轉爐鋼渣弱酸體系高效浸出工藝研究

張金池，劉貴清，解 雪，張 帆，王 芳，劉昱辰，吳祖璇

（江蘇北礦金屬循環利用科技有限公司，江蘇 徐州 221121）

鋼鐵工業是碳排放的重點行業之一，其碳排放量約占我國碳排放總量的六分之一，成為落實碳減排目標的重要領域[1]。鋼渣是轉爐煉鋼過程產生的廢渣，CaO、MgO含量高，吸水膨脹性系數大，故利用率僅為25%左右[2]。從20世紀末至今，我國鋼渣累計堆存量超過20億t，占地超過1.3萬hm2。鋼渣中的重金屬、堿金屬元素伴隨雨水沖刷，可進入土壤、水以及大氣中，給生態環境帶來極大污染。因此，將碳排放和煉鋼固體廢物集成耦合，通過技術措施有效減少鋼鐵行業CO2排放量，同時提高鋼渣利用率，已成為當前冶金行業急需解決的問題。

目前常利用鋼渣含Ca高的特性，采用礦物碳酸化方式固定CO2，同時將固廢轉化為輕質CaCO3產品，產生顯著的經濟效益[3-4]。HUIJGEN等[5]以鋼渣為原料固定CO2，考察多因素對反應速率的影響，認為顆粒尺寸和溫度是影響固碳反應速率的最主要因素。在最佳條件下，固碳率達74%。TEIR等[6]采用乙酸體系浸出鋼渣和高爐渣，Ca浸出率大于90%，然后利用浸出液固定CO2同時制備碳酸鈣。KAKIZAWA[7]等同樣以乙酸為浸取劑，通過間接礦化固定CO2，結果表明，碳酸化轉化率不足20%，乙酸再生循環能耗大，難以實現工業應用。王晨曄等[8]對CO2間接碳化轉爐鋼渣開展深入研究，對乙酸浸出-固碳過程進行耦合強化，碳酸化轉化率提高到50%。針對鋼鐵行業的固廢鋼渣，本文采用弱酸體系高效浸出Ca元素并協同浸出Mg元素，制備固碳材料固定鋼鐵行業產生的CO2，促進鋼渣的高值化利用同時減少碳排放量，其工業應用前景良好。

1 試驗

1.1 試驗原料

試驗所用鋼渣由國內某企業提供，通過球磨機破碎、研磨后，對原料的粒度進行篩析，粒度分布和主要化學成分如表1和表2所示。從表1可以看出，鋼渣粒度主要分布在+100目和-200目，+60目、60～100目、100～150目、150～200目和-200目的部分占比分別為31.16%、23.60%、8.00%、7.65%、29.58%。由表2可知，鋼渣原料的主要成分為Fe、Ca、Mg、Mn、Al等。粒度增大，Fe、Ca、Mg含量降低，Al含量增加，其他元素含量變化不大。

表1 原料粒度分布

表2 不同粒度原料的化學成分

1.2 試驗方法

首先準確稱取一定量原料置于燒杯中，加入一定量水，在水浴攪拌條件下加入乙酸溶液。保溫反應結束后，進行固液分離。渣多次洗滌后，于電熱恒溫真空干燥箱內（溫度105 ℃）烘干5 h，濾液和洗水合并送檢，根據浸出渣檢測結果計算各元素的浸出率。本研究系統考察了原料粒度、反應時間、溫度、液固比和酸加入倍數等因素對Ca、Mg浸出效果的影響。試驗所用設備包括數顯恒溫水浴鍋、數顯強力攪拌器、循環水式多用真空泵、電熱恒溫真空干燥箱和電子天平。

2 結果與討論

2.1 原料粒度對浸出效果的影響

控制反應溫度70 ℃、液固比5∶1、乙酸用量1.1倍（Ca、Mg浸出理論乙酸消耗量為1倍），攪拌浸出3 h，考察不同鋼渣粒度對浸出效果的影響，結果如圖1所示。

圖1 原料粒度對浸出效果的影響

由圖1可知，隨著原料粒度的增加，Ca、Mg浸出率逐漸增加，Fe浸出率逐漸降低。當原料粒度由低于60目增加至200目以上時，Ca浸出率由68.56%增加到81.11%，Mg浸出率由15.96%增加到25.91%，Fe浸出率由13.76%降低到5.54%。這是由于原料粒度增加，原料與浸出試劑的接觸面積增加，有利于Ca、Mg的浸出，從而使Ca、Mg浸出率大幅提高；而Fe與Ca、Mg浸出過程互為競爭關系，浸出試劑總量一定的情況下，Ca、Mg的浸出在一定程度下會抑制Fe的浸出，導致Fe浸出率降低。因此，原料粒度需要控制在200目以上。

