Nghiên cứu tái chế bụi lò điện hồ quang để thu hồi ôxyt kẽm = study on recycling electric arc furnace dust to collect zinc oxide

Lời cảm ơn Để hoàn thành luận văn thạc sĩ mình, trước tiên tơi xin bày tỏ cảm kích gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Bùi Anh Hòa, người định hướng, trực tiếp dẫn dắt cho suốt thời gian thực đề tài nghiên cứu khoa học Trong thời gian nghiên cứu thầy cho phép tự bày tỏ quan điểm đồng thời đưa nhận xét, góp ý, dẫn dắt hướng Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội truyền đạt cho kiến thức chuyên sâu chuyên ngành tạo điều kiện để tơi thực hành nghiên cứu, thí nghiệm Cuối xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Nghiện cứu Sành sứ Thủy tinh Công Nghiệp – Bộ Công Thương tạo điều kiện để tơi hồn thành khóa luận tốt nghiệp cách tốt Trong trình nghiên cứu khơng thể tránh hạn chế, thiếu sót Tơi mong nhận nhận xét góp ý từ q thầy bạn học giúp khóa luận hồn thiện Tóm tắt nội dung luận văn Bụi lò điện hồ quang (EAFD) nguồn thải nguy hại khơng Việt Nam mà cịn giới Hiện nay, sử dụng lò điện hồ quang sản xuất thép Việt Nam sinh lượng bụi thải không nhỏ, khoảng 75.000 bụi/ năm (Bộ TN – MT) EAFD Việt Nam thường xử lý cách vận chuyển đến bãi tập kết lưu trữ nhà kho, gây vấn đề môi trường lãng phí tài nguyên; gần bụi EAF cịn bán nước ngồi, khơng ổn định phụ thuộc hoàn toàn vào người mua Mặc dù xếp vào nhóm chất thải nguy hại bụi EAF luyện thép có chứa kim loại có giá trị Zn, Fe, Cr… Bụi EAF chứa hàm lượng kẽm cao ( < 16 %) quan tâm giá trị kinh tế, nhiên bụi chứa hàm lượng kẽm thấp ( < 16 %) bỏ chất đống bãi tập kết Nghiên cứu tái chế bụi lò điện hồ quang chứa hàm lượng kẽm thấp thành sản phẩm có ích để đem lại lợi nhuận kinh tế đồng thời giảm lượng bụi phát thải môi trường nhiều đơn vị quan tâm Nghiên cứu tập trung vào đánh giá tính chất mẫu bụi EAF chứa hàm lượng kẽm thấp thu Việt Nam, từ từ thực thu hồi bột ZnO phương pháp nhiệt cacbon Kẽm hoàn nguyên bay tách khỏi bụi, sau bị ôxy trở lại; chứa ôxyt kẽm thoát khỏi lò thu hồi lại cho sản phẩm bột oxit kẽm thơ viên bụi EAF cịn lại chứa hàm lượng sắt cao Các sản phẩm xem xét làm nguyên liệu sử dụng luyện gang thép ngành công nghiệp khác Mẫu bụi EAF sau phân tích trộn với than cok nghiền nhỏ đến kích thước hạt nhỏ khoảng 500 µm, ép tạo viên có kích thước  22, × 10 mm, hồn nguyên nhiệt độ 800 – 1200 oC thời gian 30 - 90 phút nhằm khảo sát ảnh hưởng chế độ hoàn nguyên đến tốc độ phản ứng, lượng hoạt hóa hiệu suất hồn ngun hóa kẽm bụi EAF nhằm thu hồi ôxyt kẽm Trong nghiên cứu này, số phương pháp phân tính chất bụi EAF sử dụng như: phân tích thành phần Zn Fe phương pháp phân tích hóa học truyền thống, xác định phân bố kích thước hạt bụi thiết bị phân tích phổ phân bố kích thước hạt Laser LA – 300, phân tích nguyên tố phương pháp trắc phổ huỳnh quang tia X (Máy phân tích XRF S2 PUMA), phân tích thành phần khoáng vật phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) thiết bị phân tích D2 Phaser Bruker thiết bị phân tích PANalytical Aeris XRD Diffactometer, phân tích hình thái bề mặt hiển vi điện tử quét (SEM) tích hợp với phân tích nguyên tố phổ kế tán sắc lượng tia X (EDS) Kết nghiên cứu xác định tính chất đặc trưng bụi EAF thu Việt Nam cho biết kích thước hạt trung bình bụi xác định 15,14 µm, phân bố cỡ hạt trải từ 0,5 đến 200 µm; tổng hàm lượng Zn Fe phân tích tương ứng 14,55% 20,16 %, tồn chủ yếu dạng Zincite ZnO) Franklinit ZnFe2O4 ); ngồi tìm thấy thành phần hóa khác SiO2, MnO, CaO, MgO, PbO Al2O3 Kết thí nghiệm cho thấy nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến tốc độ, lượng hoạt hóa hiệu suất kẽm Tốc độ giảm hàm lượng kẽm bụi cao 0,42% / phút hoàn nguyên 1200 ℃ thời gian 30 phút Từ 800 – 1100 ℃ lượng hoạt hóa tính lớn 30 phút đạt 122,54 kJ / mol thấp 60 phút đạt 88,54 kJ / mol Tại 1200 ℃ hoàn nguyên 60 phút giảm hàm lượng kẽm mẫu %, tức hiệu suất đạt 100% Bằng thực nghiệm thu hồi bột ơxyt kẽm có độ tinh khiết 74 % Ngồi ra, cịn thu phần bụi lại viên chứa hàm lượng sắt cao, cung cấp làm ngun liệu cho cơng nghệ sản xuất gang lị cao cơng nghệ hồn nguyên trực tiếp HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH DANH SÁCH CÁC BẢNG DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT 10 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ BỤI EAF LUYỆN THÉP 11 1.1 Nguồn gốc phát sinh bụi EAF 11 1.2 Tính chất chung bụi EAF 12 1.2.1 Kích thước hạt bụi EAF 12 1.2.2 Đặc điểm thành phần bụi EAF 12 1.3 Xử lý tái chế bụi EAF luyện thép 15 1.3.1 Thực trạng nghiên cứu xử lý bụi giới 16 1.3.2 Thực trạng nghiên cứu xử lý bụi EAF Việt Nam 18 1.4 Tách kẽm bụi EAF nhằm tái chế 21 1.5 Mục đích nội dung nghiên cứu đề tài 23 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 25 2.1 Nhiệt động học hoàn nguyên oxit kim loại cacbon rắn 25 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 Nguyên lý chung 25 Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng hoàn nguyên 26 Hoàn nguyên trực tiếp oxit sắt 28 Hoàn nguyên trực tiếp oxit kẽm cacbon: 29 2.2 Cơ chế động học q trình hồn nguyên oxit kim loại cacbon 30 2.2.1 Lý thuyết hoàn nguyên qua hai giai đoạn Taman 30 2.2.2 Lý thuyết hoàn nguyên oxit kim loại nhờ khuếch tán cacbon qua lớp sản phẩm phản ứng Baucô 31 2.2.3 Lý thuyết hoàn nguyên qua hai mức độ 31 2.2.4 Lý thuyết hoàn nguyên oxit kim loại qua Elutin – páplôp 32 2.3 Nguyên lý phương pháp hóa kẽm sắt bụi EAF 32 2.3.1 Nguyên lý 32 2.3.2 Nhiệt động học hoàn nguyên oxit sắt oxit kẽm bụi EAF 32 2.4 Công nghệ ép viên quặng 34 2.5 Cơng nghệ hồn ngun trực