专利技术相比，可实现大规模工业应用，且同时回收铁、铝、钠等有价元素，合理利用废弃的赤泥资源。
具体实施方式
本发明使用转底炉-煤氧铁浴熔分炉联合工艺，主体设备为转底炉和铁浴炉，转底炉用来将赤泥含碳球团铁、钠等金属氧化物直接还原，钠蒸汽上升后被氧化，随粉尘进入烟道回收氧化钠，铁浴炉用来对转底炉还原后的金属化球团进行进一步的熔融深还原。铁浴炉还原后，铁水送至炼钢系统，向排出的熔渣中加入一定量的石灰，使之发生化学反应，生成利于提取氧化铝的铝酸钙矿相，为后续提取氧化铝奠定矿物基础条件。
实施例1
根据本发明的一个示例性实施例，实现高铁赤泥铁、铝、钠的高效分离和综合利用包括以下步骤：
（1）赤泥等物料的矿物加工。本实施例采用赤泥的化学成分主要为：Fe2O3为54.03wt%、Al2O3为18.75wt%、SiO27.15wt%、Na2O5.10wt%，其他为水和杂质，根据煤粉中的固定碳与赤泥中含铁氧化物和钠氧化物的总氧量，按摩尔比C/O=1.2，将煤粉和干燥后的赤泥混匀后使用压球机制成直径为10~18mm的含碳球团矿。
（2）转底炉快速还原。将制成的球团加入转底炉内进行快速还原，球团在炉底部铺展为1层，燃烧助燃空气富氧率为5%，控制炉膛温度1200℃，还原时间为40min，得到金属化率为85%赤泥金属化球团，还原出的钠金属在球团表层高温还原势下形成钠蒸汽，钠蒸汽进入上层高氧化性气氛后氧化为氧化钠，附着在烟尘上排出、回收。
（3）铁浴炉深还原。将上述金属化球团高温连续输送并经耐高温布料器装入铁浴炉，铁浴炉内无料柱，氧煤喷入渣内，热球团在渣层内完成还原和熔分，喷入的煤粉量为600kg/吨铁水，并依据赤泥中氧化铝和二氧化硅的含量加入氧化钙熔剂，控制炉渣二元碱度在为1.1；喷入氧气825m3/吨铁水，二次燃烧率控制在25%。
（4）煤气改质处理。铁浴式氧煤熔融还原炉燃烧后产生的含二氧化碳、一氧化碳、水蒸气和氢气的混合煤气，通入焦炭床反应器，经改质反应后，煤气的氧化度(H2O+CO2)/(H2O+CO2+H2+CO)降低至4.0%，改质后的高热值煤气返回转底炉作为燃料使用。
（5）渣铁分离与渣的矿化处理。熔炼终点的铁水由铁水罐送炼钢系统，上层高铝渣排出后加入生石灰，配入生石灰的量必须保证熔渣中碱度CaO/SiO2=2.0，CaO/Al2O3=1.4，控温冷却速度为8℃/min，生成的矿相90wt%为铝酸钙炉渣，生成的铝酸钙渣通过传统的浸出工艺提取氧化铝。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于赤泥的化学成分主要为：Fe2O337.03wt%、Al2O319.87wt%、SiO28.26wt%、Na2O4.68wt%，其余为水和杂质，同时向赤泥中配入铁精矿粉，使球团矿的全铁含量为TFe=50%，与煤粉按摩尔比C/O=1.15，混合后使用压球机制成直径为8~16mm的含碳球团矿，球团在炉底部铺展为3层，燃烧助燃空气富氧率为10%，控制炉膛温度1280℃，还原时间为30min，得到金属化率为90%金属化球团，还原出的钠金属在球团表层高温还原势下形成钠蒸汽，钠蒸汽进入上层高氧化性气氛后氧化为氧化钠，附着在烟尘上排出、回收。铁浴炉喷入的煤粉量为500kg/吨铁水，控制炉渣二元碱度在1.05；按喷入氧气525m3/吨铁水，二次燃烧率控制在30%。其它工艺相同。
综上所述，本工艺流程的主要特征是对赤泥资源进行压球或造球后，先送入转底炉进行直接还原，再通过热输送进入氧煤铁浴炉进行终还原以实现铁、铝、钠等有价元素的高效分离与回收。本工艺与其它工艺显著不同之处在于能使铁、铝、钠等有价元素彻底分离同时保证高回收率，实现废弃资源的大规模工业利用，本发明无工业“三废”排出，最终产品包括铁水、氧化铝、煤气、氧化钠、水泥和二氧化碳，本发明是一种高效清洁生产工艺。
一种高铁赤泥铁、铝、钠高效分离综合利用的方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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