【摘 要】
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随着我国钢铁产业的快速发展,工业生产中产生的粉尘和废液等废弃物的处置问题日渐突出。通常粉尘中含有大量的锌、铁、铅、锰等多种有价金属元素,同时钢铁厂、冷轧厂排放大量的含铬废水,若不对这些废弃物加以回收利用,不仅会带来严重的环境污染,而且会造成资源的浪费。为促进钢铁行业的绿色循环发展,需进一步探索多种固废协同处置的新方法,实现资源的高效回收和再利用的目的。本论文以转底炉为应用背景,来阐明协同处置含锌粉
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随着我国钢铁产业的快速发展,工业生产中产生的粉尘和废液等废弃物的处置问题日渐突出。通常粉尘中含有大量的锌、铁、铅、锰等多种有价金属元素,同时钢铁厂、冷轧厂排放大量的含铬废水,若不对这些废弃物加以回收利用,不仅会带来严重的环境污染,而且会造成资源的浪费。为促进钢铁行业的绿色循环发展,需进一步探索多种固废协同处置的新方法,实现资源的高效回收和再利用的目的。本论文以转底炉为应用背景,来阐明协同处置含锌粉尘和含铬沉泥的碳热还原机理以及热力学和动力学规律为目的。首先,研究了含碳混合球团中含铁、铬氧化物的热力学还原规律,在此基础上分析了碳热还原过程中金属相、熔渣相及气相组成演变规律;继而,探索了协同处置该两种固废的最佳工艺参数,包括配碳量、原料配比、还原时间和温度等,并结合XRD物相分析和SEM-EDS扫描电镜-能谱分析了碳热协同还原的机理;最后,结合热重实验和非等温热分析动力学理论研究了两种固废协同处置的动力学规律,获得了含锌粉尘协同处置含铬沉泥碳热还原的关键动力学数据和机理函数方程。通过上述的研究,本文得到了如下的主要结论:论文首先对含锌粉尘和含铬沉泥两种原料进行了化学成分和物相组成等表征分析,结果表明含锌粉尘中的铁氧化物含量较高,两者协同处置能够弥补含铬沉泥铁氧化物含量较低的缺点,铁氧化物的含量符合转底炉原料的成分要求,具备工业应用背景。含锌粉尘中的主要物相为铁酸锌（Zn Fe2O4）、磁铁矿（Fe3O4）,含铬沉泥中的物相主要为水合亚硫酸钙（Ca SO3?0.5H2O）和二氧化硅（Si O2）。通过对碳热还原过程中含锌粉尘协同处置含铬沉泥的铁、铬氧化物热力学计算及气液固三相组分研究,探究了二者协同还原的理论可行性。结果表明通过碳热还原方法实现含锌粉尘和含铬沉泥的协同处置在热力学上是切实可行的,且温度对热力学平衡状态下Fe、Cr元素的还原效果有着显著影响通过高温实验探究协同处置两种固废的最佳还原工艺参数,考察了原料配比、还原温度、还原时间和配碳量对还原效果的影响;同时探究了协同处置两种固废的还原机理。实验结果表明还原过程中混合球团中的铁元素遵循逐级还原规律,最终被还原为金属铁;铬元素被还原为金属铬的温度高于铁元素。最佳的工艺参数为:含铬沉泥和含锌粉尘配比1:4,还原温度1300℃,还原时间40min,配碳量13%。碳热还原反应过程中的反应机理如下:还原温度900℃时铁酸锌被还原成锌和三价铁的氧化物,可用如下方程式表示:3Zn Fe2O4+C=2Fe3O4+3Zn O+CO、Zn O+C=Zn+CO。温度1000℃时,三价铁氧化物几乎全部被还原为更低价态铁的氧化物和少量的铁,反应机理如下:Zn Fe2O4+C=2Fe O+Zn O+CO、Fe Cr2O4+C=Fe+Cr2O3+CO、Fe3O4+C=3Fe O+CO、Fe O+C=Fe+CO,温度1100℃时,铁氧化物几乎全部被还原为金属铁并且氧化铬开始被还原成金属铬进入铁相,发生的反应如下:Fe O+C=Fe+CO、Cr2O3+3C=2Cr+3CO。最后采用非等温热分析方法对含锌粉尘协同处置含铬沉泥的碳热还原反应动力学进行了研究。结果表明,根据失重曲线及失重速率曲线分析可知碳热还原反应可分为五个反应阶段,且碳热还原反应主要发生在后三个阶段,这三个阶段所对应的温度区间与热力学计算和实验研究获得的相关氧化物的还原温度基本一致。三个阶段均符合三维扩散模型,但反应机理方程略有不同,第三和第四阶段机理方程为G（?）=[（1+?）1/3-1]~2,第五阶段则为G（?）=[（1-?）-1/3-1]~2,三个阶段的平均活化能分别为218.1855、282.4233和375.9774 KJ·mol-1。
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