回轉(zhuǎn)窯處理鋼鐵含鋅粉塵關(guān)鍵技術(shù)探析

王天才

（南京盛昌再生資源有限公司，南京 210032）

鋼鐵含鋅粉塵是鋼鐵生產(chǎn)流程產(chǎn)生的固體廢棄物，具有種類多、產(chǎn)量大、成分復(fù)雜等特點，其中既含有較高的Fe、CaO、C等有價值組分，又含有K、Na、Zn、Cl等有害元素，使其循環(huán)利用受到了很大的限制。因此，鋼鐵含鋅粉塵的高效資源化利用是鋼鐵企業(yè)面臨的一大難題，也是當(dāng)前冶金工作者研究的熱點。

1 鋼鐵含鋅粉塵處理現(xiàn)狀及存在問題

鋼鐵含鋅粉塵按產(chǎn)生工序可分為燒結(jié)灰、高爐塵泥、轉(zhuǎn)爐塵泥、電爐粉塵等。根據(jù)鋼鐵生產(chǎn)各工序特點，一般高爐塵泥含碳較高，轉(zhuǎn)爐塵泥含鐵較高，電爐粉塵含鋅較高。表1是我國鋼鐵含鋅粉塵典型粒徑、成分范圍及產(chǎn)生量[1-2]。

1.1 鋼鐵含鋅粉塵處理模式

鋼鐵含鋅粉塵處理分閉路循環(huán)（又稱內(nèi)循環(huán)或小循環(huán)）與開路循環(huán)（又稱外循環(huán)或大循環(huán)）兩種模式。前者主要配加在燒結(jié)工序的混合料中，鋅也就隨燒結(jié)礦進(jìn)入高爐，并在高爐內(nèi)循環(huán)富集，部分以粉塵形式離開高爐后又配入燒結(jié)工序中，依次循環(huán)往復(fù)。這種模式存在鋅的富集問題，故應(yīng)對其進(jìn)行脫鋅處理后再返回鋼廠主流程，即采用開路循環(huán)模式——鋼鐵生產(chǎn)主流程尤其是煉鐵高爐不存在鋅富集與結(jié)瘤等工藝設(shè)備運行問題，但存在投資大、生產(chǎn)成本高和環(huán)境污染等新問題[1]。

1.2 幾種提鋅方法對比及回轉(zhuǎn)窯工藝特點

含鋅粉塵處理工藝分濕法與火法兩大類，目前鋼廠普遍采用的提鋅處理方法仍是火法工藝。火法工藝不論是回轉(zhuǎn)窯還是轉(zhuǎn)底爐，其基本原理都是利用鋅沸點較低（907℃）、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。回轉(zhuǎn)窯作為鋼鐵含鋅粉塵提鋅選鐵的火法工藝之一，和與之并存的轉(zhuǎn)底爐等工藝相比，具有工藝成熟、投資成本較低、設(shè)備運行簡單等優(yōu)點，詳情如表2所示[3]。

表1 我國鋼鐵含鋅粉塵典型粒徑、成分范圍及產(chǎn)生量

表2 含鋅粉塵處理工藝對比

回轉(zhuǎn)窯工藝在國內(nèi)應(yīng)用較廣泛，能實現(xiàn)鋼鐵含鋅粉塵的高附加值資源化利用，是一種非常有實用意義的含鐵塵泥處理工藝，并且可打開含鋅粉塵“內(nèi)循環(huán)”體系，避免鋅元素在高爐內(nèi)循環(huán)富集。但是，從技術(shù)操作性與行業(yè)整體性等方面而言，也存在規(guī)模小、經(jīng)濟(jì)性差、原料要求高、技術(shù)研究不深等問題，尤其是生產(chǎn)過程中窯內(nèi)高溫段易結(jié)圈現(xiàn)象似乎成了行業(yè)“頑疾”，嚴(yán)重制約回轉(zhuǎn)窯工藝技術(shù)的推廣與發(fā)展，亟待從技術(shù)上進(jìn)行系統(tǒng)分析、研究和改進(jìn)。

隨著電爐粉塵與污泥被列入2016年8月1日起施行的新《國家危險廢物名錄》，眾多與鋼鐵企業(yè)配套而又沒有該類危廢處置資質(zhì)的獨立回轉(zhuǎn)窯廠家，將越來越面臨高爐干法除塵灰與轉(zhuǎn)爐塵泥等低鋅原料的提鋅難題。要解決以上回轉(zhuǎn)窯處理鋼鐵含鋅粉塵的諸多生產(chǎn)技術(shù)“痛點”，必須解決好合理的原料配比結(jié)構(gòu)、科學(xué)的工藝參數(shù)調(diào)整和合適的燃燒過程控制等三個方面問題。

