鋼鐵廠含鋅固廢處理工藝對比分析

趙 杰

（南京旭陽工程科技有限公司，江蘇 南京 210012）

鋼鐵行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)過程中不可避免產(chǎn)生大量固廢，固廢產(chǎn)生量一般為鋼產(chǎn)量的8%～12%[1]，2017年我國粗鋼產(chǎn)量約8.3億噸，接近世界總產(chǎn)量的50%，鋼鐵固廢產(chǎn)生量平均按10%計算，全國鋼鐵行業(yè)每年產(chǎn)生鋼鐵粉塵約8300萬噸，如何處理數(shù)量巨大的鋼鐵粉塵已成為鋼鐵工業(yè)的重要課題。

2016年，電爐除塵灰在《國家危險廢物名錄》定義成危廢，高爐干法灰在湖南、江西等省份也已被鑒定為危廢。可以預(yù)期環(huán)保對鋼鐵廠固廢的控制日趨嚴(yán)格，如何處理鋼鐵廠固廢備受關(guān)注。

鋼鐵廠固廢按鐵、鋅含量將固廢分為含鐵固廢和含鋅固廢。含鐵量在20%～70%、不含鋅或鋅含量很少的固廢稱為含鐵固廢；含一定量鋅元素的固廢稱為含鋅固廢。

含鐵固廢的處理方法有燒結(jié)法、球團(tuán)法等，技術(shù)已較為成熟。

而含鋅固廢的處理仍面臨很多困難，目前處理方法主要有：填埋法、物理法、濕法、火法、等離子法等。目前工程化最好、應(yīng)用最廣的是火法中的回轉(zhuǎn)窯法和轉(zhuǎn)底爐法，兩種工藝介紹如下。

1 工藝介紹

1.1 回轉(zhuǎn)窯法

鋼鐵廠固廢通過配料、混合后，由皮帶輸送機(jī)由窯尾加入。窯內(nèi)分干燥段、預(yù)熱段、反應(yīng)段和冷卻段，物料隨回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)動向窯頭運(yùn)動，并與窯內(nèi)的熱煙氣充分接觸，逐漸被煙氣加熱，首先進(jìn)行水的蒸發(fā)，隨著物料與煙氣的逆向流動，物料溫度逐漸升高，達(dá)到一定溫度后窯內(nèi)物料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生窯渣，窯渣從窯頭排出，經(jīng)水淬后由撈渣機(jī)撈出，由皮帶送至窯渣處理系統(tǒng)。此處設(shè)旁路系統(tǒng)，窯渣水淬后經(jīng)過皮帶機(jī)輸送至臨時堆場。

原料中ZnO還原反應(yīng)變鋅蒸汽，在引風(fēng)機(jī)作用下，鋅蒸汽從窯尾經(jīng)過表冷降溫，同時在這個過程中，鋅被煙氣氧化為次氧化鋅，進(jìn)入收塵器被捕集。其他不能被升華的窯渣和沒有燃盡的碳隨著轉(zhuǎn)窯的旋轉(zhuǎn)，從窯頭排出。回轉(zhuǎn)窯熱量主要由內(nèi)配碳提供，同時在回轉(zhuǎn)窯窯頭設(shè)置燒嘴，用于回轉(zhuǎn)窯溫度達(dá)不到要求時補(bǔ)充熱量。

具體工藝流程圖如下：

圖1 回轉(zhuǎn)窯處理工藝

目前國內(nèi)采用回轉(zhuǎn)窯處理的有：昆鋼、本鋼、南鋼等，主要處理高爐灰、電爐灰。

1.2 轉(zhuǎn)底爐法

在轉(zhuǎn)底爐處理鋼鐵廠固廢工藝中，鋼鐵廠的含鐵鋅固廢經(jīng)烘干、配料、混合、制球、干燥等預(yù)處理環(huán)節(jié)成為含水低于2%的干球，再經(jīng)專用裝料設(shè)備進(jìn)入轉(zhuǎn)底爐還原。由于在球團(tuán)內(nèi)部，碳與鐵、鋅氧化物的緊密接觸，為還原過程提供了良好的傳熱傳質(zhì)條件，同時球團(tuán)內(nèi)的過剩碳在高溫下發(fā)生顯著的氣化反應(yīng)，因此隨還原過程的不斷進(jìn)行，鐵氧化物處在一個被CO還原氣體包圍的氛圍下而逐漸被還原成金屬鐵。典型轉(zhuǎn)底爐的處理工藝流程如圖2所示。

