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目前我国企业实际生产运用的提钒工艺主要为钠化焙烧-水浸提钒,在这一生产过程中不可避免的产生了大量的水浸提钒弃渣。由于水浸提钒弃渣中含有大量的有价金属元素,如:铁、铬和钒等,有必要进行回收利用。由于水浸提钒弃渣在烧结原料中的大量配入,导致烧结矿中钠含量相对提高,进而提高了高炉钠元素的入炉含量,从而钠元素在高炉形成内循环并富集,高炉的结瘤机率被大幅度提高,严重影响高炉的寿命和操作。
本文以承德建龙钢铁有限公司的经钠化焙烧-水浸提钒后的提钒弃渣为原料,目的是脱除其中的钠元素,使它能够作为原料,以较高的配比重返高炉流程而不对设备造成不利影响,实现固体废物资源化再利用。本文采用了混酸浸出的方式,借助XRD、SEM、XRF等检测手段,对硫酸浓度、氢氟酸浓度、浸出温度、液固比、浸出时间对水浸提钒弃渣中的钠浸出率的影响、各个因素影响程度的大小及它们之间的交互作用、混酸浸出动力学进行了研究。主要得到以下结论:
(1)对水浸提钒弃渣的化学组成分析及物相分析表明:其主要由铁的氧化物、辉石固溶体构成,其中钠主要包裹在辉石固溶体中,少量存在于硅酸盐相中。
(2)氢氟酸的加入可以有效破坏辉石固溶体结构及硅酸盐相,水浸提钒弃渣中的钠可以得到有效的浸出,使钠的脱除率较仅有硫酸时平均提高约20%。
(3)在硫酸和氢氟酸混酸浸出的条件下,水浸提钒弃渣中钠的脱除率随着氢氟酸浓度的增加而明显增加,当氢氟酸浓度为15%时达到最大值75.34%;随着液固比的增大,水浸提钒弃渣中钠的脱除率呈先急剧上升后缓慢上升状;随着反应时间的延长,水浸提钒弃渣中钠去除率呈缓慢增加趋势;硫酸浓度、反应温度对水浸提钒弃渣中钠的脱除率影响并不明显。
(4)结合单因素实验及四因素三水平的Box-Behnken响应曲面实验,得出各个因素影响程度大小顺序为氢氟酸浓度>浸出温度>硫酸浓度>浸出时间;硫酸浓度与氢氟酸浓度间的交互作用较强;硫酸浓度与浸出时间、浸出温度存在-定的交互作用;氢氟酸浓度与浸出时间,氢氟酸与浸出温度,浸出温度与浸出时间的交互作用均偏弱。
在实验条件下最佳工艺条件为:硫酸浓度15%、氢氟酸浓度15%、浸出温度45℃、液固比10∶1、浸出时间90min。钠的浸出率高达91.7%,且浸出后水浸提钒弃渣中TFe含量可达35.19%。
(5)对水浸提钒弃渣脱钠的动力学进行的研究表明,水浸提钒弃渣中钠元素的浸出过程符合缩心模型中的内扩散-化学混合控制模型,动力学表观活化能为16.29kJ/mol,硫酸和氢氟酸的反应级数分别为0.48和1.68,其宏观反应动力学方程为:[(1-x)1/3-1]+1/3ln(1-x)=C0.489H2SO4])C1.68)[HF]exp(-16.29/RT)t。
本文以承德建龙钢铁有限公司的经钠化焙烧-水浸提钒后的提钒弃渣为原料,目的是脱除其中的钠元素,使它能够作为原料,以较高的配比重返高炉流程而不对设备造成不利影响,实现固体废物资源化再利用。本文采用了混酸浸出的方式,借助XRD、SEM、XRF等检测手段,对硫酸浓度、氢氟酸浓度、浸出温度、液固比、浸出时间对水浸提钒弃渣中的钠浸出率的影响、各个因素影响程度的大小及它们之间的交互作用、混酸浸出动力学进行了研究。主要得到以下结论:
(1)对水浸提钒弃渣的化学组成分析及物相分析表明:其主要由铁的氧化物、辉石固溶体构成,其中钠主要包裹在辉石固溶体中,少量存在于硅酸盐相中。
(2)氢氟酸的加入可以有效破坏辉石固溶体结构及硅酸盐相,水浸提钒弃渣中的钠可以得到有效的浸出,使钠的脱除率较仅有硫酸时平均提高约20%。
(3)在硫酸和氢氟酸混酸浸出的条件下,水浸提钒弃渣中钠的脱除率随着氢氟酸浓度的增加而明显增加,当氢氟酸浓度为15%时达到最大值75.34%;随着液固比的增大,水浸提钒弃渣中钠的脱除率呈先急剧上升后缓慢上升状;随着反应时间的延长,水浸提钒弃渣中钠去除率呈缓慢增加趋势;硫酸浓度、反应温度对水浸提钒弃渣中钠的脱除率影响并不明显。
(4)结合单因素实验及四因素三水平的Box-Behnken响应曲面实验,得出各个因素影响程度大小顺序为氢氟酸浓度>浸出温度>硫酸浓度>浸出时间;硫酸浓度与氢氟酸浓度间的交互作用较强;硫酸浓度与浸出时间、浸出温度存在-定的交互作用;氢氟酸浓度与浸出时间,氢氟酸与浸出温度,浸出温度与浸出时间的交互作用均偏弱。
在实验条件下最佳工艺条件为:硫酸浓度15%、氢氟酸浓度15%、浸出温度45℃、液固比10∶1、浸出时间90min。钠的浸出率高达91.7%,且浸出后水浸提钒弃渣中TFe含量可达35.19%。
(5)对水浸提钒弃渣脱钠的动力学进行的研究表明,水浸提钒弃渣中钠元素的浸出过程符合缩心模型中的内扩散-化学混合控制模型,动力学表观活化能为16.29kJ/mol,硫酸和氢氟酸的反应级数分别为0.48和1.68,其宏观反应动力学方程为:[(1-x)1/3-1]+1/3ln(1-x)=C0.489H2SO4])C1.68)[HF]exp(-16.29/RT)t。