冶煉棄渣綜合利用現(xiàn)狀*

鄧福海

(江蘇省冶金設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京　210019)

?

冶煉棄渣綜合利用現(xiàn)狀*

鄧福海

(江蘇省冶金設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京210019)

分析了目前冶煉棄渣的種類及利用狀況，提出了轉(zhuǎn)底爐處理冶煉棄渣特別是二次冶煉棄渣工藝的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：

冶煉棄渣； 轉(zhuǎn)底爐； 綜合利用； 現(xiàn)狀

引言

冶煉棄渣指冶煉過(guò)程提取鐵、銅、鉛、鋅、銻、錫、鎳等目的金屬后排出的固體廢棄物。按照冶煉過(guò)程可以分為濕法冶煉廢渣和火法冶煉廢渣。濕法冶煉廢渣是指從含金屬礦物中浸出了目的金屬后的固體剩余物，火法冶煉廢渣指含金屬礦物在熔融狀態(tài)下分離出有用組分后的產(chǎn)物。按照生產(chǎn)金屬的種類可以分為鋼鐵冶煉棄渣和有色冶煉棄渣。

1　中國(guó)冶煉棄渣現(xiàn)狀

由于中國(guó)礦產(chǎn)資源存在貧礦多、富礦少、多伴生礦等特點(diǎn)，鋼鐵冶煉棄渣(包括污泥、除塵灰、提鐵后的鋼渣等)的主要成分為鐵(含量為35%～55%)，同時(shí)含有鋅元素(0.5%～1.5%)及氧化鈣、氧化鎂、氧化鋁和氧化硅等脈石成分。

隨著有色冶金爐渣貧化技術(shù)的發(fā)展，有色冶金爐渣多為再次提取有價(jià)金屬后的二次棄渣。該類渣中有價(jià)金屬元素已基本提取完畢，棄渣中主要成分為鐵(含量為20%～40%)，少量的鉛、鋅、銀、鎳、銅等元素及脈石成分。

中國(guó)是一個(gè)資源缺乏的發(fā)展中國(guó)家，在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的過(guò)程中，冶金系統(tǒng)產(chǎn)生的固體廢棄物越來(lái)越多。資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)受到國(guó)家高度重視。為了提高資源利用效率，增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力，國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)于2011年12月就《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》關(guān)于“提高資源綜合利用水平”的總體要求，特別提出了《“十二五”資源綜合利用指導(dǎo)意見(jiàn)》和《大宗固體廢物綜合利用實(shí)施方案》，到 2015 年，大宗固體廢物綜合利用率達(dá)到50%，其中工業(yè)固體廢物綜合利用率達(dá)到72%。2005年、2010年及2015年產(chǎn)生的廢渣量和利用率如表1所示。從表1可以看出，中國(guó)的廢渣利用率還沒(méi)有達(dá)到國(guó)家要求的水平。

表1　產(chǎn)生的廢渣量和利用率

2　國(guó)內(nèi)外冶煉棄渣綜合應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1作為礦山坑井的回填物

礦山開(kāi)采出礦石以后，必須對(duì)坑井進(jìn)行回填。隨著中國(guó)礦山資源的開(kāi)發(fā)，幾乎所有礦山都面臨著坑井回填的問(wèn)題，而冶金棄渣具有穩(wěn)定性較高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，備受關(guān)注。玉子慶[1]等做了銅坑礦充填中應(yīng)用有色冶煉爐渣代替部分水泥作膠結(jié)的研究，并在廣西柳州華錫集團(tuán)試驗(yàn)成功。目前，冶金渣中多含有20%～40%左右的鐵及鋅、鉛等多種元素，而中國(guó)鐵礦石開(kāi)采品位約40%，這些棄渣如果直接填埋，不僅浪費(fèi)了大量的鐵礦資源，渣中的鉛鋅等元素還存在污染地下水源和環(huán)境的可能。因此如何解決鐵、鉛、鋅等資源的回收使棄渣無(wú)害化成為該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.2用于制作建筑材料

