冶金含鐵塵泥再資源化的技術(shù)現(xiàn)狀與展望

王瓊，貴永亮，宋春燕

(河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山063009)

0 引言

冶金含鐵塵泥是鋼鐵生產(chǎn)過程中從不同生產(chǎn)工藝流程的除塵系統(tǒng)中排出的以鐵為主要成分的粉塵和泥漿的統(tǒng)稱，一般由干式除塵器捕集的稱塵，由濕法除塵器捕集的稱泥，主要包括燒結(jié)粉塵、煉鐵塵泥、煉鋼塵泥和軋鋼氧化鐵皮等固體廢棄物，數(shù)量巨大，污染嚴(yán)重［1］。目前以返回?zé)Y(jié)為主要處理途徑的塵泥中往往含有鋅、鉛、鉀、鈉等有害元素，嚴(yán)重影響燒結(jié)礦的質(zhì)量。有害元素(如鋅)進(jìn)入高爐后會造成鋅循環(huán)，鋅蒸氣凝結(jié)在高爐上部破侵蝕高爐爐襯，惡化料柱透氣性，同時會增加焦比，影響高爐生產(chǎn)［2］。因此利用塵泥中有效成分并降低有害元素對冶煉過程的影響，成為冶金含鐵塵泥利用的關(guān)鍵，不僅可以挖掘塵泥的資源屬性，降低生產(chǎn)成本，提升企業(yè)競爭力，還可保護(hù)環(huán)境，實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和綠色化生產(chǎn)。

1 塵泥成分及種類

冶金含鐵塵泥是在鋼鐵冶煉及軋制過程產(chǎn)生的含鐵較高的固體物質(zhì)，按生產(chǎn)工藝大體可分為以下幾類:原料廠粉塵，燒結(jié)粉塵、瓦斯灰、轉(zhuǎn)爐塵泥、軋鋼氧化鐵皮等。燒結(jié)原料在轉(zhuǎn)運(yùn)、燒結(jié)過程中除塵器收集下的粉塵，統(tǒng)稱為燒結(jié)除塵灰;在高爐煤氣凈化過程中重力除塵器收集下來的粉塵為瓦斯灰，文氏管收集下來的為瓦斯泥，瓦斯泥、瓦斯灰統(tǒng)稱為高爐粉塵。煉鋼轉(zhuǎn)爐濕式除塵器收集下來的為轉(zhuǎn)爐污泥，在鋼鐵軋制過程中剝落下的氧化鐵皮及鋼材在酸洗過程中被溶解成的渣泥為軋鋼鐵皮。這些塵泥含鐵量不盡相同，但都有大量的鐵，TFe在30% ～70%范圍內(nèi)，軋鋼氧化鐵皮的TFe較高，接近70%，是優(yōu)質(zhì)含鐵原料。高爐塵泥的特點(diǎn)是除了含有大量鐵外，還含有大量的碳;高爐塵泥、轉(zhuǎn)爐塵泥和電爐塵泥含有不等量的鋅。塵泥中水分含量較高，由濕式除塵器收集的塵泥含量可達(dá)到20% ～50%，其主要成分如表1［3-7］。按含鐵粉塵和污泥中鋅含量的不同可分為3類，即低鋅粉塵、中鋅塵泥和高鋅塵泥。電爐粉塵中普遍含有較高的鋅，屬于高鋅塵泥，高爐瓦斯灰泥和轉(zhuǎn)爐塵泥都屬于中鋅塵泥，其它則屬于低鋅塵泥。徐海川提出對塵泥綜合優(yōu)化處理方法就是按鋅含量分類后采用相應(yīng)的最佳處理措施，對低鋅塵泥可加入燒結(jié)混合料回用處理，對高鋅塵泥則采用轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝轉(zhuǎn)化成有用的直接還原鐵和粗鋅氧化物，對中鋅塵泥則采用磁選技術(shù)或水力旋流技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，低鋅部分返回?zé)Y(jié)使用，高鋅部分通過轉(zhuǎn)底爐處理［1］。

