劉曉軒，曹志成，劉安治，吳佩佩

寶武集團(tuán)環(huán)境資源科技有限公司 轉(zhuǎn)底爐事業(yè)部

引言

鋼鐵行業(yè)含鐵鋅塵泥目前的傳統(tǒng)處理方法有3種：物理法、濕法和火法。物理法分為磁性分離和機(jī)械分離。方法簡單易行，但操作費(fèi)用高，鋅的富集效率低，一般只作為濕法或火法的預(yù)處理工藝。

濕法工藝一般用于中鋅（Zn15%~26%）和高鋅粉塵（Zn>30%）處理，濕法工藝鋅的浸出效率較低，浸渣難以返回鋼廠原料循環(huán)使用，較難滿足環(huán)保要求；單元消耗過多，浸出劑消耗過多，成本較高；設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，大多數(shù)操作條件較惡劣；處理過程中引入了硫、氯等易造成新的環(huán)境污染；與現(xiàn)有鋼廠技術(shù)不配套；與火法相比，其能源消耗和設(shè)備投資要少一些。

對比各種鋼鐵廠粉塵的處理工藝，火法工藝對含鋅塵泥的處理生產(chǎn)效率高、處理規(guī)模大，是將來鋼鐵廠含鐵鋅資源化利用的主要途徑。國內(nèi)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的冶金塵泥火法處理工藝主要包括小高爐工藝、OXCUP工藝、煙氣磁化熔融爐工藝、回轉(zhuǎn)窯工藝與轉(zhuǎn)底爐工藝。目前，回轉(zhuǎn)窯工藝與轉(zhuǎn)底爐工藝工業(yè)化應(yīng)用案例較多。

1 小高爐工藝

德國DK公司專門利用580 m3小高爐處理各類鋼鐵粉塵和廢舊電池，每年處理歐洲各鋼廠的45萬t含鋅粉塵，可回收28萬t生鐵1.7萬t富鋅粉，同時(shí)處理廢舊電池達(dá)到2000 t/a左右。工藝過程即傳統(tǒng)高爐煉鐵模式，配套60 m2燒結(jié)機(jī)，燒結(jié)所用原料為轉(zhuǎn)爐塵泥、高爐塵泥、軋鋼鐵皮、電池等固體廢料及部分正常鐵礦，高爐主要冶煉鑄造鐵，焦比為630 kg/t，煤比為70 kg/t，燃料比在700 kg/t以上，煤氣利用率約為30%，高爐風(fēng)口12個(gè)，風(fēng)量65000 m3/h，日產(chǎn)鐵量約1000 t。由于DK小高爐主要以各種固廢為原料，入爐堿金屬負(fù)荷約為8.5 kg/t，鋅負(fù)荷則達(dá)到38 kg/t，高爐煤氣除塵可回收富鋅粉塵，其鋅含量高達(dá)65%~68%，具有很高市場價(jià)值。DK小高爐工藝完全基于傳統(tǒng)煉鐵模式，各種設(shè)備及技術(shù)相當(dāng)成熟，除了鋼鐵粉塵還能有效處理廢舊電池。缺點(diǎn)是由于專門處理各類固廢，高爐堿金屬、鋅等負(fù)荷極高，對長壽及順行的危害影響也更嚴(yán)重[1-2]。小高爐工藝雖是鋼鐵企業(yè)最熟悉的工藝，但目前國家限制其發(fā)展，這也使國內(nèi)含鋅粉塵的處理主要集中在轉(zhuǎn)底爐與回轉(zhuǎn)窯工藝上。

2 OXCUP工藝

Oxycup工藝在墨西哥Sicartsa、德國TKS、日本新日鐵、JFE 和我國太鋼都有采用，部分豎爐工藝應(yīng)用情況見表1所示[2]。德國蒂森-克虜伯鋼鐵公司在2004年對傳統(tǒng)沖天爐進(jìn)行改進(jìn)，并于近年開發(fā)出了新型豎爐工藝，用于處理鋼鐵廠含鐵類廢物，其主要產(chǎn)品為鐵水、熔渣和煤氣。中國太鋼引進(jìn)該工藝，并于2011年4月投產(chǎn)。

表1 部分Oxycup工藝應(yīng)用情況

Oxcup工藝流程見圖1，其內(nèi)部還原過程見圖2。含鐵磚塊、焦炭、添加劑和廢鋼通過爐料加料斗由豎爐上部加入爐內(nèi)，豎爐內(nèi)還原產(chǎn)生的煙氣通過加料斗下面的環(huán)形排氣室排出，經(jīng)過凈化和預(yù)熱后再由豎爐的中部通入爐內(nèi)，以供加熱爐料和熔化渣鐵。生成的渣、鐵由豎爐下部排出豎爐[3-7]。

