鋼鐵企業(yè)除塵灰綜合利用現(xiàn)狀與展望

于恒， 黃細(xì)聰， 李科， 李騫

1.日照卓業(yè)環(huán)保科技有限公司，山東 日照 276814；2. 武鋼資源集團(tuán)鄂州球團(tuán)有限公司，湖北 鄂州436000；3.中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083

鋼鐵企業(yè)的除塵灰是指從燒結(jié)到軋鋼的各個(gè)工序生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)電除塵器、重力除塵器和布袋除塵器等除塵設(shè)備收集的灰塵。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，鋼鐵企業(yè)除塵灰產(chǎn)生總量約為鋼產(chǎn)量的10%左右[1]。對(duì)于這些除塵灰的處理方式，傳統(tǒng)的方法是燒結(jié)配料中低比例配加[2]，有的則是通過(guò)造小球和壓團(tuán)等預(yù)處理后再使用[3-4]。隨著高爐冶煉技術(shù)的發(fā)展，鉀、鈉和鋅對(duì)高爐生產(chǎn)的危害性越來(lái)越受到重視[5-6]，很多鋼廠禁止將含有害元素較多的除塵灰內(nèi)循環(huán)使用，選擇堆放或?qū)ν怃N售的處理方式。堆放會(huì)占用大量土地資源；對(duì)外銷售價(jià)格低廉，每噸從幾十到一百元不等，這兩種處理方式?jīng)]有從根本上解決問(wèn)題。

2021年發(fā)改環(huán)資下發(fā)了“關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見(jiàn)”，明確提出“創(chuàng)新大宗固廢綜合利用模式，在鋼鐵冶金行業(yè)推廣“固廢不出廠”，加強(qiáng)全量化利用”。成熟的除塵灰綜合利用工藝成為鋼廠的迫切需求。

根據(jù)對(duì)各鋼廠的調(diào)研，目前各鋼廠處理需求最迫切的除塵灰主要有三種：燒結(jié)機(jī)頭灰、高爐布袋灰和轉(zhuǎn)爐除塵灰，這也是有害元素鉀、鈉、氯和鋅含量相對(duì)較高的除塵灰。本文針對(duì)這三種除塵灰介紹了各自的特點(diǎn)及不同的綜合利用工藝，以期為鋼廠提供參考。

1 除塵灰的性質(zhì)

1.1 燒結(jié)機(jī)頭灰

燒結(jié)機(jī)頭灰是指在燒結(jié)工序中，燒結(jié)煙氣通過(guò)大煙道再到電除塵灰器中捕捉下來(lái)的灰塵。表1為燒結(jié)機(jī)頭灰的化學(xué)成分。

表1 燒結(jié)機(jī)頭灰化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of sintering dust

由表1可知，燒結(jié)機(jī)頭灰中的有害元素主要為K、Na和Cl，部分鋼廠的燒結(jié)機(jī)頭灰里的K2O含量高達(dá)30%。鋼廠的燒結(jié)機(jī)頭電除塵器一般有四個(gè)電場(chǎng)，從第一到第四電場(chǎng)，燒結(jié)機(jī)頭灰中的Fe含量呈下降趨勢(shì)，K、Na和Cl的含量則呈上升趨勢(shì)。其產(chǎn)量約為0.5～1.5 kg/t燒結(jié)礦，燒結(jié)機(jī)面積越小，使用的含鐵原料品質(zhì)越差，灰量越多。

燒結(jié)機(jī)頭灰的粒度極細(xì)，呈灰白色，平均粒徑在100 μm左右，堆密度在0.5～1 g/cm3。因粒度細(xì)，堆密度小，這種灰堆存時(shí)流動(dòng)性好，不易打跺，采用翻斗車卸灰時(shí)，揚(yáng)塵很大。

