楊璧瑋,劉 維,焦 芬,張 琳,覃文慶
(中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083)
隨著冶金、電子、電鍍等行業(yè)的迅猛發(fā)展,各種固體廢物如廢酸渣、廢棄線路板、電鍍污泥等[1-3]也隨之產(chǎn)生。這些固體廢物產(chǎn)生量大、重金屬含量高、環(huán)境危害性大,迫切需要采取適宜的方法進(jìn)行處理。固體廢物資源化[4]是采用一定的加工、處理工藝將固體廢物中的有用物質(zhì)進(jìn)行回收再利用,以達(dá)到節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的目的。近年來(lái),隨著固體廢物的產(chǎn)生量逐年增加,其資源化技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)也日益受到人們的重視。
火法熔煉法是目前固體廢物資源化處理的常用手段,其中富氧側(cè)吹熔池熔煉技術(shù)是電鍍污泥、廢棄線路板等固體廢物資源化處理的主要手段[5-7]。它是將富氧空氣經(jīng)由爐壁兩側(cè)的氧槍以高速噴入爐內(nèi)熔池,使入爐物料同熔體發(fā)生劇烈攪拌并快速熔化,同時(shí)發(fā)生造銃、造渣反應(yīng),最終形成密度較高的銅銃層和密度較低的渣層,從而實(shí)現(xiàn)金屬與爐渣的分離[8-9],具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、金屬回收率高、綜合能耗低、節(jié)能效果好、爐子壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[10]。
本研究詳細(xì)介紹了富氧側(cè)吹熔池熔煉工藝及其核心設(shè)備,綜述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于富氧側(cè)吹熔池熔煉法處理各種固體廢棄物的現(xiàn)狀,總結(jié)了該工藝的技術(shù)特點(diǎn)和存在的不足,以期為改進(jìn)與提升固體廢物的資源化利用效果作參考。
富氧側(cè)吹熔池熔煉法是我國(guó)基于瓦紐科夫熔煉法(即鼓泡法)自主研發(fā)的冶煉方法,目前在處理以電鍍污泥為代表的固體廢物中應(yīng)用較為廣泛[11]。圖1為富氧側(cè)吹熔池熔煉法的典型工藝。在冶煉過(guò)程中,富氧空氣由爐體側(cè)墻銅水套上設(shè)置的氧槍(風(fēng)嘴) 噴吹至爐內(nèi)高溫熔體上層,使整個(gè)上部熔體區(qū)域處于強(qiáng)烈的攪拌狀態(tài),形成噴流層。原料、熔劑、煤粉等物料由爐頂加料口加入。熔煉過(guò)程是富氧側(cè)吹熔池熔煉法的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在爐內(nèi)活性反應(yīng)區(qū)中,噴入渣層的富氧空氣劇烈攪動(dòng)整個(gè)上部熔池,從爐頂落入的爐料在熔體與氣相的卷吸下快速熔化,同時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈的造銃和造渣反應(yīng),最終密度較高的銅銃層位于下部,密度較低的渣層位于上部,實(shí)現(xiàn)金屬與爐渣分離[9]。
富氧側(cè)吹熔池熔煉技術(shù)處理以電鍍污泥為代表的固體廢物的一般工藝流程包含原料預(yù)處理、熔池熔煉和煙氣處理3部分。某些電鍍污泥如電鍍含銅污泥因含水率高、黏性強(qiáng),在入爐熔煉之前必須經(jīng)過(guò)干燥處理[12]。干燥之后的污泥與炭精、熔劑及其他原料經(jīng)配料后送入側(cè)吹爐內(nèi),進(jìn)行熔池熔煉。在熔池熔煉過(guò)程中,側(cè)吹爐內(nèi)產(chǎn)生的煙氣經(jīng)上部煙氣區(qū)域的出口進(jìn)入余熱鍋爐進(jìn)行余熱回收,然后再經(jīng)布袋除塵器除塵后進(jìn)入煙氣脫硫系統(tǒng)進(jìn)行處理,達(dá)標(biāo)后外排。
