一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺
阅读：43发布：2021-07-09
专利汇可以提供一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种高 硅 铁 矿石 生产超纯纳米白 炭黑 的工艺，包括以下步骤：1)制作还原物料：将高硅铁矿制作成待 烧结 球团；2)还原待烧结球团：高温加热待烧结球团，得到还原球团，排出烧结烟气；3) 破碎 磨选出高硅尾渣：破碎还原球团得到还原碎料，采用超细磨装置磨选还原碎料得到还原粉料， 磁选 还原粉料得到高硅尾渣；4)提取 硅酸 钠溶液：向高硅尾渣中加入 碱 液得到固液混合物， 浸出 硅酸钠溶液；5)提炼白炭黑：向硅酸钠溶液中加入 酸洗 涤，析出硅酸沉淀，过滤得到滤液，干燥硅酸沉淀得到白炭黑。本 申请 提供的方案，能够利用高硅铁矿生产白炭黑，提高白炭黑的品质。，下面是一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺专利的具体信息内容。
1.一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)制作还原物料：将高硅铁矿制作成待烧结球团；
2)还原待烧结球团：高温加热待烧结球团，得到还原球团，排出烧结烟气；
3)破碎磨选出高硅尾渣：破碎还原球团得到还原碎料，采用超细磨装置磨选还原碎料得到还原粉料，磁选还原粉料得到高硅尾渣；
4)提取硅酸钠溶液：向高硅尾渣中加入碱液得到固液混合物，浸出硅酸钠溶液；
5)提炼白炭黑：向硅酸钠溶液中加入酸洗涤，析出硅酸沉淀，过滤得到滤液，干燥硅酸沉淀得到白炭黑。
2.一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)制作还原物料：将高硅铁矿制作成待烧结球团；
2)还原待烧结球团：高温加热待烧结球团，得到还原球团，排出烧结烟气；
3)破碎磨选出高硅尾渣：破碎还原球团得到还原碎料，采用超细磨装置磨选还原碎料得到还原粉料，磁选还原粉料得到高硅尾渣；
4)提取硅酸钠溶液：向高硅尾渣中加入碱液得到固液混合物，浸出硅酸钠溶液；
5)生成白炭黑：将硅酸钠溶液喷入100-600℃二氧化碳气体中，得到高硅含钠固体；再对高硅含钠固体进行稀酸洗涤、过滤得到滤液，干燥固体得到白炭黑。
3.根据权利要求1或2所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺，其特征在于，步骤
3)中超细磨装置的出料粒度为600-900目；优选为750-850目。
4.根据权利要求3所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺，其特征在于，步骤2)中低温加热的温度为800℃-1200℃，优选为900℃-1000℃，更优选为900℃-980℃；和/或步骤2)中低温加热的时间为15-45min，优选为20-30min。
5.根据权利要求1-4中任一项所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺，其特征在于，步骤1)中，包括以下步骤：
1a)破碎铁矿石得到铁矿石碎料，破碎内配煤得到内配煤碎料；
1b)将铁矿石碎料和内配煤碎料在粘结剂的作用下配料、磨矿，得到球团原料；
1c)球团原料在造球装置中，制成球团；
1d)干燥球团：将球团在第一干燥装置进行干燥预热得到待烧结球团。
6.根据权利要求1-5中任一项所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺，其特征在于，步骤2)中排出的烧结烟气通入步骤5)中的硅酸钠溶液中，得到净化烟气；或步骤2)中排出的烧结烟气先通入第一干燥装置对球团进行干燥，再通入步骤5)中的硅酸钠溶液中，得到净化烟气；作为优选，净化烟气通入步骤3)中的超细磨装置防止铁氧化。
7.根据权利要求5或6所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺，其特征在于，步骤
5)中的滤液通入造球装置中参与步骤1c)的造球过程。
8.根据权利要求1-7中任一项所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺，其特征在于，步骤4)中，采用逆流浸出法从高硅尾渣中浸出硅酸钠溶液；其中，包括以下步骤；
