Endüstriyel baca tozlarından metalik değerlerin kazanımı
Evaluation metalic values from industrial flue dusts
Yazar: MEHMET HAKAN MORCALI
Danışman: PROF. DR. ADNAN AYDIN ; PROF. DR. ONURALP YÜCEL
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Bilimleri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2007
Konu: Kimya = Chemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Endüstriyel atıklar = Industrial wastes ; Çinko = Zinc

Özet:
Endüstriyel baca tozları hem içerdikleri metalik degerleri, hemde bunlarınçevreye atılması ile olusan çevresel problemler nedeniyle tekno-ekonomik üretimyöntemlerinin gelistirilmesi gereken maddeler sınıfındadır.Endüstriyel baca tozlarının miktarı, metal üretim rakamları ile dogru orantılıartmaktadır. Örnegin; 2006 yılında dünya genelinde 1.24 milyar ton çeliküretilmistir. Bu üretiminin % 30'u Elektrik Ark Fırınları (EAF) kullanılarakgerçeklestirilmistir. Bu üretim tarzında 1 ton ham çelik üretiminden ortalama 10-15kg EAF baca tozu olusmaktadır. Bu tozların ana bilesenlerini çinko, demir oksit veçinko ferrit olusturmaktadır. Ayrıca Elektrik Ark Fırınına beslenen hurdanın tipinegöre çesitli metallerde olabilir.Ülkemiz; 23.3 milyon ton çelik üretimi ile dünya genelinde 11. sırada,Avrupa'da ise 4. sırada yer almaktadır. Dünyadakinin tam tersine ülkemizdeki çeliküretiminin % 72'sinde Elektrik Ark Fırını kullanılmaktadır. Bu sebepten dolayıönemli miktarda EAF baca tozu olusmaktadır.Bu çalısmanın amacı; baca tozlarının içerdikleri metalik degerleri geri kazanıpülke ekonomisine katma deger saglamak hemde çevreye agır metal içermeyenatıkların atılmasına bir proses dizayn etmektir. Çelik üretimi yapan bir firmadantemin edilen ?EAF baca tozu? olarak adlandırılan ve agırlıkça % 29.19 Zn, % 26.89Fe, % 3.16 Pb, % 0.042 Cd ve % 0.65 Cl içeren baca tozu laboratuvar tipi dönerfırında islenerek deneyler gerçeklestirildi. Mevcut çinko, kursun ve kadmiyum gibimetaller redükleyici uçurtma islemi ile gaz fazına alınmıs ve fırının agzındakondanse edilerek ürün olarak tutuldu. Ayrıca, redüksiyon atıgı kalıntının endüstriyelolarak kullanım imkanları arastırıldı.Kondanse ürün olarak toplanan ?Waelz Oksit? olarak adlandırılan ve agırlıkça %66.24 Zn, % 0.18 Fe, % 5.55 Pb, % 0.0859 Cd ve % 4.99 Cl içeren kondanse ürünleuçurucu rafinasyon deneyleri yine laboratuvar tipi döner fırında gerçeklestirdi.IIÜrünleri karakterize etmek amacıyla kimyasal analiz tekniklerinin yanı sıra Xısınlarıdifraksiyonu (XRD) metodu da kullanıldı.Çalısma parametrelerinin çinko kazanım verimine ve demir metalizasyonunaolan etkileri; degisik deney sartları için, çinko kazanım ve demir metalizasyondegisim egrilerinin çizilmesinden yararlanılarak belirlendi. Deneysel çalısmalarda,metalik degerlerin geri kazanılmasında uygun kosulların saptanması amacıyla; sabitkarbon miktarı (Cfix), sıcaklık ve süre çalısma parametreleri seçilmis ve buparametrelerin metalik degerleri geri kazanma üzerine etkileri incelendi. Redüksiyonve uçurucu rafinasyon deneyleri, deney malzemeleri ve seçilen parametreler asagıdaözetlenmistir.Karbotermik RedüksiyonBu çalısmada islem görmemis elektrik ark fırını baca tozu, islem görmemiskupol baca tozu ve peletlenmis EAF baca tozu linyit kömürü ile karbotermik olarakredüklendi. Karbotermik redüksiyon deneyleri bölüm III.3.1'de anlatılan laboratuvartipi döner fırında gerçeklestirildi. Sabit sıcaklıkta fırından belirli zaman aralıklarındanumune alındı. Numuneler kimyasal analize tabi tutuldu.Deneysel çalısmalardan elde edilen sonuçlar degerlendirildiginde, EAF bacatozu ve kupol baca tozundaki çinkonun redüklenerek uzaklasma oranının artansıcaklık, süre ve stokiyometrik kömür ile arttıgı ve bu artısta sıcaklıgın daha etkinoldugu belirlendi. slem görmemis EAF baca tozu, peletlenmis EAF baca tozu veislem görmemis kupol baca tozundan çinko kazanım veriminin en yüksek oldugusartlar, 1100 °C 60. dakikada elde edildi. Bu sartlar altında islem görmemis EAFbaca tozu, peletlenmis EAF baca tozu ve islem görmemis kupol baca tozundan çinkokazanım verimleri sırasıyla, % 98.47, % 99.36 ve % 97.52 olarak bulundu. slemgörmemis ve peletlenmis EAF baca tozunda demir metalizasyonun en yüksekoldugu sartlar, 1050 °C 60. dakikada elde edildi. Bu sartlar altında islem görmemisEAF baca tozu ve peletlenmis EAF baca tozundaki metalizasyon sırasıyla, % 85.21ve % 94.38 olarak bulundu.Uçurucu RafinasyonKarbotermik redüksiyon deneylerinde elde edilen kondanse ürün (waelz oksit)deneyleri seramik retort da yapıldı. Sabit sıcaklıkta fırından belirli zamanIIIaralıklarında numune alındı. Numuneler kimyasal analize tabi tutuldu. Deneyler1000, 1100, 1150, 1200 °C sıcaklıklarda yapıldı. Deneysel çalısmalardan elde edilensonuçlar degerlendirildiginde, kondanse tozdaki kursun, kadmiyum ve klor içerigiartan sıcaklık ve süre ile azaldıgı ve bu artısta sıcaklıgın daha etkin oldugu belirlendi.Kondanse tozdaki en düsük kursun, kadmiyum ve klor içerigi, 1200 °C 120.dakikada elde edildi. Bu sartlar altında kondanse tozdaki safsızlıklarınınkonsantrasyonları su sekildedir; % 0.02 Pb, % 0.0087 Cd ve % 0.30 Cl olarakbulundu. Aynı sekilde kondanse tozdaki çinko konsantrasyonunun en yüksek oldugusart, 1200 °C 120. dakikada elde edildi. Bu sartlar altında kondanse tozdaki çinkoiçeriginin en yüksek oldugu konsantrasyon, % 79.58 Zn veya %99.04 ZnO olarakbulundu.Deneysel çalısmalardan elde edilen sonuçlar degerlendirildiginde, EAF bacatozu karbotermik redüksiyon deneylerinde çinko kazanımının ve demirmetalizasyonunun optimum oldugu sarj tipi, sıcaklık ve stokiyometrik karbon oranısırasıyla, pelet, 1100°C ve (1:1.00) dir.Uçurucu rafinasyon deneylerinde çinko kalitesinin arttıgı optimum kosul 1200°C ve 120. dakikadır.

