鋼鐵廠含鋅固廢資源循環(huán)利用研究現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢(shì)

李 威 譚炳富 栗克建 尹在弘，3

（1.重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院，重慶 401331；2.重慶百尺竿頭科技有限公司，重慶 401331；3.韓國(guó)國(guó)立昌原大學(xué)，韓國(guó) 昌原 51140）

0 前言

我國(guó)作為世界上首屈一指的鋼鐵大國(guó)，鋼鐵行業(yè)的迅速發(fā)展和鋼鐵產(chǎn)量的不斷提高，不可避免地帶來(lái)了生產(chǎn)過(guò)程中固體廢物產(chǎn)量的提高。由于鋼鐵行業(yè)受到鐵礦石資源的限制，固廢的再循環(huán)利用也變得尤為重要。鋼鐵行業(yè)要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的循環(huán)發(fā)展，就必須全面認(rèn)識(shí)到鋼鐵固廢綜合利用的重要性[1]。鋼鐵行業(yè)每年產(chǎn)生的固廢產(chǎn)量約占工業(yè)固廢總產(chǎn)量的45%，甚至更高，因此鋼鐵行業(yè)固廢污染的控制與再利用將會(huì)是我國(guó)未來(lái)環(huán)保治理的重要對(duì)象。節(jié)能減排、提高資源的利用率是鋼鐵行業(yè)發(fā)展必須采取的措施。

鋼鐵行業(yè)的固廢按主元素含量可以分為含鐵固廢、含鋅固廢、無(wú)機(jī)鹽固廢等，其中含鋅固廢的堆放不僅會(huì)造成環(huán)境污染，還會(huì)降低鐵原料的利用率，影響經(jīng)濟(jì)效益，如果直接投入工序中使用，則容易造成鋅富集，危害高爐的生產(chǎn)安全和影響燒結(jié)效益等，所以解決含鋅固廢的資源利用問(wèn)題對(duì)鋼鐵工業(yè)至關(guān)重要。

本文回顧了目前的含鋅固廢資源利用技術(shù)，并分析了火法還原中的回轉(zhuǎn)窯工藝和轉(zhuǎn)底爐工藝及濕法工藝的原理、工藝流程、存在問(wèn)題，進(jìn)行工藝對(duì)比分析，提出未來(lái)含鋅固廢資源技術(shù)的發(fā)展方向。

1 我國(guó)鋼鐵企業(yè)含鋅固廢概況

我國(guó)鋼鐵廠含鋅固廢主要為高爐灰(泥)、電爐除塵灰和轉(zhuǎn)爐灰等。含鋅量取決于原料與工序種類，不同鋼鐵廠的固廢塵泥含鋅量差別可能很大。目前鋼鐵廠含鋅塵泥產(chǎn)出量和化學(xué)成分[2]見表2。

表1 鋼鐵廠含鋅灰產(chǎn)出及主要成分

由表1 可知，鋼鐵行業(yè)的固廢產(chǎn)量極大，且其中的有價(jià)金屬元素豐富，擁有巨大的再利用價(jià)值。按鋅含量的高低，含鋅固廢可分為高鋅灰(鋅含量高于30%)、中鋅灰(鋅含量15%～30%)、低鋅灰(鋅含量低于15%)。工序和原料不同，含鋅灰應(yīng)選擇不同的處理方式。

2 含鋅固廢處理的主要工藝

傳統(tǒng)的含鋅固廢資源化利用工藝有填埋法、物理法、火法和濕法等，新工藝有真空法、氯化法和微波法等[3]。填埋法會(huì)導(dǎo)致鋅浸入土壤造成環(huán)境污染；物理法則一般作為其他工藝(如火法、濕法等)的預(yù)處理方法；微波法處理工藝是利用微波能產(chǎn)生大量熱的特性，將含鋅固廢置于微波場(chǎng)中進(jìn)行碳熱還原，從而達(dá)到高效回收鋅的目的，但微波法處理含鋅固廢的技術(shù)仍不成熟，無(wú)法應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。目前應(yīng)用最廣泛、工程化效益較高的是火法處理中的回轉(zhuǎn)窯工藝和轉(zhuǎn)底爐工藝，濕法只適用于高品位小批量固廢處理。

