回轉(zhuǎn)窯處理含鋅塵泥技術(shù)現(xiàn)狀及改進(jìn)方向

郭新穎

(重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司,重慶 401120)

鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),是國家經(jīng)濟(jì)水平和綜合國力的重要標(biāo)志。但其在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的固廢塵泥。據(jù)統(tǒng)計(jì),鋼鐵企業(yè)固廢塵泥的產(chǎn)生量一般為鋼產(chǎn)量的8%～12%[1-2]。這些固廢塵泥可分為含鐵塵泥和含鋅塵泥,含鐵塵泥一般經(jīng)過簡單處理后即可返回鋼鐵主工藝流程回收利用。含鋅塵泥通常含有鐵、鋅、碳等有價(jià)元素,含鋅塵泥的產(chǎn)生量約占鋼鐵企業(yè)固廢塵泥總量的30%。2021年我國粗鋼產(chǎn)量10.3億t,按此計(jì)算,我國鋼鐵企業(yè)每年產(chǎn)生的含鋅塵泥約為3 000萬t。如何處置這些數(shù)量巨大的含鋅塵泥已經(jīng)成為鋼鐵工業(yè)的重要課題。

1 現(xiàn)有含鋅塵泥的處置方法

目前鋼鐵企業(yè)對(duì)于含鋅塵泥固廢的處置方式主要有三種:

(1)直接返回?zé)Y(jié)-高爐流程循環(huán)利用。該法雖然能夠回收利用塵泥里面的鐵、碳元素,但是會(huì)導(dǎo)致鋅在高爐中循環(huán)富集,造成高爐爐襯結(jié)瘤,爐料透氣性變差,影響高爐順行。

(2)丟棄或者就地堆存。該法一方面造成了資源浪費(fèi),另一方面也會(huì)對(duì)土地、地下水造成污染。國家頒布的《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)稅法》《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》等規(guī)律、法規(guī)對(duì)固廢塵泥的處置都做了明確要求,未來企業(yè)合理處置自身產(chǎn)生的廢棄物,做到固廢不出廠已是大勢所趨。

(3)采用一定的處理工藝將含鋅塵泥中的鋅脫除后,再返回鋼鐵主工藝流程回收利用。目前國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的含鋅塵泥處理工藝主要有轉(zhuǎn)底爐工藝以及回轉(zhuǎn)窯工藝。轉(zhuǎn)底爐工藝適用于含鋅≤6%的低鋅塵泥,回轉(zhuǎn)窯適用于含鋅>6%的高鋅塵泥。轉(zhuǎn)底爐單條生產(chǎn)線的處理規(guī)模一般在20萬t以上,適用于大規(guī)模的長流程鋼鐵企業(yè)。回轉(zhuǎn)窯單條生產(chǎn)線的處理規(guī)模一般在5～15萬t,適用于短流程電爐煉鋼企業(yè)或者中小規(guī)模的長流程鋼鐵企業(yè),投資更低,生產(chǎn)更靈活。

2 回轉(zhuǎn)窯處理含鋅塵泥技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯處理含鋅塵泥工藝流程通常為:將含鋅塵泥配加燃料(焦粉或煤粉)后,經(jīng)過混合,送入回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行還原焙燒。在回轉(zhuǎn)窯中高溫條件下,利用燃料中的碳將含鋅塵泥中的鐵氧化物還原為金屬鐵,鋅氧化物還原為金屬鋅。金屬鋅在高溫下氣化進(jìn)入煙氣后再次被氧化成為次氧化鋅粉,煙氣從回轉(zhuǎn)窯窯尾排出后經(jīng)過降溫,再由布袋除塵器收集次氧化鋅粉。經(jīng)過還原后的鐵渣從回轉(zhuǎn)窯窯頭排出,冷卻后作為燒結(jié)原料使用,工藝流程圖如圖1所示[3-4]。