燒結(jié)機(jī)頭灰中的Fe主要以Fe2O3和Fe3O4的形式存在，K和Na主要以KCl和NaCl的形式存在，同時(shí)也存在CaCl2、MgCl2、PbCl2、ZnCl2等氯化物。在燒結(jié)的高溫還原氣氛下，含有堿金屬元素的復(fù)雜硅鋁酸鹽，如鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石和六方鉀石等部分會(huì)發(fā)生分解及還原反應(yīng)，與CaCl2再次反應(yīng)而生成KCl和NaCl[7-8]。燒結(jié)機(jī)頭灰中的Cl的來(lái)源，一般認(rèn)為，燒結(jié)使用進(jìn)口礦較多，在船運(yùn)及開(kāi)采過(guò)程中有海水滲入所致[9]，其真正根源仍有待確定。

燒結(jié)機(jī)頭灰如果返回?zé)Y(jié)使用，會(huì)造成堿金屬富集，常見(jiàn)的影響是燒結(jié)“糊篦條”，引起燒結(jié)礦產(chǎn)量、質(zhì)量降低[10-11]。燒結(jié)機(jī)頭灰因有價(jià)元素含量低，除含有稀貴金屬金和銀等，價(jià)值較低，是最難銷售的除塵灰。

1.2 高爐布袋灰

高爐布袋灰，也稱為高爐瓦斯灰或高爐二次灰，是指在高爐冶煉過(guò)程中，從爐頂產(chǎn)生出來(lái)的的煙氣經(jīng)重力除塵器后，再通過(guò)布袋除塵灰收集的灰塵。表2為高爐布袋灰的化學(xué)成分。

表2 高爐布袋灰化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of blast furnace dust

由表2可知，高爐布袋灰中的有害元素主要是鋅、鉀、鈉和氯，同時(shí)含有較多的有價(jià)元素鐵和碳。其產(chǎn)量約為3～6 kg/t鐵水，與入爐原料及爐容有關(guān)，入爐原料綜合鐵品位越低，爐容越小，灰量越多。

高爐布袋灰的粒度較燒結(jié)機(jī)頭灰粗，呈黑灰色，平均粒徑在130 μm左右，堆密度在0.7～1.1 g/cm3，外觀類似于磁鐵精粉。

高爐布袋灰中的Fe主要以Fe2O3和Fe3O4的形式存在，C則以單質(zhì)C的形式存在。高爐布袋灰中的K和Na同樣主要以KCl和NaCl的形式存在，Zn則以ZnO、ZnFe2O4和ZnCl2等形式存在[7,12]。高爐布袋灰中的K、Na、Cl和Zn主要來(lái)源于入爐原料燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、塊礦和焦炭等。

高爐布袋灰中當(dāng)Zn含量<1%時(shí)，可以返回?zé)Y(jié)配料使用。大部分鋼廠高爐布袋灰都在1%以上，如果返回?zé)Y(jié)工序繼續(xù)使用，會(huì)造成燒結(jié)礦中的Zn富集，導(dǎo)致高爐Zn負(fù)荷超標(biāo)，易產(chǎn)生降低焦炭強(qiáng)度，侵蝕耐火磚，形成爐瘤，破壞風(fēng)口等問(wèn)題[13]。當(dāng)高爐布袋灰中的Zn含量在5%以上時(shí)，較易銷售，一般銷售給回轉(zhuǎn)窯廠家用于生產(chǎn)次氧化鋅。

1.3 轉(zhuǎn)爐灰

轉(zhuǎn)爐灰是指在煉鋼工序中，轉(zhuǎn)爐冶煉煙氣經(jīng)除塵器收集下來(lái)的灰塵，干法除塵產(chǎn)生的煙塵稱為轉(zhuǎn)爐細(xì)灰或二次灰，濕法除塵產(chǎn)生的煙塵稱為污泥。表3為轉(zhuǎn)爐灰的化學(xué)成分。

表3 轉(zhuǎn)爐灰化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of converter dust

由表3可知，轉(zhuǎn)爐灰中的的主要有害元素是Zn，F(xiàn)e含量相對(duì)較高，有些轉(zhuǎn)爐灰中的Fe高達(dá)56%，其產(chǎn)量約為高爐布袋灰的1.4～1.6倍。