4a)高硅尾渣正向碱浸：第一层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第二层碱浸单元进行碱浸；第二层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第三层碱浸单元进行碱浸；
4b)浸出溶液逆向排出：在第三层碱浸单元加入碱液，第三层浸出溶液加入到第二层碱浸单元，第二层浸出溶液加入到第一层碱浸单元，第一层碱浸单元的浸出溶液通入硅酸钠存储容器中；
4c)保持弱碱性：向第一层碱浸单元和第二层碱浸单元补入碱液，保持第一层碱浸单元和第二层碱浸单元溶液PH值为7-9，优选为7.5-8.5。
9.根据权利要求1-8中任一项所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺，其特征在于，步骤4)中碱浸后剩余的滤渣作为粘结剂参与到步骤1)中的待烧结球团制取过程。
10.根据权利要求1-9中任一项所述高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺，其特征在于，步骤2)中产生的烧结烟气与步骤4)中的固液混合物进行换热。
一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺
技术领域
背景技术
[0002] 截止2018年，我国铁矿石资源保有储量约470亿t，但97％为贫矿，平均铁品位仅为34.29％，比世界铁矿石平均铁品位(48.24％)低14个点，比四大矿山铁矿石平均铁品位(56.07％)低22个点。这种矿石在我国湖南衡阳、宁乡等地储量巨大，仅衡阳市境内的洞口铁矿储量达5～6亿吨，但这些矿石一般含铁矿物嵌布粒度极细，达到-400目，甚至-600目以上，常规选矿手段难以得到有效富集。
[0003] 处理铁矿石传统的高温冶金工艺主要包括磁化焙烧、直接还原(煤基法和气基法)及配料烧结-高炉炼铁法。磁化焙烧虽然是从铁矿石中回收金属铁较好的处理工艺，但产品为磁铁矿及少量浮士体，产品档次低，价格便宜。同时，该工艺无论是回转窑法、竖炉法，还是流化床法，由于其铁回收率低、还原程度难以均匀化及设备大型化的难题等未解决，目前均停留在实验室研究阶段。配矿烧结-高炉法为我国低品位矿的利用提供一条思路，但是该方法吨铁水的能耗高、渣量大，既浪费宝贵了焦煤资源，又会造成炉料顺行困难。在国家节能环保和高炉精料方针的号召下，该工艺将会逐渐被淘汰。目前传统直接还原工艺中气基法和部分煤基法需要使用氧化球团，而高硅低品位铁矿石采用氧化球团-直接还原工艺的吨铁能耗非常大，不具有节能环保优势。部分煤基还原工艺可以采用矿-煤复合球团进行生产，但是高硅铁矿石在传统直接还原的高温条件下会产生大量铁橄榄石，造成铁回收失败。因此，从高硅低品位铁矿石中高效回收铁资源成为难点。
[0004] 与此同时，针对该高硅铁矿含硅量高的特点，若能够充分利用生产还原铁粉的工艺环节，助力于后期高硅尾渣的处理，生产优质的硅酸钠，再利用优质的硅酸钠生产超纯的白炭黑，将会有效提高该铁粉还原工艺的副产值。
[0005] 因此，如何提供一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺，其能够利用高硅铁矿生产白炭黑，提高白炭黑的生产品质，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
[0006] 针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于利用高硅铁矿生产白炭黑，提高白炭黑的品质。本发明提供一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺，包括以下步骤：1)制作还原物料：将高硅铁矿制作成待烧结球团。2)还原待烧结球团：高温加热待烧结球团，得到还原球团，排出烧结烟气。3)破碎磨选出高硅尾渣：破碎还原球团得到还原碎料，采用超细磨装置磨选还原碎料得到还原粉料，磁选还原粉料得到高硅尾渣。4)提取硅酸钠溶液：向高硅尾渣中加入碱液得到固液混合物，浸出硅酸钠溶液。5)提炼白炭黑：向硅酸钠溶液中加入酸洗涤，析出硅酸沉淀，过滤得到滤液，干燥硅酸沉淀得到白炭黑。
[0007] 根据本发明的第一个实施方案，提供一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺：