圖1 回轉(zhuǎn)窯工藝流程圖

回轉(zhuǎn)窯處理含鋅塵泥技術(shù)目前在國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛,其能夠?qū)崿F(xiàn)含鋅塵泥的資源化回收利用,且具有投資低、建設(shè)靈活等特點(diǎn),被諸多鋼鐵企業(yè)采用,但仍存在原料要求高、回轉(zhuǎn)窯易結(jié)圈、金屬化率低、殘鋅高、能耗高、環(huán)境差、自動(dòng)化控制水平低等問題,嚴(yán)重制約回轉(zhuǎn)窯技術(shù)的推廣與發(fā)展,具體表現(xiàn)為:

(1)原料要求高:由于現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線多采用粉料入窯,粉料容易進(jìn)煙氣降低產(chǎn)品次氧化鋅粉的品位。因此為了保證回轉(zhuǎn)窯的經(jīng)濟(jì)性,回轉(zhuǎn)窯只能處理高爐布袋灰、電爐灰等高鋅塵泥,或者經(jīng)過富鋅處理后的低鋅塵泥,一般要求混合料鋅含量>6%,以此來滿足產(chǎn)品此氧化鋅粉的可銷售性。

(2)回轉(zhuǎn)窯易結(jié)圈:回轉(zhuǎn)窯中粉料在窯內(nèi)旋轉(zhuǎn)前進(jìn),如果窯內(nèi)溫度或原料堿度控制不當(dāng),出現(xiàn)熔融現(xiàn)象,原料在回轉(zhuǎn)窯中容易形成結(jié)圈,需要頻繁停窯檢修,結(jié)圈已經(jīng)成了阻礙回轉(zhuǎn)窯發(fā)展的“頑疾”。

(3)金屬化率低、殘鋅高:為了防止回轉(zhuǎn)窯發(fā)生結(jié)圈現(xiàn)象,回轉(zhuǎn)窯內(nèi)一般工藝溫度控制比較低,原料中的鐵、鋅還原不充分,鐵渣金屬化率低、殘鋅高,往往只能作為燒結(jié)原料或丟棄。

(4)燃料用量大、能耗高:為了保證原料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)充分還原以及提供熱量,燃料(焦粉或煤粉)的配比往往高達(dá)30%。

(5)環(huán)境污染嚴(yán)重:現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線多為粗放式生產(chǎn),對(duì)于粉塵、SO2的治理措施多數(shù)不齊全,現(xiàn)場冒灰現(xiàn)象嚴(yán)重;鐵渣的冷卻也多采用水淬工藝,蒸汽逸散嚴(yán)重,現(xiàn)場作業(yè)條件差。

3 回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程影響因素及改進(jìn)方向

3.1 入窯原料粒度

目前國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯處理含鋅塵泥生產(chǎn)線多采用粉料入窯,含鋅塵泥與燃料混合后直接送入回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行焙燒。

表1為鋼鐵企業(yè)典型除塵灰粒度分布[5],從表1中可以看出,鋼鐵廠產(chǎn)生的粉塵粒度都比較細(xì),50μm以下的粉塵占大多數(shù)。粉塵粒度細(xì),在下落的過程中會(huì)漂浮于空氣中。而在回轉(zhuǎn)窯的窯尾,由于煙氣引風(fēng)機(jī)的作用,處于負(fù)壓狀態(tài),在此處進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯中的原料很容易隨著煙氣被吸走,并在后續(xù)除塵器中和煙氣中的次氧化鋅粉一起被收集。吸入煙氣中的粉塵越多,產(chǎn)品次氧化鋅粉的品位越低,經(jīng)濟(jì)效益越差。為了回轉(zhuǎn)窯的經(jīng)濟(jì)性,不得不通過處理高鋅塵泥來提高產(chǎn)品中次氧化鋅的品位。

表1 鋼鐵企業(yè)典型除塵灰粒度分布

為了解決這一問題,打破回轉(zhuǎn)窯對(duì)入窯原料的限制,使回轉(zhuǎn)窯也能夠處理中、低鋅含量的塵泥,必須對(duì)原料進(jìn)行成型處理。目前轉(zhuǎn)底爐處理含鋅塵泥技術(shù)即采用原料經(jīng)過成型(造球或者壓球)后再進(jìn)入轉(zhuǎn)底爐進(jìn)行焙燒的方式,當(dāng)混合料中鋅含量為2%時(shí),產(chǎn)品次氧化鋅的品位可達(dá)到50%。回轉(zhuǎn)窯可借鑒該技術(shù)的成型處理方式,原料經(jīng)過成型后再進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行焙燒,減少了粉料進(jìn)入煙氣中的比例,提高了產(chǎn)品次氧化鋅的品位,預(yù)計(jì)回轉(zhuǎn)窯對(duì)于混合料中鋅含量的要求可降低至2%～3%,產(chǎn)品次氧化鋅品位可達(dá)到40%。