富氧側(cè)吹熔池熔煉工藝可以適應(yīng)多種入爐原料,投入使用后能較大地提高能量利用效率及產(chǎn)能、床能率,還具有爐體壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境友好、金屬資源綜合回收率高等優(yōu)點(diǎn)[10]。與其他傳統(tǒng)冶煉方法相比,富氧側(cè)吹熔池熔煉法能夠?qū)崿F(xiàn)重金屬污泥的無(wú)害化處理與有價(jià)金屬回收,使經(jīng)濟(jì)效益最大化。近些年來(lái)富氧側(cè)吹熔池熔煉工藝在國(guó)內(nèi)備受關(guān)注,許多學(xué)者針對(duì)不同物料進(jìn)行了深入研究與優(yōu)化,以期進(jìn)一步提升處理效益。
富氧側(cè)吹熔池熔煉爐是富氧側(cè)吹熔池熔煉工藝的關(guān)鍵設(shè)備。圖2為用于電鍍污泥處理的某富氧側(cè)吹熔池熔煉爐的結(jié)構(gòu)示意圖[13]。富氧側(cè)吹熔池熔煉爐的爐型通常為長(zhǎng)方形,底端固定,以耐火材料作內(nèi)襯,于關(guān)鍵部位鑲嵌銅水套;主體結(jié)構(gòu)包括爐底基礎(chǔ)、爐缸、爐身、爐頂以及銅銃和爐渣出口等。爐底基礎(chǔ)需要有足夠的強(qiáng)度來(lái)承受整個(gè)設(shè)備及爐內(nèi)熔體的重量,要保證基礎(chǔ)平整,防止與爐內(nèi)富氧空氣在噴吹時(shí)發(fā)生共振。爐缸區(qū)的外殼一般由鋼板焊接而成,部分爐體會(huì)采用淺爐缸、厚內(nèi)襯、斜底板設(shè)計(jì),以防止?fàn)t缸因溫度降低而導(dǎo)致熱量散失或凍結(jié)。爐缸區(qū)域的側(cè)墻和端墻均安裝有銅水套,配合耐火材料與水冷技術(shù)以提高爐體壽命。爐身則全部由銅水套組合而成,氧槍設(shè)置于下層銅水套。爐頂區(qū)設(shè)置有立水套,以冷卻耐火材料,延長(zhǎng)爐體使用壽命。富氧側(cè)吹熔池熔煉過(guò)程產(chǎn)生的爐渣以及銅銃分別由爐渣虹吸池和銅銃虹吸池中所設(shè)置的出口排出。出渣口排出的爐渣經(jīng)水淬形成玻璃態(tài)的晶體渣,后續(xù)作為一般固體廢物堆存或者出售給水泥廠。出銅口排出的熔融態(tài)金屬,經(jīng)鑄錠得到黑銅與部分冰銅[5]。
圖2 富氧側(cè)吹熔池熔煉爐的結(jié)構(gòu)示意圖
富氧側(cè)吹熔池熔煉爐內(nèi)發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下[8]:
在富氧側(cè)吹熔池熔煉爐工作過(guò)程中,熔體的多相流行為至關(guān)重要。在側(cè)墻氧槍的噴吹下,熔池區(qū)域上部渣層形成氣—液—固三相共存的湍流區(qū),在此區(qū)域內(nèi)富氧空氣、爐渣、銅銃的接觸面積大幅提升,使各種冶金物理化學(xué)反應(yīng)充分進(jìn)行,并顯著提高傳質(zhì)、傳熱速率。由于氣體射流速率較高,氣體劇烈攪動(dòng)高溫熔體,極大地影響了爐內(nèi)的化學(xué)和物理過(guò)程,如氧化反應(yīng)、氣液混合、熔體噴濺及渣金分離等,因此氣體流動(dòng)對(duì)冶金熔煉過(guò)程影響較大,不僅直接關(guān)系到冶金反應(yīng)的效率,同時(shí)也決定著熔煉爐的安全使用壽命[14]。