陶江善

天津奧沃冶金技術(shù)咨詢有限公司

鋼鐵企業(yè)在煉鐵、煉鋼以及軋鋼等各工序會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，約占到總鋼產(chǎn)量的8-12%左右,按2020年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量10.5億噸計(jì)算，即每年產(chǎn)生的含鐵塵泥量1億噸以上。近年來霧霾天氣頻發(fā)，環(huán)境保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)，國(guó)家針對(duì)工業(yè)粉塵排放的管控趨嚴(yán)，鋼鐵企業(yè)的粉塵排放成為環(huán)保監(jiān)控重點(diǎn)，各工序除塵設(shè)施不斷增加升級(jí)，使粉塵的數(shù)量也持續(xù)增加，這些粉塵往往含有大量鐵和碳而具有很高的利用價(jià)值，傳統(tǒng)方式一般將其作為配料返回?zé)Y(jié)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部回收。

含鐵塵泥中含鋅塵泥占比20%～30%，合約2000多萬噸，其中含有大量的鐵、鋅、碳等有價(jià)元素。部分粉塵含有較高的鋅等有害元素，直接回配將使鋅不斷循環(huán)富集，導(dǎo)致高爐鋅負(fù)荷超標(biāo)，對(duì)生產(chǎn)順行和安全長(zhǎng)壽造成危害，而另一方面由于含鋅粉塵質(zhì)量遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)煉鋅原料，提鋅價(jià)值有限，通常也無法直接給煉鋅企業(yè)使用，因此如何有效處置含鋅粉塵一直是業(yè)界的重要課題，而回轉(zhuǎn)窯是當(dāng)前主要使用的方法之一。

1 鋼廠含鋅粉塵的來源

鋼鐵生產(chǎn)系統(tǒng)中的鋅初始主要來源于鐵礦原料，由于經(jīng)營(yíng)形勢(shì)、原料條件或主觀上不重視，很多企業(yè)的高爐鋅負(fù)荷都超出以上標(biāo)準(zhǔn)。雖然鐵礦中伴生的鋅含量都極低，但由于鋅的循環(huán)富集特點(diǎn)使其在系統(tǒng)中會(huì)不斷累積，而迫于成本壓力使用低價(jià)料比例增大，入爐品位降低，也促使進(jìn)入系統(tǒng)的鋅量增加。另一方面，隨著鍍鋅產(chǎn)品增長(zhǎng)，煉鋼中使用的含鋅廢鋼也成為鋼鐵系統(tǒng)中鋅的一大來源，含鋅廢鋼的使用使轉(zhuǎn)爐粉塵的鋅含量明顯提高，電爐煉鋼粉塵的鋅含量通常會(huì)更高。鋼廠塵泥產(chǎn)生點(diǎn)和主要類型見圖1。

鋼廠不同含鐵塵泥的來源主要成分見表1。一般而言，鋅含量≥1%的中高鋅含鐵塵泥均需進(jìn)行脫鋅處理后才能返回鋼鐵工藝。

 

2 回轉(zhuǎn)窯含鋅粉塵處理工藝

2.1含鋅粉塵處置的不同工藝對(duì)比

發(fā)達(dá)國(guó)家由于有嚴(yán)格的法律規(guī)定及較為完整的環(huán)保產(chǎn)業(yè)鏈，大多數(shù)鋼鐵企業(yè)基于集中管理和處理的原則，由環(huán)保公司統(tǒng)一處理。我國(guó)因?yàn)榻陙憝h(huán)保要求的日益嚴(yán)苛，鋼鐵企業(yè)粉塵處理也成為了常態(tài)。目前鋼廠粉塵的處理方式主要有兩種：一種是轉(zhuǎn)底爐法，一種是回轉(zhuǎn)窯法，兩種工藝在國(guó)內(nèi)均有生產(chǎn)應(yīng)用案例。

轉(zhuǎn)底爐處理含鋅粉塵工藝，其生產(chǎn)規(guī)模大、產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定、產(chǎn)品附加值高、反應(yīng)速度快、鋅鉛脫除率高，并可脫除部分堿金屬，但投資相對(duì)較高，在寶武、沙鋼、燕鋼等大型鋼鐵企業(yè)中均有實(shí)際應(yīng)用。