3.2 回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈

回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈是指回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的物料在窯內(nèi)壁上黏結(jié),并連接成環(huán)狀。結(jié)圈已經(jīng)成為了公認(rèn)的阻礙回轉(zhuǎn)窯推廣與發(fā)展最大的難題?；剞D(zhuǎn)窯結(jié)圈造成的危害主要有以下幾方面:

(1)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結(jié)圈使回轉(zhuǎn)窯截面尺寸變小,嚴(yán)重阻礙了物料和煙氣的流動(dòng),降低生產(chǎn)能力與產(chǎn)品質(zhì)量,嚴(yán)重時(shí)結(jié)圈物將回轉(zhuǎn)窯完全堵死,需要頻繁停窯進(jìn)行清理,大大降低了回轉(zhuǎn)窯的作業(yè)率。

(2)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結(jié)圈后,由于窯內(nèi)溫度不穩(wěn)定和物料的機(jī)械運(yùn)動(dòng),會(huì)使黏結(jié)在窯壁上的結(jié)圈物掉落或塌陷,導(dǎo)致窯壁上的耐材也跟著松動(dòng)甚至脫落。高溫下,結(jié)圈物中的物質(zhì)可能與耐材發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致耐材由于受到化學(xué)侵蝕而損壞。

造成回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生結(jié)圈現(xiàn)象的原因很多,主要有以下幾個(gè)方面[6-9]:

(1)窯內(nèi)粉末過多:粉末的粒度越細(xì),熔化溫度越低,窯內(nèi)粉末過多的話在溫度較低的條件下就會(huì)發(fā)生軟融現(xiàn)象,造成窯內(nèi)黏結(jié)。另外粉末還容易黏附在軟融物表面,使結(jié)圈范圍不斷擴(kuò)大。

(2)回轉(zhuǎn)窯局部溫度過高:回轉(zhuǎn)窯內(nèi)如果溫度控制不當(dāng),導(dǎo)致局部溫度過高,會(huì)使物料發(fā)生軟融,形成液相,液相的形成會(huì)加劇物料之間的黏結(jié)作用,從而促使窯內(nèi)結(jié)圈的發(fā)展和長大。

(3)原料堿度控制不當(dāng):當(dāng)原料中的堿度控制不當(dāng)時(shí),會(huì)在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)形成低熔點(diǎn)的物質(zhì),這些低熔點(diǎn)物質(zhì)處于高溫區(qū)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生液相,使回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的物料黏附到窯襯上加劇回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部的結(jié)圈。

通過對(duì)引起回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈的因素進(jìn)行分析,可采取以下措施來預(yù)防回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈:

(1)對(duì)原料進(jìn)行成型處理,減少回轉(zhuǎn)窯入窯粉料量;燃料選用灰分低且軟融溫度高的煤粉或者焦粉。

(2)原料入窯前,做好充分的干燥和預(yù)熱工作,防止成型后的原料入窯后在高溫焙燒時(shí)破裂而產(chǎn)生粉末;改善回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的布料,盡量確保窯內(nèi)布料均勻,避免出現(xiàn)部分區(qū)域料層過厚的現(xiàn)象。

(3)實(shí)時(shí)關(guān)注回轉(zhuǎn)窯內(nèi)火焰的位置和長度,合理控制窯頭鼓風(fēng)量,使回轉(zhuǎn)窯內(nèi)形成合理的溫度分布,避免出現(xiàn)局部高溫。

