兩種冶金含鋅含鐵塵泥處理工藝的對(duì)比

劉 梅

(重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司，重慶 401122)

我國(guó)作為鋼鐵大國(guó)，粗鋼產(chǎn)量已連續(xù)多年位列世界第一。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2020年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量為10.65億t[1]。按照鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生約占粗鋼產(chǎn)量的8%～12%的各類含鐵塵泥推算，我國(guó)鋼鐵企業(yè)每年產(chǎn)生的各類含鐵塵泥約為0.85～1.28億t，其中仍含有較高的鐵素，具有良好的回收價(jià)值，但含鐵塵泥中大約有30%～40%的含鋅塵泥因含有較高的鋅、鉀、鈉等有害元素，難以直接返回?zé)Y(jié)-高爐系統(tǒng)回收利用，一般只能堆存填埋或外售轉(zhuǎn)移處理，極易引發(fā)二次污染、環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)難以得到有效管控。特別是隨著2019年新《固廢法》的頒布實(shí)施，明確要求強(qiáng)化工業(yè)固體廢物產(chǎn)生者的責(zé)任，要求其建立、健全全過(guò)程的污染環(huán)境防治責(zé)任制度。2021年3月，發(fā)改委聯(lián)合多部門發(fā)布了《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“在鋼鐵冶金行業(yè)推廣‘固廢不出廠’，加強(qiáng)全量化利用”[2-4]。因此，對(duì)鋼鐵企業(yè)而言，實(shí)現(xiàn)含鋅含鐵塵泥廠內(nèi)100%循環(huán)利用已是勢(shì)在必行。

針對(duì)含鋅含鐵塵泥的脫鋅處置，火法工藝是目前最為成熟的技術(shù)路線，主要分轉(zhuǎn)底爐工藝與回轉(zhuǎn)窯工藝兩種。兩種工藝的基本原理均屬直接還原煉鐵過(guò)程，即在高溫爐窯內(nèi)，物料中的內(nèi)配碳將塵泥中的鋅氧化物和鐵氧化物還原，鋅氣化后進(jìn)入煙氣系統(tǒng)中二次氧化后被凈化捕集得到次氧化鋅粉，鐵則以氧化亞鐵和單質(zhì)鐵的混合態(tài)形式殘存于尾料中。盡管兩者的技術(shù)原理基本相同，但由于所采用的核心高溫設(shè)備不同，導(dǎo)致兩者在實(shí)際工程應(yīng)用中存在一些差異，企業(yè)在選擇時(shí)需結(jié)合自身特點(diǎn)和實(shí)際情況選擇。

1 轉(zhuǎn)底爐工藝與回轉(zhuǎn)窯工藝對(duì)比

轉(zhuǎn)底爐工藝是一種非焦煤煉鐵新技術(shù)，主要用于處理含鋅含鐵塵泥及特殊鐵礦資源[5]。該工藝思想最初來(lái)源于Midland Ross公司、國(guó)民鋼鐵公司和Hanna礦聯(lián)合開發(fā)的Heat-fast工藝[6]，近二十年來(lái)在日本和中國(guó)發(fā)展比較迅速，在處理鋼鐵企業(yè)含鋅含鐵塵泥方面發(fā)揮了重要作用。通過(guò)將含鋅含鐵塵泥與黏結(jié)劑按比例配料混合均勻后進(jìn)行造塊處理，得到的生球經(jīng)烘干后布置于轉(zhuǎn)底爐內(nèi)，球團(tuán)在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)隨爐底轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)完成加熱還原，還原出的鋅被蒸發(fā)隨煙氣一起排出，經(jīng)冷卻系統(tǒng)時(shí)被氧化成細(xì)小的次氧化鋅粉固體顆粒而后在除塵器內(nèi)被過(guò)濾收集，球團(tuán)內(nèi)的鐵氧化物則被還原為單質(zhì)金屬鐵，排出轉(zhuǎn)底爐經(jīng)冷卻篩分后進(jìn)倉(cāng)存儲(chǔ)。轉(zhuǎn)底爐工藝的主要設(shè)備設(shè)施包括倉(cāng)儲(chǔ)配料、混合成球、篩分烘干、還原焙燒、煙氣處理以及配套公輔等，其生產(chǎn)得到的產(chǎn)品包括金屬化球團(tuán)、次氧化鋅粉及蒸汽，金屬化球團(tuán)一般作為高爐或轉(zhuǎn)爐冶煉的原料，次氧化鋅粉可外賣，蒸汽并入全廠蒸汽管網(wǎng)。