[0008] 一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺，包括以下步骤：
[0009] 1)制作还原物料：将高硅铁矿制作成待烧结球团。
[0010] 2)还原待烧结球团：高温加热待烧结球团，得到还原球团，排出烧结烟气。
[0011] 3)破碎磨选出高硅尾渣：破碎还原球团得到还原碎料，采用超细磨装置磨选还原碎料得到还原粉料，磁选还原粉料得到高硅尾渣。
[0012] 4)提取硅酸钠溶液：向高硅尾渣中加入碱液得到固液混合物，浸出硅酸钠溶液。
[0013] 5)提炼白炭黑：向硅酸钠溶液中加入酸洗涤，析出硅酸沉淀，过滤得到滤液，干燥硅酸沉淀得到白炭黑。
[0014] 作为优选，步骤3)中超细磨装置的出料粒度为600-900目。优选为750-850目。
[0015] 作为优选，步骤2)中低温加热的温度为800℃-1200℃，优选为900℃-1000℃，更优选为900℃-980℃。
[0016] 作为优选，步骤2)中低温加热的时间为15-45min，优选为20-30min。
[0017] 作为优选，步骤1)中，包括以下步骤：
[0018] 1a)破碎铁矿石得到铁矿石碎料，破碎内配煤得到内配煤碎料。
[0019] 1b)将铁矿石碎料和内配煤碎料在粘结剂的作用下配料、磨矿，得到球团原料。
[0020] 1c)球团原料在造球装置中，制成球团。
[0021] 1d)干燥球团：将球团在第一干燥装置进行干燥预热得到待烧结球团。
[0023] 或
[0024] 步骤2)中排出的烧结烟气先通入第一干燥装置对球团进行干燥，再通入步骤5)中的硅酸钠溶液中，得到净化烟气。
[0025] 作为优选，净化烟气通入步骤3)中的超细磨装置防止铁氧化。
[0026] 作为优选，步骤5)中的滤液通入造球装置中参与步骤1c)的造球过程。
[0027] 作为优选，步骤4)中，采用逆流浸出法从高硅尾渣中浸出硅酸钠溶液。其中，包括以下步骤。
[0028] 4a)高硅尾渣正向碱浸：第一层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第二层碱浸单元进行碱浸。第二层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第三层碱浸单元进行碱浸。
[0029] 4b)浸出溶液逆向排出：在第三层碱浸单元加入碱液，第三层浸出溶液加入到第二层碱浸单元，第二层浸出溶液加入到第一层碱浸单元，第一层碱浸单元的浸出溶液通入硅酸钠存储容器中。
[0030] 4c)保持弱碱性：向第一层碱浸单元和第二层碱浸单元补入碱液，保持第一层碱浸单元和第二层碱浸单元溶液PH值为7-9，优选为7.5-8.5。
[0031] 作为优选，步骤4)中碱浸后剩余的滤渣作为粘结剂参与到步骤1)中的待烧结球团制取过程。
[0032] 作为优选，步骤2)中产生的烧结烟气与步骤4)中的固液混合物进行换热。
[0033] 根据本发明的第二个实施方案，提供一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺：
[0034] 一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺，包括以下步骤：
[0035] 1)制作还原物料：将高硅铁矿制作成待烧结球团。
[0036] 2)还原待烧结球团：高温加热待烧结球团，得到还原球团，排出烧结烟气。
[0037] 3)破碎磨选出高硅尾渣：破碎还原球团得到还原碎料，采用超细磨装置磨选还原碎料得到还原粉料，磁选还原粉料得到高硅尾渣。
[0038] 4)提取硅酸钠溶液：向高硅尾渣中加入碱液得到固液混合物，浸出硅酸钠溶液。
[0040] 作为优选，步骤3)中超细磨装置的出料粒度为600-900目。优选为750-850目。
[0041] 作为优选，步骤2)中低温加热的温度为800℃-1200℃，优选为900℃-1000℃，更优选为900℃-980℃。
[0042] 作为优选，步骤2)中低温加热的时间为15-45min，优选为20-30min。
[0043] 作为优选，步骤1)中，包括以下步骤：
[0044] 1a)破碎铁矿石得到铁矿石碎料，破碎内配煤得到内配煤碎料。
[0045] 1b)将铁矿石碎料和内配煤碎料在粘结剂的作用下配料、磨矿，得到球团原料。
[0046] 1c)球团原料在造球装置中，制成球团。
[0047] 1d)干燥球团：将球团在第一干燥装置进行干燥预热得到待烧结球团。
