赤泥含碳球團的製備方法和製備系統與流程
2023-05-23 14:03:06 2
本發明屬於資源再生利用技術領域。具體而言，本發明涉及赤泥含碳球團的製備方法和製備系統。
背景技術：
赤泥，是鋁土礦提煉氧化鋁過程中產生的廢棄物，因其為赤紅色泥漿而得名。隨著鋁工業的不斷發展，目前全世界每年產出6000萬噸赤泥，我國的赤泥排放量每年為450萬噸以上。世界上大多數氧化鋁廠是將赤泥堆積或者傾入深海。赤泥中含有大量的鐵、鋁、鈉、鈣等金屬，赤泥的堆存不僅佔用大量的土地和農田，耗費較多的堆場建設及維護費用，造成嚴重的水質汙染，且浪費了大量的金屬資源。赤泥中所含有價金屬組分如Fe2O3、Al2O3、Na2O、TiO2，多為經濟價值較低的鹼金屬，單獨就某一種元素進行回收利用不能很好地解決工藝經濟性和赤泥堆存量巨大的問題，必須採用多種金屬聯合回收技術才能真正的實現赤泥的綜合利用和減量化。因此，赤泥的綜合治理及其金屬資源的有效回收成為人們日益關注的焦點。
農、林廢棄物如稻殼、花生殼、木屑、鋸末等靠吸收大氣中的CO2和利用光能生長，屬於可再生的潔淨燃料，而且不會額外增加大氣中的CO2，是一種CO2中性物質，既具有CO2零排放的特點。另外，將農林廢棄物應用在煉鐵中，可解決由於農村焚燒農林廢棄物產生大量氣體及氣溶膠組分而帶來霧霾天氣的問題。
隨著中國塑料產品的大量使用，廢塑料急劇增加，「白色汙染」已成為環境保護突出的問題。因此，積極開展廢塑料的綜合回收利用技術對中國環境保護和資源合理化利用具有重要的現實意義。
經過檢索現有文獻和專利，已有通過隧道窯、迴轉窯、豎爐或轉底爐處理這些赤泥生產金屬化球團，進而磨礦磁選生產金屬鐵粉的工藝。這些工藝都需要對原料首先進行成型處理，在成型過程中要加入水或者液體粘結劑進行成型，得到的含碳球團經過烘乾後才能進行還原，但是由於赤泥粒度過細，0.046mm以下顆粒佔85％以上。所得的球團孔隙率不高，導致後續直接還原過程中的脫鹼率低、還原溫度較高，還原時間較長，從而增大了能耗。因此，針對顆粒細小的赤泥直接還原處理含碳球團製備工藝進行改進。
技術實現要素：
本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在於提出一種赤泥含碳球團的製備方法和製備系統，利用該方法或系統製備得到的赤泥含碳球團具有直接還原效率高、成本低等優點。
根據本發明的一個方面，本發明提出了一種赤泥含碳球團的製備方法，包括：
將赤泥進行乾燥處理，以便得到乾燥赤泥；
將所述乾燥赤泥與還原劑、添加劑、造孔劑和粘結劑進行混合，以便得到混合物料；
將所述混合物料進行成型處理，以便得到赤泥含碳球團。
另外，根據本發明上述實施例的赤泥含碳球團的製備方法還可以具有如下附加的技術特徵：
在本發明的一些實施例中，所述赤泥為拜耳法赤泥、燒結法赤泥和聯合法赤泥中的至少一種。
在本發明的一些實施例中，所述還原劑為蘭炭、焦炭和非煉焦煤中的至少一種，所述還原劑的平均粒度為1-3mm。
在本發明的一些實施例中，所述添加劑為生石灰、石灰石、碳酸鈣和白雲石中的至少一種，所述添加劑的平均粒度為不大於0.074mm。
在本發明的一些實施例中，所述造孔劑為稻殼、花生殼、木屑、廢塑料顆粒中的至少一種，所述造孔劑的平均粒度為不大於1mm。
在本發明的一些實施例中，所述粘結劑為膨潤土和/或澱粉溶液。
在本發明的一些實施例中，製備赤泥含碳球團的原料配比為：赤泥100重量份，還原劑5～10重量份，添加劑5～10重量份，粘結劑2～10重量份，造孔劑3～10重量份。
在本發明的一些實施例中，所述乾燥處理的溫度為100～200℃。
在本發明的一些實施例中，所述的製備赤泥含碳球團的成型方法為壓球，壓球機線壓力為4～7噸/釐米。