2 合理的原料配比結(jié)構(gòu)

回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的配料結(jié)構(gòu)十分重要，對混合料至少應(yīng)關(guān)注、檢測與核算粒度、水分、品位（Zn與Fe）、固定碳、燒損與堿度等指標(biāo)。

2.1 粒度及水分

粒度及水分是在保證混合料混勻與環(huán)保、減少揚塵的前提下改善混合料制粒性能的前提。由于鋼鐵含鋅粉塵的粒徑一般在2～50μm，粒度較其他鋼鐵或氧化鋅生產(chǎn)的原料要細(xì)得多，故適宜的混合水分高達(dá)15%左右。

2.2 Zn與Fe品位

為保證回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，一般要求混合料含Zn≥5%，F(xiàn)e≥30%，以滿足成品次氧化鋅作為再生鋅原料的可銷售性（含Zn≥30%）與爐渣作為鐵精粉返回鋼廠使用的可行性（含F(xiàn)e≥55%，含Zn≤0.5%）。

2.3 固定碳

一定比例的固定碳是混合料燃燒及鐵、鋅等金屬氧化物還原反應(yīng)的基礎(chǔ)。北京科技大學(xué)張建良等通過試驗研究指出，理論上在含碳球團(tuán)的還原焙燒過程中，只有當(dāng)碳氧原子比大于1時，鐵氧化物和鋅鉛等金屬氧化物才能被完全還原[2]。因此，用于提鋅的鋼鐵含鋅粉塵中可以配有足量的含碳較高的高爐塵泥，從而有效減少甚至不配外加碳源。假定在鼓風(fēng)量一定的條件下，固定碳（或發(fā)熱值）不足，會使窯內(nèi)高溫帶整體后移或縮短，造成燃燒反應(yīng)不完全，鋅無法被完全還原析出，爐渣含鋅增高且易黏結(jié)；反之則會有較多液相生成，明顯可見從窯頭排出的爐渣仍在著火。

2.4 燒損

燒損與原料所含的固定碳、S、Zn等可燃性或揮發(fā)性成分含量有關(guān)，影響爐渣鐵精粉的Fe品位與產(chǎn)出比。一般鋼鐵含鋅粉塵的燒損可達(dá)30%，保證了回轉(zhuǎn)窯焙燒過程中Fe元素的還原與富集回收。

2.5 堿度

塵泥的二元堿度（CaO/SiO2）不僅會影響其成型性能，更會影響其熔分造渣性能[2]。必要時適當(dāng)外配堿性熔劑，以提高原料的二元堿度，有助于焙燒過程中造渣、提鋅、選鐵、脫氯及脫硫等一系列化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

3 科學(xué)的工藝參數(shù)調(diào)整

作為核心設(shè)備的回轉(zhuǎn)窯，其直徑、長度、傾角三大外在固定設(shè)備參數(shù)是衡量工廠規(guī)模與生產(chǎn)能力的主要標(biāo)志。但是，在生產(chǎn)實踐中，真正影響焙燒反應(yīng)的是回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速、填充率與物料停留時間三大關(guān)鍵可變工藝參數(shù)。

3.1 回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速是影響物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)運動狀態(tài)的決定性因素。為直觀性與形象化，按轉(zhuǎn)速從低到高，物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的運動狀態(tài)可分別描述為堆積滑移、階梯運動、滾動、小瀑布拋落、大瀑布拋落與離心運動六種狀態(tài)。其中對應(yīng)物料緊貼窯壁進(jìn)行離心運動而不掉落的上限速度稱為臨界轉(zhuǎn)速[4]。一般回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的適宜轉(zhuǎn)速應(yīng)小于臨界轉(zhuǎn)速的15%～20%，使物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)呈滾動狀態(tài)，從而保證物料在窯內(nèi)良好翻動，固氣相充分接觸與反應(yīng)。如果轉(zhuǎn)速過低，會直接導(dǎo)致處理量降低，窯尾返料增多，同時物料在窯內(nèi)翻動情況不好，也造成爐渣含鋅增高。反之，轉(zhuǎn)速太快，雖然暫時可提高原料處理量，但不易保持窯內(nèi)高溫帶溫度與穩(wěn)定的鋅揮發(fā)率。實際生產(chǎn)操作中，由于設(shè)計缺陷與認(rèn)識不足，存在的普遍問題是實際轉(zhuǎn)速偏低。因此，應(yīng)科學(xué)開展提高窯速焙燒試驗，至少保持回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速在0.5 r/min左右。