表2為Oxcup豎爐入爐自還原壓塊與礫石成分，表3為廢鐵成分，表4為焦炭成分，表5為典型鐵水成分。

Oxcup豎爐中，500~620 ℃的富氧熱風(fēng)通過水冷風(fēng)口的噴槍吹入爐子中，與焦炭反應(yīng)產(chǎn)生1900~2500℃的高溫，為鐵氧化物反應(yīng)生產(chǎn)鐵水提供了高溫條件。每生產(chǎn)1噸鐵水消耗1100~1200 m3熱風(fēng)和150~200 m3氧氣，以燃燒風(fēng)口處的200~300 kg焦炭，一般熱風(fēng)中氧氣濃度30%，最終鐵水溫度1500 ℃。

與高爐工藝相比，Oxcup工藝主要利用了焦炭的骨架作用，并最大程度發(fā)揮了焦炭的發(fā)熱作用，爐內(nèi)必須存在部分氧化性氣氛，以保證焦炭的完全燃燒；而高爐為了維持全還原性氣氛，其中的焦炭為不完全燃燒，這是兩種工藝的本質(zhì)區(qū)別[7]。

太鋼于2011年投產(chǎn)了全球最大的OxyCup 豎爐生產(chǎn)廠。用鋼廠自產(chǎn)殘留物與廢鋼或渣殼混合制備自還原碳磚，工廠處理自還原碳磚的設(shè)計(jì)能力為60萬t/a。輸入的總爐料平均分配給熔化率相同的兩座豎爐。用兩座豎爐分別對傳統(tǒng)碳鋼粉塵和污泥以及類似的不銹鋼殘留物進(jìn)行處理，以回收殘留物中的鉻和鎳。第三座豎爐則作為這兩座豎爐在維修期間的備用。工廠每年可運(yùn)轉(zhuǎn)8000 h。目前太鋼的三座OxyCup 豎爐已停止使用[8]。

3 煙氣磁化熔融爐工藝

北京科技大學(xué)與盧龍金源鐵鑫工貿(mào)有限公司發(fā)明的《一種熔融爐處理鋼鐵廠固體廢料工藝方法》，以含鋅、鉛的高爐粉塵、轉(zhuǎn)爐污泥、電爐除塵灰、渣鋼以及廢鋼等為主要原料，進(jìn)行冷凝造塊或高溫造塊，經(jīng)養(yǎng)護(hù)或冷卻、整粒等操作后得到成品團(tuán)塊。成品團(tuán)塊與焦炭混合后送入熔融爐進(jìn)行高溫熔融，同時(shí)含鋅廢鋼等廢料也可按一定比例加入熔融爐，最終產(chǎn)生高溫混合氣體，混合氣體在爐頂經(jīng)過旋風(fēng)除塵器，可將碳等元素分離出來，含碳粉塵可重新回收利用，剩余混合氣體經(jīng)布袋除塵器進(jìn)一步分離，得到富鋅、鉛粉塵，回收用于高溫造塊、熔融爐熱風(fēng)預(yù)熱及后續(xù)提純工序。收集到的富鋅、鉛粉塵進(jìn)一步提純，提純后可得到較高純度的鋅、鉛產(chǎn)品。熔融爐底定期打開排鉛口，收集鉛液，得到粗鉛，同時(shí)也可得到鐵水和爐渣等產(chǎn)品[9]。工藝流程見圖3。

其核心設(shè)備為熔融爐，爐頂料倉加入高溫造塊、冷凝塊、焦炭、廢鋼等塊狀物料，保證爐內(nèi)料層的透氣性。

 

圖3 熔融爐工藝

 

該工藝最先在河北秦皇島盧龍縣建成年處理30萬t含鐵鋅固廢產(chǎn)學(xué)研合作基地，后唐山鶴興廢料綜合利用科技有限公司在河北唐山古冶區(qū)建成一期年處理冶金固廢100萬噸含鐵鋅固廢生產(chǎn)線，可回收再生生鐵30萬t，硫酸鋅30萬t，氯化鉀2萬t[10]。

4 回轉(zhuǎn)窯工藝

4.1 回轉(zhuǎn)窯工藝介紹

回轉(zhuǎn)窯處理含鋅的物料時(shí)，先將物料與還原劑（焦粉或煤粉）混合均勻，從窯尾加入具有一定傾斜度的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，隨著窯的轉(zhuǎn)動(dòng)，爐料翻滾向窯頭端流動(dòng)。窯內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫爐氣與物料逆向流動(dòng)，爐料中的金屬氧化物與還原劑良好接觸而被還原。窯內(nèi)沿窯長各帶的溫度不同，最高溫度達(dá)1100~1300 ℃。物料中的鋅在回轉(zhuǎn)窯高溫條件下被還原為金屬鋅蒸發(fā)出來，后被氧化為氧化鋅，隨排出的煙氣進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯煙器處理系統(tǒng)，經(jīng)過收集裝置富集鋅。處理高爐瓦斯灰等含鋅粉塵時(shí)，約90%的鋅進(jìn)入氣相。窯渣采用水進(jìn)行快速冷卻，后續(xù)采用進(jìn)一步分選處理或返回?zé)Y(jié)。其典型工藝流程見圖4。