轉(zhuǎn)爐灰的粒度平均在120 μm左右，堆密度在1.0～1.5 g/cm3，呈灰紅色，外觀類似于赤鐵精粉。

轉(zhuǎn)爐灰中的Fe主要以FeO、Fe2O3和Fe3O4的形式存在，Zn主要以ZnO和ZnFe2O4的形式存在[7,14]。Zn主要來(lái)源于轉(zhuǎn)爐使用的含鋅廢鋼，隨著入爐廢鋼鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，轉(zhuǎn)爐灰中的Zn含量相應(yīng)增加[15]。

轉(zhuǎn)爐灰Zn含量<1%時(shí)，也可以直接返回?zé)Y(jié)工序配料使用。許多鋼廠為降低成本，提高產(chǎn)量，大量使用如鍍鋅板類的含鋅廢鋼，導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐灰中的Zn含量上升至1%以上[16]，轉(zhuǎn)爐灰不再適合返回?zé)Y(jié)使用。轉(zhuǎn)爐灰與高爐布袋灰相比，不含碳，且Fe含量較高，不利于回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)，故經(jīng)濟(jì)價(jià)值更低，更難銷售。

2 現(xiàn)有的除塵灰綜合利用工藝

對(duì)于鋼鐵企業(yè)含有害元素的除塵灰處理，許多科研院所進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)室研究。在燒結(jié)機(jī)頭灰的綜合利用上，錢峰和張梅等利用水洗浸出、固液分離、蒸發(fā)結(jié)晶和分步結(jié)晶的方法提取KCl，得到的KCl品位都在90%以上[17-18]；秦立浩采用浸出的方法，K和Na的脫除率達(dá)到99%以上，而且從三四電場(chǎng)機(jī)頭灰中得到了質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%以上的鉛精礦[19]；劉憲先將燒結(jié)機(jī)頭灰磁選，然后尾泥采用氯化浸提的方法，經(jīng)溶解、沉淀反應(yīng)、離心過(guò)濾、洗滌和焙燒后得到純度為99.8%的一氧化鉛[20]。在高爐布袋灰的綜合利用上，羅興國(guó)和馬愛(ài)元采用氨-碳酸銨浸出的方法脫除鋅，鋅的浸出率分別達(dá)到91%和76.71%[21-22]；胡正剛采用直接還原焙燒的方法處理高爐布袋灰，在焙燒溫度為1 100～1 200 ℃、焙燒時(shí)間為20～30 min、通入0.15 m3/h的壓縮空氣的條件下，脫鋅率達(dá)到90%以上[23]；張建良采用配煤壓球焙燒的方法，在焙燒溫度為1 200 ℃、焙燒時(shí)間為35 min、煤粉添加量為10%的條件下，鋅的脫除率達(dá)到99.76%[24]；在轉(zhuǎn)爐灰的綜合利用上，鄭志豪使用低溫堿性焙燒一堿浸出方法，然后對(duì)鋅電積，脫鋅率達(dá)97.25%[14]。以上實(shí)驗(yàn)室研究為K、Na、Cl和Zn的脫除實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支持。

近年來(lái)，隨著環(huán)保嚴(yán)查，一方面收購(gòu)除塵灰提取鉀鈉鋅等元素的加工廠因環(huán)保不達(dá)標(biāo)而關(guān)停，導(dǎo)致除塵灰的銷路受阻，另一方面，部分鋼廠已經(jīng)開(kāi)始執(zhí)行”固廢不出廠”的要求。在這種背景下，很多鋼廠自行建設(shè)除塵灰綜合利用生產(chǎn)線。

在燒結(jié)機(jī)頭灰的處理上，天津、包頭、南京、蘇州、日照和萊蕪等地方鋼廠已經(jīng)投建水洗提鹽的項(xiàng)目。從運(yùn)營(yíng)效果上來(lái)講，燒結(jié)機(jī)頭灰鉀和鈉脫除率均能達(dá)到80%以上，脫除鉀、鈉和氯后的機(jī)頭灰返回?zé)Y(jié)使用，生產(chǎn)的氯化鉀、氯化鈉或二者的混鹽，能夠作為產(chǎn)品銷售，實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)機(jī)頭灰的綜合利用。