回轉(zhuǎn)窯工藝是以回轉(zhuǎn)窯為高溫反應(yīng)器完成還原焙燒過(guò)程，目前已發(fā)展出多種類型，包括威爾茲法Waelz、SDR法、 川崎法、SL/RN法等。其基本工藝流程是將含鋅含鐵塵泥與燃料(如煤、焦粉或含碳粉塵)、石灰等經(jīng)配料混合后直接送入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，在窯內(nèi)燃料燃燒提供熱量的同時(shí)還兼做還原劑，確保塵泥中的金屬氧化物能夠發(fā)生還原反應(yīng)，還原后的鋅揮發(fā)進(jìn)入煙氣并被二次氧化，再經(jīng)冷卻后凈化回收得到次氧化鋅粉[7]，還原后的含鐵窯渣則經(jīng)水淬冷卻、破碎磁選富集后進(jìn)一步得到富鐵料，可作為燒結(jié)原料使用，剩余的無(wú)價(jià)尾渣一般送道路等建材行業(yè)使用。

目前，轉(zhuǎn)底爐工藝及回轉(zhuǎn)窯工藝在國(guó)內(nèi)均有處置鋼鐵企業(yè)含鋅含鐵塵泥的工程實(shí)例，兩種工藝各有千秋。本文擬從以下幾個(gè)方面對(duì)轉(zhuǎn)底爐工藝及回轉(zhuǎn)窯工藝進(jìn)行對(duì)比。

1.1 工藝流程

圖1、圖2為典型轉(zhuǎn)底爐及回轉(zhuǎn)窯工程的工藝流程圖。由圖1～圖2可以看出，二者的主要差異在于原料處理和成品處理兩道工序上。轉(zhuǎn)底爐工藝在完成配料、混勻工序后還需將原料進(jìn)行成型干燥處理，而后再送入轉(zhuǎn)底爐內(nèi)高溫還原焙燒。因此，所得到的含鐵產(chǎn)品為粒狀，且采用專用冷卻設(shè)備處理，操作可控、環(huán)境友好，產(chǎn)品可作為人造富鐵塊礦直接送高爐使用。

圖1 轉(zhuǎn)底爐工藝流程

圖2 回轉(zhuǎn)窯工藝流程

回轉(zhuǎn)窯工藝在完成配料、混勻工序后通常直接以粉態(tài)送入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)依次進(jìn)行干燥脫水及還原焙燒。因此，所得到的含鐵產(chǎn)品仍是粉狀，出窯的尾渣直接進(jìn)行水淬處理，生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境差難以有效管控，極易引發(fā)二次污染。而且受限于回轉(zhuǎn)窯本身抑制結(jié)圈的需要，入爐塵泥鐵品位較低，從而導(dǎo)致尾渣鐵品位也偏低，需經(jīng)選礦富集提鐵后才能作為鐵礦粉二次使用，而選礦后剩余的尾渣基本無(wú)價(jià)值，難以得到有效處理。

1.2 原料適應(yīng)性

回轉(zhuǎn)窯一般適合處理鋅含量≥8%，含鐵≤30%的高鋅低鐵塵泥。例如電爐除塵灰和富集后的高爐瓦斯灰，其產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性也主要體現(xiàn)在鋅元素的富集回收上。有研究表明[8]，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)耐材層結(jié)圈主要是由燃料中灰分與塵泥中各類氧化物高溫下形成低熔點(diǎn)液相粘黏引起的，尤其是FeO形成的硅酸鹽液相和滲碳后形成的金屬鐵液相會(huì)迅速地惡化窯內(nèi)工況。因此，為抑制結(jié)圈現(xiàn)象，避免影響生產(chǎn)順行，必須嚴(yán)格控制鐵含量。另一方面，由于回轉(zhuǎn)窯工藝需額外添加大量的無(wú)煙煤或焦粉作為還原劑和發(fā)熱劑，導(dǎo)致鐵渣中往往殘硫較高，進(jìn)一步降低了窯渣二次利用的經(jīng)濟(jì)性，一旦原料中鋅含量偏低時(shí)，所生產(chǎn)的次氧化鋅粉品位和產(chǎn)量難以充分保證，此時(shí)回轉(zhuǎn)窯工藝的經(jīng)濟(jì)性將無(wú)法得以體現(xiàn)。