[0048] 作为优选，步骤2)中排出的烧结烟气通入步骤5)中的硅酸钠溶液中，得到净化烟气。
[0049] 或
[0050] 步骤2)中排出的烧结烟气先通入第一干燥装置对球团进行干燥，再通入步骤5)中的硅酸钠溶液中，得到净化烟气。
[0051] 作为优选，净化烟气通入步骤3)中的超细磨装置防止铁氧化。
[0052] 作为优选，步骤5)中的滤液通入造球装置中参与步骤1c)的造球过程。
[0053] 作为优选，步骤4)中，采用逆流浸出法从高硅尾渣中浸出硅酸钠溶液。其中，包括以下步骤。
[0054] 4a)高硅尾渣正向碱浸：第一层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第二层碱浸单元进行碱浸。第二层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第三层碱浸单元进行碱浸。
[0055] 4b)浸出溶液逆向排出：在第三层碱浸单元加入碱液，第三层浸出溶液加入到第二层碱浸单元，第二层浸出溶液加入到第一层碱浸单元，第一层碱浸单元的浸出溶液通入硅酸钠存储容器中。
[0056] 4c)保持弱碱性：向第一层碱浸单元和第二层碱浸单元补入碱液，保持第一层碱浸单元和第二层碱浸单元溶液PH值为7-9，优选为7.5-8.5。
[0057] 作为优选，步骤4)中碱浸后剩余的滤渣作为粘结剂参与到步骤1)中的待烧结球团制取过程。
[0058] 作为优选，步骤2)中产生的烧结烟气与步骤4)中的固液混合物进行换热。
[0059] 在本申请的第一个实施方案中，高硅铁矿被制成烧结待烧结球团后，进入直接还原系统，在直接还原系统中，经过高温加热，烧结球团发生氧化还原反应，球团内的铁矿石还原出微小的铁单体，得到还原球团。对还原球团进行破碎磨选处理，先将还原球团破碎得到还原碎料，再采用超细磨装置将还原碎料研磨成还原粉料。还原粉料通过磁选，磁选出还原铁粉，剩余的即为高硅尾渣。最后将高硅滤渣通过碱浸的方式，得到硅酸钠。本申请提供的技术方案，在步骤3)的破碎磨选的过程中，最终将还原球团磨成超细粉末。也就是说，高硅尾渣也成呈超细粉末状，从而增大了高硅尾渣的比表面积。使得在步骤4)碱浸的过程中，高硅尾渣能够与碱液更充分更快速的反应。于此同时，由于将硅氧化物磨成超细粉末，氧化硅的粒度小。氧化硅大多以硅氧四面体的形式存在。那么在氧化硅与碱反应的过程中，氧化硅在碱性条件下呈酸性，即氧化硅以形成硅酸的形式与氢氧化钠反应。钠离子与硅酸根离子结合。准确来说是钠离子与硅酸根离子的氧形成化学键，钠离子与硅酸根离子的结合，使得反应中，氧化硅不断的溶于氢氧化钠，生成硅酸钠。将还原球团磨成超细粉末状的还原粉料，有利于氧化硅的溶解。同时可以有效的减少碱的添加量，降低生产成本。再得到优质硅酸钠的前提下，向优质硅酸钠中加入酸(例如：稀酸，盐酸等)，即可得到硅酸沉淀，过滤干燥后得到优质白炭黑。
[0060] 在本申请的第二个实施方案中，高硅铁矿被制成烧结待烧结球团后，进入直接还原系统，在直接还原系统中，经过高温加热，烧结球团发生氧化还原反应，球团内的铁矿石还原出微小的铁单体，得到还原球团。对还原球团进行破碎磨选处理，先将还原球团破碎得到还原碎料，再采用超细磨装置将还原碎料研磨成还原粉料。还原粉料通过磁选，磁选出还原铁粉，剩余的即为高硅尾渣。最后将高硅滤渣通过碱浸的方式，得到硅酸钠。本申请提供的技术方案，在步骤3)的破碎磨选的过程中，最终将还原球团磨成超细粉末。也就是说，高硅尾渣也成呈超细粉末状，从而增大了高硅尾渣的比表面积。使得在步骤4)碱浸的过程中，高硅尾渣能够与碱液更充分更快速的反应。于此同时，由于将硅氧化物磨成超细粉末，氧化硅的粒度小。氧化硅大多以硅氧四面体的形式存在。那么在氧化硅与碱反应的过程中，氧化硅在碱性条件下呈酸性，即氧化硅以形成硅酸的形式与氢氧化钠反应。钠离子与硅酸根离子结合。准确来说是钠离子与硅酸根离子的氧形成化学键，钠离子与硅酸根离子的结合，使得反应中，氧化硅不断的溶于氢氧化钠，生成硅酸钠。将还原球团磨成超细粉末状的还原粉料，有利于氧化硅的溶解。同时可以有效的减少碱的添加量，降低生产成本。再得到优质硅酸钠的前提下，将优质硅酸钠溶液喷入高温(100-600℃)的二氧化碳气体中，使得硅酸钠充分的跟二氧化碳进行反应，产生超细粉末状的高硅含钠固体，即氧化硅和碳酸钠的固体混合物。再对高硅含钠固体进行稀酸洗涤，粉末状的碳酸钠与稀酸反应迅速，快速溶解。最终得到超细粉末状的活性二氧化硅，即白炭黑。本申请提供的方案，能够产生高质量超纯度的活性白炭黑。