在高爐布袋灰及轉(zhuǎn)爐灰的處理上，濕法生產(chǎn)線案例較少，國(guó)內(nèi)有柳鋼、泰鋼和湘鋼等。柳鋼采用浮選、重選和磁選聯(lián)合的方法處理高爐布袋灰，生產(chǎn)焦炭粉、鐵精粉和碳粉尾泥，焦炭粉和鐵精粉由柳鋼內(nèi)部回收利用，碳粉尾泥銷售給磚廠[25]。泰鋼采用浮選和磁選聯(lián)合的方法處理高爐布袋灰，每100 t高爐除塵灰可生產(chǎn)25～42 t的鐵精粉和22～30 t的炭精粉，尾泥則銷售給水泥廠或磚廠[26]。選礦生產(chǎn)線主要是處理高爐布袋灰，鐵碳分離后實(shí)現(xiàn)綜合利用，但未脫除有害元素鋅。

對(duì)鋅含量較高的高爐布袋灰和轉(zhuǎn)爐灰，主要采用火法工藝脫鋅，國(guó)內(nèi)使用較早的是轉(zhuǎn)底爐工藝[27-28]，應(yīng)用比較成功的有寶鋼、馬鋼、日鋼、首鋼、沙鋼和永鋼等。轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)的金屬化球團(tuán)產(chǎn)品成球率在60%～80%，金屬化率在60%～95%，脫鋅率在85%以上，產(chǎn)品次氧化鋅平均品位在40%～60%。轉(zhuǎn)底爐工藝具有作業(yè)率高，產(chǎn)品附加值高，技術(shù)相對(duì)成熟的優(yōu)點(diǎn)。但因其一次性投資較高和運(yùn)營(yíng)成本高的缺點(diǎn)，投資低和運(yùn)營(yíng)成本低的回轉(zhuǎn)窯工藝成為處理含鋅粉塵的新趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較成功的有南鋼、山西建邦、山西立恒、永鋒鋼鐵、山鋼、日鋼、萊鋼和包鋼等，部分回轉(zhuǎn)窯還外購(gòu)添加電爐灰和鋅冶煉渣等高鋅物料以提高經(jīng)濟(jì)效益，個(gè)別回轉(zhuǎn)窯把燒結(jié)機(jī)頭灰也作為原料，脫除鉀、鈉和氯。這些回轉(zhuǎn)窯的脫鋅率在80%～95%，產(chǎn)品次氧化鋅平均品位在40%～60%。

國(guó)外在含鋅除塵灰的處理上，主要有意大利的氯化浸出Ezinex工藝，包括浸出、渣分離、凈化和電解等工序，生產(chǎn)含碳鐵渣，鉛、鎘和鎳等金屬的精礦，以及鋅錠等產(chǎn)品[29]。美國(guó)、德國(guó)和日本采用威爾茲工藝，與回轉(zhuǎn)窯工藝類似，包括配料、造球、回轉(zhuǎn)窯焙燒和煙氣收集等工序，生產(chǎn)直接還原鐵及富鋅粉塵[30]。德國(guó)還有DK工藝及Oxycup工藝[31-32]，其本質(zhì)上為造塊+高爐冶煉工藝，生產(chǎn)鐵水及富鋅粉塵。

除塵灰綜合利用從根本問(wèn)題上來(lái)講，是脫除K、Na、Cl和Zn等有害元素。除塵灰脫除有害元素后，其中的Fe作為含鐵原料，Si、Ca、Mg和Al等雜質(zhì)完全可以作為熔劑或造渣劑；有害元素K、Na、Cl和Zn須以產(chǎn)品的形式存在，否則會(huì)產(chǎn)生二次污染。

如上所述，從三種灰中有害元素的存在形式及處理工藝上分析，脫除K、Na和Cl適合使用濕法工藝，脫除Zn適合使用火法工藝。單一使用火法工藝，根據(jù)目前的各鋼廠的轉(zhuǎn)底爐及回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，如果原料中的K、Na和Cl含量較高，一方面Cl會(huì)腐蝕設(shè)備，KCl和NaCl造成煙氣系統(tǒng)堵塞，放灰不暢，嚴(yán)重影響作業(yè)率，另一方面，K、Na和Cl進(jìn)入次氧化鋅，降低了產(chǎn)品質(zhì)量，客戶使用這種次氧化鋅時(shí)存在K、Na和Cl造成二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。