根據本發明的第二方面，本發明還提出一種赤泥含碳球團的製備系統，包括：
乾燥設備，所述乾燥設備具有赤泥入口和乾燥赤泥出口；
混合設備，所述混合設備具有乾燥赤泥入口、還原劑入口、添加劑入口、造孔劑入口、粘結劑入口和混合物料出口；所述乾燥赤泥入口與所述乾燥赤泥出口相連；
成型設備，所述成型設備具有混合物料入口和赤泥含碳球團出口，所述混合物料入口與所述混合物料出口相連。
另外，根據本發明上述實施例的赤泥含碳球團的製備系統還可以具有如下附加的技術特徵：
在本發明的一些實施例中，所述赤泥入口與拜耳法赤泥出口、燒結法赤泥出口和聯合法赤泥出口中的至少一個相連。
在本發明的一些實施例中，還原劑入口包括蘭炭入口、焦炭入口和非煉焦煤入口中的至少一個。
在本發明的一些實施例中，所述添加劑入口包括生石灰入口、石灰石入口、碳酸鈣入口和白雲石入口中的至少一個。
在本發明的一些實施例中，所述造孔劑入口包括稻殼入口、花生殼入口、木屑入口和廢塑料顆粒入口中的至少一個。
在本發明的一些實施例中，所述粘結劑入口包括為膨潤土入口和/或澱粉溶液入口。
在本發明的一些實施例中，所述成型設備為壓球機。
附圖說明
圖1是根據本發明一個實施例的赤泥含碳球團的製備方法的流程圖。
圖2是根據本發明一個實施例的赤泥含碳球團的製備系統的結構示意圖。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
根據本發明的一個方面，本發明提出了一種赤泥含碳球團的製備方法。下面參考圖1詳細描述本發明具體實施例的赤泥含碳球團的製備方法。
根據本發明具體實施例的赤泥含碳球團的製備方法包括：將赤泥進行乾燥處理，以便得到乾燥赤泥；將所述乾燥赤泥與還原劑、添加劑、造孔劑和粘結劑進行混合，以便得到混合物料；將所述混合物料進行成型處理，以便得到赤泥含碳球團。
由此採用本發明上述實施例的赤泥含碳球團製備方法，首先將乾燥赤泥、還原劑、添加劑、造孔劑、粘結劑混合均勻，然後將混合物料進行成型處理，即可得到一種赤泥含碳球團。利用上述方法製備得到的赤泥含碳球團在進行高溫焙燒的直接還原的過程中，造孔劑可以在高溫下分解生成氣體，使得赤泥含碳球團出現大量空隙，從而便於CO等還原性氣體向赤泥含碳球團內部擴散，從而顯著提高了還原效率和還原程度，降低能耗。
根據本發明的具體實施例，上述方法可以適用於拜耳法赤泥、燒結法赤泥和聯合法赤泥中的至少一種。具體地，生產氧化鋁用於工業生產的幾乎全屬於鹼法。鹼法生產氧化鋁又分為拜耳法、燒結法和聯合法，進而產生的赤泥分別為拜耳法赤泥、燒結法赤泥和聯合法赤泥。更具體地，例如燒結法生產氧化鋁是將鋁土礦、碳酸鈉和石灰製成料漿進行燒結得到鋁酸鈉溶液，再經脫矽淨化和碳酸化分解得到氫氧化鋁晶體，再經焙燒脫水得到氧化鋁產品。生產過程中得到的廢物即為燒結法赤泥。本發明上述實施例的赤泥含碳球團的方法可以適用於拜耳法赤泥、燒結法赤泥和聯合法赤泥中的至少一種。由此可以進一步提高該方法的適用範圍。
根據本發明的具體實施例，首先，對上述赤泥進行乾燥處理，具體地乾燥處理的溫度為100～200℃。由此可以進一步提高幹燥效率。
根據本發明的具體實施例，採用的還原劑可以為蘭炭、焦炭和非煉焦煤中的至少一種。由此通過預先將赤泥與上述還原劑混合製備成球團，可以進一步提高赤泥與還原劑的接觸面積，進而提高赤泥的還原效果。並且採用蘭炭、焦炭和非煉焦煤中的至少一種作為還原劑，可以進一步提高還原效果。上述還原劑的平均粒度可以為1-3mm。若還原劑粒度過粗，則還原反應不充分；粒度過細，造成球團孔隙較小，不利於還原反應的進行。控制還原劑的平均粒度為1-3mm可以使還原反應充分有效進行。
