歐冶爐處置含鋅廢棄物工業(yè)試驗分析對比

李維浩

（新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鐵廠）

1 引言

八鋼每年產(chǎn)生的固體廢棄物中含鋅粉塵、污泥等數(shù)量較大，其中無鋅和低鋅的粉塵、污泥等基本都二次循環(huán)利用。對含鋅較高的高爐煤氣布袋灰、轉(zhuǎn)爐二次粉塵、污泥等的塵泥無法進行有效利用。如將鋅含量較高的塵泥返回?zé)Y(jié)利用，將會造成鋅在高爐和燒結(jié)工序之間循環(huán)富集，對高爐穩(wěn)定順行和長壽會帶來負面影響，故高爐操作和生產(chǎn)組織要求鋅負荷控制在0.2kg/tHM以內(nèi)。對廠內(nèi)產(chǎn)生的鋅含量小于1%塵泥基本能做到返回?zé)Y(jié)循環(huán)利用，但鋅含量較高塵泥基本都露天堆儲，不僅占用場地，而且污染環(huán)境。塵泥中含有較高的鐵和碳未得到回收，造成資源浪費。

自八鋼歐冶爐投產(chǎn)后，就如何利用歐冶爐所特有裝備及工藝條件，處理廠內(nèi)產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物進行了多方面探索和研究。其中對利用歐冶爐處置含鋅塵泥多種工藝路線進行分析研究，并通過相應(yīng)的工業(yè)試驗進行了驗證。對歐冶爐處置含鋅塵泥的三種工藝路線的工業(yè)試驗進行分析，以尋求對系統(tǒng)影響最小、利益最大化的操作途徑和生產(chǎn)組織模式。

2 歐冶爐處置含鋅廢棄物的機理分析

近幾年，針對歐冶爐冶煉工藝技術(shù)八鋼公司和國內(nèi)多家高校進行了聯(lián)合研究。研究認為鋅元素在歐冶爐不同區(qū)域的反應(yīng)機理有所不同。

2.1 鋅元素在歐冶爐內(nèi)主要的化學(xué)反應(yīng)

2.2 鋅元素在歐冶爐內(nèi)不同區(qū)域的主要反應(yīng)

2.2.1 氣化爐拱頂區(qū)域ZnO被CO還原為Zn

氣化爐內(nèi)拱頂環(huán)境條件：溫度1050℃，壓力為330kPa，煤氣中CO和CO2含量分別為60%和10%。

根據(jù)（1）式計算歐冶爐氣化爐拱頂區(qū)域ZnO臨界還原溫度，見表1。

表1 歐冶爐氣化爐拱頂區(qū)域ZnO臨界還原溫度

在歐冶爐氣化爐拱頂區(qū)域ZnO臨界還原溫度低于環(huán)境溫度，ZnO易被還原為金屬Zn，并以蒸汽形態(tài)存在。

2.2.2 氣化爐移動床區(qū)域ZnO被C還原為Zn

氣化爐內(nèi)移動床環(huán)境條件：移動床料面溫度約650℃，壓力最大約為560kPa，煤氣中CO含量最大約為80%。根據(jù)（2）式計算氣化爐移動床ZnO最高臨界還原溫度，見表2。

表2 氣化爐移動床ZnO最高臨界還原溫度

在氣化爐移動床ZnO最高臨界還原溫度為851.35℃，進入移動床內(nèi)部也可被還原。

2.2.3 在還原豎爐內(nèi)部區(qū)域Zn被氧化為ZnO

還原豎爐環(huán)境條件：煤氣溫度800～350℃（見圖1），壓力最大約為330kPa，煤氣中CO含量44.08%～65.51%，CO2含量33.95%～13.57%（表3）。

表3 歐冶爐還原煤氣和頂煤氣主要化學(xué)成分 %

圖1還原豎爐內(nèi)煤氣(a)和爐料(b)的溫度場分布(℃)分布示意圖

因ZnO+CO=Zn+CO2是可逆反應(yīng)，當(dāng)溫度低于800℃時，Zn元素被氧化為ZnO。在歐冶爐還原豎爐內(nèi)Zn元素被氧化為ZnO。

2.2.4 歐冶爐內(nèi)鋅元素還原、氧化和循環(huán)富集機理

（1）根據(jù)（1）式和（2）式，當(dāng) Zn的化合物進入氣化爐后，拱頂區(qū)域1050℃高溫及還原氣氛將ZnO還原成Zn，并以Zn蒸汽形式隨同還原煤氣進入氣化爐發(fā)生煤氣管道。

（2）含有Zn蒸汽的還原煤氣流經(jīng)熱旋風(fēng)除塵器后流向分為兩部分：80%還原煤氣經(jīng)圍管進入還原豎爐；20%的還原煤氣進入冷煤氣填料洗滌器。

