鋼鐵生產(chǎn)過程中除塵灰的資源化利用

文_郭明媚 劉云 臧淵博 河南安環(huán)環(huán)保科技有限公司

1 項(xiàng)目概述

高爐瓦斯灰作為鋼鐵工業(yè)的副產(chǎn)品，每生產(chǎn)一噸鐵將產(chǎn)生約20kg含鋅5%～10%的高爐瓦斯灰；按我國(guó)2017年產(chǎn)鋼8.3億t計(jì)算，我國(guó)的瓦斯灰年產(chǎn)出量估計(jì)在1660萬t，折合鋅金屬量83萬～166萬t，約相當(dāng)于1300萬～2600萬t鋅礦石的開采量。2017年國(guó)內(nèi)廢鋼總消耗量約1億t，廢鋼冶煉過程中排出的電爐煙灰超過100萬t。電爐煙灰中鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在15%～40%之間，折合鋅金屬量15萬～40萬t，約相當(dāng)于230萬～630萬t鋅礦石的開采量。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)金屬材料的需求不斷擴(kuò)大，因此，對(duì)金屬二次資源進(jìn)行循環(huán)利用研究、開發(fā)二次資源的高效分離以及循環(huán)利用技術(shù)、開展對(duì)鋼廠煙灰的回收利用，不僅可以使寶貴的資源得到充分利用，還可以減輕固體廢棄物對(duì)環(huán)境的污染。次氧化鋅作為傳統(tǒng)鉛鋅冶煉工藝鏈中的高附加值產(chǎn)品，對(duì)企業(yè)促進(jìn)重金屬防治污染、建立清潔生產(chǎn)模式、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 次氧化鋅生產(chǎn)工藝流程

外購(gòu)的電爐灰、瓦斯灰、“石灰石+石英石”按照15:6:2進(jìn)行配料，配料后物料在圓筒造粒機(jī)內(nèi)直接加水混合制粒，制粒后成品球含水不大于10%，粒度10～15mm。球料由皮帶輸送進(jìn)入粒料倉(cāng)，經(jīng)設(shè)在倉(cāng)下的定量給料機(jī)計(jì)量后，再用移動(dòng)式膠帶輸送機(jī)送入富氧揮發(fā)爐。富氧揮發(fā)爐為連續(xù)作業(yè)，富氧揮發(fā)爐三層水套側(cè)面設(shè)置兩個(gè)冷料口。焦炭通過螺旋給料機(jī)進(jìn)入富氧底吹爐以提供燃料，經(jīng)過干燥、預(yù)熱、燃燒升溫至1000℃左右，燃燒狀態(tài)控制在缺氧富燃料狀態(tài)，顆粒中的鋅被還原成單質(zhì)鋅，并氣化成鋅蒸汽（包括其他金屬蒸汽）。高溫?zé)煔鈴母谎鯎]發(fā)爐熔池頂部進(jìn)入余熱鍋爐，大部分煙塵和噴濺物沉降至余熱鍋爐內(nèi)，降塵后的煙氣進(jìn)入水平煙道，沿程沖刷各煙道水冷壁及對(duì)流管束，完成熱交換后從鍋爐尾部排出，溫度在260℃左右。產(chǎn)出的煙氣（塵）經(jīng)余熱鍋爐、省煤器、表面冷卻器、脈沖布袋收塵器收塵，脫硝、脫硫、電除霧凈化后煙氣外排。余熱鍋爐管壁收集的煙塵和布袋收塵器收集的灰塵為次氧化鋅，經(jīng)檢驗(yàn)后即為成品。

側(cè)吹富氧揮發(fā)爐為連續(xù)進(jìn)料、間斷放渣的操作制度。側(cè)吹富氧揮發(fā)爐由設(shè)在富氧揮發(fā)爐風(fēng)機(jī)房的離心鼓風(fēng)機(jī)供風(fēng)。生產(chǎn)原理：①本項(xiàng)目富氧揮發(fā)爐、余熱鍋爐和表冷為一體化裝置，富氧揮發(fā)爐鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量為24000m3/h，煙化爐內(nèi)物料燃燒過程處于缺氧狀態(tài)，為氧化鋅在加熱過程中還原提供條件。引風(fēng)機(jī)風(fēng)量為60000m3/h，控制整個(gè)工藝處于負(fù)壓狀態(tài)，防止煙氣外溢。同時(shí)吸入新鮮空氣，為單質(zhì)鋅在煙氣管道內(nèi)氧化提供充分的氧氣。②煙道灰中的次氧化鋅在1000℃左右被固定碳還原成鋅單質(zhì)，鋅單質(zhì)熔點(diǎn)為 419.75℃、沸點(diǎn)為907℃，故鋅單質(zhì)首先被熔化成液體，然后迅速氣化，在隨系統(tǒng)內(nèi)氣流進(jìn)入余熱鍋爐，鋅單質(zhì)在225℃時(shí)可被空氣迅速氧化成次氧化鋅粉塵。在1000℃條件下，鉛單質(zhì)以液態(tài)形式存在，部分氣化，隨鋅蒸汽一起進(jìn)入余熱鍋爐內(nèi)，本項(xiàng)目利用余熱鍋爐以降低煙氣溫度，完成熱交換后從鍋爐尾部排出，溫度在260℃左右。產(chǎn)出的煙氣（塵）經(jīng)余熱鍋爐、省煤器、表面冷卻器、脈沖布袋收塵器收塵，脫硝、脫硫、電除霧凈化后煙氣外排。