(4)加強(qiáng)配料管理,實(shí)行精細(xì)化配料,合理控制原料堿度,避免在窯內(nèi)形成低熔點(diǎn)的物質(zhì)。

3.3 回轉(zhuǎn)窯的焙燒制度

回轉(zhuǎn)窯的焙燒制度是決定含鋅塵泥中鐵、鋅是否能夠充分還原、揮發(fā)的關(guān)鍵因素?；剞D(zhuǎn)窯焙燒制度主要包括焙燒溫度、終點(diǎn)控制、窯頭鼓風(fēng)量、壓力以及窯尾抽風(fēng)負(fù)壓等。

根據(jù)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)各區(qū)間溫度的變化,從窯尾至窯頭一般依次劃分為:干燥段、預(yù)熱段、高溫段以及冷卻段,各段的劃分及溫度分布情況如圖2所示。

圖2 回轉(zhuǎn)窯各區(qū)間溫度劃分情況

生產(chǎn)實(shí)踐表明,合理控制回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度分布能夠促進(jìn)含鋅塵泥中鐵、鋅氧化物的還原。窯內(nèi)溫度過低,鐵、鋅還原不充分;溫度過高,造成能源浪費(fèi),且物料容易出現(xiàn)軟融狀態(tài)造成回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈。一般高溫區(qū)溫度控制在1 100～1 200 ℃,高溫區(qū)長度控制在窯身總長的1/3～2/3為宜。高溫區(qū)的長短可以通過窯頭鼓風(fēng)量和窯尾負(fù)壓來調(diào)整,增加鼓風(fēng)量和窯尾負(fù)壓可以延長高溫區(qū)的長度,反之則可縮短高溫區(qū)的長度。但窯尾負(fù)壓不可控制過高,過高容易造成窯內(nèi)風(fēng)速加快,大量煙塵顆粒隨氣流進(jìn)入煙道,影響產(chǎn)品次氧化鋅粉的品位[10]。

3.4 環(huán)境保護(hù)措施

現(xiàn)有的回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線多為粗放式生產(chǎn),現(xiàn)場操作環(huán)境較差,環(huán)境污染嚴(yán)重,主要問題如下:

(1)原料的堆存多采用落地堆存的方式,通過鏟車上料。由于含鋅粉塵粒度細(xì),堆存及上料過程中粉塵很容易彌散在空氣中,操作環(huán)境極為惡劣。

(2)由于回轉(zhuǎn)窯采用焦粉或煤粉為燃料,燃料中含有硫,現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線的煙氣多數(shù)不經(jīng)過處理,直接排入大氣中,煙氣中的SO2會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

(3)回轉(zhuǎn)窯窯頭、窯尾密封不嚴(yán),并且不設(shè)環(huán)境除塵設(shè)施,生產(chǎn)過程中經(jīng)常處出現(xiàn)“冒灰”現(xiàn)象,造成環(huán)境污染。

(4)窯渣的冷卻多采用水淬的方式,直接將窯渣排入水池中進(jìn)行冷卻,水池中的水溫度升高,產(chǎn)生大量的蒸汽彌散在空氣中,現(xiàn)場操作環(huán)境差。

針對(duì)以上環(huán)境問題,在新建回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)中可考慮將原料堆存系統(tǒng)采用料倉封閉儲(chǔ)存的方式,減少粉塵逸散;對(duì)回轉(zhuǎn)窯煙氣系統(tǒng)配置脫硫裝置,煙氣脫硫后達(dá)標(biāo)排放;對(duì)于窯頭、窯尾等有粉塵冒出的部位增加除塵點(diǎn)和除塵設(shè)施,減少冒出;窯渣的冷卻采用圓筒冷卻機(jī)等間接冷卻的方式,消除水蒸氣的逸散,改善現(xiàn)場操作環(huán)境。

4 結(jié) 語

回轉(zhuǎn)窯處理鋼鐵企業(yè)含鋅塵泥技術(shù)具有投資低、建設(shè)靈活等優(yōu)點(diǎn),通過調(diào)整入窯原料粒度、加強(qiáng)配料管理、合理控制窯內(nèi)溫度、完善環(huán)保設(shè)施等手段,能夠改進(jìn)現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線對(duì)原料要求高、容易結(jié)圈、作業(yè)率低、環(huán)境差等問題,促進(jìn)回轉(zhuǎn)窯處理鋼鐵企業(yè)含鋅塵泥技術(shù)的推廣和應(yīng)用。