[0061] 需要说明的是，从提硅提铁两个角度来看，超细磨矿不仅是制备超细铁粉的过程，还是制备超细提硅原料的过程。通过试验发现，高硅尾渣碱浸过程属于未反应核模型，反应从颗粒外部逐步向内进行。通过超细磨将尾渣颗粒变小，提高了粉体的反应表面积，进而加快了硅的浸出速率。
[0062] 在本申请中，超细磨装置所磨成的还原粉料的粒度要求为600-900目。优选为750-850目。现有技术已经完全能够实现这一技术特征。对粒度的要求进行限制，是综合了研磨耗能，磁选方式的选择得出来的。
[0063] 需要进一步说明的是，目前工业上生产沉淀法白炭黑厂家均采用火法制备硅酸钠溶液。生产硅酸钠的原料为石英砂、纯碱，将二者按一定比例混合送至反射窑炉中，经高温煅烧(1400℃左右)熔化炉后水淬包装即为固体硅酸钠。将固体硅酸钠在一定温度、压力下将其溶化成液体即为水玻璃。化学反应式为：Na2CO3+SiO2→(高温)Na2SiO3+CO2↑。与湿法生产水玻璃相比，干法工艺能耗高，硅酸钠杂质含量高，应用沉淀法制备白炭黑产品质量差。本工艺通过还原焙烧起到提硅降铁降铝目的，再通过超细磨矿实现了浸出原料粒度细化，再经过磁选-强磁选后实现硅富集之后，采用常压低温低碱耗浸出可制备出模数在2.5以上杂质含量极低的高品质硅酸钠溶液，实现了绿色生产。
[0064] 在本申请提供的方案，所针对的高硅铁矿具有铁品位低的特点，但该高硅铁矿石的含铁矿物的嵌布粒度极细。也就是说，当对该铁矿进行加热还原的过程中，还原出来的铁单体的粒度就非常的细。现有技术中，一般加热直接还原的方案所选用的加热温度高于1200℃，且持续时间超过45min。将现有技术应用与该高硅铁矿的提炼过程，会导致，铁矿中的还原出来的铁单体过度富集，导致粒度增大。以此会使得，后期难以磨选。因此在本申请方案中，结合该高硅铁矿的特点，采用低温加热的方案为800℃-1200℃，优选为900℃-1000℃，更优选为900℃-980℃。且该低温加热方案的持续时间为15-45min，优选为20-30min。以防止铁单体的粒度长大，有利于后面工序的磨选。
[0065] 需要进一步说明的是，与常规铁矿石煤基直接还原相比较，高硅铁矿石对还原温度要求更高，在此基础上开发了铁矿内配煤复合小球团直接还原工艺。采用低温(高温段仅900-980℃)快速(高温段900-980℃持续时间仅20-30min)直接还原方法，将高硅铁矿石中铁氧化物迅速转变为金属铁。
[0066] 其中，铁矿煤基直接还原主要化学反应包括如下反应：
[0067] 3Fe2O3(s)+C(s)→2Fe3O4(s)+CO(g) 式(1)
[0068] 3Fe2O3(s)+CO(g)→2Fe3O4(s)+CO2(g) 式(2)
[0069] Fe3O4(s)+CO(g)→3 FeO(s)+CO2(g)(T≥843 K) 式(3)
[0070] FeO(s)+CO(g)→Fe(s)+CO2(g) 式(4)
[0071] C(s)+CO2(g)→2CO(g) 式(5)
[0072] 2FeO(s)+SiO2(s)→2FeO·SiO2(s) 式(6)
[0073] 1/2(2FeO·SiO2)(s)+CO(s)→Fe(s)+1/2SiO2(s)+CO2(g) 式(7)
[0074] 需要进一步说明的是，铁颗粒预富集后脉石和铁分离程度提高，脉石主要以SiO2为主，焙烧后结晶度大幅降低，活性高，可磨性好，降低能耗。同时金属铁的可塑性强，因此整体磨矿时间短，磨矿能耗低。还原系统所得金属铁颗粒细小，因此磨矿过程仅需要达到铁颗粒单体解离即可得到超细粒度铁粉。
[0075] 在本申请中，结合工艺的自身特点。第一个方案，将步骤2)中排出的烧结烟气通入步骤5)中的硅酸钠溶液中生成硅酸，得到净化烟气。烧结烟气中含有大量CO2，二氧化碳溶于水后形成碳酸，碳酸属于弱酸，酸性比硅酸强，因此烧结烟气通入硅酸钠溶液后，析出硅酸，和得到含有碳酸钠的溶液。
[0076] 第二个方案，步骤2)中排出的烧结烟气先通入第一干燥装置对球团进行干燥，再通入步骤5)中的硅酸钠溶液中生成硅酸。在利用烧结烟气为中心或还原性气体的理化性质的同时，还利用了烧结烟气高温的特点，用烧结烟气在第一干燥装置中对球团进行干燥和预热。能够有效利用能量，减少资源浪费。
[0077] 在本申请中，烧结烟气通入硅酸溶液后得到净化烟气，由于烧结烟气中主要含有N2、CO2，由于制球团时C过量，烧结烟气中还可能存在CO。烧结烟气中的CO2溶于水后，净化烟气中主要存在大量的N2，和少量的CO2，还可能存在少量的CO。也就是说净化烟气为中性或者还原性气体。中性或者还原性气体能够防止超细磨过程中，高温铁粉接触氧气氧化。