表1 冶金含鐵塵泥的化學(xué)成分/%

2 冶金含鐵塵泥對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的影響

塵泥在鋼鐵冶煉過程中會產(chǎn)生各種不利影響，塵泥利用情況的好壞很大程度上影響著鋼鐵冶煉的順利進(jìn)行。燒結(jié)生產(chǎn)的原料制備過程中，混合制粒是一種處理塵泥比較有效的方法，但由于除塵灰較輕，且配加比例較小，不易下灰，影響配比穩(wěn)定，同時由于電廠除塵灰的親水性較差，堆密度與其他物料相差較多，對混合制粒也產(chǎn)生較大影響。燒結(jié)過程中，燒結(jié)機(jī)在電除塵過程中，大量塵泥會使燒結(jié)煙道負(fù)壓上升，溫度下降，為保證參數(shù)穩(wěn)定，需降低料層厚度，增加燃料，提高風(fēng)量，從而減小塵泥對燒結(jié)機(jī)的損害。同時由于鉀、鈉、鋅等元素在燒結(jié)過程中與氧元素富集，影響料層透氣性，進(jìn)而影響燒結(jié)礦品位和質(zhì)量。高爐生產(chǎn)過程中，冶金塵泥中的有害元素進(jìn)入高爐中，在高爐內(nèi)富集，會造成鋅循環(huán)，由于閉路循環(huán)的生產(chǎn)方式，這些高含鉀、鈉、鋅等富集在高爐上會結(jié)瘤，堵塞管路，破壞高爐爐襯，既影響高爐順行又影響生產(chǎn)［8］。在煉鋼生產(chǎn)中塵泥作為煉鋼造渣劑、冷卻劑和助溶劑原料，能提高化渣速度、除磷效果，對降低轉(zhuǎn)爐能耗效果明顯，且能增加金屬收得率。因為含鐵塵泥粒度細(xì)，流動性好，尤其是小于5μm的粉塵能長期懸浮于空氣中，影響工人身體健康，風(fēng)干后飄散于大氣中，嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量，污染周邊環(huán)境;含鐵塵泥同時含有較多粒徑小的低沸點(diǎn)堿金屬，與空氣接觸時易于空氣中的氧反應(yīng)，產(chǎn)生有害氣體，從而污染空氣。

3 國內(nèi)冶金含鐵塵泥利用情況

國內(nèi)外各大鋼廠根據(jù)不同的冶金含鐵塵泥性質(zhì)，對塵泥處理進(jìn)行了不同的研究和工藝開發(fā)，主要有物理法、濕法、火法3種工藝措施。物理法主要是通過浮、重、磁選等選礦手段對塵泥進(jìn)行干式或濕式分離，或利用水力旋流技術(shù)對塵泥按粒度進(jìn)行濕式分級，主要目的是得到合格的含鐵原料。濕法工藝主要是國外鋼鐵企業(yè)用來處理高鋅塵泥，利用酸堿等溶劑浸出鋅元素從而提高塵泥利用率?；鸱üに囀悄壳疤幚硪苯鸷F塵泥最普遍適用的方法，主要有直接配入燒結(jié)系統(tǒng)返回利用、金屬化球團(tuán)法、冷固結(jié)塵泥法等［9］，冷固結(jié)塵泥回用高爐煉鐵技術(shù)能縮短塵泥回用鋼鐵冶煉系統(tǒng)的流程，但需要加大量水泥等粘結(jié)劑，需占用大量場地養(yǎng)護(hù)冷固結(jié)產(chǎn)品，粘結(jié)劑又回到高爐內(nèi)消耗大量能源，轉(zhuǎn)化為高爐渣，不為鋼廠廣泛采用。

3.1 物理法處理工藝在塵泥回收中的應(yīng)用

利用物理選礦方法將粒度較細(xì)的瓦斯泥資源化，可大幅度減少磨礦成本。因此，研究選礦方法使部分塵泥成為合格的鐵精礦回收利用，并從中選出部分碳精粉，進(jìn)一步提高其利用價值，從而實現(xiàn)廢棄物的資源化利用具有實際意義。有文獻(xiàn)提出用高爐瓦斯泥生產(chǎn)鐵精礦工藝，即采用浮選-磁選或磁選-浮選工藝均能獲得TFe量大于60%的鐵精礦和含固定碳大于68%的碳精粉，但磁選-浮選流程因尾礦礦漿濃度低(通常在10%左右，工業(yè)上需經(jīng)過濃縮后給人浮選，影響了工藝的穩(wěn)定性)，因此應(yīng)采用浮選-磁選工藝處理瓦斯泥［10］。單一的機(jī)械選礦方法通常難脫除塵泥鐵精礦中的鋅，高爐瓦斯泥精礦中的鋅可以再次通過化學(xué)方法使含鋅量降到0.1%以下，化學(xué)方法即使用酸堿等溶劑脫除塵泥中的有害雜質(zhì)，酸浸流程中的廢酸可以循環(huán)使用，無廢液排放。汪為民在瓦斯泥浮選脫鋅綜合回收工藝研究［11］中采用浮選法進(jìn)行降雜脫鋅并回收碳、鐵尾泥，即對瓦斯泥先進(jìn)行浮碳，經(jīng)粗選、精選得到碳精礦，對浮碳尾漿濃縮后再進(jìn)行浮選脫鋅即得到槽內(nèi)產(chǎn)品鐵精礦和尾泥，碳精礦和鐵精礦數(shù)量多質(zhì)量高，返回利用后對生產(chǎn)有利，含有碳、鐵的尾泥仍可以作為建材原料用作水泥配料，從而真正實現(xiàn)清潔生產(chǎn)和零排放。

