北京鋼研新冶工程技術(shù)中心有限公司
鋼鐵企業(yè)在整個(gè)冶煉流程中會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢棄物，特別是在燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼等生產(chǎn)工序中各工序都會(huì)產(chǎn)生一些不同種類的含鐵固體廢棄物。這些冶金固廢主要包括：采礦廢石、礦石洗選過程排出的尾礦、冶煉過程產(chǎn)生的各種冶煉礦渣、軋鋼過程中產(chǎn)生的氧化鐵皮和生產(chǎn)環(huán)節(jié)凈化裝置收集的各種粉塵、污泥等。冶金固廢的特點(diǎn)主要有：1）量大面廣：種類繁多鋼鐵生產(chǎn)消耗原材料和燃料多，但80%以上的消耗又以各種形式的廢物排出。2）蘊(yùn)含有價(jià)元素：綜合利用價(jià)值，高鋼鐵工業(yè)原料多為各種元素共生礦物，導(dǎo)致排出廢物中蘊(yùn)含各種不同的有價(jià)元素，如鐵、錳、釩、鉻、鉬、鋁、鈣、硅等元素。3）有毒廢物少：大部分固體廢物，如尾礦、鋼鐵渣、含鐵塵泥等，雖然量大，但基本屬于一般工業(yè)固體廢物。
面對(duì)產(chǎn)生量如此巨大的含鐵固廢，如果長(zhǎng)期堆放未能及時(shí)處理不僅會(huì)造成其由于物理性能的變化而加大再處理難度，還會(huì)造成鐵礦資源的嚴(yán)重浪費(fèi)和大量占用土地形成環(huán)境污染問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致土壤、空氣及水資源污染等問題。因此，鋼鐵企業(yè)冶金固廢資源化利用具有重要的環(huán)境意義和經(jīng)濟(jì)效益。本文對(duì)國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)冶金固廢先進(jìn)綠色化深加工技術(shù)進(jìn)行了回顧和總結(jié)，以期為今后冶金固廢資源化利用的發(fā)展提供借鑒和參考。
1 含鐵固廢的先進(jìn)綠色化深加工技術(shù)
1.1 除塵灰的來源及分類
鋼鐵企業(yè)的除塵灰在燒結(jié)工序和煉鐵工序中的產(chǎn)生量最大，主要包括燒結(jié)工藝除塵灰、環(huán)境除塵灰和高爐重力除塵灰等。通常，可以把燒結(jié)機(jī)頭除塵灰、機(jī)尾除塵灰等燒結(jié)工藝除塵灰和燒結(jié)原料在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中產(chǎn)生的燒結(jié)環(huán)境除塵灰統(tǒng)稱為燒結(jié)除塵灰。各類除塵灰的成分特點(diǎn)如表1所示。
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除塵灰種類 |
TFe |
CaO |
SiO2 |
Al2O3 |
C |
S |
P |
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燒結(jié)除塵灰 |
40~60 |
5~15 |
2~7 |
1~3 |
＜0.5 |
＜1.5 |
＜0.5 |
|
高爐重力除塵灰 |
25~50 |
3~6 |
3~12 |
2~10 |
15~25 |
＜0.3 |
＜0.3 |
根據(jù)表1中兩種除塵灰的化學(xué)成分對(duì)比可以得出，燒結(jié)除塵灰中的含鐵量更高，通過礦石構(gòu)造分析可知這兩種除塵灰中礦物成分主要以磁鐵礦和赤鐵礦為主，除S、P外其他有害雜質(zhì)較少。所以對(duì)于燒結(jié)除塵灰的處理應(yīng)以鐵元素的資源化利用為主。而高爐重力除塵灰的特點(diǎn)是含有中等含量的鐵，但C元素含量比較高，部分能達(dá)到 30%以上，C的賦存形式主要以焦粉以及不定型碳形式存在。因此對(duì)于高爐重力除塵灰的處理應(yīng)在資源化利用鐵元素的同時(shí)，重視對(duì)碳元素的綜合利用。
1.2 冶煉渣的來源及分類