筆者推薦含K、Na和Cl含量較高的燒結(jié)機(jī)頭灰和高爐布袋灰先進(jìn)行水洗脫氯提鹽，脫除K、Na和Cl的燒結(jié)機(jī)頭灰返回?zé)Y(jié)工藝使用，脫除K、Na和Cl的高爐布袋灰則與含Zn較高的轉(zhuǎn)爐灰，使用火法回轉(zhuǎn)窯工藝進(jìn)行脫鋅，脫鋅后的窯渣返回?zé)Y(jié)工序配料，產(chǎn)品KCl、NaCl和次氧化鋅對(duì)外銷售。

2.1 濕法脫氯提鹽工藝

2.1.1 工藝流程及生產(chǎn)效果

圖1為燒結(jié)機(jī)頭灰及高爐布袋灰聯(lián)合脫氯提鹽工藝流程圖。由圖1可知，其主要步驟包括攪拌浸出、固液分離、濾液凈化和蒸發(fā)結(jié)晶等。因鋼廠內(nèi)的燒結(jié)機(jī)頭灰及高爐布袋灰的成分不穩(wěn)定，尤其不同燒結(jié)機(jī)、不同高爐的除塵灰K、Na和Cl含量差別較大，可設(shè)計(jì)一級(jí)、二級(jí)，甚至三級(jí)洗滌，直至濾餅中的K、Na和Cl含量降低至符合鋼廠的標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 燒結(jié)機(jī)頭灰和高爐布袋灰聯(lián)合脫氯提鹽工藝流程圖Fig. 1 The flow sheet for combined dechlorination of sintering dust and blast furnace dust

固液分離工序一般使用脫水效果較好、洗水量較低的板框壓濾機(jī)，得到的固體水份含量在20%左右。固液分離后，K、Na和Cl絕大部分以鹽的形式進(jìn)入濾液中，同時(shí)也有微量的Ca、Mg、Pb和Zn等金屬離子進(jìn)入濾液。降低濾餅殘留的液體量及濃度是提高K、Na和Cl的脫除率的關(guān)鍵。

凈化工序的作用是脫除Ca、Mg、Pb和Zn金屬離子。如未脫除，濾液進(jìn)入蒸發(fā)器后會(huì)形成大量泡沫，蒸發(fā)過(guò)程難以進(jìn)行；重金屬離子進(jìn)入KCl和NaCl產(chǎn)品中，成為不合格產(chǎn)品。采用在濾液中加入Na2CO3及重金屬捕收劑等藥劑攪拌，使金屬離子形成沉淀，再次固液分離后的方法脫除金屬離子。

蒸發(fā)結(jié)晶工序采用強(qiáng)制循環(huán)式蒸發(fā)器，以防止鹽在加熱器中結(jié)垢。蒸發(fā)冷凝水可返回浸出工序，循環(huán)使用，降低水耗。

表4為某鋼廠燒結(jié)機(jī)頭灰和高爐布袋灰脫氯提鹽項(xiàng)目的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。由表4可知，燒結(jié)機(jī)頭灰脫氯提鹽后，Na2O降低至1%以內(nèi)，K2O降低至3%以內(nèi)，K、Na和Cl的脫除率均在80%以上，高爐布袋灰的Cl脫除至1%以下，脫除率在85%以上。該項(xiàng)目每天處理約30 t燒結(jié)機(jī)頭灰和180 t高爐布袋灰，每天約產(chǎn)10 t氯化鉀和5 t氯化鈉，解決了脫除燒結(jié)機(jī)頭灰和高爐布袋灰中K、Na和Cl的問(wèn)題。

表4 某鋼廠燒結(jié)機(jī)頭灰和高爐布袋灰聯(lián)合脫氯提鹽生產(chǎn)數(shù)據(jù)Table 4 Production data of combined dechlorination of sintering dust and blast furnace dust from an iron and steel plant