2.1 回轉(zhuǎn)窯工藝

目前最常用的是威爾茲回轉(zhuǎn)窯[4]。威爾茲法的工藝原理是將干燥后的物料與燃料(焦或煤粉)進(jìn)行配比，運(yùn)輸?shù)交剞D(zhuǎn)窯，從窯尾處投入窯內(nèi)。在此過(guò)程中，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度一般控制在1 100～1 300 ℃，物料與碳質(zhì)燃料充分接觸，鋅、鉛等可揮發(fā)金屬的化合物遇到碳和一氧化碳被還原揮發(fā)進(jìn)入氣相，在氣相中又被氧化成氧化物，經(jīng)冷卻后導(dǎo)入收塵系統(tǒng)收集，然后進(jìn)行下一步處理[5]；而鐵等不可揮發(fā)化合物則進(jìn)入窯渣，經(jīng)富集提煉后回收?；剞D(zhuǎn)窯的工藝流程如圖1 所示。

采用威爾茲法，不僅可以對(duì)冶金過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢物進(jìn)行無(wú)害化處理，減少環(huán)境的污染，還可以回收有價(jià)金屬，是節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境和提高鋼廠經(jīng)濟(jì)效益的一種有效手段，但同時(shí)存在窯內(nèi)易結(jié)圈、生產(chǎn)不穩(wěn)定等問(wèn)題，需要進(jìn)行專業(yè)技術(shù)分析才能有效避免[6]。

回轉(zhuǎn)窯工藝現(xiàn)存在的主要問(wèn)題是結(jié)圈現(xiàn)象的普遍發(fā)生。在還原過(guò)程中生成的高溫液相或熔融物與其他固態(tài)物料粘合在一起，就會(huì)出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，而這些結(jié)團(tuán)黏附于耐火磚表面就形成了結(jié)圈[7]。結(jié)圈不僅會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行，導(dǎo)致產(chǎn)量降低，還會(huì)造成回轉(zhuǎn)窯的壽命損耗和能源浪費(fèi)。由于結(jié)圈現(xiàn)象的發(fā)生，一些鋼鐵企業(yè)不得不選擇嘗試價(jià)格昂貴、能耗高的轉(zhuǎn)底爐工藝，其中具有代表性的工程有江蘇沙鋼、山東日照鋼鐵、馬鞍山鋼鐵等。

2.2 轉(zhuǎn)底爐工藝

含鋅固廢在應(yīng)用轉(zhuǎn)底爐處理的過(guò)程中，要先經(jīng)過(guò)烘干、配料、混合、制球、干燥等預(yù)處理，以降低含水量(低于2%)，再運(yùn)輸?shù)睫D(zhuǎn)底爐進(jìn)行還原反應(yīng)，并需要煤粉作為還原劑。轉(zhuǎn)底爐內(nèi)主要采用負(fù)壓，以確保處理過(guò)程中的安全性與可靠性。在制球工序時(shí)形成的球團(tuán)內(nèi)部，碳與鐵氧化物、鋅氧化物緊密接觸，給轉(zhuǎn)底爐內(nèi)的還原提供了傳熱傳質(zhì)條件，同時(shí)球團(tuán)內(nèi)的過(guò)剩碳在高溫下發(fā)生氣化反應(yīng)，隨還原反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，鐵氧化物逐漸被還原成金屬鐵。除此之外，轉(zhuǎn)底爐干燥系統(tǒng)還采用熱風(fēng)烘烤，將氧化鋅充分回收，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能減排，避免廢料對(duì)環(huán)境造成污染。轉(zhuǎn)底爐工藝流程如圖2 所示。

圖1 回轉(zhuǎn)窯工藝流程

圖2 轉(zhuǎn)底爐工藝流程

轉(zhuǎn)底爐工藝存在生產(chǎn)規(guī)模小、能源消耗高、實(shí)際生產(chǎn)效率低等問(wèn)題，但也因具有原燃料靈活、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)被國(guó)內(nèi)外鋼鐵企業(yè)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中[8]。國(guó)內(nèi)采用轉(zhuǎn)底爐工藝的企業(yè)有山東日照鋼鐵、江蘇沙鋼、馬鞍山鋼鐵等，國(guó)外有加拿大的Fastmet、日本神戶制鋼的Inmetco 和美國(guó)的DryIron等[9-11]。但經(jīng)過(guò)數(shù)年調(diào)試，沙鋼和馬鞍山鋼鐵證實(shí)，當(dāng)處理的煙塵灰中鋅含量超過(guò)8%時(shí)，轉(zhuǎn)底爐也會(huì)普遍出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)圈現(xiàn)象，經(jīng)常需要停產(chǎn)整修。如何解決回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈問(wèn)題是當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)。