利用冶金棄渣生產(chǎn)水泥、微粉、鋪路材料等是目前研究最多、最深入的一種棄渣利用方法。冶金爐渣的成分隨礦石品位及冶煉工藝的不同，會(huì)有較大的波動(dòng)，但大部分冶金爐渣屬于硅酸鹽材料，其主要成分有SiO2, CaO，Al2O3，MgO，F(xiàn)eO及MnO等[2]。

煉鐵高爐渣和提取廢鋼后的鋼渣具有渣活性高、質(zhì)量好等特點(diǎn)，非常適合于水泥、微粉的生產(chǎn)。有研究表明有些鋼渣水泥甚至能達(dá)到625號(hào)的性能[3]，且具有后期強(qiáng)度高、耐磨、抗蝕等多種優(yōu)良性能。

有色冶金廢渣目前也有報(bào)道應(yīng)用于建造道路路基。孟慶余[4]等做了釩渣道路基層材料的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明針對(duì)低等級(jí)公路的底基層和基層材料的強(qiáng)度要求，泥石灰土穩(wěn)定釩渣可用作路面基層材料，適當(dāng)摻入水泥即可達(dá)到基層材料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。齊建召[5]等做了赤泥做道路基層材料的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明選用適當(dāng)?shù)呐浔?赤泥道路基層強(qiáng)度可滿足高等級(jí)公路的要求。盛廣宏[6]等的研究表明水淬急冷的鎳渣，由于其玻璃相中含有少量的CaO，Al2O3，因而在堿性介質(zhì)(如硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2)的激發(fā)下具有潛在的水硬性，可以作為水泥的混合材。

同時(shí)研究表明，鉛渣[7]也可以在水泥生產(chǎn)中代替部分混合材使用，在磨制水泥時(shí)，摻入部分水淬鉛渣代替礦渣作混合材，可以提高水泥的耐磨性，減少干縮，使顏色較深。但是由于有色冶金廢渣材質(zhì)不穩(wěn)定，使用前必須進(jìn)行試驗(yàn)研究和抽樣檢測(cè)，根據(jù)其性質(zhì)確定其使用方案。

2.3用于燒結(jié)工序

用于燒結(jié)工序的渣主要為煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的鋼渣。鋼渣中含有鈣、鎂、錳、鐵等成分，其中CaO和FeO為主要成分，鋼渣返回?zé)Y(jié)礦生產(chǎn)，不僅回收了渣中粒鐵、有效金屬氧化物，而且充分利用了渣中的CaO，從而節(jié)約部分石灰，降低了燒結(jié)礦成本。

由于冶煉棄渣中多含有鋅元素，當(dāng)鋅元素進(jìn)入燒結(jié)系統(tǒng)隨著燒結(jié)礦進(jìn)入高爐后，容易在高爐爐口結(jié)瘤，影響高爐生產(chǎn)順行。并且很多有色冶煉棄渣中鐵的含量小于40%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于燒結(jié)工序?qū)υ虾F量的要求，因此必須根據(jù)棄渣成分決定其是否可以直接返回?zé)Y(jié)工序。

2.4用于生產(chǎn)除銹劑、水質(zhì)凈化劑、電焊條等產(chǎn)品

根據(jù)研究，火法冶煉棄渣可代替黃砂作防腐除銹劑使用。沈陽(yáng)冶煉廠、山海關(guān)造船廠和日本鋼管公司均有試驗(yàn)和應(yīng)用，質(zhì)量能夠達(dá)到瑞典質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Sa2-2(1/2)級(jí)，如有特殊要求可以達(dá)到Sa3級(jí)。

