微波法处理冶金含锌尘泥的研究

项目围绕冶金尘泥在微波条件下锌赋存状态的变化，利用微波实现锌还原,研究反应的热力学、反应机理以及微波参数对锌还原等应用基础研究，基于该尘泥中碳等对微波高吸收性与锌的低熔点、低沸点特性，探索在微波选择性激发条件下，利用微波的均匀加热、气氛可控和压力可调的优势，促进锌还原，抑制铁元素还原的热力学规律，并将尘泥中锌组分原位快速还原、蒸发并被高纯分离的物理化学行为特性。重点研究微波场能与尘泥中吸波矿物对锌还原过程的相互作用机制这一关键科学问题，从中探求获得微波场效应下复杂矿物体系中目标组分选择性分离的一般物理化学规律。预期成果可为该类冶金固废的高效利用提供科学支撑，同时也将丰富微波场效应下的冶金物理化学理论。

冶金过程产生的粉尘中含有铁、锌等元素，其中的铁元素可循环利用，而锌元素不可继续大量地在冶金过程中循环使用，因此高效去除冶金粉尘中锌元素是本项目的主要研究内容。传统的高温火法，能耗高、污染大、工序长、设备投入多，部分限制了该工艺的进一步应用。微波是一种清洁处理方式，能效高、处理快，能高效处理含碳冶金粉尘中的锌，具有独特的优势。碳在微波条件下强烈吸收微波能，使得粉尘快速升温，通过合适的还原气氛，进而可迅速还原粉尘中的锌元素，锌被蒸发，从而与粉尘分离，达到高效清洁分离。.为此本项目主要研究了三个方面的内容：1）系统研究了炼铁高炉、炼钢转炉、电炉冶炼不锈钢等产生的粉尘的特点，查明了各粉尘中碳、铁、锌等主要有价元素的赋存特性，表明锌元素主要与铁元素赋存，组成铁酸锌矿相，碳元素主要独立存在，氧化钙、氧化硅、氧化铁等组成铁酸钙和橄榄石、硅酸盐等矿物相，有些粉尘如不锈钢粉尘中还赋存了部分的铬元素，各颗粒相对细小；2）在实验室利用工业微波炉，完成了各微波参数对锌还原和其热力学的影响研究，结果表明微波加热功率与其加热速率有较大的相关性，功率越大，加热速率随之增大，在实验室3-7KW下其加热速率可达140-160K/min；反应气氛对还原影响较大，实验表明碳浓度越大，加热速率越大，锌、铁的还原也越彻底，但从锌分离的效率来看，在微波处理粉尘时合适的碳含量是12%；气氛的压力对加热速率和还原速率均不显著，当碳含量为16-18%，锌的去除效率可达90%以上；3）实验完成了该反应的动力学及其机理的研究，得出反应最佳时间控制在10-15min，整个还原过程的速率由碳气化以及反应中的气相扩散所控制。建立了数学模型来描述微波下锌铁碳热还原反应的化学反应速率常数与温度之间的关系，并计算了相应的化学反应的活化能，其活化能为40-50KJ/mol，低于传统火法高温碳热还原的活化能，表明微波能降低反应的活化能，促进反应的进行，提高锌的还原率。通过实验室的收集装置，得到了高纯氧化锌产品，其纯度达97%以上。.本项目的研究成果可为该类冶金固废的高效利用提供科学支撑，同时也丰富了微波场效应下的冶金物理化学理论，补充了碳热还原反应在微波场下的热力学和动力学相关规律和科学内容。