利用水力旋流脫鋅也是常用的物理處理工藝的一種，水力旋流器作為一種簡單高效的顆粒濕式分級設(shè)備，用于高爐瓦斯泥的脫鋅處理過程時，較之其它脫鋅工藝具有工藝簡單，維修方便，設(shè)備投資少，運(yùn)行成本低，特別是無二次污染，因此受到普遍關(guān)注。在使用水力旋流器回收高爐瓦斯泥中利用水力旋流器的離心力作用將瓦斯泥粗細(xì)顆粒分開，再進(jìn)行分級脫鋅，取得了較好的塵泥利用效果。利用塵泥大小不同產(chǎn)生的不同向心力將瓦斯泥分級處理從而進(jìn)行脫鋅［12］。寶鋼引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，采用水力旋流器對高爐瓦斯泥按粒徑進(jìn)行濕式分級試驗，將瓦斯泥分為低鋅粗顆粒瓦斯泥和高鋅細(xì)顆粒瓦斯泥，從而實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效地回收利用高爐瓦斯泥的目的。

3.2 濕法處理工藝在塵泥回收中的應(yīng)用

從鋅在塵泥中的分布來看，單一的物理分離方法將塵泥有害元素含量降至很低較困難，因此常有鋼廠采用物理-化學(xué)聯(lián)合法脫除塵泥中的有害元素，化學(xué)濕法除鋅是一個值得研究的方向，許多國家(如伊朗、芬蘭等)采用濕法冶金技術(shù)，選用適當(dāng)?shù)慕鰟?如酸、堿、氨基乙酸)，將有害金屬鋅從塵泥中選擇性地浸取出來，之后對浸出液提純、分離從而回收。曾有人采用化學(xué)浸出的方法對高爐塵泥經(jīng)物理分選后的精泥進(jìn)一步除鋅，降低鋅在精泥中的含量，使精泥便于高爐回收利用。選用的硫酸、氯化鐵和氨水等浸出劑對高爐精泥的浸出表明，硫酸對鋅的浸出率最高，氯化鐵次之，氨水最低;硫酸不但可以很好的浸出鋅，而且有比較好的選擇性［13］。在高爐塵泥堿浸法還原脫鋅過程中，適宜的條件下利用NaOH溶劑脫鋅可以達(dá)到94.62%的脫鋅率，而在硫化沉淀脫除鉛等有害雜質(zhì)后再利用電解冶金法更可以得到含鋅量為99.7%的粉末，大大降低塵泥中的鋅元素含量，從而可以循環(huán)使用含鐵塵泥［14］。