（3）進入還原豎爐的還原煤氣中Zn蒸汽，隨著煤氣溫度降低被煤氣中CO2氧化為ZnO，并附著在還原豎爐內(nèi)下降的爐料上，隨同DRI爐料返回氣化爐拱頂，形成Zn元素循環(huán)富集過程。

（4）進入冷煤氣填料洗滌器Zn蒸汽，經(jīng)過工藝水洗滌冷卻后煤氣溫度降低，煤氣中Zn元素被煤氣中CO2氧化為ZnO，經(jīng)冷煤氣填料洗滌器工藝水洗滌。洗滌水中ZnO隨煤氣洗滌水進入工藝水處理系統(tǒng)，經(jīng)沉淀后由工藝水處理系統(tǒng)以污泥形式排出。歐冶爐污泥含鋅＞8%富集排出，做為含鋅資源出售，＜8%含鋅污泥循環(huán)富集。[1]

3 歐冶爐處置含鋅廢棄物的三種方式

3.1 高鋅燒結(jié)工藝處置含鋅工業(yè)廢棄物工業(yè)試驗

3.1.1 歐冶爐處置高鋅燒結(jié)礦試驗前準備

（1）燒結(jié)工序提前生產(chǎn)高鋅燒結(jié)礦，堆存至新區(qū)高爐料場，見表4。

（2）歐冶爐配加高鋅燒結(jié)礦工業(yè)試驗前基準期歐冶爐鋅平衡計算。其中：燒結(jié)礦鋅含量0.055%，燒結(jié)礦配加量47.67%，原料帶入歐冶爐內(nèi)的鋅含量占總?cè)霠t鋅負荷的83.06%。

表4 歐冶爐用燒結(jié)礦化學(xué)成分 %

（3）從工業(yè)試驗前基準期生產(chǎn)數(shù)據(jù)理論分析得出，噸鐵爐內(nèi)鋅元素富集量約0.032kg/t；從歐冶爐排出的鋅主要進入煤氣洗滌水污泥中，約占鋅入爐總量的96.26%。

3.1.2 歐冶爐處置高鋅燒結(jié)礦工業(yè)試驗

（1）按計劃將含鋅燒結(jié)礦通過3#圓形倉事故坑上至礦煤槽3A/5A料倉，由礦線配加進還原豎爐。

（2）試驗期歐冶爐熔煉率按150t/h控制，高鋅燒結(jié)礦按50%配加，噸鐵鋅負荷達到1.062kg/t。

（3）歐冶爐配加高鋅燒結(jié)礦試驗期間鋅平衡計算（見表5）

表5 歐冶爐配加高鋅燒結(jié)礦試驗鋅平衡計算表

（4）歐冶爐配加含鋅燒結(jié)礦試驗期間，入爐鋅元素主要來自原料，占比達到94.80%。其中燒結(jié)礦帶入的鋅占比達92.25%。污泥中鋅含量達到

5.806%，占總排出鋅量的97.6%。

（5）歐冶爐配加含鋅0.12%的燒結(jié)礦50%，整體對爐況影響較小，豎爐壓差、爐料溫度及煤氣含塵均在控制范圍內(nèi)。試驗期除污泥量有所增加，其它各項指標在控制范圍內(nèi)，爐況運行整體平穩(wěn)。

3.2 配加冷固球團處置含鋅廢棄物工業(yè)試驗

3.2.1 利用冷固球團造塊工藝制備含鋅污泥球

將鋼廠內(nèi)部各工序產(chǎn)生的含鋅廢棄物與結(jié)合劑按比例進行攪拌混均，利用冷壓造球機壓制成直徑35mm含鋅污泥球團作為含鋅原料供歐冶爐使用（表 6）。

表6 含鋅污泥球化學(xué)成分 %

3.2.2 配加含鋅污泥球生產(chǎn)試驗

（1）將經(jīng)過冷固造球預(yù)處理后的含鋅污泥球，用汽車運輸至礦煤槽上料口，經(jīng)皮帶輸送機輸送至礦煤槽料倉。

（2）在配料工序按配料料單配料，每2批煤線料批配加一批含鋅污泥球，隨同焦炭、沫煤、塊煤等燃料，經(jīng)歐冶爐煤線裝料系統(tǒng)裝入歐冶爐氣化爐。歐冶爐配加4%污泥球生產(chǎn)試驗，噸鐵配加含鋅污泥球量達到36kg/tHM，歐冶爐各項運行指標良好。

（3）在配加含鋅污泥球4%生產(chǎn)試驗的基礎(chǔ)上，將含鋅污泥球配加量增加到8%，噸鐵配加含鋅污泥球量達到72kg/tHM，生產(chǎn)運行狀況平穩(wěn)，氣化爐拱頂溫度控制在1050±20℃范圍內(nèi)，氣化爐壓力無明顯波動，豎爐頂溫控制在220～240℃，豎爐壓差維持在40kPa。

