專(zhuān)利名稱(chēng)：提取鋅的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于從一含鋅原料中提取鋅的方法和方法實(shí)施該方法的裝置。本發(fā)明特別適合于從含有一或多種鐵氧化物和鋅氧化物的原料，例如電弧爐(EAF)的爐灰中提取鋅。以下討論將集中于從電弧爐爐灰中提取鋅，當(dāng)然易于理解的是本發(fā)明不限于這種應(yīng)用。在本發(fā)明對(duì)電弧爐爐灰的應(yīng)用中，也同樣能較好地提取鐵和鉛提。
背景技術(shù)：
電弧爐技術(shù)對(duì)于全球鋼鐵生產(chǎn)的意義正在變得越來(lái)越重要。然而，EAF技術(shù)的缺陷是，產(chǎn)生大量EAF爐灰作為副產(chǎn)物。每噸鋼形成大約15-20kg的EAF爐灰，這意味著全球每年形成有數(shù)百萬(wàn)噸EAF爐灰。它被視為一種有毒廢棄物，它們的安全處理因此也成了問(wèn)題。在一些管轄范圍，EAF爐灰填埋或類(lèi)似處理是被禁止的，因此迫切需求處理這些爐灰成為可再生的成分，或者安全處理。此外，已知電弧爐爐灰包括主要成分的鐵和鋅，以及少量成分的鉛和其他具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的元素，它是潛在的可被商業(yè)充分利用的資源。根據(jù)提取后的可達(dá)到的純度，鋅尤其可循環(huán)用于各種用途。
歐洲專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)174641涉及從電弧爐爐灰中回收鋅和鐵。所公開(kāi)的方法涉及將爐灰與焦碳進(jìn)行制粒作為一固體含碳原料，在豎式爐內(nèi)預(yù)熱顆粒物，之后將預(yù)熱的顆粒物和另外的還原劑轉(zhuǎn)移至一感應(yīng)爐，顆粒物在其中被融化。鋅和鉛以蒸汽從感應(yīng)爐中回收，并冷凝為粗的鋅和鉛金屬，而生鐵和生鉛在感應(yīng)爐中作為熔融相分離。
歐洲專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)745692也涉及鋅回收，但是是從更多種灰如EAF爐灰中回收。其基本點(diǎn)也是鋅或者鉛的還原、蒸發(fā)以及冷凝，但沒(méi)有制粒或分離的預(yù)熱階段。該處理爐處于基本真空下，并且處理溫度在750℃左右，即，遠(yuǎn)低于鐵的熔點(diǎn)但足夠蒸發(fā)鋅。
在國(guó)際專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)WO 91/09977所揭示的方法中，鋅蒸汽從熔化爐中回收，其中電弧爐爐灰熔化在一定比例的混合物中，該混合物包括爐灰、作為含碳原料還原劑的煤和形成助熔劑的爐渣。所述的鋅蒸汽冷凝形成鋅金屬。
澳大利亞專(zhuān)利703821揭示一種用于還原金屬氧化細(xì)粉并且從中生產(chǎn)金屬的方法，在該方法中細(xì)粉在與諸如褐煤或泥煤的含碳原料的復(fù)合物中制粒，并在還原氣氛中預(yù)熱以還原金屬氧化物，然后，在另一室中，處理被還原的原料，以產(chǎn)生含有熔化金屬的相。適合實(shí)施此方法的蒸餾甑設(shè)備在國(guó)際專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)WO01/38455中被揭示。
很清楚，需要一種有效且安全的手段用于處理電弧爐爐灰，還實(shí)現(xiàn)了電弧爐爐灰的至少一部分的可提取價(jià)值。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，提供了從含有一或多種鐵氧化物和鋅氧化物的原料中提取鋅的方法，所述的方法包含(a)在包含還原氣氛的還原區(qū)域中，在不足以熔化原料中鐵的溫度，但在足以從所述含碳原料形成還原劑并且還原一預(yù)定數(shù)量的鋅氧化物為鋅蒸汽的溫度和時(shí)間下，加熱所述原料和含碳原料的復(fù)合物；(b)收集所述的鋅蒸汽并冷卻，形成液態(tài)或固態(tài)鋅。
較佳的，該方法進(jìn)一步包括(c)控制所述鋅蒸汽，以基本防止過(guò)早重新冷凝或使其最小。
較佳的，本方法包括(d)還原預(yù)定量的所述鐵氧化物；(e)進(jìn)一步加熱已從中收集了鋅蒸汽的被還原的原料，至足以熔化其中的鐵的溫度；以及(f)回收并冷卻熔化的鐵。
從所述的進(jìn)一步加熱中產(chǎn)生的廢熱和/或加熱過(guò)的氣體宜在形成鋅蒸汽時(shí)使用。
在一有利的排列中，控制所述鋅蒸汽以基本上防止過(guò)早重新冷凝或使其最小的步驟包括在所述還原區(qū)域中提供氣流，以驅(qū)使所述鋅蒸汽離開(kāi)所述還原區(qū)域。優(yōu)選，氣流在所述還原區(qū)域內(nèi)的一般是向下，而所述的鋅蒸汽由所述的氣體流從還原區(qū)域側(cè)向驅(qū)動(dòng)。
各加熱步驟(a)和(e)宜在不同的加熱室中進(jìn)行。