富氧揮發(fā)爐中主要反應(yīng)：

①在料層內(nèi)：

C+O2=CO2CO2+C=2CO ZnO+CO=Zn+CO2

ZnO+C=Zn+CO Fe2O3+CO=2FeO+CO2

FeO+CO=Fe+CO2

ZnO+Fe=Zn+FeO PbO+CO=Pb+CO2

PbO+C=Pb+CO PbO+Fe=Pb+FeO

②在料層上空：

2Zn+O2=2ZnO 2Pb+O2=2PbO 2CO+O2=2CO2

3 生產(chǎn)過程中煙氣治理措施

本項(xiàng)目富氧揮發(fā)爐運(yùn)行過程中產(chǎn)生的煙氣采用“余熱鍋爐+表冷+袋式收塵器+三級(jí)氧化鋅脫硫+SCR脫硝+濕式電除塵”進(jìn)行處理后經(jīng)25m排氣筒排放。

3.1 除塵技術(shù)及可行性分析

“余熱鍋爐+表冷+袋式收塵器”除塵效率為99.9%，三級(jí)氧化鋅脫硫除塵效率為60%，濕式電除塵去除效率為80%。如果合理配置，濕式電除塵排放粉塵濃度可低于10mg/m3，甚至5mg/m3以下，適用于含濕煙氣的處理，尤其適用在濕法脫硫之后含塵煙氣的處理上，通過增加電場(chǎng)數(shù)量、降低電場(chǎng)風(fēng)速、增加比集塵面積、優(yōu)化供電電源、增加輔助清灰等措施，濕式電除塵的排放濃度可以進(jìn)一步降低。

3.2 脫硫技術(shù)及可行性分析

本項(xiàng)目產(chǎn)品為氧化鋅，脫硫劑來源豐富，脫硫產(chǎn)生的副產(chǎn)物亞硫酸鋅可以送至電解鋅車間回收鋅。該工藝是一種針對(duì)鉛鋅冶煉廠煙氣治理的技術(shù)，吸收劑來源于鉛冶煉系統(tǒng)中間產(chǎn)物氧化鋅，產(chǎn)品亞硫酸鋅或硫酸鋅送至冶煉廠現(xiàn)有的電解車間進(jìn)行回收利用。將氧化鋅脫硫工藝應(yīng)用于鉛鋅冶煉廠時(shí)，由于吸收劑的供應(yīng)與產(chǎn)物的后續(xù)處理能夠與冶煉生產(chǎn)結(jié)合起來，工藝清潔環(huán)保，且流程短，工程投資和運(yùn)行成本均較低。同時(shí)工藝采用了高效逆噴洗滌塔，脫硫效率高，漿液噴濺的范圍小，且循環(huán)漿液中的難溶物較少，不易導(dǎo)致吸收塔設(shè)備和管道結(jié)垢。

3.3 脫硝技術(shù)及可行性分析

SCR是利用NH3和催化劑在溫度為300～400℃時(shí)將NOx還原為N2。NH3具有選擇性，只與NOx發(fā)生反應(yīng)，基本上不與O2反應(yīng)，所以稱為選擇性催化還原脫硝法。

根據(jù)《排污許可證申請(qǐng)與核發(fā)技術(shù)規(guī)范——工業(yè)固體廢物和危險(xiǎn)廢物治理》（HJ1033-2019），本項(xiàng)目選用的“余熱鍋爐+表冷+袋式收塵器+SCR脫硝+三級(jí)氧化鋅脫硫+濕式電除塵”為可行技術(shù)。

3.4 重金屬污染防治措施及可行性分析

本項(xiàng)目煙氣經(jīng)“余熱鍋爐+表冷+袋式收塵器+三級(jí)氧化鋅脫硫+SCR脫硝+濕式電除塵”處理措施處理后排放，本項(xiàng)目煙氣經(jīng)余熱鍋爐冷卻沉降+表冷冷卻沉降后煙氣溫度低于180℃，此溫度下，各類金屬氧化物以固態(tài)的形式存在，可以被袋式除塵器截留。本項(xiàng)目選用的三級(jí)氧化鋅脫硫是濕式脫硫法，對(duì)顆粒物和重金屬有一定的吸收作用，濕式電除塵器靠高壓電暈放電使得粉塵荷電，荷電后的粉塵在電場(chǎng)力的作用下到達(dá)集塵板/管。濕式電除塵器主要處理含水較高乃至飽和的濕氣體?？捎行占⒓?xì)顆粒物（PM2.5粉塵、SO3酸霧、氣溶膠）、重金屬（Cd、As、Pb、Cr）、有機(jī)污染物（多環(huán)芳烴、二噁英）等。使用濕式電除塵后含濕煙氣中的顆粒物排放可達(dá)10mg/m3甚至5mg/m3以下。

綜上所述，本項(xiàng)目煙氣廢氣中顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、重金屬排放濃度可以滿足《無機(jī)化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB31573-2015）特別排放限值。

4 結(jié)語(yǔ)

通過以上工藝分析及環(huán)保技術(shù)可行性分析，利用富氧揮發(fā)爐處理鋼鐵廠產(chǎn)生的電爐灰和瓦斯灰工藝可行，并且環(huán)保措施可行，還可以產(chǎn)生次氧化鋅，提高經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。