根據本發明的具體實施例，採用的添加劑為生石灰、石灰石、碳酸鈣和白雲石中的至少一種。由此通過預先將赤泥與上述添加劑混合製備成球團，可以降低還原溫度，促進鐵氧化物的還原。並且採用生石灰、石灰石、碳酸鈣和白雲石中的至少一種作為添加劑，可以進一步提高還原效果。上述添加劑的平均粒度為不大於0.074mm。由此便於壓球，並且有利於還原反應的進行。
根據本發明的具體實施例，上述方法中在製備赤泥含碳球團時，向其中加入了造孔劑，造孔劑在赤泥含碳球團後續的直接還原過程中，會焙燒成炭，進而體積縮小，使得赤泥含碳球團出現大量孔洞，進而便於還原性氣體擴散到球團內部，提高還原效果。具體地，採用的造孔劑可以為稻殼、花生殼、木屑、廢塑料顆粒中的至少一種，並且平均粒度為不大於1mm。由此採用上述造孔劑不僅可以降低原料成本，同時稻殼、花生殼、木屑或廢塑料顆粒經過高溫焙燒後的體積會顯著減小，進而可以進一步提高造孔效果。另外，發明人還發現，通過控制造孔劑的平均粒徑為不大於1mm，造孔劑粒度過大，不利於球團成型。因此控制造孔劑的平均粒徑不大於1mm，可以在赤泥含碳球團內形成孔徑適宜的空隙，進而不會明顯地影響赤泥含碳球團的成型性和硬度。
另外，在製備赤泥含碳球團過程中加入稻殼、花生殼、木屑、廢塑料顆粒等造孔劑不僅可以起到造孔提高還原效果的作用，同時造孔劑在直接還原過程中被焙燒成的炭還可以進一步發揮還原作用，從而可以替代一部分的還原劑，降低還原劑用量。因此，採用本發明上述實施例的赤泥含碳球團的製備方法，可以製備得到具有空隙發達的赤泥含碳球團，提高赤泥含碳球團後續的還原效率，同時還可以進一步降低還原劑成本。
根據本發明的具體實施例，採用的粘結劑可以為膨潤土和/或澱粉溶液。由此可以進一步提高製備得到球團的成型效果，另外採用膨潤土和/或澱粉溶液作為粘結劑還可以進一步提高含碳赤泥球團的硬度。
根據本發明的具體實施例，製備赤泥含碳球團的原料配比可以為：赤泥100重量份，還原劑5～10重量份，添加劑5～10重量份，粘結劑2～10重量份，造孔劑3～10重量份。由此按照上述配比可以有效地製備得到赤泥含碳球團。並且上述原料中的赤泥用量，粘結劑、添加劑和造孔劑的加入量需要綜合考慮赤泥含碳球團在直接還原過程中形成的孔隙率以及球團的硬度等。發明人發現，通過採用上述配比製備得到的赤泥含碳球團在直接還原過程中形成的孔隙率可以達到30-40體積％。通常赤泥含碳球團本身是具有一些空隙，但孔隙率較低。通過按照上述原料和配比向赤泥中加入造孔劑後，可有效提高其孔隙率。由此可以使得還原性氣體充分擴散到球團的內部，進而顯著提高還原效果。
根據本發明的具體實施例，製備赤泥含碳球團的成型方法可以為壓球，並且壓球機線壓力採用4～7噸/釐米。由此可以進一步提高成型效果，以及使得赤泥含碳球團具有適於直接還原的硬度。由於加入了一定量的造孔劑，造孔劑的密度比較低，發明人發現，採用4～7噸/釐米的線壓力，可以製備得到硬度複合要求的赤泥含碳球團。
根據本發明的具體實施例，成型處理後得到的赤泥含碳球團還可以進一步送去乾燥，得到乾燥的赤泥含碳球團。由此乾燥的赤泥含碳球團可以直接進行直接還原處理，從而提高直接還原處理效率。
根據本發明的另一方面，本發明還提出了一種赤泥含碳球團的製備系統。下面參考圖2詳細描述本發明具體實施例的赤泥含碳球團的製備系統。
根據本發明具體實施例的赤泥含碳球團的製備系統包括：乾燥設備10、混合設備20和成型設備30。其中，乾燥設備10具有赤泥入口11和乾燥赤泥出口12；混合設備20具有乾燥赤泥入口21、還原劑入口22、添加劑入口23、造孔劑入口24、粘結劑入口25和混合物料出口26；乾燥赤泥入口21與乾燥赤泥出口12相連；成型設備30具有混合物料入口31和赤泥含碳球團出口32，混合物料入口31與混合物料出口26相連。