研究表明，在水質(zhì)凈化方面，用鋼渣做吸附劑處理含砷廢水，效率可達(dá)95%以上。

鋼鐵冶煉爐渣中含有大量的氧化鈣，穩(wěn)弧性能較好；含有大量熔點(diǎn)為1200℃的鈣、硅、鋁混合物，造渣及流動(dòng)性能也較好；含有硅、鎂、鈦等成分，合金性能好。而錳、鈣又有利于脫硫脫磷，適量加入錳鐵、硅鐵脫氧，淀粉、木屑造氣，磨細(xì)到120目，與水玻璃混勻壓涂到H08A焊芯上，即可制成優(yōu)質(zhì)焊條。原料成本可降低50%以上[8-11]。

但是由于冶煉棄渣的性質(zhì)不穩(wěn)定，成分波動(dòng)大，使用棄渣制作除銹劑、水質(zhì)凈化劑、電焊條等產(chǎn)品必須經(jīng)過(guò)工業(yè)化試驗(yàn)。

2.5生產(chǎn)農(nóng)業(yè)肥料

在很多冶金渣中都含有P，Ca，Si等農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的元素，經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理可以用作農(nóng)業(yè)肥料或添加劑。如煉鋼轉(zhuǎn)爐渣中w(P2O5)≈1%，w(CaO) ≈50%，可以用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)磷肥，也可以用作酸性土壤改良劑。鋼渣磷肥被作為農(nóng)業(yè)肥料已有百余年的歷史，如法國(guó)、德國(guó)等含磷鐵礦比較豐富的國(guó)家，鋼渣磷肥占磷肥總量的13%～16%，日本已將鋼渣礦渣的硅酸質(zhì)確定為普通肥料[12]。

有色冶煉棄渣中元素成分波動(dòng)較大，有些含有砷等有害元素，不適宜制作肥料。

3　轉(zhuǎn)底爐棄渣綜合處理工藝

3.1現(xiàn)有轉(zhuǎn)底爐棄渣處理工藝存在的問(wèn)題

綜上所述，目前冶煉棄渣綜合利用工藝越來(lái)越受重視，能夠大規(guī)模處理冶煉棄渣的工藝主要是礦井回填、用于建筑材料、返回?zé)Y(jié)工序和生產(chǎn)化工產(chǎn)品。其存在的主要問(wèn)題有以下幾個(gè)方面：

1)直接作為礦井回填材料時(shí)，容易造成鐵元素的浪費(fèi)，若渣中含有鋅、鉛等金屬元素時(shí)容易產(chǎn)生污染；

2)鋼渣和高爐水渣用于建筑材料工藝成熟可靠，但是有色冶煉棄渣成分變化較大，使用前必須進(jìn)行試驗(yàn)研究；

3)冶煉棄渣返回?zé)Y(jié)主要受鋅、鉛元素含量影響，如何實(shí)現(xiàn)鐵鋅分離是關(guān)鍵問(wèn)題；

4)制作化工產(chǎn)品，需要根據(jù)渣的性質(zhì)、產(chǎn)品成分進(jìn)行具體分析，工藝適應(yīng)性差。

3.2解決措施

3.2.1轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝及原理

根據(jù)上述問(wèn)題，提出一種轉(zhuǎn)底爐煤基直接還原處理冶煉棄渣的綜合利用工藝，該工藝通過(guò)將冶煉棄渣、煤、粘結(jié)劑及其他輔助材料(如石灰等)，經(jīng)混合——造塊——轉(zhuǎn)底爐直接還原——磨礦磁選——鐵粉壓。如果原料中含有鉛、鋅、銀等有價(jià)金屬，則可以通過(guò)轉(zhuǎn)底爐煙氣系統(tǒng)回收粉塵。