圖2 典型轉(zhuǎn)底爐處理工藝

在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)，球團(tuán)隨轉(zhuǎn)底爐爐底的轉(zhuǎn)動經(jīng)過溫度及氣氛不同的各個區(qū)，隨著球團(tuán)溫度的繼續(xù)升高，還原反應(yīng)加劇進(jìn)行。在還原性氣氛下，球團(tuán)中的大量碳與氧結(jié)合生成的CO游離出來，一部分快速與料塊中的鐵元素進(jìn)行還原反應(yīng)，另一部分參與燃燒，放出大量熱量。析出CO燃燒釋放的熱量，滿足爐子大部分熱量需求（見圖3）。

圖3 轉(zhuǎn)底爐反應(yīng)機(jī)理

粉塵中的氧化鋅被還原后生成金屬鋅，金屬鋅迅速蒸發(fā)形成鋅蒸汽，隨煙氣排出爐外時又與煙氣中的過剩氧反應(yīng)生成次氧化鋅粉塵進(jìn)入煙氣系統(tǒng)，在煙氣系統(tǒng)中進(jìn)行次氧化鋅粉塵回收。

表1 處理固廢轉(zhuǎn)底爐情況一覽

2 工藝對比

兩種工藝各有優(yōu)勢，從適用性、投資、產(chǎn)品、運(yùn)行成本等幾方面進(jìn)行分析

2.1 固廢適用性

從固廢適用性來看，回轉(zhuǎn)窯首先對原料含碳量要求高，混合料含碳一般在25%以上，故主要處理高爐灰，其他低碳固廢僅可少量添加（不外配碳的情況下）。

另外回轉(zhuǎn)窯一般要求高鋅（6%以上），否則回收鋅粉品位低、經(jīng)濟(jì)效益差。

轉(zhuǎn)底爐混合料的含碳一般在14%～16%即可、對原料含鋅量無嚴(yán)格要求，原料適用性廣。目前轉(zhuǎn)底爐可電爐灰、轉(zhuǎn)爐灰、礦槽灰，高爐灰、高爐污泥、轉(zhuǎn)爐污泥等各種鋼鐵廠固廢；

2.2 產(chǎn)品情況

回轉(zhuǎn)窯粉料入爐，隨著窯體轉(zhuǎn)動，金屬化率～55%，鋅脫除率70%～90%之間，產(chǎn)品為鋅粉及窯渣，鋅粉的品位30%～50之間，窯渣的品位40%～60%，且含水、粒度不均勻，目前僅可作為燒結(jié)原料，回轉(zhuǎn)窯窯渣典型成分如下：

表2 回轉(zhuǎn)窯窯渣典型成分

轉(zhuǎn)底爐采用成球入爐，反應(yīng)速度快，在還原過程種揚(yáng)塵小，鋅粉的品位相對高，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，鋅粉鋅品位可在55-70之間，金屬化球團(tuán)典型成分如下：

表3 轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)典型成分

球團(tuán)強(qiáng)度200-500N/個，可作為煉鋼和煉鐵原料。

2.3 環(huán)保情況

目前從運(yùn)行情況看，轉(zhuǎn)底爐工藝的系統(tǒng)的環(huán)保效果較好，以某轉(zhuǎn)底爐項目為例，按監(jiān)測結(jié)果，轉(zhuǎn)底爐主煙氣中顆粒物排放濃度為4.8mg/m3，SO2排放濃度為3mg/m3，氮氧化物排放濃度為26mg/m3，均達(dá)到了超低排放的標(biāo)準(zhǔn)。

回轉(zhuǎn)窯粉料入爐，在運(yùn)行過程中揚(yáng)塵量較大，且出料為水淬池抓斗取渣，環(huán)境較差。

2.4 投資及效益對比

以20萬噸固廢處理為例，回轉(zhuǎn)窯工藝從儲存、回轉(zhuǎn)窯、成品系統(tǒng)、煙氣處理、及相應(yīng)的公輔系統(tǒng)與轉(zhuǎn)底爐相比投資大概為1：2。

此外，轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)品的品質(zhì)上較優(yōu)，會有更高的售價，效益更好。

表4 某鋼廠兩種工藝方案對比

最大容量 50萬t/a 15萬t/a脫鋅率 90%～97% 70%～90%鋅粉鋅品位 55%～66% 35-45%投資 16000萬元 9000萬元環(huán)保 較好 一般

3 結(jié)論

鋼鐵廠固廢高效處理，是我國實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)及循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要前提，回轉(zhuǎn)窯及轉(zhuǎn)底爐工藝作為目前最主要的兩種工藝，各有特點(diǎn)及優(yōu)勢。

根據(jù)原料條件、產(chǎn)品去向、燃料供應(yīng)、占地要求、環(huán)保要求等不同情況具體分析，選用適合的工藝。