在本發(fā)明的具有優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用中，含有一或多種鐵氧化物和鋅氧化物的原料是電弧爐(EAF)爐灰，盡管其他含鋅物質(zhì)如鋅工廠的殘?jiān)捎稍摲椒ㄌ幚?。如先前所提示的，EAF爐灰是通過(guò)EAF技術(shù)的鋼生產(chǎn)的廢的副產(chǎn)物，并且產(chǎn)生自揮發(fā)性金屬的汽化，尤其是鋅和鉛的汽化，它們隨后被氧化和提取為細(xì)的粉塵。EAF爐灰主要包含氧化物、復(fù)合鐵氧化物和氯化物的混合物，并可能包含許多不同的元素，主要是鐵、鋅、鈣、硅、鉛、銅、錳、鉻和鎘。
雖然本發(fā)明主要涉及從含鋅的鐵氧化物原料中提取鋅提，它也能夠擴(kuò)展到存在于含鋅原料中的其他金屬的提取。那些其他金屬的氧化物應(yīng)能被來(lái)自含碳原料的還原劑還原。當(dāng)含鋅原料是EAF爐灰時(shí)，其他可以被提取的金屬包括鐵、鉛和錳。
本發(fā)明方法中使用的含碳原料較佳的選擇具有高比表面積和小粒度，用于提高還原劑的化學(xué)活性。
較佳的含碳原料是被細(xì)粉碎的褐煤或泥煤，這是因?yàn)樗鼈兊姆涓C結(jié)構(gòu)可以導(dǎo)致高的化學(xué)活性。由于使用低級(jí)別煤或泥煤的成本低，使用低級(jí)別煤或泥煤代替高級(jí)別的煤在經(jīng)濟(jì)上是有利的。褐煤或泥煤也具有所需的物理特性，特別是它們?cè)跈C(jī)械剪切下的可塑性能力，能夠制備通過(guò)擠出形成的粘結(jié)顆粒。不希望被一具體的形成機(jī)理所限制，可以相信的是剪切使褐煤或泥煤顆粒磨損，導(dǎo)致在該結(jié)構(gòu)中細(xì)分散的水轉(zhuǎn)變成整體液相，而存在于棕煤中的酚環(huán)的聚合使煤或泥煤變得潮濕和可塑性。剪切也產(chǎn)生了大量的新裂開(kāi)的煤的表面，因而使煤/泥煤顆粒與金屬氧化物顆粒的物理結(jié)合最大化，并因此提高了還原反應(yīng)速率。
或者，含碳原料可以包含高級(jí)別煤或一些其他細(xì)粉碎的活性碳原料，例如鋸屑。在這種情況下，有必要在含鋅氧化物的原料和含碳原料的混合物中加入粘合劑和/或水，以產(chǎn)生能例如通過(guò)擠出形成顆粒的粘性體。
較佳的，該方法進(jìn)一步包括通過(guò)將含碳原料與含有一種或多種鐵氧化物和鋅氧化物的原料混合，形成組合物，產(chǎn)生粘性體，并擠壓該粘性體從而產(chǎn)生復(fù)合物。
無(wú)論含碳原料的類(lèi)型是什么，都需要添加額外的水至混合物，以產(chǎn)生要求的粘性體的稠度。
較佳的，該組合物是顆粒狀的，更佳的，該顆粒狀物通過(guò)擠出粘性體而形成。
含碳原料和含鋅氧化物原料的相對(duì)量將根據(jù)所需要的最終結(jié)果變化。在復(fù)合物中的含碳原料的數(shù)量較佳的是使得在加熱步驟中被燃燒時(shí)，含碳原料提供至少足夠用于其碳化并且用于在處理過(guò)的含有一種或多種鐵氧化物和鋅氧化物的原料中還原鋅和鐵氧化物以及，如果回收的話，鉛氧化物的熱量。
通常，本發(fā)明的方法的加熱步驟(a)在爐子的室室中進(jìn)行，而還原反應(yīng)較佳地主要在鋅的沸點(diǎn)(907℃)時(shí)發(fā)生。
鋅的蒸發(fā)是將鋅與含鋅原料中存在的其他元素分離的有效方法，尤其是該材料包含電弧爐爐灰時(shí)。在后一種情況，鋅的沸點(diǎn)明顯低于存在于電弧爐爐灰中的其他金屬，特別是鐵(3000℃)和鉛(1515℃)。
在本發(fā)明方法的步驟(b)中，收集還原反應(yīng)產(chǎn)生的鋅蒸汽并冷卻，較好的形成鋅金屬。通常，鋅蒸汽被導(dǎo)入一冷凝器并在冷凝器中冷卻，形成鋅金屬。
電弧爐爐灰和褐煤通常含有難熔物質(zhì)，如氧化硅、氧化鋁以及鈣和鎂的氧化物，以及硫。為了減少或去除這些雜質(zhì)，非常需要受控供應(yīng)一種助熔劑或其前體，以在進(jìn)一步加熱步驟(e)中形成基本的爐渣，并促使發(fā)生脫硫反應(yīng)。如果助熔劑加進(jìn)該復(fù)合物中，它可以單獨(dú)地較好以粉末形式加到復(fù)合物中，或者它也可以與形成復(fù)合物的含鋅和鐵氧化物的原料以及含碳原料混合，使隨后形成的復(fù)合物自熔化?；蛘撸诨旌衔镏屑尤肴缥唇?jīng)煅燒的石灰石或菱鎂礦的助熔劑前體。后來(lái)形成的復(fù)合物的還原反應(yīng)中，助熔劑前體經(jīng)過(guò)煅燒而形成助熔劑。在未煅燒石灰石的情況，在還原反應(yīng)步驟中經(jīng)過(guò)煅燒而形成石灰。在復(fù)合物中添加未經(jīng)煅燒的石灰石是有利的，因?yàn)闉槲挫褵氖沂仁冶阋?，因此能更?jīng)濟(jì)合理地制備這種組合物。所述助熔劑或助熔劑前體可以包含鈣或鎂的氧化物或氫氧化物或碳酸鹽，如碳酸鈣(CaCO3)或碳酸鎂(MgCO3)。
當(dāng)含鋅氧化物的原料還包含除鋅元素以外的其他元素時(shí)，本發(fā)明的方法是將鋅與其他元素分離的有效方法。在電弧爐爐灰的情況，本發(fā)明的方法能有效地分離鋅與其他金屬，尤其是鐵和鉛。