其基本原理是：將含鐵、鋅、鉛等原料配加還原劑、添加劑等制成含碳球團(tuán)，烘干后布入轉(zhuǎn)底爐，在爐內(nèi)1200～1400 ℃的還原區(qū)將含碳球團(tuán)還原為金屬化球團(tuán)，球團(tuán)中的ZnO, PbO還原成金屬Zn，Pb，金屬揮發(fā)進(jìn)入煙氣中再氧化生成氧化物，通過(guò)對(duì)煙塵的收集可以得到富含Zn，Pb的二次粉塵，而生產(chǎn)出的轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)采用磨礦磁選流程，通過(guò)細(xì)磨實(shí)現(xiàn)鐵與脈石的單體解離，再通過(guò)磁選的方法回收得到金屬鐵粉，壓塊后使用。含鉛鋅和氧化鐵物料的還原反應(yīng)方程式為：

MO + C = M + CO

MO + CO =M + CO2

FeO + CO = Fe + CO2

Fe2O3+ 3C = 2Fe + 3CO

Fe2O3+ 3CO = 2Fe + 3CO2

CO2+ C = 2CO

3.2.2產(chǎn)品情況

通過(guò)該法，可以充分利用冶煉棄渣中的鐵生產(chǎn)鐵塊，含鐵80%～90%，回收率大于95%可以作為煉鋼用冷卻劑。冶煉棄渣中的鉛、鋅、銀等元素被富集到煙氣粉塵中被收集，元素脫除率可達(dá)95%以上，該粉塵具有成分簡(jiǎn)單，容易浸出等特點(diǎn)，可以直接返回企業(yè)原有有色冶煉系統(tǒng)。項(xiàng)目產(chǎn)生的尾礦由于已經(jīng)充分提取過(guò)鐵、銀元素，并且將鉛、鋅等污染環(huán)境元素分離，是制作微粉、礦井填充材料的優(yōu)質(zhì)原料。

4　結(jié)束語(yǔ)

目前中國(guó)已經(jīng)堆存了大量的冶煉棄渣，并且每年還都不斷的產(chǎn)生，根據(jù)轉(zhuǎn)底爐規(guī)格，其處理能力可達(dá)到40萬(wàn)t/臺(tái)。該技術(shù)的廣泛應(yīng)用將大大緩解中國(guó)冶煉棄渣的環(huán)保處理壓力。

[1]玉子慶，姜凡均．有色冶煉爐渣在礦山充填中的應(yīng)用研究[J]．礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2002，22(5)：22—23．

[2]鄒偉斌．張頌蚊．利用鋼渣、還原渣配料煅燒高強(qiáng)水泥熟料[J]．山西建材，2000，(3)：22—25．

[3]貴甫．鋼渣濕法磁選分級(jí)方法[P]．中國(guó)專利：CN00116009.5．

[4]孟慶余，李偉男，唐志前，等．釩渣道路基層材料的試驗(yàn)研究[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2o07，29(9)：91—94．

[5]齊建召，楊家寬，王梅，等．赤泥做道路基層材料的試驗(yàn)研究[J]．公路交通科技，20o5，22(6)：30—33．

[6]盛廣宏，翟建平．鎳工業(yè)冶金渣的資源化[J]．金屬礦山，2005(10)：68—71．

[7]周端倪．冶煉鉛渣在水泥工業(yè)中的應(yīng)用[J]．廣西冶金，1992, (2)：46—50．

[8]楊華明．張廣業(yè)．鋼渣資源化的現(xiàn)狀與前景[J]．礦產(chǎn)綜合利用，1999，6(3)：35—37．

[9]宋堅(jiān)民．鋼渣的綜合利用[J]．上海金屬，1999，21(6)：45-49．

[10]莊明龍，柴立元，閔小波，等. 含砷廢水處理研究進(jìn)展[J]．工業(yè)水處理，2004，24 (7): 13—17 ．

[11]楊揚(yáng)．鋼鐵冶煉爐渣制造電焊條[P]．中國(guó)專利：CN90105991.9．

[12]金恒閣，于立波, 俎曉彤，等．鋼鐵廢渣與磷肥[J]．中國(guó)物資再生，1999,(3)：31—32．

2016-04-05

鄧福海(1966—)，男，工程師

X757