2.2 液固比對浸出效果的影響

控制原料粒度200目以上、反應溫度70 ℃、乙酸用量1.1倍，攪拌浸出3 h，考察液固比對浸出效果的影響，結果如圖2所示。

圖2 液固比對浸出效果的影響

由圖2可得，隨著液固比的增加，Ca浸出率先增加后降低，Mg浸出率逐漸增加，Fe浸出率先降低后增加。當液固比由3增加至5時，Ca浸出率由75.02%增加至81.11%，Mg浸出率由22.14%增加至25.91%，Fe浸出率由13.74%降低至5.54%。經分析，隨著液固比的提高，溶液體積增加，溶液中金屬的濃度降低，有利于Ca、Mg的浸出，但促進了Fe的氧化，使其轉化為Fe(OH)3沉淀析出，故Fe浸出率降低。繼續提高液固比，Ca浸出率降低，Mg浸出率不再顯著增加，原因可能是酸濃度降低，而Fe浸出率增加，原因可能是浸出競爭關系的影響。因此，最佳液固比選擇5∶1。

2.3 反應溫度對浸出效果的影響

控制原料粒度200目以上、液固比5∶1、乙酸用量1.1倍，攪拌浸出3 h，考察反應溫度對浸出效果的影響，結果如圖3所示。

圖3 溫度對浸出效果的影響

由圖3可知，隨著反應溫度的升高，Ca浸出率先增加后降低，Mg浸出率變化不大，Fe浸出率逐漸降低。當反應溫度由25 ℃升高至55 ℃時，Ca浸出率由75.15%增加至85.17%，Mg浸出率穩定在28%左右，Fe浸出率由14.23%降低至6.21%。經分析，隨著溫度的升高，活化分子增多，分子運動速率加快，有利于浸出反應的進行，而溫度升高促進了Fe的氧化沉淀，故Fe浸出率降低。繼續升高溫度至85 ℃，Ca浸出率降低為80.58%，Mg、Fe浸出率變化不大，原因可能是溫度過高，乙酸揮發量增加。因此，溫度選擇55 ℃。

2.4 反應時間對浸出效果的影響

控制原料粒度200目以上、反應溫度55 ℃、液固比5∶1、乙酸用量1.1倍，進行試驗，考察反應時間對浸出效果的影響，結果如圖4所示。

圖4 時間對浸出效果的影響

由圖4可知，隨著反應時間的延長，Ca、Mg浸出率逐漸增加，Fe浸出率逐漸降低。當反應時間由0.5 h延長到1.5 h時，Ca浸出率由69.89%增加至85.23%，Mg浸出率由18.83%增加至26.35%，Fe浸出率由13.04%降低至10.28%。繼續延長反應時間，Ca、Mg浸出率不再明顯變化，Fe的氧化沉淀反應繼續進行，Fe浸出率降低至6%左右。反應時間不足2 h時，產生的大量膠狀物影響固液分離。因此，反應時間選擇2 h。

2.5 酸加入倍數對浸出效果的影響

控制原料粒度200目以上、反應溫度55 ℃、液固比5∶1，攪拌浸出2 h，考察酸加入倍數對浸出效果的影響，結果如圖5所示。由圖5可知，隨著酸加入倍數的增加，Ca、Mg、Fe浸出率逐漸增加。當酸加入倍數由1增加至1.2時，Ca浸出率由71.59%增加至85.01%，Mg浸出率維持在26%，Fe浸出率由5.08%增加至6.53%。繼續增加酸用量，Ca、Mg浸出率變化不大，Fe大量溶出，說明Ca、Mg浸出達到動態平衡。由于Fe含量過高，固碳產物碳酸鹽的純度降低，綜合考慮Ca、Mg浸出效果，酸加入倍數選擇1.2。

圖5 酸加入倍數對浸出效果的影響

綜上所述，鋼渣弱酸體系高效浸出Ca、Mg試驗的最佳工藝參數為：原料粒度200目以上、溫度55 ℃、液固比5∶1、反應時間2 h、酸加入倍數1.2。在最佳條件下進行驗證試驗，Ca、Mg、Fe的浸出率分別為85.24%、26.44%、5.83%。

3 結論

本文針對鋼鐵行業轉爐鋼渣，采用弱酸體系浸出Ca、Mg元素。在原料粒度200目以上、溫度55 ℃、液固比5∶1、反應時間2 h、酸加入倍數1.2的最佳條件下，Ca、Mg、Fe浸出率分別為85.24%、26.44%、5.83%，實現Ca元素高效浸出及Mg元素協同浸出。該工藝在實現固廢資源化利用的同時制備固碳材料，用于固定鋼鐵行業產生的CO2，為我國碳達峰碳中和貢獻綿薄之力。