在本發(fā)明處理電弧爐爐灰的實(shí)施方式中，從含碳原料形成的還原劑還可以還原復(fù)合物中的其他金屬氧化物，如鐵氧化物和鉛氧化物。這種鋅、鐵和鉛的還原方法可以根據(jù)前面述及的澳大利亞專(zhuān)利NO.703821中的金屬還原方法進(jìn)行，此專(zhuān)利全文參考結(jié)合于此。AU 703821特別涉及使用存在于含碳原料和鐵氧化物的復(fù)合顆粒中的含碳原料形成的還原劑來(lái)還原鐵氧化物，并且所述含碳原料為所還原金屬的熔化提供燃料，還為還原金屬氧化物提供還原劑。
在包括步驟(e)的較佳的發(fā)明方法中通過(guò)使用電弧爐爐灰而形成的熔化金屬相包括除熔融鐵以外的其他金屬，諸如熔化鉛，其熔點(diǎn)相對(duì)較低，為327℃。此外，因?yàn)槿廴阢U比熔融鐵的密度高，因此熔融鉛在熔化金屬中所處位置比熔融鐵低。這種特點(diǎn)能夠使鉛與鐵分離，例如通過(guò)位于鉛/鐵界面之下的出口使熔化鉛流出。
本發(fā)明還提供一種從含有一種或多種鐵氧化物和鋅氧化物的原料中提取鋅的設(shè)備，該設(shè)備包括第一爐室，用于接收包括所述原料和含碳原料的復(fù)合物，該爐室限定一還原區(qū)域，在其中所述復(fù)合物在不足以熔化原料中鐵的溫度，但足以從所述的含碳原料形成一種還原劑并且將預(yù)定量的鋅氧化物還原為鋅蒸汽的溫度下加熱足夠時(shí)間；從第一爐室收集所述鋅蒸汽的裝置；以及接收所述收集到的鋅蒸汽，冷卻形成液態(tài)或固態(tài)鋅的裝置。
能有利地控制所述鋅蒸汽，以基本防止過(guò)早重冷凝或使其最小的裝置。
較佳地，該設(shè)備還包括第二爐室，與所述第一爐室連通，用于從中接收還原的材料，所述鋅蒸汽已從其中收集；加熱裝置，用于進(jìn)一步加熱在第二爐室的接收的原料至足以熔化其中的鐵的溫度；以及用于回收和冷卻熔融鐵的裝置。
較佳地，第一和第二爐室排列為使得所述進(jìn)一步加熱產(chǎn)生的廢熱和/加熱的氣體用于在第一爐室中形成鋅蒸汽。
有利的，用于控制鋅蒸汽的裝置包括與第一爐室結(jié)合的裝置，從而將鋅蒸汽從還原區(qū)排出。
第一爐室較佳地可加熱到至少足以使至少一部分含碳原料轉(zhuǎn)換為易燃?xì)怏w并能將鋅氧化物還原為鋅的溫度。同樣較佳的，該爐室包括一位于其內(nèi)部的耐熱容器，用于接收復(fù)合物。在這種排列中，氣體導(dǎo)管較佳地從耐熱容器延伸至加熱該爐的氣體燃燒器。一旦加熱裝置已經(jīng)將爐和反應(yīng)物混合物加熱至所需的溫度，一氧化碳和其他的易燃?xì)怏w從反應(yīng)物中產(chǎn)生并通過(guò)氣體導(dǎo)管進(jìn)入氣體燃燒器。爐加熱裝置和氣體燃燒器可以是一個(gè)，并且可以有相同的，或不同的特征。一旦開(kāi)始產(chǎn)生易燃?xì)怏w，氣體燃燒器可被點(diǎn)燃，而加熱裝置(如果是不同特征)關(guān)閉。然后，氣體燃燒器用于將爐內(nèi)溫度維持在所要求的溫度。
鋅蒸汽的出口一般是在第一爐室的側(cè)壁上，以包括鋅蒸汽收集裝置或?yàn)樵撗b置的一部分，鋅冷凝器有利地通過(guò)高出口與第一爐室相通。在還原過(guò)程期間產(chǎn)生的鋅蒸汽通過(guò)該出口進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中收集并冷卻形成鋅金屬。
冷凝器可以是與爐子出口相通的任何適合的容器。在操作中，冷凝器溫度保持低于鋅沸點(diǎn)，使鋅可以在冷凝器中冷凝。然而，冷凝器溫度不應(yīng)太低，以避免鋅過(guò)早地固化成細(xì)顆粒金屬，細(xì)顆粒金屬在暴露于空氣時(shí)很容易被再氧化。較佳地，冷凝器溫度保持在400-700℃的溫度，更好的保持在500-600℃之間。通過(guò)為冷凝室提供充分的隔熱來(lái)控制其溫度，使鋅冷凝過(guò)程中的潛熱和廢氣中的熱量提供所需要的熱量?？墒褂靡环N“鋅噴濺冷凝器”，該冷凝器包含例如，將鋅液滴噴濺到廢氣通道的電動(dòng)轉(zhuǎn)子。
或者，冷凝器的溫度可以由加熱裝置來(lái)控制，例如對(duì)爐子，較佳的是一馬弗爐，其中放置有冷凝器。
較佳的，冷凝器是用耐熱和耐化學(xué)性材料制造，諸如耐火材料，較好的是耐火陶瓷。一種適合的耐火材料是耐火泥。
在一種實(shí)施方式中，冷凝器較好地包括具有進(jìn)口的主冷凝室，具有用于接收位于主冷凝室底部之上的鋅蒸汽的進(jìn)口，以使冷凝的鋅不會(huì)返回到該爐室中。主冷凝室可包圍一蒸汽導(dǎo)管，蒸汽導(dǎo)管的開(kāi)口端形成蒸汽的入口，從還原區(qū)的出口延伸至在它底部上的冷凝區(qū)。
在一個(gè)實(shí)施方式中，鋅冷凝器位于爐室的上方，而蒸汽導(dǎo)管在基本垂直的方向上從爐的出口延伸到冷凝室的上部區(qū)域。然而，較佳的是蒸汽導(dǎo)管以側(cè)向從爐出口延伸到冷凝室的上方區(qū)域。
較佳地，作為熔化單元的第二爐室垂直位于第一爐室出口的下面，以使還原的原料，例如還原的顆粒自動(dòng)并持續(xù)地在重力作用下供給第二爐室。熔化單元較佳地包括隔熱的熔化室，用于接收還原的顆粒。當(dāng)處于熔化單元中，還原的顆粒溫度上升到足以熔化金屬(和任何爐渣，如果存在的話)。這可以通過(guò)簡(jiǎn)單地燃燒殘留在還原的顆粒中的含碳原料而實(shí)現(xiàn)，可能通過(guò)煙道或鼓風(fēng)口注入一種氧化氣體來(lái)輔助。如果需要，此時(shí)可加入另外的燃料，例如，燃燒氣體和/或固體物質(zhì)。較佳地，氧化氣體進(jìn)行預(yù)熱，如通過(guò)與來(lái)自設(shè)備的廢氣熱交換，氧化氣體通常包含空氣或其他一些含氧氣體。