3.2 填充率

填充率又稱充填系數(shù)，是指回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料所占回轉(zhuǎn)窯容積的百分?jǐn)?shù)。當(dāng)物料停留時間不變時，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料填充率增大，能提高回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)量，但是由于料層增厚，物料運動受到限制，因此對物料的翻動和焙燒不利。填充率過小，則設(shè)備生產(chǎn)能力沒有有效發(fā)揮。在生產(chǎn)實踐中，回轉(zhuǎn)窯的填充率以小于15%為宜。

3.3 物料停留時間

物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的停留時間一般需要在工廠設(shè)計時根據(jù)試驗來確定，通常設(shè)計為2 h以上。根據(jù)需要的停留時間結(jié)合一定的富余系數(shù)選擇回轉(zhuǎn)窯的規(guī)格，再按選定的規(guī)格型號參數(shù)核算停留時間。實際上，因物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)停留時間受物料粒度、黏度、比重、水分、充填系數(shù)、風(fēng)速、壓力、燃燒與反應(yīng)情況等影響，計算出的停留時間只能作為參考。

4 合適的燃燒過程控制

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒過程控制是鋅還原揮發(fā)作業(yè)的關(guān)鍵因素，應(yīng)根據(jù)爐渣含鋅、窯內(nèi)物料的燃燒、黏結(jié)和窯襯磨損腐蝕情況綜合確定焙燒制度[5]。焙燒制度的確定和管理是回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)技術(shù)管理的重要內(nèi)容，主要包括焙燒溫度，終點控制，窯頭鼓風(fēng)風(fēng)量、壓力、方向與窯尾抽風(fēng)負(fù)壓等。

根據(jù)窯內(nèi)各區(qū)間溫度變化，一般從窯尾至窯頭按溫度從高到低劃分為四段，依次為干燥段、預(yù)熱段、高溫段、冷卻段。其中，高溫段是鋅被還原析出的主要反應(yīng)段，生產(chǎn)實踐表明，高溫段溫度以1 100～1 200℃（窯尾進(jìn)料干燥預(yù)熱段650～1 000℃）、高溫段長度以窯身總長的1/3～2/3為宜，焙燒終點位置離窯頭擋料圈0.5 m左右。一般認(rèn)為，除穩(wěn)定的固定碳量與鼓風(fēng)供氧外，適當(dāng)增加鼓風(fēng)量和窯尾負(fù)壓，可以延長高溫段長度，反之則可縮短高溫段長度。

生產(chǎn)實踐表明，窯尾負(fù)壓過高，則風(fēng)速加快，反應(yīng)帶后移，窯尾溫度升高，容易造成窯內(nèi)大量煙塵顆粒物隨氣流進(jìn)入煙道，雖然產(chǎn)量有所提高，但影響成品次氧化鋅的品質(zhì)，嚴(yán)重時還會加劇窯尾進(jìn)料溜槽的磨損及燒壞。南京盛昌再生資源有限公司φ3 200×45 000回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線以配套處理南京鋼鐵聯(lián)合有限公司含鋅含鐵粉塵為主，設(shè)計處理能力10萬t/a。2018年9-10月曾專門進(jìn)行過窯頭雙鼓風(fēng)管對生產(chǎn)指標(biāo)影響的焙燒試驗，初步結(jié)論是：鼓風(fēng)量適當(dāng)增加，回收次氧化鋅產(chǎn)量提高，Zn品位會有降低，而鼓風(fēng)管方向布置對整體焙燒結(jié)果影響有限。

4.1 鋼鐵粉塵中鋅的存在形式與析出反應(yīng)溫度

根據(jù)化驗分析，鋼鐵粉塵中鋅的可能存在形式主要包括ZnO、ZnS、ZnSO4、ZnO·Fe2O3等，它們的理論析出反應(yīng)溫度如表3所示[6]。

根據(jù)表3鋼鐵粉塵中鋅的各種可能存在形式，理論上鋅的析出反應(yīng)溫度均＜1 050℃，這一溫度同時也滿足鋼鐵粉塵中的Fe2O3在CO還原氣體作用下階梯式還原反應(yīng)的溫度要求——Fe2O3高溫下在CO還原氣體作用下，有可能被還原成FeO（380～800℃）與金屬Fe（800～850℃）。北京有色金屬研究總院惠志林等通過焙燒溫度與時間對鋅揮發(fā)影響的小型試驗得出結(jié)論，在溫度1 050℃條件下焙燒30 min，鋅的揮發(fā)率可達(dá)94%[7]?？紤]管狀爐試驗是在實驗室理想條件下進(jìn)行的，而工業(yè)生產(chǎn)實際的影響因素很復(fù)雜，故建議回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程中高溫帶溫度控制＜1 200℃。