[0078] 需要进一步说明的是，采用超细磨矿方式生产超细铁粉，磨矿是干磨或湿磨的任一种，磨矿过程使用回转窑烟气作为保护气氛。
[0080] 需要进一步是说明的是，由于超细磨装置中的物料为刚烧结过的物料，温度高。净化烟气通入超细磨装置中除了起到防止还原铁粉氧化的作用外，还能够对超细磨装置中的还原铁粉起到降温的作用。
[0081] 在本申请中，硅酸钠通入烧结烟气后的滤液，通入造球装置中参与造球过程，降低减少了废液的排放。
[0082] 传统方案中，由于渣料中的氧化硅粒度过大。为了让氧化硅能够尽快的融入碱液中，往往采用的方式为，加大碱液的添加量。
[0083] 在本申请中，步骤4)加入碱液浸出，加入碱液的量为保持混合溶液的PH值为弱碱性即可。即不需要过量的加入碱液。这是由于步骤3)中，采用超细磨的方式，将还原粉料的粒度控制在600-900目的范围内。优选为750-850目。因此可以在添加少量碱液的情况下，将氧化硅完全溶解。而控制碱液少量加入的方式，即为控制回合溶液的PH值。因此通过控制溶液的PH值，来控制碱液的添加量。
[0084] 需要说明的是，如图3所示，高硅铁矿石中主要脉石成分为SiO2，在本工艺还原焙烧温度范围内SiO2结晶度大幅降低，转变为非晶态SiO2，活性高，为后续碱浸提硅创造有利条件。同时，在本工艺温度范围内进行还原焙烧，石英相会发生二级相变，由α-石英向β-石英及β2-鳞石英转变，最后在冷却过程中逐步转变为α-鳞石英。由热力学分析可知，与原矿中结晶态的α-石英相比(吉布斯自由能-87.84kJ·mol-1)，α-鳞石英(-174.29kJ·mol-1)和非晶态SiO2(-210.92kJ·mol-1)与NaOH反应的热力学条件更加优越，有效促进硅的浸出。
[0085] 在本申请中，采用逆流浸出的方式能够得到高模数的硅钠比的硅酸钠溶液。在高硅尾渣中包含了，少量的氧化亚铁、γ-氧化铝、活性炭。氧化亚铁不溶于碱，在浸出过程中，进入滤渣。γ-氧化铝具有极强的吸水性能，其内部结构为多孔结构，能够起到一定的吸附过滤作用。另外活性炭同样为多孔结构，具有过滤作用。因此在采用逆流浸出的方式时，从第一层碱浸单元到第三层碱浸单元，不单只具有让氧化硅充分与氢氧化钠反应的作用。由于高硅尾渣中存在少量的γ-氧化铝、活性炭，能够使得逆流浸出的过程中，起到更高的过滤吸附的作用，从而使得最终得到的硅酸钠溶液的模数高。
[0086] 需要说明的是，硅钠比的模数为浸出的硅的量比上加入碱液中钠的量。即能够减少碱液的使用。
[0087] 需要进一步说明的是，从回收硅元素的角度来看，还原焙烧过程是一个提硅、降铁、降铝的过程，可获得高品质硅酸钠溶液，为后续制备白炭黑创造有利条件。还原焙烧既是一个将铁的氧化物转变为金属铁的过程，又是将含量最多的物质晶态SiO2转变为非晶态SiO2的过程。在热力学上，与Fe2O3相比，金属铁与碱液发生反应的热力学条件更差，因此焙烧-磁选后的尾渣中铁元素更不易进入提硅液中。由于铁矿原矿中含有的铝氧化物主要为α-Al2O3，而α-Al2O3活性很强，容易与NaOH反应消耗碱液并进入提硅液中，铝元素在白炭黑产品中属于毒性元素，因此对白炭黑制备不利。根据热力学相图分析可知，当焙烧温度提高至930-960℃时，α-Al2O3将逐步转变为不易与碱液反应的γ-Al2O3。同时，该温度范围时莫来石也将析出SiO2转从而使提硅率进一步提高。
[0088] 氧化铝相关的化学反应如下：
[0089] α-Al2O3→γ-Al2O3式(8)
[0090] Al2O3·2SiO2→γ-Al2O3+2SiO2式(9)
[0091] 因此，通过还原焙烧实现了铁矿石提硅降铁降铝的目的，为生产高品质提硅液创造良好条件。
[0092] 在本申请中，高硅尾渣经过碱液浸出后，得到硅酸钠溶液和滤渣。滤渣中含有氧化铝遇碱生成的胶体，具有一定粘性。将滤渣作为造球的粘结剂，可以减少额外粘结剂的使用，降低生产成本。
[0093] 在本申请中，利用烧结烟气与步骤4)中的碱浸溶液进行换热，能够提高碱液的温度，加快氧化硅与碱液的反应，提高碱浸的速率。