在鋼鐵冶煉過程中產(chǎn)生的冶煉渣主要包括高爐渣和鋼渣，其中產(chǎn)生的高爐渣約占鋼產(chǎn)量的25%~30%，鋼渣產(chǎn)量約占鋼產(chǎn)量的11%~15%[2]。高爐渣是鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生數(shù)量最多的一種固體廢棄物，主要成分包括CaO、MgO、SiO2、Al2O3等，屬于硅酸鹽質(zhì)材料，其化學(xué)組成與天然礦石、硅酸鹽水泥相似。典型高爐渣主要成分范圍見表2[3]。
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成分 |
CaO |
SiO2 |
Al2O3 |
MgO |
MnO |
Fe2O3 |
S |
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范圍 |
32~49 |
32~41 |
6~17 |
2~13 |
0.1~4 |
0.2~4 |
0.2~2 |
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成分 |
CaO |
SiO2 |
Al2O3 |
MgO |
FeO |
Fe2O3 |
P |
|
范圍 |
45~60 |
10~15 |
1~5 |
3~13 |
7~20 |
3~9 |
1~4 |
1.3 除塵灰的資源化利用現(xiàn)狀
據(jù)統(tǒng)計(jì)，燒結(jié)除塵灰的產(chǎn)生量約占燒結(jié)礦總量的1%～2%，由于其相對(duì)于燒結(jié)礦產(chǎn)生量不大，而且含鐵量較高，因此長(zhǎng)期以來對(duì)燒結(jié)除塵灰資源化利用的主要形式是返回?zé)Y(jié)配料，以充分回收利用其中的鐵。為解決燒結(jié)除塵灰粒度較小，表面疏水性強(qiáng)，表面能很低，難于制粒或造球，難與其他原料混合均勻等問題，國(guó)內(nèi)一些重點(diǎn)大型鋼鐵企業(yè)采用小球燒結(jié)技術(shù)加強(qiáng)了除塵灰的造球性能，通過將除塵灰造小球配入燒結(jié)料中，最終改善了燒結(jié)料柱的透氣性，提升了燒結(jié)礦的質(zhì)量[6]。
此外，為解決燒結(jié)除塵灰在進(jìn)行燒結(jié)配料過程中產(chǎn)生的有害元素循環(huán)富集問題，針對(duì)燒結(jié)機(jī)頭除塵灰經(jīng)多次循環(huán)配礦使用后，其富含K、Na等堿金屬和Pb、Zn、Cu等重金屬元素具有較高的回收利用價(jià)值[7]，國(guó)內(nèi)研究者分別開發(fā)了用其制備氯化鉀[8-9]、 硫酸鉀及含鉀復(fù)合肥的工藝路線[10-12]; 以及制備較高質(zhì)量一氧化鉛的工藝路線[13]。因此，直接燒結(jié)的方式不能徹底解決鋼鐵塵泥高效資源化回收利用問題，需要開發(fā)均質(zhì)化、整粒和除雜工藝來避免對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)和燒結(jié)礦質(zhì)量的負(fù)面影響。
長(zhǎng)期以來，我國(guó)鋼鐵企業(yè)對(duì)高爐重力除塵灰的處理方法大致可分為三種，一是直接外排堆存，這種方法易造成環(huán)境污染，且造成資源和能源的浪費(fèi)，隨著國(guó)家環(huán)保要求的提高，這種方法要逐漸淘汰。二是直接利用，通常是作為燒結(jié)配料或建筑材料的原料，該方法簡(jiǎn)單易行，但利用量十分有限[14-15]。三是綜合回收，通常采用物理方法或化學(xué)方法對(duì)其中的鐵、碳、有色金屬等有用礦物進(jìn)行回收，該方法是目前處理高爐重力除塵灰最有效的方法，不近可以徹底消除高爐重力除塵灰對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境的污染，還能有效地回收各類有價(jià)資源。
因煉鐵所用的礦物組成差異較大，不同鋼鐵企業(yè)的高爐重力除塵灰所采用的選礦方法也不盡相同，通常是通過采用磁選、重選和浮選等選礦方法對(duì)鐵資源進(jìn)行資源化回收利用[16-18]。高爐除塵灰經(jīng)回收利用后，可分離出鐵精粉、炭精粉、尾泥等。其中鐵精粉和炭精粉一般送燒結(jié)廠作為燒結(jié)原料再次返回高爐煉鐵，尾泥可作為鐵質(zhì)調(diào)節(jié)劑送水泥廠制作水泥， 也可作為添加原料生產(chǎn)內(nèi)燃型節(jié)能磚，生產(chǎn)用水經(jīng)充分生化處理后作為分選用水，并自我形成閉路循環(huán)。