因此,如何使富氧側(cè)吹熔池熔煉爐內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布更加合理,如何提高富氧空氣的利用率、減少側(cè)吹爐內(nèi)的攪拌死區(qū),是富氧側(cè)吹熔池熔煉爐優(yōu)化的主要內(nèi)容。利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件來(lái)模擬富氧側(cè)吹熔池熔煉爐中多相流的行為,改變關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),探究最為合理的流場(chǎng)分布及其對(duì)應(yīng)的最佳參數(shù)是優(yōu)化富氧側(cè)吹熔池熔煉爐的有效手段。
CFD基于傳統(tǒng)的物理定律,可以模擬許多復(fù)雜情況下無(wú)法觀測(cè)到的現(xiàn)象和具體過(guò)程[15]。許多學(xué)者針對(duì)富氧側(cè)吹熔池熔煉爐中的熔煉過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真與研究。詹樹華等[16]探究并分析了側(cè)吹熔池內(nèi)的兩相流運(yùn)動(dòng)行為和熔池?cái)噭?dòng)情況,修正了浸入式側(cè)吹射流的描述方法。李小龍等[17]對(duì)側(cè)吹煉銅過(guò)程中的乳化現(xiàn)象進(jìn)行了模擬研究,考察了氣體流量對(duì)熔池內(nèi)乳化層的形成、乳化液滴尺寸分布的影響規(guī)律,結(jié)果表明:乳化液滴的索特平均直徑(SMD)隨著氣體流量的增大而減小,乳化層內(nèi)相間接觸面積隨氣體流量的增大呈線性增長(zhǎng)。祝振宇等[18]在不同噴吹速率和噴吹方式下對(duì)側(cè)吹熔池內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果發(fā)現(xiàn):采用低風(fēng)口熔池時(shí)攪拌更劇烈,適當(dāng)?shù)卦黾右淮物L(fēng)速有助于提高熔池上部區(qū)域熔體的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。
在富氧側(cè)吹熔池熔煉爐CFD數(shù)值模擬仿真過(guò)程中,多相流模型與湍流模型的選擇至關(guān)重要。研究表明[19-20],VOF(Volume of Fluid)多相流模型在預(yù)測(cè)射流噴射、液體中氣泡流動(dòng)時(shí)效果較好。李鵬等[14]在研究富氧側(cè)吹熔池熔煉爐的氣液混合特征時(shí),采用VOF多相流模型模擬氣液兩相流動(dòng)過(guò)程,并驗(yàn)證了此模型用于模擬熔池內(nèi)攪動(dòng)過(guò)程的可靠性,模擬結(jié)果表明:風(fēng)口高度為0.9 m時(shí),富氧空氣對(duì)于渣層的噴吹攪拌效果更好。LIU等[21]以某富氧側(cè)吹熔池熔煉爐為原型,根據(jù)相似原理建立水模型,并分析噴槍內(nèi)氣體流速、噴槍浸沒(méi)深度以及噴槍傾斜角度對(duì)氣液兩相流動(dòng)的影響,同時(shí)使用不同湍流模型進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用Realizablek-ε湍流模型所得的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值最為接近。上述研究揭示了富氧側(cè)吹熔池熔煉爐內(nèi)多相流行為與流場(chǎng)分布規(guī)律,為提高爐內(nèi)冶金反應(yīng)效率、攪拌強(qiáng)度以及優(yōu)化爐體設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)和指導(dǎo)。