轉(zhuǎn)底爐對(duì)于原料的實(shí)用性則更為廣泛，對(duì)于原料中鐵、鋅基本無(wú)限制。因此，鐵、鋅的回收均可帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)性。而目前國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)多為長(zhǎng)流程冶煉工藝，且廢鋼用量偏低，因此含鋅塵泥的綜合平均鋅含量一般均低于5%，從原料適應(yīng)性上講，轉(zhuǎn)底爐工藝更佳。

1.3 產(chǎn)品價(jià)值

如前文所述，由于二者成品工序的差異，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)窯是以脫鋅生產(chǎn)次氧化鋅粉為主，獲取富鐵料為輔，而轉(zhuǎn)底爐則是以脫鋅生產(chǎn)高含鐵金屬化球團(tuán)為主，獲取次氧化鋅粉為輔。因此，兩者產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性差異顯著。

轉(zhuǎn)底爐工藝除可獲得次氧化鋅粉的收益外，所生產(chǎn)的金屬化球團(tuán)產(chǎn)品全鐵含量可達(dá)到60%以上，能夠直供高爐使用，特別是在鐵礦資源緊缺的時(shí)候，經(jīng)濟(jì)性良好。2021年上半年，轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)售價(jià)達(dá)1 100～1 600元/t，而回轉(zhuǎn)窯工藝產(chǎn)生的鐵渣經(jīng)磁選后才能得到鐵精粉，需經(jīng)燒結(jié)造塊后使用，剩下的尾渣附加值低，一般只能外售或填埋，其產(chǎn)品收益高度依賴于次氧化鋅粉。

1.4 煙氣處理

轉(zhuǎn)底爐工藝使用燃料主要為廠內(nèi)的轉(zhuǎn)爐煤氣、焦?fàn)t煤氣等自產(chǎn)煤氣，產(chǎn)生的煙氣一般無(wú)需脫硫即可達(dá)標(biāo)排放?；剞D(zhuǎn)窯由于大量使用煤粉或焦粉作為燃料，其中的硫?qū)⑦M(jìn)入煙氣后必須經(jīng)過(guò)脫硫治理方可達(dá)標(biāo)，脫硫副產(chǎn)物還需另行委托第三方處理，增加生產(chǎn)負(fù)擔(dān)。

1.5 設(shè)備作業(yè)率及性能指標(biāo)

轉(zhuǎn)底爐本身是通過(guò)沿爐子內(nèi)外環(huán)一周布置的燒嘴燃燒煤氣來(lái)確保提供高溫條件的，通過(guò)調(diào)節(jié)空煤氣流量，可實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)溫度及氣氛的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整，操作靈活便捷，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)良好，金屬化率可達(dá)65%～75%，脫鋅率可達(dá)到85%～90%。另外，由于球團(tuán)在爐內(nèi)是靜態(tài)停留的，且球團(tuán)與爐底耐材層之間鋪有保護(hù)層，不存在與爐底耐材接觸侵蝕問(wèn)題，維護(hù)檢修方便，系統(tǒng)年作業(yè)率可達(dá)90%以上。

回轉(zhuǎn)窯工藝中，物料是以粉態(tài)在窯內(nèi)不停地翻滾前進(jìn)，逐漸從低溫度遷移至高溫段，爐內(nèi)溫度場(chǎng)難以有效監(jiān)測(cè)、操作調(diào)節(jié)困難，滯后性大，物料極易與耐材形成低熔點(diǎn)化合物，發(fā)生局部軟化熔融，逐漸形成爐內(nèi)結(jié)圈結(jié)瘤，直至被迫停爐，特別是鐵氧化物甚至是單質(zhì)鐵形成的致密層，質(zhì)地堅(jiān)硬處理起來(lái)十分困難。諸多因素導(dǎo)致回轉(zhuǎn)窯整體技術(shù)指標(biāo)相對(duì)偏低，一般產(chǎn)品金屬化率40%～60%，脫鋅率60%～80%，系統(tǒng)年作業(yè)率50%～70%，需經(jīng)常性停爐檢修。