有利的，在第二爐室中溫度的增加通過(guò)使用一種外部加熱裝置而被增大。較佳的，外部加熱裝置是一種電加熱裝置，如感應(yīng)加熱器，電阻加熱器或埋弧(submerged arc)。特別優(yōu)選感應(yīng)加熱器。在感應(yīng)加熱器的情況，隔熱熔化室的壁通常有導(dǎo)體線圈，有可被熔化的金屬形成變壓器的次級(jí)。感應(yīng)加熱器可以單獨(dú)使用，或與氧化氣體輔助燃燒結(jié)合。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，該設(shè)備有利點(diǎn)是基于在前述國(guó)際專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)WO01/348455中揭示的蒸餾甑的設(shè)計(jì)，其全文參考結(jié)合于此。在這種形式中，該設(shè)備包括在其中限定出第一爐室的隔熱殼體；在第一爐室內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)柱體，每個(gè)柱體包含多個(gè)垂直取向的、垂直間隔的耐熱管，其中每個(gè)管的橫截面面積小于相鄰的下面管的橫截面面積，并且其中相鄰管的端部排列成在它們之間提供一環(huán)形空間；一進(jìn)口，易燃物料通過(guò)該進(jìn)口進(jìn)入最上面的管中；一出口，反應(yīng)后的物料通過(guò)該出口從最低的管排出；流體導(dǎo)管，用于將通過(guò)加熱所述物料產(chǎn)生的易燃揮發(fā)物傳送至氣體燃燒裝置進(jìn)行燃燒，為第一爐室提供熱量。
隔熱殼體宜由鋼制成，更佳地由軟鋼制成。管本身一般由適合的耐熱和耐化學(xué)性材料制成，如含有鋼的合金。管柱體和殼體之間的距離可以改變，但應(yīng)該為使用的加熱介質(zhì)有效燃燒提供適合的體積。
蒸餾甑可含有兩個(gè)或多個(gè)側(cè)向間隔的柱體，每個(gè)柱體包含一系列連續(xù)垂直間隔的管，以增加在蒸餾甑中處理的原料總量。
較佳的每個(gè)柱體包含三個(gè)或更多的垂直方向的基本同軸的管，它們互相之間垂直隔開(kāi)，以使在相鄰端部之間有部分重疊，從而在它們之間限定出一環(huán)形空間。所述環(huán)形空間能使物料在加熱和/或反應(yīng)期間產(chǎn)生的揮發(fā)物從中排出。在啟始開(kāi)始后，易燃揮發(fā)物在環(huán)形空間燃燒，從而為物料隨后的反應(yīng)提供熱量，這意味著能下調(diào)或關(guān)閉外部加熱裝置。
較佳的每個(gè)垂直管的一端懸掛在蒸餾甑中，使物料自由地排入相鄰的下面管中。此外，每個(gè)管的自由懸掛和管之間沒(méi)有連接能允許管熱膨脹和收縮，并減少由于熱循環(huán)導(dǎo)致的破壞。
該蒸餾甑較佳的是限定出兩個(gè)或多個(gè)燃燒區(qū)的結(jié)構(gòu)。第一燃燒區(qū)域通常位于蒸餾甑的上部區(qū)域，而第二燃燒區(qū)域通常位于該蒸餾甑的下部區(qū)域。較佳的，第一和第二燃燒區(qū)由一個(gè)壁隔開(kāi)，并一起能形成一個(gè)整體。更佳的，壁支撐垂直方向管中懸掛于其上的一個(gè)管。較佳的，第一和第二燃燒區(qū)各自有一個(gè)或多個(gè)垂直管，以使每個(gè)燃燒區(qū)在其管的開(kāi)口之間有一環(huán)形空間。提供多于一個(gè)燃燒區(qū)的方案對(duì)確保更好地控制加熱過(guò)程有利，這將在下面更加詳細(xì)地討論。
附圖簡(jiǎn)述參考附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明，僅僅是示例，其中

圖1是適合以間歇方式實(shí)施本發(fā)明方法的爐設(shè)備的第一實(shí)施方式的截面圖；圖2是以連續(xù)流動(dòng)方式實(shí)施本發(fā)明方法的設(shè)備的第二實(shí)施方式的圖示。
圖3是在圖2所示設(shè)備中的熔融鉛出口的改進(jìn)；圖4是第二爐室和相關(guān)的感應(yīng)加熱器的改進(jìn)的圖示。
本發(fā)明的實(shí)施例圖1所示說(shuō)明用于實(shí)施本發(fā)明方法的設(shè)備的一個(gè)實(shí)施方式。第一馬弗爐10，其中具有一不銹鋼容器12作為一蒸餾甑，該容器內(nèi)有一爐室，在該室中放置有EAF-褐煤復(fù)合物顆粒14。第一熱電耦16監(jiān)測(cè)顆粒物14被加熱時(shí)的溫度。
馬弗爐10的隱藏式蓋子18在中心位置有一出口20和由出口20從馬弗爐10內(nèi)部引出的導(dǎo)管22。鋅蒸汽和其他揮發(fā)物和氣體通過(guò)該出口和導(dǎo)管從第一馬弗爐排出。在隱藏式蓋子的下邊有一環(huán)形陶瓷擋熱板23，其目的是防止鋅冷凝在蒸餾甑蓋子18的下面。