由此採用本發明上述實施例的赤泥含碳球團製備系統，首先利用乾燥設備10對赤泥進行乾燥；其次，利用混合設備20將乾燥赤泥、還原劑、添加劑、造孔劑、粘結劑混合均勻；最後，將混合物料進行成型處理，即可得到一種赤泥含碳球團。利用上述系統製備得到的赤泥含碳球團在進行高溫焙燒的直接還原的過程中，造孔劑可以在高溫下分解生成氣體，使得赤泥含碳球團出現大量空隙，從而便於CO等還原性氣體向赤泥含碳球團內部擴散，從而顯著提高了還原效率和還原程度，降低能耗。
根據本發明的具體實施例，根據本發明的具體實施例，上述系統可以適用於將拜耳法生產三氧化二鋁產生的赤泥、燒結法產生的赤泥和聯合法產生赤泥製備成赤泥含碳球團。由此可以進一步提高該系統的適用性。由此，根據本發明的具體示例，赤泥入口11可以與拜耳法赤泥出口、燒結法赤泥出口和聯合法赤泥出口中的至少一個相連。
具體地，生產氧化鋁用於工業生產的幾乎全屬於鹼法。鹼法生產氧化鋁又分為拜耳法、燒結法和聯合法，進而產生的赤泥分別為拜耳法赤泥、燒結法赤泥和聯合法赤泥。更具體地，例如燒結法生產氧化鋁是將鋁土礦、碳酸鈉和石灰製成料漿進行燒結得到鋁酸鈉溶液，再經脫矽淨化和碳酸化分解得到氫氧化鋁晶體，再經焙燒脫水得到氧化鋁產品。生產過程中得到的廢物即為燒結法赤泥。
根據本發明的具體實施例，乾燥設備內溫度適於設置為100～200℃。由此在100～200℃的溫度下對赤泥進行乾燥處理，可以進一步提高幹燥效率。
根據本發明的具體實施例，還原劑入口22包括蘭炭入口、焦炭入口和非煉焦煤入口中的至少一個。由此通過蘭炭入口、焦炭入口和非煉焦煤入口可以向混合設備20中加入蘭炭、焦炭和非煉焦煤中的至少一種。由此通過預先將赤泥與上述還原劑混合製備成球團，可以進一步提高赤泥與還原劑的接觸面積，進而提高赤泥的還原效果。並且採用蘭炭、焦炭和非煉焦煤中的至少一種作為還原劑，可以進一步提高還原效果。上述還原劑的平均粒度可以為1-3mm。若還原劑粒度過粗，則還原反應不充分；粒度過細，造成球團孔隙較小，不利於還原反應的進行。控制還原劑的平均粒度為1-3mm可以使還原反應充分有效進行。
根據本發明的具體實施例，添加劑入口23包括生石灰入口、石灰石入口、碳酸鈣入口和白雲石入口中的至少一個。由此通過石灰入口、石灰石入口、碳酸鈣入口和白雲石入口可以向混合設備20中加入生石灰、石灰石、碳酸鈣和白雲石中的至少一種添加劑。由此通過預先將赤泥與上述添加劑混合製備成球團，可以降低還原溫度，促進鐵氧化物的還原。並且採用生石灰、石灰石、碳酸鈣和白雲石中的至少一種作為添加劑，可以進一步提高還原效果。上述添加劑的平均粒度為不大於0.074mm。由此便於壓球，並且有利於還原反應的進行。
根據本發明的具體實施例，造孔劑入口24包括稻殼入口、花生殼入口、木屑入口和廢塑料顆粒入口中的至少一個。由此通過稻殼入口、花生殼入口、木屑入口和廢塑料顆粒入口可以向混合設備20中加入稻殼、花生殼、木屑和廢塑料顆粒中的至少一種造孔劑。由此在製備赤泥含碳球團時，向其中加入上述造孔劑，造孔劑在赤泥含碳球團後續的直接還原過程中，會焙燒成炭，進而體積縮小，使得赤泥含碳球團出現大量孔洞，進而便於還原性氣體擴散到球團內部，提高還原效果。具體地，採用的造孔劑可以為稻殼、花生殼、木屑、廢塑料顆粒中的至少一種，並且平均粒度為不大於1mm。由此採用上述造孔劑不僅可以降低原料成本，同時稻殼、花生殼、木屑或廢塑料顆粒經過高溫焙燒後的體積會顯著減小，進而可以進一步提高造孔效果。另外，發明人還發現，通過控制造孔劑的平均粒徑為不大於1mm，造孔劑粒度過大，不利於球團成型。因此控制造孔劑的平均粒徑不大於1mm，可以在赤泥含碳球團內形成孔徑適宜的空隙，進而不會明顯地影響赤泥含碳球團的成型性和硬度。