3.3 火法處理工藝在塵泥回收中的應(yīng)用

火法處理是國內(nèi)鋼廠處理冶金塵泥最常使用的方法，目前鋼廠多采用直接配入燒結(jié)系統(tǒng)回用的方式處理含鐵塵泥，簡稱燒結(jié)法。燒結(jié)法是將含鐵塵泥作為一部分配料加入燒結(jié)混合料進(jìn)行燒結(jié)。這對建有燒結(jié)廠的鋼鐵企業(yè)是最簡單的方法，投入少、見效快，而且對含鐵較少的瓦斯灰、瓦斯泥都適用，因此被許多鋼鐵廠所采用［15］。燒結(jié)法要求含鐵塵泥成分穩(wěn)定而且均勻、松散，水分含量10%，粒度＜10 mm。由于塵泥的種類多，難以分別單獨(dú)進(jìn)行配料計算，且成分波動大，混合后的塵泥很難達(dá)到燒結(jié)原料的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，故此法一般僅屬粗放利用。為解決好這些問題鋼鐵企業(yè)進(jìn)行了改進(jìn)措施。如寶鋼將各種含鐵塵泥運(yùn)到統(tǒng)一料場，濕泥自然干燥后加皂土造球，作為燒結(jié)配料，小球的粒度2～8 mm，水分10%，強(qiáng)度0.2 MPa，該法已成功用于生產(chǎn);濟(jì)南鋼廠將煉鋼污泥、煉鐵污泥進(jìn)行混合，并濃縮成泥漿配入燒結(jié)料中，對制成的燒結(jié)礦的質(zhì)量沒有影響。這兩項改進(jìn)都取得了較好效果。前蘇聯(lián)曾將高爐塵泥跟轉(zhuǎn)爐塵泥一起進(jìn)行真空過濾脫水，而后把含水20%～30%的濾餅跟較干的高爐瓦斯灰等粉塵用雙輥快速混合機(jī)相混合，將這種混合料用于燒結(jié)生產(chǎn)，對燒結(jié)礦的質(zhì)量并無影響。此法的特點(diǎn)是不僅可使混合料松散，方便運(yùn)輸，而且能控制其含水量在10% ～14%范圍內(nèi)，對我國鋼鐵廠生產(chǎn)有一定參考價值。

塵泥直接回用燒結(jié)的方式一定程度上實現(xiàn)了資源的回收利用，但由于缺乏物料均質(zhì)化、整粒與除雜過程，使得在回用塵泥過程中存在影響生產(chǎn)的問題，集中表現(xiàn)為影響燒結(jié)透氣性、有害元素如鉀、鈉、鋅，直接影響燒結(jié)電除塵效果，進(jìn)入高爐內(nèi)循環(huán)富集，致使高爐結(jié)瘤，破壞爐襯。因此，直接回用燒結(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，需開發(fā)均質(zhì)化、整粒、除塵工藝來避免對燒結(jié)質(zhì)量的影響。

金屬化球團(tuán)工藝是將冶金塵泥造塊后生產(chǎn)金屬化球團(tuán)，可獲得高品位的產(chǎn)品并有效去除塵泥中的Zn等有害元素，是綜合利用冶金塵泥的新技術(shù)及發(fā)展方向。高爐瓦斯灰和轉(zhuǎn)爐污泥是煉鐵和煉鋼工序產(chǎn)生的主要冶金塵泥，由于來源不同，兩種塵泥的主要成分有較大區(qū)別，在制備金屬化球團(tuán)時可分別提供主要的還原劑和鐵氧化物，因此，將這兩種塵泥作原料制備金屬化球團(tuán)，充分利用兩種塵泥成分的互補(bǔ)性，在不外配碳的情況下進(jìn)行金屬化處理并有效去除鋅等有害元素。這種方式可充分利用煉鐵工序和煉鋼工序塵泥的主要特點(diǎn)，成本低、產(chǎn)品對冶煉過程無影響，是一種高效、低成本的冶金塵泥的再利用方式［16］。金屬化球團(tuán)工藝生產(chǎn)中，含鐵塵泥經(jīng)過濃縮過濾干燥后粉碎磨細(xì)，加入粘結(jié)劑造球，將制成的生球或氧化焙燒后的球團(tuán)礦，在還原裝置中用還原劑進(jìn)行預(yù)還原，除去氧化物中的含氧量，從而得到部分氧化鐵變成金屬鐵的球團(tuán)礦，干燥后由回轉(zhuǎn)窯制焙燒成金屬化球團(tuán)，用于高爐生產(chǎn)，可降低焦比，增加鐵的回收量。金屬化球團(tuán)生產(chǎn)工藝很多，目前比較成功、已應(yīng)用于生產(chǎn)的，按照還原設(shè)備可劃分為5種:轉(zhuǎn)底爐工藝、回轉(zhuǎn)窯工藝、豎爐工藝、豎罐工藝和帶式機(jī)工藝，其中豎罐工藝是一種非連續(xù)性生產(chǎn)工藝，其它都是連續(xù)性生產(chǎn)工藝?？蹬d東［17］等人對5種金屬化球團(tuán)工藝進(jìn)行了比較，指出目前最適合我國的金屬化球團(tuán)生產(chǎn)工藝是轉(zhuǎn)底爐和回轉(zhuǎn)窯。