鋅冷凝器24包圍導(dǎo)管22并位于隱藏式蓋18內(nèi)，其包含一冷凝室26和垂直整體的排風(fēng)管28，從冷凝室26引出。鋅冷凝器24由耐火泥形成，盡管可以使用其他耐火材料代替。
第二加熱裝置包圍鋅冷凝器24并位于第一馬弗爐10之上，其包含第二馬弗爐30。在第二馬弗爐30內(nèi)有第二熱電耦，以監(jiān)測(cè)其內(nèi)部溫度。第二馬弗爐的目的是維持鋅冷凝器24的溫度在較佳范圍，500-600℃，以避免鋅過(guò)早再冷凝為細(xì)的粉塵，代之為收集大量的液相鋅。此外，第二馬弗爐30用于燃燒任何煤揮發(fā)物并在氣體釋放前減少其從第一爐中釋放。
下面將描述使用圖1設(shè)備的一個(gè)例子。在袋式濾器中收集的EAF爐灰用少量的水濕潤(rùn)，并在一盤(pán)形制粒機(jī)中形成顆粒。電弧爐爐灰的制粒，雖然對(duì)本發(fā)明的方法而言并不是必須的，但是使得爐灰易于處理和儲(chǔ)存。
EAF顆粒然后被與濕褐煤混合，以相等的量，添加額外的水(如果有必要的話)并受到磨擦和擠出，以形成基本一致的粒子。擠出后的EAF-褐煤然后干燥，或?qū)⑵浞旁谟猩w的敞開(kāi)架子的盤(pán)上曝露在環(huán)境空氣中自然干燥，或通過(guò)施加一定熱量進(jìn)行強(qiáng)制干燥。
EAF褐煤顆粒的連續(xù)批料14在限定出一個(gè)還原區(qū)的第一馬弗爐10的爐室中，于不足以熔化顆粒原料中的鐵，但足夠從褐煤中形成還原劑的溫度下加熱足夠的時(shí)間，將預(yù)定量的鋅氧化物還原為鋅蒸汽。還原的鋅氧化物為氣態(tài)鋅形式，在超過(guò)907℃的溫度下從顆粒物料排出，觀察到是通過(guò)隱藏式蓋子18中的出口20從第一馬弗爐10排出。鋅蒸汽通過(guò)導(dǎo)管22至鋅冷凝器24。鋅蒸汽冷凝成鋅金屬，如圖1中標(biāo)號(hào)34所示，在冷凝室26的底部。廢氣被通過(guò)排風(fēng)管28排放到第二馬弗爐內(nèi)。
當(dāng)完成顆粒14的還原時(shí)，冷凝器24從第二馬弗爐去除并被冷卻。發(fā)現(xiàn)該冷凝器含有充足量的鋅。在第一馬弗爐中鋅沒(méi)有被還原的顆粒轉(zhuǎn)移至一預(yù)熱坩堝，并注入少量氧氣。這導(dǎo)致這些顆粒熔化，并在冷卻時(shí)它們分離為鐵相和爐渣相。
分析EAF-褐煤的顆粒、鐵爐渣和鋅相的樣本，分析結(jié)果列于表1中。
事實(shí)上在鐵或爐渣中沒(méi)有鋅。在鋅中的鉛小于原料的顆粒中鉛的3％。而在鐵或爐渣中沒(méi)有顯著量的鉛。
圖2所示說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的第二實(shí)施方式。蒸餾甑150包括一隔熱金屬罩或殼體152，在其中限定出環(huán)形第一爐室154。爐室154內(nèi)置有耐熱管156、158、160和162的柱體155，這些耐熱管為垂直取向并且彼此在垂直向隔開(kāi)。管156、158、160和162的橫截面從蒸餾甑150的頂部到底部逐漸增加。因此，管的相對(duì)截面積如下管156＜管150＜管160＜管162。
相鄰管各自的端部重疊，從而在它們之間形成敞開(kāi)的環(huán)形空間164、166和168。
最上面的管156包括一進(jìn)口157并用作進(jìn)料管，顆粒物料169通過(guò)該管送入蒸餾甑150。該物料在重力作用下相繼通過(guò)管156、158、160和162。在最下的管162的底部有一出口170，反應(yīng)后的物料168通過(guò)該出口離開(kāi)蒸餾甑150。
爐室154限定出還原區(qū)，并通過(guò)橫向壁174分割成分別包含第一室154a和第二室154b的第一和第二燃燒區(qū)。燃燒室154a和154b各自分別包括一個(gè)包含氣體燃燒器171、172的加熱裝置，該裝置為提高物料169的溫度而提供最初的熱源。在燃燒區(qū)154b中的氣體燃燒器172大于燃燒器171，以對(duì)初始燃燒提供足夠的熱量。此外，氣體燃燒器172位于靠近室154b的頂部，而氣體燃燒器位于靠近室154a的底部。
在第一燃燒區(qū)中，復(fù)合物或粒料溫度升高，使所有游離的水和化學(xué)結(jié)合的水從該物料中釋放。隨著溫度上升，低溫煤揮發(fā)物釋放(其中含碳原料是褐煤)，接著二氧化碳被從任何碳酸鹽類(lèi)的分解中釋放出來(lái)。最終高溫煤揮發(fā)物釋放。
在第二燃燒區(qū)中，物料溫度上升至一定溫度并維持一段時(shí)間，足以發(fā)生所需的反應(yīng)，在現(xiàn)有情況中，金屬氧化物還原為金屬。
流體導(dǎo)管176從室154a的頂部延伸至室154b的頂部。從加熱物料169釋放出的氣體由敞開(kāi)的環(huán)形空間166和164中釋放并通過(guò)導(dǎo)管176至室154b，物料在該室中燃燒。因?yàn)樵谑?54b中的燃燒發(fā)生在靠近其頂部，燃燒氣流一般是向下的方向。因此，任何在室154b中產(chǎn)生的鋅蒸汽被燃燒氣流帶動(dòng)向下流動(dòng)并在室154b的底部被收集。鋅蒸汽然后通過(guò)溢流排入位于靠近室154b的底部的導(dǎo)管180，并流入鋅冷凝器124的冷卻區(qū)。在室154a和154b中的燃燒狀況是以富燃料進(jìn)行，以保持兩個(gè)室中的還原氣氛，使鋅蒸汽再氧化最小。