另外，在製備赤泥含碳球團過程中加入稻殼、花生殼、木屑、廢塑料顆粒等造孔劑不僅可以起到造孔提高還原效果的作用，同時造孔劑在直接還原過程中被焙燒成的炭還可以進一步發揮還原作用，從而可以替代一部分的還原劑，降低還原劑用量。因此，採用本發明上述實施例的赤泥含碳球團的製備系統，可以製備得到具有空隙發達的赤泥含碳球團，提高赤泥含碳球團後續的還原效率，同時還可以進一步降低還原劑成本。
根據本發明的具體實施例，粘結劑入口25包括為膨潤土入口和/或澱粉溶液入口。由此可以通過膨潤土入口和/或澱粉溶液入口向混合設備20中加入膨潤土和/或澱粉溶液作為粘結劑。由此可以進一步提高製備得到球團的成型效果，另外採用膨潤土和/或澱粉溶液作為粘結劑還可以進一步提高含碳赤泥球團的硬度。
根據本發明的具體實施例，成型設備可以為壓球機。採用壓球機製備赤泥含碳球團時，壓球機線壓力採用4～7噸/釐米。由此可以進一步提高成型效果，以及使得赤泥含碳球團具有適於直接還原的硬度。由於加入了一定量的造孔劑，造孔劑的密度比較低，發明人發現，採用4～7噸/釐米的線壓力，可以製備得到硬度複合要求的赤泥含碳球團。
實施例1
某拜耳法赤泥的全鐵質量分數為32.61％，0.046mm以下顆粒佔87％，還原劑採用蘭炭(固定碳83％，灰分9％)，粒度為2mm。將其在100℃烘乾後按照拜耳法赤泥：蘭炭：石灰石：膨潤土＝100:5:5:4進行配料並混合均勻，將混合物料進行壓球，壓球機線壓力為6噸/釐米。將所得的球團進行烘乾後即可得到一種赤泥含碳球團。將所得的含碳球團給入轉底爐中，加熱到1100℃～1200℃，保持30～40分鐘後，從轉底爐排出高溫金屬化球團，金屬化率達到82％。
實施例2
某拜耳法赤泥的全鐵質量分數為32.61％，0.046mm以下顆粒佔87％，還原劑採用蘭炭(固定碳83％，灰分9％)，粒度為2mm。將其在100℃烘乾後按照拜耳法赤泥：蘭炭：石灰石：膨潤土：稻殼＝100:5:5:4:6進行配料並混合均勻，將混合物料進行壓球，壓球機線壓力為6噸/釐米。將所得的球團進行烘乾後即可得到一種赤泥含碳球團。將所得的含碳球團給入轉底爐中，加熱到1100℃～1200℃，保持30～40分鐘後，從轉底爐排出高溫金屬化球團，金屬化率可達92％。與未加造孔劑相比，相同條件下，所得的金屬化球團的金屬化率指標較高。
實施例3
某拜耳法赤泥的全鐵質量分數為32.61％，0.046mm以下顆粒佔87％，還原劑採用蘭炭(固定碳83％，灰分9％)，粒度為2mm。將其在100℃烘乾後按照拜耳法赤泥：蘭炭：石灰石：膨潤土：廢塑料顆粒＝100:5:5:4:6進行配料並混合均勻，將混合物料進行壓球，壓球機線壓力為6噸/釐米。將所得的球團進行烘乾後即可得到一種赤泥含碳球團。將所得的含碳球團給入轉底爐中，加熱到1100℃～1200℃，保持30～40分鐘後，從轉底爐排出高溫金屬化球團，金屬化率可達95％。與未加造孔劑相比，相同條件下，所得的金屬化球團的金屬化率指標較高。同時由於廢塑料顆粒含碳較高，還原性較好，因此金屬化球團可以得到更高的金屬化率。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特徵在第二特徵「上」或「下」可以是第一和第二特徵直接接觸，或第一和第二特徵通過中間媒介間接接觸。而且，第一特徵在第二特徵「之上」、「上方」和「上面」可是第一特徵在第二特徵正上方或斜上方，或僅僅表示第一特徵水平高度高於第二特徵。第一特徵在第二特徵「之下」、「下方」和「下面」可以是第一特徵在第二特徵正下方或斜下方，或僅僅表示第一特徵水平高度小於第二特徵。
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特徵進行結合和組合。
儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。