電鍍污泥中含有Fe、Cu、Cr、Ni等多種重金屬元素[21],這些重金屬主要來(lái)自電鍍廠排放的各種電鍍廢液和電解槽液等[4]。電鍍污泥屬于危險(xiǎn)廢物,已被列入國(guó)家危險(xiǎn)廢物名單[22]。富氧側(cè)吹熔池熔煉工藝是目前應(yīng)用較為廣泛的電鍍污泥無(wú)害化與資源化處理技術(shù)。
富氧側(cè)吹熔池熔煉法處理電鍍污泥的大致流程見(jiàn)圖3[23]。由于電鍍污泥含水量高且黏度較大,為了防止污泥黏結(jié)運(yùn)送設(shè)備、堵塞料倉(cāng),需要先對(duì)其進(jìn)行干燥處理,通常在80~200 ℃下對(duì)電鍍污泥進(jìn)行干燥,使其含水率降低至30%~35%;干燥后的電鍍污泥與其他輔料、炭精等混合配料,從爐頂加料口送入爐內(nèi)進(jìn)行側(cè)吹熔煉過(guò)程,在富氧空氣的劇烈攪動(dòng)下,側(cè)吹爐內(nèi)的物料充分反應(yīng),其中的金屬氧化物被還原成金屬液,其余雜質(zhì)與熔劑造渣,渣相與金屬相分層,分別經(jīng)出渣口和出銅口排出;得到的黑銅與冰銅經(jīng)鑄錠后可外售,得到的玻璃態(tài)水淬渣可作為一般固體廢物堆存或作為建筑輔材外售;經(jīng)側(cè)吹爐煙氣出口排出的熔煉煙氣進(jìn)入余熱鍋爐回收余熱,再經(jīng)布袋除塵器除塵和一系列脫硫脫硝處理后,最終外排煙氣滿足國(guó)家排放要求。
圖3 富氧側(cè)吹熔池熔煉處理電鍍污泥流程
許多學(xué)者開(kāi)展了富氧側(cè)吹熔池熔煉工藝處理電鍍污泥的研究。宋珍珍[7]使用富氧側(cè)吹熔池熔煉工藝處理含銅污泥,銅回收率達(dá)到95%以上,渣中銅含量控制在0.7%以下,熔煉煙塵可作為次氧化鋅產(chǎn)品外售,廢氣可回收余熱降低能耗,冶煉渣經(jīng)水淬后轉(zhuǎn)化為無(wú)害渣可作為建筑輔材外售,實(shí)現(xiàn)了污泥的綜合利用。陽(yáng)倫莊等[5]對(duì)富氧側(cè)吹熔池熔煉處理電鍍污泥的工藝進(jìn)行了優(yōu)化,在熔化區(qū)富氧空氣體積分?jǐn)?shù)為80%、側(cè)吹爐內(nèi)熔煉溫度為1 300 ℃的條件下,電鍍污泥經(jīng)處理后,銅回收率大于95%,鋅回收率大于65%,實(shí)現(xiàn)了電鍍污泥中有價(jià)金屬的資源化。藺公敏等[6]基于中聯(lián)富氧熔池熔煉爐的爐型及冶煉原理,針對(duì)電鍍污泥的特性,對(duì)爐子的爐缸及送風(fēng)位置等進(jìn)行了優(yōu)化,采用多排風(fēng)口的送風(fēng)結(jié)構(gòu),根據(jù)不同的氧氣濃度和供風(fēng)量送風(fēng),使其滿足不同電鍍污泥的處理需求。吳迪等[24]使用高溫富氧側(cè)吹熔池熔煉技術(shù)對(duì)含銅電鍍污泥進(jìn)行了處置,采用“干燥—造粒—高溫富氧側(cè)吹熔池熔煉—余熱回收”工藝,不僅實(shí)現(xiàn)了電鍍污泥的無(wú)害化處理,而且還回收了其中的銅,具有極大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。
目前富氧側(cè)吹熔池熔煉技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電鍍污泥的資源化處理中,隨著富氧側(cè)吹熔池熔煉技術(shù)的不斷發(fā)展和優(yōu)化,在電鍍污泥資源化方面,必將有更加廣闊的市場(chǎng)。