表3 鋼鐵粉塵中鋅的存在形式、析出反應(yīng)方程式與溫度

4.2 結(jié)圈機(jī)理與控制分析

在回轉(zhuǎn)窯焙燒過程中生成的高溫液相、軟熔物與其他固態(tài)物料黏結(jié)在一起，就表現(xiàn)為結(jié)團(tuán)結(jié)塊，黏附在窯內(nèi)耐火磚表面上就是結(jié)皮結(jié)圈。黏附的物料愈多，則結(jié)塊愈大、結(jié)圈愈厚。結(jié)圈會造成料層不均勻、回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)阻力增大、回轉(zhuǎn)窯內(nèi)有效截面積縮小，嚴(yán)重影響回轉(zhuǎn)窯的產(chǎn)能，同時縮短了窯襯的使用壽命。

安徽工業(yè)大學(xué)殷磊明等曾取樣，采用XRF、SEM和EDS等測試方法對南京盛昌再生資源有限公司窯中結(jié)圈物的化學(xué)組成和礦相組成進(jìn)行分析，研究了窯中結(jié)圈物的形成機(jī)理[8]。結(jié)果表明，導(dǎo)致結(jié)圈最主要的原因是煤灰的堆積和物料中各種氧化物反應(yīng)形成的低熔點化合物在窯中高溫的作用下形成了液相，結(jié)圈物的最主要的化學(xué)成分是鐵和鐵的氧化物以及CaO、SiO2、Al2O3等。內(nèi)層結(jié)圈以固相固結(jié)為主，液相粘結(jié)為輔，結(jié)圈物組成以鐵的浮氏體、鈣長石為主。中層結(jié)圈主要是液相黏結(jié)造成的，黏結(jié)相主要是橄欖石類液相和鋁酸鹽類液相以及鐵的浮氏體和黃長石、尖晶石類物質(zhì)。外層結(jié)圈主要是液相黏結(jié)，結(jié)圈物以金屬鐵液相、鐵的浮氏體和硅酸鈣為主[8-11]。

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，煤灰和粉末狀物料是結(jié)圈的基礎(chǔ)物質(zhì)，長石、尖晶石類礦物是窯中物料黏附和液相結(jié)晶的核心，局部高溫和大量低熔點物質(zhì)是大量液相形成的條件[8]。

為此，應(yīng)堅決貫徹“均勻準(zhǔn)點、低溫控熔”原則，有針對性地做好以下抑制回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈的措施：加強對提鋅原料的化學(xué)成分、工業(yè)礦相與冶金性能分析，優(yōu)先選用燃燒灰分少、脈石含量低、軟熔溫度高的鋼鐵粉塵及含鋅礦物作為提鋅生產(chǎn)原燃料；強化原燃料的混勻作業(yè)，改善混合料品種、粒度、成分及水分分布的均一性，避免因混合不均造成焙燒生產(chǎn)過程中局部過燒過熔而結(jié)圈；焙燒制度應(yīng)努力避免窯內(nèi)高溫區(qū)集中，嚴(yán)格控制高溫帶溫度＜1 200℃；勤觀察窯頭火焰與造渣情況，精準(zhǔn)控制焙燒終點，避免使窯內(nèi)高溫帶整體后移；通過適當(dāng)提高原料的堿度以及降低配碳量，有效降低窯中FeO及其他低熔點物的生成，進(jìn)而減少窯中液相產(chǎn)生。

5 結(jié)論

回轉(zhuǎn)窯作為鋼鐵含鋅粉塵提鋅選鐵的火法工藝之一，具有投資成本較低、設(shè)備運行簡單、鋅回收率較高等優(yōu)點，在研究解決一些關(guān)鍵工藝問題后，仍將具有廣闊的發(fā)展前景。其中，合理的原料配比結(jié)構(gòu)是回轉(zhuǎn)窯正常生產(chǎn)的基礎(chǔ)，人們應(yīng)重點關(guān)注粒度、水分、品位（Zn與Fe）、固定碳、燒損與堿度等指標(biāo)?？茖W(xué)的工藝參數(shù)調(diào)整是回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)能提升的保證，其中回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速、填充率與物料停留時間是影響回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的三大關(guān)鍵可變工藝參數(shù)。合適的燃燒過程控制是回轉(zhuǎn)窯工藝操作的關(guān)鍵，人們應(yīng)堅決貫徹“均勻準(zhǔn)點、低溫控熔”原則，控制高溫區(qū)結(jié)圈。