摘要
钢铁冶炼工艺排放大量的含钛高炉渣，其露天堆放造成资源浪费和环境污染等问题。我国高钛型高炉渣堆积总量已累计超过6000万吨，并以每年300万吨的速度递增。从含钛高炉渣中回收有用的Ti、Al等元素可以为处理固废渣、减少污染提供可行的解决方案。硫酸法制备钛白粉时产生含有大量杂质和20wt.%H2SO4的废酸。基于此，本论文采用硫酸/废酸固化-浸出同时提取Ti、Al、Mg并分离Si，回收Ti制备TiO2，Al将回收用于制备铝产品，Ca和Mg将用于CO2封存。利用钛白废酸和硫酸法处理含钛高炉渣，达到固液废物资源化利用的目的，并对工艺流程进行了物料和能量衡算。 利用快速浸出模型将含钛高炉渣与不同浓度H2SO4溶液固化处理，再通过稀硫酸浸出，对其中的有价成分进行分离和富集，并回收Ti组分制备TiO2产品。研究了固化工艺条件对各组分提取的影响，确定了实验最佳条件：硫酸浓度为70wt.%，硫酸与含钛高炉渣质量比为1.4，固化时间为2h，温度为250℃，浸出后其Ti、Al、Mg组分浸出率分别达到85.96%、81.17%、93.82%，而Si的浸出率仅3.18%。浸出液在102℃下水解3h后，Ti水解率达93.29%，煅烧得到纯度为97.66wt.%的金红石型TiO2。 采用硫酸/废酸固化-浸出含钛高炉渣，研究了固化和浸出条件对各组分提取的影响，并对Ti组分回收制备TiO2产品。在硫酸、废酸和含钛高炉渣按质量比为1∶2∶1、110℃下固化3h，并在硫酸浓度为2.5wt.%，温度为50℃，时间为1h，液固质量比为5的条件下浸出，其Ti、Al、Mg组分浸出率分别达到87.29%、81.73%、93.21%，而Si的浸出率仅为1.24%。相比于硫酸固化-浸出含钛高炉渣，本方法可以同时处理钛白废酸，节省硫酸用量。浸出液通过加铁粉还原三价铁后，在102℃下水解3h，Ti水解率达95.85%，煅烧得到纯度为97.92wt.%的金红石型TiO2。 研究了硫酸固化-浸出含钛高炉渣过程的反应机理。通过热力学分析，表明了反应具有可行性。固化过程中，硫酸与含钛高炉渣急剧反应，并释放大量热量。含钛高炉渣网状硅酸盐结构在硫酸溶液电离出的H+的进攻下，结构被破坏，Ca、Mg、Al、Ti先后溶出富集在颗粒表面形成硫酸盐。固化产物主要为CaSO4晶体，少量Fe2(SO4)3晶体，其余组分均为非晶态。浸出后Ti、Al、Mg在浸出液中富集，CaSO4包裹在无定型SiO2颗粒表面。硅在缺水环境下快速脱水形成稳定SiO2结构，在浸出过程中避免了硅的溶解和聚合，固液分离被加速。 最后，通过AspenPlusv11对含钛高炉渣硫酸固化-浸出-水解提取Ti工艺进行了初步物料和能量衡算，可知每处理1000kg含钛高炉渣，将产生982.83kg主要成分为CaSO4和SiO2的浸出渣，7572.3kg富含Mg、Al的水解液，同时制备得到177.77kg的H2TiO3，在整个工艺过程中耗能519.12kWh/1000kg含钛高炉渣，其中最主要的耗能为水解过程，达457.22kWh/1000kg含钛高炉渣。
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