蒸餾甑150進(jìn)一步包括第三燃燒室178，通過(guò)導(dǎo)管180和鋅冷凝器124與第二燃燒室154b相通。第三燃燒室178還與同流換熱器182相通，排出的氣體在排風(fēng)扇185的操作下通過(guò)該同流換熱器至排氣出口184。在第三燃燒室178內(nèi)有氣體燃燒器183。
同流換熱器182包括導(dǎo)管186和出口187，，通入的環(huán)境空氣在風(fēng)扇193作用下通過(guò)該導(dǎo)管，通入進(jìn)口189，通過(guò)出口187排出預(yù)熱的空氣。在同流換熱器182中，來(lái)自排出的氣體的熱量被傳遞至進(jìn)入的空氣進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱后的空氣分別通過(guò)流體導(dǎo)管188和190進(jìn)入第一和第二室154a和154b。流體導(dǎo)管190在接近室154b頂端的位置，即氣體燃燒裝置172的位置進(jìn)入室154b。進(jìn)入室154a和154b的空氣流的量可分別由氣閘192、194控制。
在蒸餾甑150的底部有一個(gè)包含感應(yīng)加熱器196的金屬熔化單元。還原的顆粒在重力作用下通過(guò)蒸餾甑出口170被送入感應(yīng)加熱器196。感應(yīng)加熱器196包括一上部的爐渣出口198和下部的熔融金屬出口200。爐渣出口198位于感應(yīng)加熱器196的上部區(qū)域而金屬出口位于下部區(qū)域。使用中，一旦還原的物料在感應(yīng)加熱器196中熔化，任何在熔融金屬相頂部形成的爐渣相通過(guò)爐渣出口198流出。熔融金屬通常是富碳的鐵，通過(guò)熔化金屬出口口2000流出。爐渣和金屬出口198、200都可以用可移動(dòng)的、濕耐火泥塞關(guān)閉。
在感應(yīng)加熱器196的底部是第二熔融金屬出口202，熔融鉛通過(guò)該出口流出。熔化鉛比熔化鐵更致密，因此它會(huì)朝著感應(yīng)器底部積累。
第二熔融金屬出口的改進(jìn)示于圖3。第二熔融金屬出口302供應(yīng)給一可加熱的導(dǎo)管304，該導(dǎo)管隔熱鑄鐵管306，其上纏繞電加熱帶308。鑄鐵管306的出口311位于感應(yīng)爐296的出口302的上面。鉛模具313收集從感應(yīng)加熱器296排出的熔融鉛。
下面描述熔融金屬出口302的操作。在第一次使用前，鐵管306用固體鉛密封。當(dāng)預(yù)定量的熔融鉛已積累在感應(yīng)爐296的底部(從還原的顆粒物的量確定)時(shí)，所述加熱帶308打開(kāi)，從而熔化此鉛塞并使得熔融鉛從感應(yīng)加熱器296流入可加熱的導(dǎo)管304。熔融鉛將從出口311流至鉛模具313中，直到在管306中的靜壓頭與在感應(yīng)加熱器296中熔融金屬的靜壓頭相平衡。以這種方式，可控制鉛流并避免熔融鐵從熔融金屬出口302排出。
第二燃燒室和在蒸餾甑底部的感應(yīng)加熱器的改進(jìn)示于圖4，其中類(lèi)似的標(biāo)號(hào)前添加“4”表示涉及圖2中的相應(yīng)部件。第二燃燒室454b的底部為漏斗形并能形成一整體的最下面的管462(功能等價(jià)于圖2中的最下面的管162)。感應(yīng)加熱器496的頂部也已改進(jìn)，以通過(guò)其中開(kāi)口517接收一氣體燃燒器515。此外，其他的燃料，預(yù)熱空氣，助熔劑前體(例如石灰石)和/或氧氣可通入開(kāi)口517，以產(chǎn)生足夠熱廢氣用于熱傳遞。通常，在位于朝著感應(yīng)加熱器496頂部的“熔融區(qū)”要求溫度至少為1500℃，以確保熱量足以傳遞給“鋅沸騰區(qū)”，“朝著第二燃燒室的底部，溫度保持在907℃或更高。以這種方式，來(lái)自熔融區(qū)的廢熱和/或加熱氣體被用于形成鋅蒸汽。從鋅沸騰區(qū)釋放的鋅蒸汽通過(guò)導(dǎo)管480從第二燃燒室454b排出并進(jìn)入鋅冷凝器(未示出)。
不希望受特定反應(yīng)機(jī)理的限制，可以相信，還原反應(yīng)生成的鋅一部分以鋅蒸汽離開(kāi)還原區(qū)同時(shí)，一部分再冷凝為液態(tài)鋅，冷凝的潛熱被吸熱還原反應(yīng)所吸收。這肯定是有問(wèn)題的，因?yàn)樵倮淠匿\必須在還原顆粒的溫度升高之前沸騰，以熔化顆粒中的殘余金屬(和任何爐渣相，如果存在的話)。這通常要求位于顆粒物料熔融區(qū)之上的“鋅沸騰區(qū)”保持足夠高的溫度，提供鋅蒸發(fā)的潛熱。這可通過(guò)另一個(gè)加熱裝置，或確保足夠的廢氣流從熔融區(qū)至沸騰區(qū)域，或兩者來(lái)提供。
所需的廢氣流可以各種可行方式提供，包括下面作為例子的方法1.還原顆粒中過(guò)量碳與空氣燃燒，形成一氧化碳和氮。