而回轉(zhuǎn)窯法工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、投資低，雖然能耗較高、易結(jié)圈，但生產(chǎn)規(guī)模靈活，使得回轉(zhuǎn)窯處理含鋅粉塵工藝具有一定優(yōu)勢(shì)，固廢處理投資不大的鋼鐵企業(yè)都愿意選擇回轉(zhuǎn)窯路線。

近年來，隨著國(guó)內(nèi)固廢處理技術(shù)的日益成熟以及環(huán)保要求的日益嚴(yán)苛，要求鋼廠粉塵盡量不出廠、鋼廠固廢要吃干榨盡，回轉(zhuǎn)窯粉塵處理技術(shù)得到了極大的推廣應(yīng)用。中國(guó)直接還原鐵工作委員會(huì)在鋼企進(jìn)行的鋼廠粉塵應(yīng)用情況調(diào)研過程中了解到，目前國(guó)內(nèi)的回轉(zhuǎn)窯粉塵處理生產(chǎn)線大大小小約有近400條，生產(chǎn)運(yùn)行的生產(chǎn)線約100余條。

2.2 回轉(zhuǎn)窯工藝的基本原理

火法處理工藝的基本原理都是利用鋅沸點(diǎn)較低、高溫易揮發(fā)的性質(zhì)，通過還原使粉塵中的鋅揮發(fā)再富集回收。主要化學(xué)反應(yīng)為：

 

回轉(zhuǎn)窯工藝是用固體燃料作還原劑，以回轉(zhuǎn)窯為反應(yīng)器，能處理較廣的原料，目前已發(fā)展出多種類型，有威爾茲法(Waelz)、川崎法、SL/RN法、SDR法等，不同工藝特點(diǎn)及應(yīng)用見表4?；剞D(zhuǎn)窯工藝脫鋅率較高，普遍能達(dá)到90%以上，歐美HorseheadResourcesDevelopment、B.U.SAG、GlobalSteelDustLtd等，以及日本住友金屬、中國(guó)臺(tái)灣鋼聯(lián)等都廣泛采用，處理能力從數(shù)萬到數(shù)十萬噸，大都用于處理含鋅>15%的電爐粉塵。其中以Waelz回轉(zhuǎn)窯工藝應(yīng)用最為廣泛，該工藝是20世紀(jì)20年代德國(guó)克虜伯公司為處理鋅精煉渣而開發(fā)，其基本流程見圖2。國(guó)內(nèi)同類型回轉(zhuǎn)窯多是Waelz工藝，大都是煉鋅企業(yè)用來處理浸出渣，處理鋼鐵粉塵的有云南紅河鋅聯(lián)公司、昆鋼、本鋼等公司。

 

Waelz工藝是將含鋅粉塵和還原劑(煤、焦粉或含碳粉塵)輔以石灰等，經(jīng)配料、混合造球(也可不造球)送入回轉(zhuǎn)窯，在1100~1300℃高溫處理，物料中的金屬氧化物與碳質(zhì)還原劑發(fā)生反應(yīng)，還原的鋅揮發(fā)進(jìn)入煙氣并二次氧化，煙氣經(jīng)冷卻(或余熱鍋爐換熱)后集塵，其中氧化鋅含量約55%~60%，可作為鋅冶煉廠粗氧化鋅原料;還原后的窯渣經(jīng)破碎、磁選等，金屬化鐵料可作為煉鐵高爐或燒結(jié)原料，殘留的炭粒也被回收。另外還設(shè)置有吸附過濾裝置，用吸附劑(活性炭等)過濾氯化物及二噁英等污染物，使廢氣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

回轉(zhuǎn)窯工藝具有工藝成熟、投資低、運(yùn)行簡(jiǎn)單的顯著優(yōu)點(diǎn)，但處置低鋅物料不太適宜，鐵料金屬化率也低，生產(chǎn)過程中常發(fā)生結(jié)圈現(xiàn)象。

3 回轉(zhuǎn)窯含鋅粉塵工藝生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)踐

以山西某大型鋼鐵企業(yè)年處理10萬噸鋼廠除塵灰回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線為例：

該廠年生產(chǎn)運(yùn)行330天，作業(yè)率90.4%。年回收氧化鋅粉1.0萬噸左右，鋅元素脫除率90-96%，布袋氧化鋅粉中氧化鋅含量47-55%，管道氧化鋅粉中氧化鋅含量25-35%。