2.1.2 工藝難點(diǎn)及解決措施

(1)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，泵葉輪磨損嚴(yán)重。氯離子對(duì)鐵具有較強(qiáng)的腐蝕性，與漿液或?yàn)V液直接接觸的設(shè)備，在使用碳鋼的情況下，兩周內(nèi)就會(huì)被腐蝕穿透；含鐵較高的除塵灰顆粒具有較大的硬度，使用普通葉輪磨損嚴(yán)重，壽命甚至不足一周。生產(chǎn)實(shí)踐證明，泵類的設(shè)備需采用具備耐磨耐腐性能合金材質(zhì)。蒸發(fā)器則需要使用鈦材才能保證長(zhǎng)久運(yùn)行。

(2)降低噸灰的濾液處理量。在K、Na和Cl脫除率相同的情況下，進(jìn)入蒸發(fā)器前的液體濃度越低，液體量越大，蒸發(fā)成本越高。通過(guò)提前化驗(yàn)灰的成分，分類處理，根據(jù)不同濃度控制濾液的循環(huán)次數(shù)，才能提高濾液濃度，降低濾液處理量。

(3)鉀鈉的分離。KCl和NaCl的分離是根據(jù)二者不同溫度下的溶解度相差較大的原理。凈化后的濾液蒸發(fā)至晶體濃度在5%～10%時(shí)，在100 ℃左右先分離NaCl，未結(jié)晶的KCl溶液則送入閃蒸室蒸發(fā)，降溫結(jié)晶，以實(shí)現(xiàn)二者的分離。實(shí)際操作中，因?yàn)V液中的K和Na含量并不穩(wěn)定，導(dǎo)致產(chǎn)品KCl和NaCl的品位波動(dòng)較大。可以通過(guò)批次進(jìn)液，穩(wěn)定操作，提前分離NaCl的方法提高KCl和NaCl的分離效果。

2.1 火法回轉(zhuǎn)窯提鋅工藝

2.1.1 工藝流程及生產(chǎn)效果

火法回轉(zhuǎn)窯提鋅的原理是在高溫條件(1 100～1 250 ℃)下，使用無(wú)煙煤或焦粉作為還原劑，將除塵灰中的鋅化合物還原成金屬鋅，由于鋅金屬沸點(diǎn)低(907 ℃)，以鋅蒸汽的形式進(jìn)入煙氣中，在低溫區(qū)域被氧化，形成氧化鋅，通過(guò)除塵器以煙塵的形式收集[28]。主要化學(xué)反應(yīng)如下：

ZnO+C → Zn+CO

(1)

ZnO+CO → Zn+CO2

(2)

ZnFe2O4+C → ZnO+2FeO+CO

(3)

ZnFe2O4+FeO → ZnO+Fe3O4

(4)

2Zn+O2→ 2ZnO

(5)

配料是將轉(zhuǎn)爐灰和脫氯提鹽后的高爐布袋灰、返料及焦粉按一定的比例稱量混合。配料的關(guān)鍵是穩(wěn)定物料中的固定碳含量，碳是混合料燃燒及鐵和鋅等金屬氧化物還原反應(yīng)的基礎(chǔ)，配碳不足，會(huì)使窯內(nèi)高溫段縮短，降低脫鋅率；反之會(huì)造成液相過(guò)多，窯易結(jié)圈。

混合造粒一般采用滾筒造粒機(jī)或圓盤(pán)造粒機(jī)，粒度一般在3～5 mm，其目的是防止因物料粒度太細(xì)，未經(jīng)焙燒隨煙氣被抽至沉降室。

窯頭至窯尾根據(jù)溫度的劃分依次分為干燥段、預(yù)熱段、燃燒段和冷卻段，其中高溫段溫度在1 100 ℃到1 250 ℃，是鋅發(fā)生還原的反應(yīng)段，高溫段的長(zhǎng)度占窯總長(zhǎng)度的1/3左右。為減小焦粉或無(wú)煙煤的配比，降低碳的排放，可在窯頭設(shè)置高爐煤氣輔熱燃燒系統(tǒng)。