2.固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)燃料與空氣燃燒，形成一氧化碳、水蒸汽和氮。
3.將助熔劑前體(例如石灰石)注入熔融區(qū)。煅燒助熔劑前體產(chǎn)生的二氧化碳然后與還原顆粒的過(guò)量碳和/或添加的燃料反應(yīng)，形成一氧化碳。
4.注入惰性氣體。
5.兩個(gè)或多個(gè)上述方法的組合。
非常必要的是不能允許游離氧進(jìn)入鋅沸騰區(qū)域，因?yàn)榭赡馨l(fā)生鋅的再氧化。
權(quán)利要求
1.一種從含有一種或多種鐵氧化物和鋅氧化物的原料中提取鋅的方法，所述方法包括(a)所述原料和含碳原料的復(fù)合物在包含還原氣氛的還原區(qū)中，在不足以熔化原料中鐵的溫度，但足以從所述的含碳原料中形成一種還原劑并還原預(yù)定量的鋅氧化物成為鋅蒸汽的溫度下加熱足夠的時(shí)間；以及(b)收集所述的鋅蒸汽并冷卻，形成液態(tài)或固態(tài)鋅。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括(c)控制所述鋅蒸汽，以基本上防止鋅蒸汽過(guò)早再冷凝或使其最小。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述的控制鋅蒸汽以基本上防止鋅蒸汽過(guò)早再冷凝或使其最小的步驟包括在所述還原區(qū)提供氣流，所述氣流能使所述鋅蒸汽離開(kāi)所述還原區(qū)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在所述還原區(qū)中的所述氣流一般是向下，而所述蒸汽由所述氣流驅(qū)動(dòng)側(cè)向離開(kāi)所述還原區(qū)。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法中，進(jìn)一步包括(d)還原一預(yù)定量的所述鐵氧化物；(e)進(jìn)一步加熱已收集了鋅蒸汽的還原的物料至足以熔化其中的鐵的溫度；(f)回收并冷卻熔融的鐵。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述進(jìn)一步加熱產(chǎn)生的廢熱和/或加熱的氣體被用于形成所述鋅蒸汽。
7.如權(quán)利要求5或6所述的方法，包括提供預(yù)定的助熔劑，從而在所述的進(jìn)一步加熱步驟中形成基本爐渣并促進(jìn)脫硫反應(yīng)。
8.如權(quán)利要求5、6或7所述的方法，其特征在于，所述各加熱步驟在不同的爐室中進(jìn)行。
9.如權(quán)利要求5至8中任何一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括從所述的原料中提取鉛，其中所述的進(jìn)一步加熱步驟熔化鉛，鉛從熔融態(tài)分離并回收。
10.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，含有一種或多種鐵氧化物和鋅氧化物的原料是電弧爐(EAF)爐灰。
11.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述的含碳原料是一種細(xì)粉碎的褐煤或泥煤。
12.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，進(jìn)一步包括通過(guò)將含碳原料與含有一種或多種的鐵氧化物和鋅氧化物的原料混合，形成一粘性體，并擠壓該粘性體形成復(fù)合物，來(lái)形成所述復(fù)合物。
13.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述的復(fù)合物是顆粒。
14.如權(quán)利要求13引用權(quán)利要求12時(shí)所述的方法，包括通過(guò)擠出粘性體形成所述的顆粒。
15.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在所述復(fù)合物中含碳原料量為，在所述加熱步驟中燃燒時(shí)，所述含碳原料提供至少足以用于其碳化并還原所述含有一種或多種鐵氧化物和鋅氧化物的原料中的鋅和鐵氧化物以及，如果回收的話，鉛氧化物的熱量。
16.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，發(fā)明方法的加熱步驟(a)在爐室中執(zhí)行。
17.從含有一種或多種鐵氧化物和鋅氧化物的原料中提取鋅的設(shè)備，包括第一爐室，用于接收包括所述原料和含碳原料的復(fù)合物，爐室限定出還原區(qū)，在還原區(qū)中，復(fù)合物在不足以熔化在原料中鐵的溫度，但足以從所述的含碳原料中形成還原劑并還原預(yù)定量的鋅氧化物為鋅蒸汽的溫度下加熱足夠的時(shí)間；從第一爐室收集所述鋅蒸汽的裝置；接受收集的鋅蒸汽，冷卻并形成液態(tài)或固態(tài)鋅的裝置。
18.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，進(jìn)一步包含用于控制所述鋅的裝置，以基本防止鋅蒸汽過(guò)早再冷凝或使其最小。