鋼廠內(nèi)產(chǎn)生的除塵灰：轉(zhuǎn)爐灰、高爐灰、燒結(jié)機(jī)頭尾灰，以及外購(gòu)含鋅粉塵，不同粉塵料進(jìn)廠后堆放處理，鏟車混勻，調(diào)配到水分10%左右，混料中氧化鋅含量在6-7%（確保不低于5%），含鐵品位在15-20%，氯離子控制在10%左右，原料主要成分見表3。還原劑（碎焦、蘭炭、無煙煤等）添加比例20-30%，粒度：-200目≥70%，固定C含量≥70%。原料中不同粉塵的含碳量不一樣，根據(jù)來料情況分析配加焦粉量，保持混料后熱值在1700-1800大卡/公斤。不同粉塵料進(jìn)廠后堆放處理，鏟車混勻，調(diào)配到水分10%左右，混料中氧化鋅含量在6-7%，含鐵品位在15-20%，氯離子控制在10%左右。

 

 

3.1 生產(chǎn)工藝過程

不同粉塵料進(jìn)廠后堆放處理，用鏟車混勻配料，配料后的爐料通過皮帶加入回轉(zhuǎn)窯中，爐料從窯的高端（窯尾）加入，空氣從窯頭端噴入；煙氣從窯尾排出，爐渣從窯頭排出。含鋅物料加入到具有一定傾斜度（3.5º左右）的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，窯體以一定速度轉(zhuǎn)動(dòng)（每分鐘2-3轉(zhuǎn)），爐料從窯尾端向窯頭端翻滾前行運(yùn)動(dòng)，窯內(nèi)的高溫爐氣與爐料流動(dòng)的方向相反，爐料中的金屬氧化物與還原劑產(chǎn)生良好的接觸被還原。

整個(gè)焙燒過程分為預(yù)熱帶、焙燒反應(yīng)帶及冷卻帶三段。窯內(nèi)高溫焙燒反應(yīng)帶的氣相溫度控制在1100-1200℃區(qū)間，在此反應(yīng)段，物料中的次氧化鋅將先被碳或一氧化碳還原成鋅蒸氣進(jìn)入氣相，隨窯內(nèi)氣流從窯尾進(jìn)入煙氣冷卻段，再被氣相中的氧氧化成次氧化鋅，最后收集于布袋中。爐渣排入窯頭水池冷卻，窯頭配置一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)對(duì)窯內(nèi)進(jìn)行空氣補(bǔ)充。

窯頭焙燒后的爐渣經(jīng)冷卻帶降溫后從窯頭處排出，進(jìn)入爐渣水冷池，再由抓斗撈出，進(jìn)入到球磨工序，球磨后的鐵粉進(jìn)水洗后磁選、烘干，成品鐵粉裝袋外銷。

回轉(zhuǎn)窯焙燒過程產(chǎn)生的含鋅煙氣隨窯內(nèi)氣流從窯頭流向窯尾，進(jìn)入煙氣處理系統(tǒng)。由于回轉(zhuǎn)窯旋轉(zhuǎn)工作時(shí)窯內(nèi)物料反復(fù)混合產(chǎn)生大量粉塵，因此進(jìn)入煙道的煙氣中勢(shì)必含有部分窯渣顆粒及物料顆粒，高溫?zé)煔馐紫冗M(jìn)入重力沉降室，將煙氣中較大粒徑顆粒去除，不僅可以提高次氧化鋅成品的品位，還能有效回收物料，增加物料的利用系數(shù)。隨后煙氣進(jìn)入U(xiǎn)型冷卻管道，并在U型段底部設(shè)有沉降斗，經(jīng)過U型煙道冷卻后的煙氣溫度將降至200℃以下，最終通過布袋除塵器粉塵進(jìn)入成品次氧化鋅收集。沉降收集的物料與收塵器收集的物料一起作為成品放入成品倉(cāng)中儲(chǔ)存。煙氣經(jīng)過石灰石石膏法脫硫處理后達(dá)標(biāo)排放。

爐渣窯渣成分見表4，回收的鐵粉品位及主要化學(xué)多元素分析見表5。

 

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