[0094] 需要补充说明的是，本申请提供的方案，实现工业三废零排放。该工艺将工业三废(废水、废气、废固)均变废为宝，结合工艺自身的优势特点全部返回利用，实现了工业生产零排放。其中废水中主要物质为还原系统所需添加剂，故返回造球系统利用。废气经换热、净化处理后用作球团干燥、浸出供热、白炭黑沉淀剂、铁粉磨矿保护气氛及铁粉烘干的钝化气体。废固包括中矿和浸出滤渣两部分，其中中矿为低铁含碳渣，可作为水泥合格原料。滤渣可作为粘结剂返回配料系统全部使用。因此，整个工艺实现了工业三废零排放。
[0095] 本申请提供的方案，实现能量的100％利用。整个工艺能耗最高的工序为直接还原系统，而该系统烟气带走热量占到了总热量的20-40％，这部分热量在其他直接还原工艺中并未得到较好的利用，甚至是直接排放损失掉。本工艺将该部分热量先后用于干燥生球团、换热后供给低温浸出，剩余热量产蒸汽用于厂区其他用途，实现了能量100％利用。
[0096] 本申请提供的方案，生产成本低，产品质量高。本工艺原料来源广，成本低。工序简单，设备造价低。产品为高质量超细铁粉和高质量超纯白炭黑，具有较大的利润空间。
[0097] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0098] 1、本申请提供的技术方案，通过短时间低温加热，直接还原出超细粒度的还原铁粉，降低焙烧过程的能源消耗；
[0099] 2、本申请提供的技术方案，产出的还原铁粉粒度超细，能有利于破碎磨矿，降低磨矿的能耗；
[0100] 3、本申请提供的技术方案，使用净化后的烟气烘干还原铁粉和钝化铁粉颗粒，余热利用，有利于节约能源；
[0101] 4、本申请提供的技术方案，利用烧结烟气作为磨矿过程中的保护气体，有利于保证超细磨产出还原铁粉的质量；
[0102] 5、本申请提供的技术方案，低温加热的直接还原技术，能够确保高硅铁矿石的α-石英转变为α-鳞石英，有利于硅的浸出；
[0103] 6、本申请提供的技术方案，采用超细磨技术处理还原球团，一能得到超细还原铁粉，二能加快后期硅的浸出速率；
[0104] 7、本申请提供的技术方案，采用碱液浸出硅酸钠的方案，有利于降低能耗；
[0106] 图1为本发明高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺的概要流程图；
[0107] 图2为本发明高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺的整体细节流程图；
[0108] 图3为SiO2多型转变关系图；
[0109] 图4为铁矿还原系统热力学吸放热分析图；
[0110] 图5为铁矿还原系统热力学CO消耗分析图。
具体实施方式
[0111] 根据本发明的实施方案，提供一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺：
[0112] 一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺，包括以下步骤：
[0113] 1)制作还原物料：将高硅铁矿制作成待烧结球团。
[0114] 2)还原待烧结球团：高温加热待烧结球团，得到还原球团，排出烧结烟气。
[0115] 3)破碎磨选出高硅尾渣：破碎还原球团得到还原碎料，采用超细磨装置磨选还原碎料得到还原粉料，磁选还原粉料得到高硅尾渣。
[0116] 4)提取硅酸钠溶液：向高硅尾渣中加入碱液得到固液混合物，浸出硅酸钠溶液。
[0117] 5)提炼白炭黑：向硅酸钠溶液中加入酸洗涤，析出硅酸沉淀，过滤得到滤液，干燥硅酸沉淀得到白炭黑。
[0118] 作为优选，步骤3)中超细磨装置的出料粒度为600-900目。优选为750-850目。
[0119] 作为优选，步骤2)中低温加热的温度为800℃-1200℃，优选为900℃-1000℃，更优选为900℃-980℃。
[0120] 作为优选，步骤2)中低温加热的时间为15-45min，优选为20-30min。
[0121] 作为优选，步骤1)中，包括以下步骤：
[0122] 1a)破碎铁矿石得到铁矿石碎料，破碎内配煤得到内配煤碎料。
[0123] 1b)将铁矿石碎料和内配煤碎料在粘结剂的作用下配料、磨矿，得到球团原料。
[0124] 1c)球团原料在造球装置中，制成球团。
[0125] 1d)干燥球团：将球团在第一干燥装置进行干燥预热得到待烧结球团。
[0126] 作为优选，步骤2)中排出的烧结烟气通入步骤5)中的硅酸钠溶液中，得到净化烟气。
[0127] 或
[0128] 步骤2)中排出的烧结烟气先通入第一干燥装置对球团进行干燥，再通入步骤5)中的硅酸钠溶液中，得到净化烟气。
[0129] 作为优选，净化烟气通入步骤3)中的超细磨装置防止铁氧化。