19.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于，所述用于控制所述鋅蒸汽的裝置包括與所述第一爐室聯(lián)合的裝置，使所述鋅蒸汽離開(kāi)所述還原區(qū)。
20.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，在所述還原區(qū)中的所述氣流一般是向下，而所述鋅蒸汽由所述氣流驅(qū)動(dòng)側(cè)向離開(kāi)還原區(qū)。
21.如權(quán)利要求17至20中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括第二爐室，與所述第一爐室相通，以接收已收集了鋅蒸汽的還原物料；加熱裝置，用于進(jìn)一步加熱在第二爐室中回收的物料至足以熔化其中的鐵的溫度；回收和冷卻熔融鐵的裝置。
22.如權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一和第二爐室排列成，來(lái)自進(jìn)一步加熱步驟的廢熱和/廢氣在第一爐室中被用于形成所述鋅蒸汽。
23.如權(quán)利要求21或22所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括從所述第二爐室中流出爐渣的裝置。
24.如權(quán)利要求21或22或23所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括從所述第二爐室中流出熔融鉛的裝置。
25.如利要求21至24中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述第二爐室垂直位于第一爐室下面，使所述還原物料在重力下持續(xù)送入第二爐室。
26.如權(quán)利要求21至25中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述加熱裝置是一外部電加熱裝置。
27.如權(quán)利要求17至26中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述裝置限定出一冷卻區(qū)，該區(qū)包含鋅蒸汽冷凝器，與來(lái)自包含鋅蒸汽收集裝置的所述還原區(qū)域的出口相通。
28.如權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其特征在于，所述冷凝器是鋅噴濺冷凝器。
29.如權(quán)利要求27或28所述的設(shè)備，其特征在于，所述冷凝器包括主冷凝室，具有用于接收位于主冷凝室的底部之上的鋅蒸汽的進(jìn)口，以使冷凝的鋅不會(huì)回流到該爐室。
30.如權(quán)利26或28或29所述的設(shè)備，其特征在于，所述的主冷凝室包圍一蒸汽導(dǎo)管，其開(kāi)口端形成蒸汽進(jìn)口，從還原區(qū)的出口延伸至該室底部之上的區(qū)域。
31.如權(quán)利要求27至30中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，蒸汽導(dǎo)管在側(cè)向從爐出口延伸到冷凝室的上部區(qū)域。
32.如權(quán)利要求17至31中任一項(xiàng)所述的的設(shè)備，包括隔熱殼體，在其中限定出所述第一爐室；在所述第一爐室內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)柱體，每個(gè)柱體包含多個(gè)垂直取向、垂直間隔的耐熱管，其中各管的橫截面積小于其相鄰的下面的管，且相鄰管端部排列成在它們之間有一環(huán)形空間，進(jìn)口，易燃物料通過(guò)該進(jìn)口送入最上面的管；出口，反應(yīng)后的物料通過(guò)該出口從最下面的管去除；流體導(dǎo)管，用于將加熱所述物料產(chǎn)生的易燃揮發(fā)物傳送至氣體燃燒裝置進(jìn)行燃燒，從而向所述第一爐室提供熱量。
全文摘要
一種從含有一種或多種鐵氧化物和鋅氧化物的原料中提取鋅的方法，該方法包括在一還原區(qū)中加熱該原料和含碳原料的復(fù)合物。所述還原區(qū)域含有還原氣氛，并處于不足以熔化原料中鐵，但處于足以從含碳原料中形成來(lái)自含碳原料的還原劑并還原預(yù)定量的鋅氧化物成為鋅蒸汽溫度和時(shí)間。該方法也包含收集鋅蒸汽并冷卻，形成液態(tài)鋅或固態(tài)鋅。
文檔編號(hào)C22B1/245GK1714163SQ200380103700
公開(kāi)日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2003年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月15日
發(fā)明者D·威爾遜, G·伊塔利亞諾 申請(qǐng)人:澳大利亞鋼鐵公司(經(jīng)營(yíng))控股有限公司, D威爾遜投資控股有限公司, 費(fèi)雷碳技術(shù)控股有限公司