1.6 產(chǎn)能規(guī)模

轉(zhuǎn)底爐爐內(nèi)溫度可達(dá)1 200～1 300 ℃，還原動(dòng)力學(xué)條件良好，反應(yīng)速度快，一般僅需20～30 min即可完成還原過(guò)程。因而生產(chǎn)周期短，單體處理規(guī)?？蛇_(dá)10～30萬(wàn)t/年?；剞D(zhuǎn)窯受限于結(jié)構(gòu)形式和結(jié)圈問(wèn)題的困擾，還原溫度一般在1 000 ℃左右，只能靠延長(zhǎng)停留時(shí)間來(lái)提高還原效果，一般生產(chǎn)周期長(zhǎng)達(dá)4～6 h，嚴(yán)重制約了其單機(jī)產(chǎn)能的發(fā)揮。目前常見(jiàn)回轉(zhuǎn)窯線處理規(guī)模一般約為5～15萬(wàn)t/年，盡管國(guó)內(nèi)部分回轉(zhuǎn)窯線名義設(shè)計(jì)處理能力可達(dá)20萬(wàn)t級(jí)以上，但受低作業(yè)率的影響，實(shí)際年處理能力一般都難以達(dá)到。

1.7 廠容廠貌

在轉(zhuǎn)底爐工藝中，還原后的高溫金屬化球團(tuán)是由排料機(jī)直接送入專有的封閉式冷卻設(shè)備，生產(chǎn)操作可控，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境良好。而在回轉(zhuǎn)窯工藝中，回轉(zhuǎn)窯出來(lái)的熱態(tài)窯渣多是直接落入下方水池進(jìn)行水淬冷卻，操作難以把控，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較差。圖3分別是轉(zhuǎn)底爐線和回轉(zhuǎn)窯線熱態(tài)物料冷卻環(huán)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)情況。由于回轉(zhuǎn)窯窯渣冷卻為開放性環(huán)境，產(chǎn)生的粉塵具有高含濕性，而窯渣倒運(yùn)過(guò)程中也不可避免地會(huì)帶來(lái)水滴四濺的問(wèn)題，環(huán)保措施難以有效發(fā)揮作用。

圖3 轉(zhuǎn)底爐線與回轉(zhuǎn)窯線熱態(tài)物料冷卻環(huán)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)情況

1.8 其 他

在投資方面，由于回轉(zhuǎn)窯規(guī)模較小，工藝流程較短，因此一般其投資要優(yōu)于轉(zhuǎn)底爐，同等處理規(guī)模下，視技術(shù)裝備配置的高低，其投資大約為轉(zhuǎn)底爐的50%～70%。

在低碳發(fā)展方面，轉(zhuǎn)底爐基本無(wú)需額外配碳，僅利用塵泥中的自含碳即可提供足夠的還原劑，而維持爐內(nèi)高溫所需的熱量則是通過(guò)廠內(nèi)自產(chǎn)煤氣燃燒提供，且由于單體處理規(guī)模較大，因此能耗一般在150 kgce/t金屬化球團(tuán)；回轉(zhuǎn)窯由于所需熱源全部來(lái)自外配燃料，且單體處理規(guī)模較小，因此能耗可達(dá)300 kgce/t窯渣。

2 小 結(jié)

以上對(duì)比情況匯總?cè)绫?所示。從表1中可以看到，作為當(dāng)前最為成熟的兩種處理含鋅含鐵塵泥技術(shù)，轉(zhuǎn)底爐及回轉(zhuǎn)窯在不同原料結(jié)構(gòu)及企業(yè)需求的情況下均能滿足使用。鋼鐵企業(yè)可結(jié)合自身原料結(jié)構(gòu)、除塵工藝、投資概算以及節(jié)能環(huán)保發(fā)展等實(shí)際情況，綜合評(píng)估后選擇適合于企業(yè)自身要求的技術(shù)路線。

表1 轉(zhuǎn)底爐與回轉(zhuǎn)窯處理冶金含鋅含鐵塵泥技術(shù)比較

續(xù)表