轉(zhuǎn)底爐還原脫鋅工藝以含碳球團(tuán)為基礎(chǔ)，采用煤粉或粉塵的自含碳作還原劑，混合造球后在高溫下快速還原脫鋅，得到金屬化爐料供轉(zhuǎn)爐或電爐使用。生球經(jīng)烘干后置于轉(zhuǎn)底爐內(nèi)，轉(zhuǎn)底爐轉(zhuǎn)動時生球加熱，至1100℃左右時氧化鋅被還原，還原出的鋅被蒸發(fā)隨煙氣排出，經(jīng)冷卻系統(tǒng)時被氧化成細(xì)小的固體顆粒而沉積在除塵器內(nèi)。萊鋼轉(zhuǎn)底爐于2010年12月開始運(yùn)行，年產(chǎn)20萬噸金屬化球團(tuán)。馬鋼轉(zhuǎn)底爐為國內(nèi)第一條處理含鋅塵泥的直接還原工藝生產(chǎn)線，于2007年試生產(chǎn)，經(jīng)工藝改造和優(yōu)化，主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)基本達(dá)到要求。日照鋼鐵利用轉(zhuǎn)底爐技術(shù)的最新研究成果，建設(shè)2條年處理能力為20萬噸的轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線，所生產(chǎn)的直接還原鐵金屬化率為75% ～85%，日產(chǎn)量可高達(dá)500噸金屬化球團(tuán)［18］。目前我國轉(zhuǎn)底爐處理冶金含鋅塵泥的總產(chǎn)量為70萬噸，以2010年冶金塵泥固體廢棄物產(chǎn)量680萬噸、回收利用率95%來計算，轉(zhuǎn)底爐處理冶金含鋅塵泥占塵泥總量的比例僅10%，因此轉(zhuǎn)底爐的應(yīng)用前景十分廣闊。

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，將塵泥還原焙燒得到金屬化率較高的球團(tuán)礦，能處理含鐵品位范圍較廣的原料。將鋼鐵企業(yè)的含碳粉塵與不含碳粉塵經(jīng)混合制成含碳球，加熱使粉塵球的強(qiáng)度提高后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯，球團(tuán)內(nèi)部的碳與金屬氧化物發(fā)生還原反應(yīng)后得到球團(tuán)礦［19］。隨著氧化鐵的還原，含碳球內(nèi)的氧化鋅在950℃時被蒸發(fā)為金屬鋅，金屬鋅蒸氣進(jìn)入除塵灰富集后被作為提鋅原料，鐵的金屬化率可以達(dá)到90%以上，脫鋅率達(dá)到95%以上。生產(chǎn)的預(yù)還原球團(tuán)強(qiáng)度達(dá)到1500 N/個球以上，可滿足高爐生產(chǎn)的需求，鋅可以通過回收除塵灰而得到利用［20］。

微波加熱依靠物料自身介電性質(zhì)產(chǎn)生的熱量可實現(xiàn)對冶金塵泥的快速選擇性加熱，它不依靠物料顆粒之間傳遞熱量，從而消除了傳統(tǒng)加熱方式粉狀物料傳熱不均的現(xiàn)象。利用含鐵塵泥的自還原特性在封閉系統(tǒng)中采用微波加熱，可以實現(xiàn)含含鐵塵泥脫鋅的快速還原，獲得鋅含量較低的爐料。通過比較微波法和火法兩種工藝對含鐵塵泥的脫鋅效果，發(fā)現(xiàn)微波處理含鐵塵泥是可行的，并且有反應(yīng)時間短、加熱速度快、脫鋅效果明顯的特點(diǎn)，塵泥中鋅含量越高，微波場還原處理效果越顯著，且還原劑的種類對冶金含鋅塵泥的脫鋅有一定的影響，因此，研究在微波場下冶金含鋅塵泥的脫鋅效果及初始鋅含量、還原劑種類等對鋅脫除率的影響具有重要意義［21］。

4 結(jié)語

我國鋼鐵工業(yè)塵泥的產(chǎn)量很大，利用好冶金含鐵塵泥既能減輕對環(huán)境的污染，同時也是又好又快發(fā)展我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)的必然要求，優(yōu)化處理技術(shù)勢在必行。利用國際先進(jìn)水平處理塵泥的成功經(jīng)驗，同時結(jié)合我國的生產(chǎn)實際，探求處理塵泥最佳的技術(shù)途徑非常必要。目前火法處理塵泥在我國擁有較大的市場，如金屬化球團(tuán)法的轉(zhuǎn)底爐處理工藝，但單一工藝或因種種原因不能應(yīng)對成分復(fù)雜的塵泥，綜合采用物理、化學(xué)方法并使其與火法工藝有機(jī)結(jié)合，或許是更好的處理我國含鐵塵泥的方法。

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