2.3 濕法工藝

含鋅固廢的濕法處理工藝主要有酸浸和堿浸兩種[11-12]。這兩種工藝分別以酸、堿溶液為浸出液從預(yù)處理后的含鋅固廢中以回收鋅，并將殘?jiān)腿胂掠喂ば?，進(jìn)一步提取重金屬、稀貴金屬等，但最終的殘?jiān)_(dá)標(biāo)排放較困難。

酸浸工藝目前較為成熟，在一定條件下鐵酸鋅被高效浸出，但需進(jìn)行復(fù)雜的沉鐵工藝，且沉鐵渣很難被利用，酸液會(huì)嚴(yán)重腐蝕設(shè)備。堿浸工藝目前以氨法體系為主，因各種條件的制約，目前并未大規(guī)模應(yīng)用到生產(chǎn)中，堿浸浸出液的鐵濃度比較低，省去了沉鐵工序，但含鐵酸鋅物料的鋅浸出率沒(méi)有酸浸工藝高。如果原料的含硅量較高，浸出過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量膠狀硅酸雜質(zhì)，并且堿浸工藝對(duì)電解添加劑的選擇比較考究，電解過(guò)程的條件控制也比酸浸工藝復(fù)雜得多。濕法工藝流程如圖3 所示，浸出過(guò)程發(fā)生的反應(yīng)[13]見表2。對(duì)于鐵酸鋅物相較多的固廢，濕法工藝的鋅提取效果不理想。實(shí)際應(yīng)用中，酸浸和堿浸工藝的應(yīng)用沒(méi)有回轉(zhuǎn)窯或轉(zhuǎn)底爐工藝廣泛，對(duì)原料要求也高，效益不好，最終的浸出渣也需要作進(jìn)一步無(wú)害化處置。

圖3 濕法工藝流程圖

表2 不同浸出液處理含鋅固廢發(fā)生的反應(yīng)

3 工藝對(duì)比分析

從原料組成、主要設(shè)備設(shè)施、產(chǎn)品情況，以及投資和環(huán)保治理方面對(duì)上述工藝進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表3。鋼鐵廠在選擇處理工藝時(shí)，可根據(jù)自身實(shí)際情況選擇適合的工藝。

由表3 可知，火法、濕法工藝各有優(yōu)勢(shì)。從環(huán)保投資成本、原料適應(yīng)性方面考慮，火法略顯優(yōu)勢(shì)；從設(shè)備投資方面考慮，濕法略顯優(yōu)勢(shì)。

4 發(fā)展趨勢(shì)

2015 年以來(lái)，世界范圍內(nèi)對(duì)鋼鐵行業(yè)的去產(chǎn)能政策、我國(guó)“十三五”提出的鋼鐵行業(yè)固廢資源化的要求，都體現(xiàn)了人們對(duì)鋼鐵行業(yè)固廢治理的迫切需求與決心。目前韓、日、歐盟等國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)含Zn、Pb 工業(yè)固廢的無(wú)害化處理、百分百資源化的目標(biāo)，而我國(guó)目前的轉(zhuǎn)底爐處理技術(shù)僅適用于低Zn、Pb 含量工業(yè)固廢的處理，且金屬元素的提取率(85%)與國(guó)外(95%)相比，尚有較大差距。對(duì)于高Zn、Pb 含量工業(yè)固廢的處理，回轉(zhuǎn)窯、濕法系統(tǒng)仍有很大的發(fā)展空間。我國(guó)的含鋅固廢資源利用技術(shù)仍需進(jìn)一步研發(fā)和借鑒國(guó)外成功的經(jīng)驗(yàn)，前景可期。

表3 含鋅固廢處理工藝對(duì)比分析

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)鋼鐵工業(yè)固廢總量大，利用好固廢資源是我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然之舉。含鋅固廢資源利用技術(shù)較多，應(yīng)用最廣泛的有回轉(zhuǎn)窯工藝和轉(zhuǎn)底爐工藝，但目前這兩種工藝仍存在一定的問(wèn)題。借鑒世界處理含鋅固廢物的成功經(jīng)驗(yàn)，與我國(guó)的生產(chǎn)實(shí)際情況相結(jié)合，提高、完善現(xiàn)有技術(shù)和探索更合適的技術(shù)十分必要。