Abstract:
Industrial flue dust containing metallic values is considered as a hazardousmaterial which causes environmental problems. It is important that this waste isenvironmental friendly treated.The amount of industrial flue dust increases with increased steel production.2006 world steel production was 1.24 billion tons. %30 of this production had beendone using Electric Arc Furnace (EAF). In this production process, the dust which iscollected in bag-houses is usually 10-15 kg per ton of crude steel. This dust containspredominantly zinc oxide, iron oxide and zinc ferrite, and also oxides of variousother metals introduced into the EAF from the scrap charge.With the production of 23.3 million tons steel, Our country is in the 11. order inthe World, 4. order in Europe. Unlike the tendency in the world, in Turkey %72 ofsteel is produced using Electric Arc Furnace and this is the reason large quantities ofEAF dust is generated.In this study; EAF dust containing 29.19 wt % Zn, 26.89 wt % Fe, 3.16 wt %Pb, 0.0042 wt % Cd and 0.65 wt % Cl was pyrometallurgically treated in atemperature controlled laboratory scale rotary tube furnace. Zinc, lead and cadmiumwere reduced using solid carbon. Evaporated non-ferric metals are collected ascondensed product. Also, it was investigated if slags could be industrially used ornot.The collected condensed product so called ?Waelz Oxide?, containing 66.24wt % Zn, 0.18 wt % Fe, 5.55 wt % Pb, 0.0859 wt % Cd, and 4.99 wt % Cl wererefined by volatizing. A temperature controlled laboratory scale rotary tube furnacewas used to carry out the roasting experiments. Also, X-Ray diffraction (XRD) werecarried out to determine the composition of the sample .IIThe effects of operation parameters were either determined by the drawing thevariations of the recovery yield of zinc and the iron metallization of the samplesdepending on the parameters reduced in different conditions.Optimum conditions for producing metallic values using solid reductants wereinvestigated. In the experimental studies, different operation parameters such as Cfixratio, temperature and time were investigated. Reduction and refining by volatilizingexperiments and also and investigated parameters are summarized bellow.Carbotermic ReductionEAF dust and Cupola dust raw materials and EAF pellets were reduced bylignite coal. In carbotermic reduction experiments, a temperature controlledlaboratory scale rotary tube furnace was used. At a constant temperature, sampleswere taken periodically from the furnace during the experimental studies and werechemically analyzed. This experimental work dealt with a carbotermic reductionprocess for the separation of zinc from EAF dust and cupola dust. For the zincrecovery in EAF dust, pellet and cupolo dust, the optimum parameters were found tobe 1100 °C and 60 minutes. Under these conditions, the best zinc recovery result forEAF dust, pellets and cupol dust were found to be 98.47 %, 99.36 % and 97.52 %respectively. For the iron metallization in EAF dust and pellet, the optimumparameters were found to be 1050 °C and 60 minute. Under these conditions, the bestiron metallization result for EAF dust and pellets were found to be 85.21 % and94.38 % respectively.Refining by volatilizingIn this experimental series; a laboratory scale rotary tube furnace was used totreat the collected condensed powder obtained in the carbo-thermic reductionexperimental series. The samples were taken from the furnace during theexperimental studies and were chemically analyzed. Temperatures between (1000,1100, 1150 and 1200 °C) were investigated. It was observed that the amount of lead,cadmium and chlorine in the condensed powder decreased with increased both timeand temperature. The optimum conditon was found to be the least lead, cadmium andchlorine contain in condense powder were generated at 1200 °C temperature and 120minutes. Under these conditions; the amount of lead, cadmium and chlorine in theIIIpowder were 0.02 %, 0.0087 % and 0.30 % respectively. The highest zinc recoveryefficiency (79.58 %.) was attained at 1200oC for 120 minutes.In EAF dust carbotermic reduction experiments, pellet was found to be the bestcharge type for the zinc recovery and iron metallization with a stochiometric ratio of1 at 1100°C.In the refining by volatilizing, the highest zinc refining efficinecy was attainedat 1200 °C for 120 minutes.