多數(shù)回轉(zhuǎn)窯處理含鐵鋅塵泥時(shí)均采用粉料入窯，不同粉塵料進(jìn)廠后堆放處理，鏟車混勻，調(diào)配到水分約10%，甚至更高的水分，主要目的是防止物料在窯尾加入時(shí)盡可能少地被抽到煙氣系統(tǒng)中，一般混合料中氧化鋅含量在6-7%，含鐵品位在15-20%，氯離子控制在10%左右。

典型的回轉(zhuǎn)窯綜合處理含鋅粉塵工藝可以分為三個(gè)系統(tǒng)：回轉(zhuǎn)窯直接還原系統(tǒng)、鋅焙砂處理系統(tǒng)、窯渣選鐵系統(tǒng)。

1）回轉(zhuǎn)窯直接還原系統(tǒng)

回轉(zhuǎn)窯直接還原系統(tǒng)工藝流程：將高爐煉鐵煙塵與焦粉（蘭炭、煙煤等）按照一定的比例配料后通過膠帶輸送機(jī)送入回轉(zhuǎn)窯中，揮發(fā)窯反應(yīng)區(qū)溫度為1000～1300℃，窯尾煙氣溫度約為400~500℃，煉鐵煙塵中的有價(jià)金屬鋅、銦、鉛、鉍、錫、鎘等在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)被還原，揮發(fā)進(jìn)入氣相中被氧化成氧化物，經(jīng)降溫后被收集在煙道及布袋收塵器內(nèi)，隨后送入鋅焙砂窯系統(tǒng)或外賣，煙氣再由風(fēng)機(jī)送至脫硫塔洗滌脫硫后，由煙囪排放；回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的窯渣在水淬熄火降溫后送入選鐵處理工序或返回?zé)Y(jié)工序。

2）鋅焙砂窯系統(tǒng)

鋅焙砂窯系統(tǒng)工藝流程：次氧化鋅經(jīng)皮帶運(yùn)輸由下料管進(jìn)入焙燒窯內(nèi)，通入燃料點(diǎn)火，在700-850℃的高溫中，將氧化鋅中的鉛、銦、錫、鉍、氟、氯等元素從料層中揮發(fā)出來。煙氣被帶入收塵系統(tǒng)形成煙塵收集。從窯頭排出的窯渣為鋅焙砂，經(jīng)水淬冷卻后供電爐煉鋅系統(tǒng)使用。

3）窯渣選鐵處理系統(tǒng)

窯渣選鐵處理工藝流程：含鐵窯渣加濕經(jīng)皮帶運(yùn)送至球磨機(jī)內(nèi)，經(jīng)球磨機(jī)球磨成礦漿后進(jìn)入磁選機(jī)進(jìn)行磁選，磁選分離出鐵粉和尾泥，鐵粉可進(jìn)一步經(jīng)分級產(chǎn)出高純鐵粉和鐵精粉，高純鐵粉經(jīng)干燥后外售，鐵精粉直接給燒結(jié)廠作為原料使用。尾泥經(jīng)脫水后銷售下游企業(yè)。

4.2 主要維修及故障處理

回轉(zhuǎn)窯作業(yè)率在90%左右，5-6個(gè)月檢修一次，每次檢修周期約20天。

主要是更換窯內(nèi)耐火材料（主要是耐火磚），根據(jù)生產(chǎn)情況，耐火材料有脫落段需要更換，多發(fā)生在窯頭部前15米的高溫段，但也有發(fā)生在窯內(nèi)其它位置的。

回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈是回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)面臨的主要問題，這與原料有關(guān)，也與操作工的操作有關(guān)：為了減少結(jié)圈情況，盡量減少原料中的含鐵量，要求入窯原料中含鐵量少于20%，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)窯操作工培訓(xùn)，進(jìn)一步熟悉回轉(zhuǎn)窯操作。回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈對回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)而言是一種正?，F(xiàn)象，結(jié)圈不嚴(yán)重時(shí)，生產(chǎn)過程中多會自行脫落、或通過調(diào)節(jié)窯操作和進(jìn)料、風(fēng)量將結(jié)圈處理掉。

另外，如果原料中氯離子含量過高，會造成冷卻管堵灰或煙氣收塵系統(tǒng)布袋粘灰堵塞情況，需要及時(shí)清理積灰、更換堵灰布袋，同時(shí)降低原料中氯離子含量。

5 轉(zhuǎn)底爐工藝