廢棄線路板通常含有30%的有機(jī)物、30%的非金屬無(wú)機(jī)物以及大約40%的金屬[25]。在金屬組分中,含有較多的有色金屬如Cu、Pb、Zn、Ni、Sn等,少量的貴金屬如Au、Ag、Pd、Pt等,以及少量的重金屬如Pb、Sn、Hg、Cr等,這些金屬均具有很高的回收價(jià)值。與此同時(shí),廢棄線路板中的非金屬如環(huán)氧樹脂、聚氯乙烯等,經(jīng)處理后也可以實(shí)現(xiàn)資源化再利用。因此,針對(duì)廢棄線路板的資源化處理是十分重要的研究方向[26]。
富氧側(cè)吹熔池熔煉技術(shù)目前在電子廢棄物回收領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛,特別是針對(duì)廢棄線路板處理方面,許多研究人員開(kāi)展了積極的探索和研究。在電子廢棄物回收領(lǐng)域擁有豐富經(jīng)驗(yàn)的Ronnskar冶煉廠利用富氧側(cè)吹熔池熔煉工藝處理電子垃圾,回收其中的Cu、Zn和其他貴、重金屬,年處理電子垃圾總量約10萬(wàn)噸,回收的Zn占所回收金屬總量的20%以上[27]。李沖等[25]研究了富氧側(cè)吹熔池熔煉協(xié)同處理廢棄線路板的工藝及相關(guān)裝置。廢棄線路板首先通過(guò)烤錫機(jī)脫錫,然后用破碎機(jī)破碎成粒徑為50 mm左右的碎料,以含鐵廢渣和石灰石作熔劑,將所有原料連續(xù)送入側(cè)吹爐中進(jìn)行側(cè)吹熔煉,控制側(cè)吹爐熔煉溫度為1 300~1 350 ℃,渣中銅含量小于0.5%。熔煉過(guò)程所產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵泻袕U棄線路板中的有害有機(jī)物以及未完全燃燒的CO,通過(guò)爐體上部及上升煙道的二次風(fēng)口鼓入空氣使其充分燃燒,燃燒尾氣溫度高達(dá)1 200 ℃,經(jīng)過(guò)余熱鍋爐進(jìn)行余熱回收后溫度降低至1 000 ℃,經(jīng)余熱回收后的煙氣通過(guò)驟冷降溫,最大限度地抑制二口惡英的生成,使煙氣處理更加環(huán)保節(jié)能。
與機(jī)械處理等其他工藝處理廢棄線路板相比,使用富氧側(cè)吹熔池熔煉法具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、能耗低、金屬回收率高、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)[28]。經(jīng)過(guò)不斷的技術(shù)研發(fā)與升級(jí)改造,我國(guó)恩菲側(cè)吹熔池熔煉技術(shù)已經(jīng)日趨成熟,在廢棄線路板等電子廢棄物處理方面展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。
除單一的危險(xiǎn)固體廢物外,目前已經(jīng)有許多關(guān)于富氧側(cè)吹熔池熔煉法協(xié)同處理多種危險(xiǎn)固體廢物的研究及相關(guān)工業(yè)應(yīng)用。郭鵬輝[8]采用富氧側(cè)吹熔池熔煉法對(duì)電鍍含銅污泥與廢棄線路板進(jìn)行協(xié)同處理,廢棄線路板含有作為基板的玻璃纖維及作為黏結(jié)劑的高分子環(huán)氧樹脂[29],二者在側(cè)吹熔煉的過(guò)程中燃燒放熱,可以替代部分燃料,降低燃料消耗;此外,玻璃纖維的主要成分為SiO2,在熔煉過(guò)程也可以充當(dāng)部分熔劑,在入爐物料中加入廢棄線路板,還可以提高原料的銅品位。結(jié)果表明,該工藝對(duì)銅的回收率不低于95%,渣中銅含量不大于0.7%,實(shí)現(xiàn)兩種固體廢物的資源化利用。