控制合理的窯轉(zhuǎn)速使物料在窯內(nèi)焙燒時(shí)保持滾動(dòng)狀態(tài)有利于鋅的脫除。

圖2為回轉(zhuǎn)窯提鋅工藝流程圖。由圖2可知，主要步驟包括配料、混合造粒、回轉(zhuǎn)窯焙燒、煙氣沉降、產(chǎn)品收集及脫硫脫硝工序。

圖2 回轉(zhuǎn)窯提鋅工藝流程Fig. 2 Flow chart of zinc extraction by rotary kiln

未焙燒的大顆粒隨煙氣進(jìn)入沉降室，通過(guò)重力作用在灰斗收集，避免進(jìn)入次氧化鋅產(chǎn)品，同時(shí)沉降室也為鋅的氧化提供空間。沉降室收集的物料稱為返料，返料的多少是判斷生產(chǎn)是否順行的重要依據(jù)，窯尾負(fù)壓越大，返料越多。

煙氣由沉降室出來(lái)后溫度仍為550 ℃左右，通過(guò)余熱鍋爐將煙氣中的余熱回收，以生產(chǎn)蒸汽。余熱鍋爐底部灰斗收集的灰塵鋅品位較低，通常在15%～30%。由于氧化鋅顆粒較輕，布袋除塵器收集的次氧化鋅從前往后呈現(xiàn)出品位依次上升的規(guī)律。

回轉(zhuǎn)窯煙氣經(jīng)收塵后，需脫硫后再排入大氣。在還原氣氛下，物料中的硫脫除率較低，窯渣中的S含量在0.4%～0.6%，煙氣中的SO2濃度通常在100 mg/m3以下，可選擇干法脫硫。脫硝則根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿馀欧艠?biāo)準(zhǔn)選擇是否脫硝。

表5為某鋼廠提鋅回轉(zhuǎn)窯的原料配比，表6為在該配比下的生成的窯渣成分。由表5和表6可知，在外配13%焦粉的條件，通過(guò)回轉(zhuǎn)窯焙燒，除塵灰中的鋅可脫除至0.6%以下，鋅的脫除率在85%以上，而且窯渣中的鐵的金屬化率達(dá)到50%以上，鐵品位提升至62%以上。該項(xiàng)目每天約處理200 t脫氯提鹽后的高爐布袋灰，約700 t轉(zhuǎn)爐灰，每天產(chǎn)次氧化鋅約90 t，次氧化鋅平均品位在40%左右。次氧化鋅可作為產(chǎn)品對(duì)外銷售，窯渣則返回?zé)Y(jié)工序使用。該項(xiàng)目解決了高爐布袋灰和轉(zhuǎn)爐灰脫鋅的問(wèn)題。

表5 某鋼廠提鋅回轉(zhuǎn)窯原料配比Table 5 Raw material ratio of zinc extraction by rotary kiln in an iron and steel plant

表6 某鋼廠提鋅回轉(zhuǎn)窯窯渣成分Table 6 Main composition of slag after zinc extraction in a rotary kiln from an iron and steel plant

2.1.2 工藝難點(diǎn)及解決措施

火法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝相對(duì)濕法脫氯提鹽工藝較為成熟，但同樣存在生產(chǎn)難點(diǎn)。

(1)回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈是回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的一大難題。一旦結(jié)圈嚴(yán)重，需要停機(jī)后耗費(fèi)大量的人力物力清理。回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈的主要原因是初期煤灰的堆積，中后期物料在高溫段形成的低熔點(diǎn)化合物，產(chǎn)生較多的液相而不斷黏結(jié)[33]?？刂聘G結(jié)圈的主要措施有：根據(jù)物料的性質(zhì)選擇合適的配碳量，嚴(yán)格控制高溫段的溫度，配料精確，避免下料異常造成的高溫段集中。

(2)物料易黏倉(cāng)，下料不暢。如脫氯提鹽后的高爐布袋灰，水分在20%左右，通過(guò)在倉(cāng)內(nèi)設(shè)置螺旋輸堵機(jī)可有效解決下料不暢的問(wèn)題；返料及次氧化鋅做到定時(shí)放料，防止在倉(cāng)內(nèi)過(guò)多堆積造成的堵塞。