tiếp thể rắn 35 2.6 Công nghệ hỏa luyện xử lý bụi EAF 37 2.6.1 Quy trình lị quay Waelz 38 2.6.2 Phương pháp lò quay đáy (RHF) 40 2.6.3 Công nghệ FINEX 42 2.6.4 2.6.5 2.6.6 2.6.7 Công nghệ HISMELT 42 Quy trình Plasma 43 Phương pháp lò điện 43 Quy trình PRIMIUS 44 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 45 3.1 Vật liệu thí nghiệm 45 3.2 Quy trình thí nghiệm hồn ngun bụi EAF than cok 45 3.2.1 Ép viên 48 3.2.2 Hoàn nguyên viên ép 50 3.3 Các phương pháp phân tích, kiểm tra 50 3.3.1 Phân tích phương pháp hóa 50 3.3.2 Phân tích kích thước phân bố cỡ hạt mẫu phương pháp tán xạ laser 52 3.3.3 Phân tích thành phần hóa học phương pháp trắc phổ huỳnh quang tia X (XRF) 53 3.3.4 Phân tích thành phần khoáng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 53 3.3.5 Phân tích hiển vi điện tử quét (SEM) tích hợp với phổ kế tán sắc lượng tia X (EDS) 54 CHƢƠNG KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 56 4.1 Kết xác định tính chất bụi EAF 56 4.1.1 Kích thước hạt bụi EAF 56 4.1.2 Thành phần hóa mẫu bụi EAF 59 4.1.3 Thành phần khoáng vật mẫu bụi EAF 60 4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian hoàn nguyên đến lượng hoạt hóa phản ứng hiệu suất hóa kẽm viên bụi EAF 62 4.2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ hoàn nguyên 62 4.2.2 Ảnh hưởng thời gian giữ nhiệt đến khả hóa kẽm mẫu thí nghiệm 64 4.2.3 Tốc độ phản ứng hoàn nguyên hóa kẽm mẫu 65 4.2.4 Năng lượng hoạt hóa phản ứng 66 4.2.5 Hiệu suất hóa Zn 71 4.3 Kết phân tích mẫu bụi cịn lại sau hồn ngun hóa kẽm thu hồi bột ôxyt kẽm 73 4.3.1 Kết phân tích mẫu bụi cịn lại sau hồn ngun 73 4.3.2 Kết phân tích bột ZnO thu hồi sau hoàn nguyên 77 CHƢƠNG KẾT LUẬN 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC 84 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ 85 DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý phát sinh bụi lò điện hồ quang (EAFD) 11 Hình 2.1 Thành phần cân pha khí hồn ngun cacbon rắn 25 Hình 2.2 Ảnh hưởng áp suất đến q trình hồn ngun cacbon rắn 27 Hình 2.3 Thành phần cân pha khí hồn ngun oxit sắt cacbon 28 Hình 2.4 Giản đồ Elingham 30 Hình 2.5 Năng lượng tự Gibbs tiêu chuẩn hàm nhiệt độ cho phản ứng hóa học trình bày phương trình 1) đến (5) 33 Hình 2.6 Dây chuyền cơng nghệ vê viên quặng dùng cho sản xuất sắt xốp 35 Hình 2.7 Lưu trình nhà máy hồn ngun trực tiếp 37 Hình 2.8 Cơng nghệ lị ống quay Wealz 38 Hình 2.9 Sơ đồ mặt cắt lị Waelz 39 Hình 2.10 Cơng nghệ lò đáy quay 40 Hình 2.11 Cơng nghệ xử lý bụi EAF RHF Nhật Bản 41 Hình 2.12 Sơ đồ công nghệ FINEX 42 Hình 2.13 Lị luyện công nghệ HISMELT 43 Hình 2.14 Sơ đồ quy trình cơng nghệ oxindus cơng đoạn black line 44 Hình 2.15 Quy trình PRIMIUS 44 Hình 3.1 Mẫu bụi EAF luyện thép dùng thí nghiệm 45 Hình 3.2 Than cok dùng thí nghiệm (