唐斌等[30]基于中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司開(kāi)發(fā)的側(cè)吹熔煉處理含銅危險(xiǎn)廢物多金屬資源綜合回收技術(shù),使用改進(jìn)后的富氧側(cè)吹熔池熔煉法協(xié)同處理含銅污泥、廢棄線路板、廢催化劑、焚燒殘?jiān)裙腆w廢物,同時(shí)搭配加入醫(yī)藥廢物、農(nóng)藥廢物、廢有機(jī)溶劑等進(jìn)行無(wú)害化處置。該工藝在渣線區(qū)、冰銅虹吸口、渣口使用銅水套進(jìn)行冷卻,以避免側(cè)吹熔煉過(guò)程中危險(xiǎn)廢物物料中有機(jī)物燃燒所造成的過(guò)熱。爐內(nèi)熔煉溫度控制在1 250 ℃,最終得到的冰銅含銅48%,黑銅含銅88%,回收了危險(xiǎn)廢物中的有價(jià)金屬,同時(shí)產(chǎn)出一般固體廢物爐渣和危險(xiǎn)廢物煙塵。在協(xié)同處置這些危害巨大的固體廢物過(guò)程中,富氧側(cè)吹熔池熔煉法表現(xiàn)出良好的原料適應(yīng)性,除電鍍污泥與廢棄線路板外,廢礦物油等其他固體廢物也能作為協(xié)同處置的原料進(jìn)行側(cè)吹熔煉,充分發(fā)揮了此工藝處理能力大、床能率高的優(yōu)點(diǎn)。與單獨(dú)處理一種固體廢物的工藝相比,協(xié)同處置多種固體廢物,不但提高了黑銅、冰銅的含銅品位,而且也提高了銅回收率,此外還同時(shí)消納、資源化利用了多種固體廢物,降低了能耗,大幅提高了經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益。
富氧側(cè)吹熔池熔煉技術(shù)除了用于煉銅、煉鉛和冶煉各種精礦外,目前已廣泛應(yīng)用于各類固體廢物的無(wú)害化、資源化處理。富氧側(cè)吹熔池熔煉處理固體廢物的整體工藝已發(fā)展得較為成熟可靠,具有低能耗、熱效率高、原料適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)環(huán)境友好、處理能力大等優(yōu)點(diǎn)。協(xié)同處理電鍍污泥、廢棄線路板等危險(xiǎn)固體廢物時(shí),流程相對(duì)簡(jiǎn)單,大多數(shù)原料可直接入爐,還可以同時(shí)搭配處理不同種類的固體廢物。針對(duì)不同固體廢物的處理,富氧側(cè)吹熔池熔煉工藝也在處理流程和設(shè)備設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了優(yōu)化,以滿足固體廢物處理的實(shí)際需求,提高資源回收率,降低處理成本。
目前富氧側(cè)吹熔池熔煉法仍存在一些不足,如對(duì)乳化層認(rèn)知不清晰,在處理不同固體廢物的工藝中,熔池內(nèi)乳化層厚度的變化與狀態(tài)還不明確,需要更深入的研究與探索;富氧側(cè)吹熔池熔煉爐氧槍內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及設(shè)備相關(guān)參數(shù)的設(shè)定仍需進(jìn)一步優(yōu)化以滿足不同處理工藝需求,提高富氧空氣的利用率及爐內(nèi)攪拌效果,降低能耗;基于CFD模擬等手段對(duì)側(cè)吹熔煉過(guò)程還有待深入探究,以降低模型的簡(jiǎn)化程度,使仿真更加貼近側(cè)吹熔煉的工業(yè)化過(guò)程,進(jìn)一步優(yōu)化、改進(jìn)并拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。相信隨著技術(shù)的發(fā)展和研究的深入,富氧側(cè)吹熔池熔煉法在固體廢物處理領(lǐng)域?qū)⒂芯薮蟮臐摿εc光明的前景。