(3)窯頭窯尾易冒煙，水淬產(chǎn)生水霧污染。生產(chǎn)時(shí)，需隨時(shí)保持窯內(nèi)的微負(fù)壓狀態(tài)，避免窯頭冒煙，同時(shí)可在窯頭窯尾增加除塵器，及時(shí)將溢出的煙塵收集。水淬車間可采取完全密封的方式，水淬池頂部設(shè)置密封罩，將水汽引入除霧器以消除水霧。

3 成本及效益分析

3.1 成本分析

以年處理8萬(wàn)t高爐布袋灰，2萬(wàn)t燒結(jié)機(jī)頭灰脫氯提鹽項(xiàng)目為例，噸灰的處理成本在300元左右(不含折舊)，成本由高到低的組成主要是藥劑費(fèi)、能源動(dòng)力費(fèi)、人工費(fèi)及制造費(fèi)。其中藥劑費(fèi)較高是由于濾液在凈化時(shí)需要使用大量藥劑，將雜質(zhì)離子脫除。能源動(dòng)力費(fèi)中主要是蒸發(fā)器的蒸汽消耗，蒸發(fā)1 t濾液，需要約0.5 t蒸汽。

以年處理8 t噸脫氯提鹽后的高爐布袋灰，12萬(wàn)t轉(zhuǎn)爐灰提鋅回轉(zhuǎn)窯項(xiàng)目為例，噸灰的處理成本在350元左右(不含折舊)，成本由高到低的組成主要是燃料費(fèi)、能源動(dòng)力費(fèi)、人工費(fèi)及制造費(fèi)。其中燃料費(fèi)根據(jù)含鋅除塵灰的數(shù)量及碳含量量而定，能源動(dòng)力費(fèi)中除電費(fèi)外，壓縮空氣費(fèi)用占比較高，主要用于氣力輸灰及除塵器的反吹。

以上是生產(chǎn)正常運(yùn)行下的成本，如生產(chǎn)運(yùn)行不暢，例如回轉(zhuǎn)窯因結(jié)圈造成作業(yè)率低，成本會(huì)大幅上升。

3.2 效益分析

以3.1中的項(xiàng)目為例，每年生產(chǎn)的脫除有害元素后的含鐵原料約15萬(wàn)t，按500元/t計(jì)算，價(jià)值7 500萬(wàn)，生產(chǎn)約4 800 t氯化鉀，按1 500元/t計(jì)算，價(jià)值720萬(wàn)元，按入窯含鋅量平均3%計(jì)算，可生產(chǎn)約1.2萬(wàn)t平均品位為40%的次氧化鋅，按3 500元/t計(jì)算，價(jià)值4 200萬(wàn)，以上合計(jì)1.242億元，處理成本為1億元，直接經(jīng)濟(jì)效益為2 420萬(wàn)元。入窯除塵灰中Zn的含量越高，經(jīng)濟(jì)效益越明顯。

有害元素脫除后，除塵灰可內(nèi)循環(huán)使用，減少了有害元素的富集，為燒結(jié)和煉鐵的穩(wěn)定順行提供了有利條件，同時(shí)減少了因鉀、鈉和鋅在系統(tǒng)中循環(huán)富集而消耗的熱量，間接經(jīng)濟(jì)效益明顯。項(xiàng)目從根本上解決了“固廢不出廠”的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼鐵企業(yè)除塵灰綜合利用問(wèn)題，隨愈加嚴(yán)格的環(huán)保政策得到鋼鐵企業(yè)的日益重視。本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的綜合利用技術(shù)研究及應(yīng)用總結(jié)對(duì)比，燒結(jié)機(jī)頭灰及高爐布袋灰脫除K、Na和Cl適合采用濕法工藝，高爐布袋灰及轉(zhuǎn)爐灰脫除Zn適合采用火法工藝。濕法脫氯提鹽及火法提鋅回轉(zhuǎn)窯的項(xiàng)目在部分鋼廠已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，適合在各鋼鐵企業(yè)推廣應(yīng)用。