3.3煤制氣工序配加含鋅工業(yè)廢棄物工業(yè)試驗

歐冶爐在使用前兩種方式處置含鋅廢棄物生產(chǎn)試驗時，因歐冶爐污泥鋅含量小于8%時不能作為含鋅資源進行銷售，必須重復(fù)進行循環(huán)富集。歐冶爐排出的污泥粒度組成和雜物含量均符合煤制氣原料進廠標準，故將歐冶爐排出鋅含量小于8%的污泥，經(jīng)歐冶爐煤制氣系統(tǒng)配加至原煤中，隨同原煤經(jīng)煤制氣制粉系統(tǒng)磨制后，由噴吹系統(tǒng)經(jīng)氣化爐拱頂噴嘴，噴入氣化爐拱頂進行循環(huán)利用，可簡化歐冶爐處置含鋅廢棄物工藝流程，并大幅度降低處置生產(chǎn)成本。

煤制氣工序配加含鋅污泥生產(chǎn)試驗：（1）根據(jù)歐冶爐煤制氣每班需要的含鋅污泥用量，由汽車拉運至煤制氣儲煤坑，并按蘭炭沫∶污泥=5∶1混合，利用儲煤坑行車抓斗進行攪拌均勻。攪拌混勻控制標準按無大塊污泥團，不造成料斗粘結(jié)為原則，將混合好的污泥蘭炭沫裝入儲料倉。按噴吹煤粉揮發(fā)分控制標準進行計算配加量，形成煤制氣配料料單，利用煤制氣儲料倉下的稱量皮帶按比例配加。

（2）初期污泥配加量按噸鐵15kg/tHM進行控制，經(jīng)煤粉制備系統(tǒng)研磨成噴吹煤粉后，通過煤制氣噴吹系統(tǒng)由載送氮氣，經(jīng)噴吹管道輸送至歐冶爐拱頂氧煤燒嘴，在歐冶爐拱頂空間內(nèi)進行熱解和燃燒。其中歐冶爐污泥中的Fe、C等有益物質(zhì)被有效利用，歐冶爐污泥中ZnO被還原為Zn蒸汽，隨同氣化爐還原煤氣進入系統(tǒng)進行循環(huán)富集。

（3）通過對歐冶爐污泥鋅含量變化跟蹤，在歐冶爐污泥循環(huán)利用過程中，污泥中鋅元素含量呈上升趨勢，符合理論測算預(yù)期值。

4 歐冶爐處置含鋅廢棄物三種方式對比

對歐冶爐處置含鋅廢棄物三種方式對比分析，利用冷固球團造塊工藝處置含鋅廢棄物能力最大，對內(nèi)外部環(huán)境和歐冶爐操作影響最少，并具有可與含油廢棄物一并處理的優(yōu)勢；利用高鋅燒結(jié)礦工藝處置含鋅廢棄物能力一般，對燒結(jié)生產(chǎn)組織和高爐操作有負面影響。使用煤制氣工序配加污泥工藝處置方式成本最低，但對高鋅廢棄物粒度和雜物控制有一定要求，并且配加量受煤粉制備和噴吹能力限制。通過歐冶爐處置含鋅廢棄物工業(yè)試驗三種方式對比（見表7），使用煤制氣配加含鋅污泥噴吹工藝和使用冷固造球配加含鋅廢棄物工藝具有可操作性，并對外部生產(chǎn)及環(huán)境系統(tǒng)影響最少。

表7 歐冶爐處置含鋅工業(yè)廢棄物三種方式對比表

5 結(jié)語

（1）通過歐冶爐處置含鋅廢棄物的機理分析，鋅元素在歐冶爐內(nèi)具備循環(huán)富集條件，并以主要污泥方式排出，占比達到入爐鋅含量的96%以上。

（2）通過歐冶爐處置含鋅廢棄物工業(yè)試驗分析，其三種工藝方式均能滿足處置含鋅廢棄物生產(chǎn)過程控制和生產(chǎn)組織需要。通過資源化處理，含鋅固體廢棄物中含鐵、含碳資源得到回收利用。

（3）通過歐冶爐處置含鋅廢棄物三種工藝路線對比，歐冶爐配加含鋅污泥球處置工藝及生產(chǎn)組織方式，優(yōu)于歐冶爐配加高鋅燒結(jié)礦處置工藝。使用煤制氣配加含鋅污泥處置工藝，可省略含鋅污泥在處置前的固結(jié)造塊過程，可降低處置費用，并對外部系統(tǒng)環(huán)境影響最少。

（4）通過歐冶爐處置含鋅廢棄物的理論分析和生產(chǎn)實踐，鋅元素在歐冶爐系統(tǒng)內(nèi)部會產(chǎn)生循環(huán)富集，并導(dǎo)致豎爐粘結(jié)頻次增加，對爐體耐材使用壽命會造成負面影響，因此還需要深入研究。