[0130] 作为优选，步骤5)中的滤液通入造球装置中参与步骤1c)的造球过程。
[0131] 作为优选，步骤4)中，采用逆流浸出法从高硅尾渣中浸出硅酸钠溶液。其中，包括以下步骤。
[0132] 4a)高硅尾渣正向碱浸：第一层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第二层碱浸单元进行碱浸。第二层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第三层碱浸单元进行碱浸。
[0133] 4b)浸出溶液逆向排出：在第三层碱浸单元加入碱液，第三层浸出溶液加入到第二层碱浸单元，第二层浸出溶液加入到第一层碱浸单元，第一层碱浸单元的浸出溶液通入硅酸钠存储容器中。
[0134] 4c)保持弱碱性：向第一层碱浸单元和第二层碱浸单元补入碱液，保持第一层碱浸单元和第二层碱浸单元溶液PH值为7-9，优选为7.5-8.5。
[0135] 作为优选，步骤4)中碱浸后剩余的滤渣作为粘结剂参与到步骤1)中的待烧结球团制取过程。
[0136] 作为优选，步骤2)中产生的烧结烟气与步骤4)中的固液混合物进行换热。
[0137] 实施例1
[0138] 一种高硅铁矿石生产超纯纳米白炭黑的工艺，包括以下步骤：
[0139] 1)制作还原物料：将高硅铁矿制作成待烧结球团。
[0140] 2)还原待烧结球团：高温加热待烧结球团，得到还原球团，排出烧结烟气。
[0141] 3)破碎磨选出高硅尾渣：破碎还原球团得到还原碎料，采用超细磨装置磨选还原碎料得到还原粉料，磁选还原粉料得到高硅尾渣。
[0142] 4)提取硅酸钠溶液：向高硅尾渣中加入碱液得到固液混合物，浸出硅酸钠溶液。
[0143] 5)提炼白炭黑：向硅酸钠溶液中加入酸洗涤，析出硅酸沉淀，过滤得到滤液，干燥硅酸沉淀得到白炭黑。
[0144] 实施例2
[0145] 重复实施例1，只是步骤3)中超细磨装置的出料粒度为800目。
[0146] 实施例3
[0147] 重复实施例2，只是步骤2)中低温加热的温度为950℃。
[0148] 实施例4
[0149] 重复实施例3，只是步骤2)中低温加热的时间为25min。
[0150] 实施例5
[0151] 重复实施例4，只是步骤1)中，包括以下步骤：
[0152] 1a)破碎铁矿石得到铁矿石碎料，破碎内配煤得到内配煤碎料。
[0153] 1b)将铁矿石碎料和内配煤碎料在粘结剂的作用下配料、磨矿，得到球团原料。
[0154] 1c)球团原料在造球装置中，制成球团。
[0155] 1d)干燥球团：将球团在第一干燥装置进行干燥预热得到待烧结球团。
[0156] 实施例6
[0157] 重复实施例5，只是步骤2)中排出的烧结烟气通入步骤5)中的硅酸钠溶液中，得到净化烟气。
[0158] 实施例7
[0159] 重复实施例5，只是步骤2)中排出的烧结烟气先通入第一干燥装置对球团进行干燥，再通入步骤5)中的硅酸钠溶液中，得到净化烟气。
[0160] 实施例8
[0161] 重复实施例7，只是净化烟气通入步骤3)中的超细磨装置防止铁氧化。
[0162] 实施例9
[0163] 重复实施例8，只是步骤5)中的滤液通入造球装置中参与步骤1c)的造球过程。
[0164] 实施例10
[0165] 重复实施例9，只是步骤4)中，采用逆流浸出法从高硅尾渣中浸出硅酸钠溶液。其中，包括以下步骤。
[0166] 4a)高硅尾渣正向碱浸：第一层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第二层碱浸单元进行碱浸。第二层碱浸单元碱浸后的高硅尾渣进入第三层碱浸单元进行碱浸。
[0167] 4b)浸出溶液逆向排出：在第三层碱浸单元加入碱液，第三层浸出溶液加入到第二层碱浸单元，第二层浸出溶液加入到第一层碱浸单元，第一层碱浸单元的浸出溶液通入硅酸钠存储容器中。
[0168] 4c)保持弱碱性：向第一层碱浸单元和第二层碱浸单元补入碱液，保持第一层碱浸单元和第二层碱浸单元溶液PH值为7.5。
[0169] 实施例11
[0170] 重复实施例10，只是步骤4)中碱浸后剩余的滤渣作为粘结剂参与到步骤1)中的待烧结球团制取过程。
[0171] 实施例12
[0172] 重复实施例11，只是步骤2)中产生的烧结烟气与步骤4)中的固液混合物进行换热。
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