鋼鐵生產過程中除塵灰的資源化利用

文_郭明媚 劉云 臧淵博 河南安環環保科技有限公司

1 項目概述

高爐瓦斯灰作為鋼鐵工業的副產品，每生產一噸鐵將產生約20kg含鋅5%～10%的高爐瓦斯灰；按我國2017年產鋼8.3億t計算，我國的瓦斯灰年產出量估計在1660萬t，折合鋅金屬量83萬～166萬t，約相當于1300萬～2600萬t鋅礦石的開采量。2017年國內廢鋼總消耗量約1億t，廢鋼冶煉過程中排出的電爐煙灰超過100萬t。電爐煙灰中鋅的質量分數一般在15%～40%之間，折合鋅金屬量15萬～40萬t，約相當于230萬～630萬t鋅礦石的開采量。

隨著我國經濟的高速發展，對金屬材料的需求不斷擴大，因此，對金屬二次資源進行循環利用研究、開發二次資源的高效分離以及循環利用技術、開展對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環境的污染。次氧化鋅作為傳統鉛鋅冶煉工藝鏈中的高附加值產品，對企業促進重金屬防治污染、建立清潔生產模式、提高企業經濟效益的同時實現循環經濟可持續發展具有十分重要的現實意義。

2 次氧化鋅生產工藝流程

外購的電爐灰、瓦斯灰、“石灰石+石英石”按照15:6:2進行配料，配料后物料在圓筒造粒機內直接加水混合制粒，制粒后成品球含水不大于10%，粒度10～15mm。球料由皮帶輸送進入粒料倉，經設在倉下的定量給料機計量后，再用移動式膠帶輸送機送入富氧揮發爐。富氧揮發爐為連續作業，富氧揮發爐三層水套側面設置兩個冷料口。焦炭通過螺旋給料機進入富氧底吹爐以提供燃料，經過干燥、預熱、燃燒升溫至1000℃左右，燃燒狀態控制在缺氧富燃料狀態，顆粒中的鋅被還原成單質鋅，并氣化成鋅蒸汽（包括其他金屬蒸汽）。高溫煙氣從富氧揮發爐熔池頂部進入余熱鍋爐，大部分煙塵和噴濺物沉降至余熱鍋爐內，降塵后的煙氣進入水平煙道，沿程沖刷各煙道水冷壁及對流管束，完成熱交換后從鍋爐尾部排出，溫度在260℃左右。產出的煙氣（塵）經余熱鍋爐、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，經檢驗后即為成品。

側吹富氧揮發爐為連續進料、間斷放渣的操作制度。側吹富氧揮發爐由設在富氧揮發爐風機房的離心鼓風機供風。生產原理：①本項目富氧揮發爐、余熱鍋爐和表冷為一體化裝置，富氧揮發爐鼓風機風量為24000m3/h，煙化爐內物料燃燒過程處于缺氧狀態，為氧化鋅在加熱過程中還原提供條件。引風機風量為60000m3/h，控制整個工藝處于負壓狀態，防止煙氣外溢。同時吸入新鮮空氣，為單質鋅在煙氣管道內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，鋅單質熔點為 419.75℃、沸點為907℃，故鋅單質首先被熔化成液體，然后迅速氣化，在隨系統內氣流進入余熱鍋爐，鋅單質在225℃時可被空氣迅速氧化成次氧化鋅粉塵。在1000℃條件下，鉛單質以液態形式存在，部分氣化，隨鋅蒸汽一起進入余熱鍋爐內，本項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。產出的煙氣（塵）經余熱鍋爐、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。

富氧揮發爐中主要反應：

①在料層內：

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 生產過程中煙氣治理措施

本項目富氧揮發爐運行過程中產生的煙氣采用“余熱鍋爐+表冷+袋式收塵器+三級氧化鋅脫硫+SCR脫硝+濕式電除塵”進行處理后經25m排氣筒排放。

3.1 除塵技術及可行性分析

“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，通過增加電場數量、降低電場風速、增加比集塵面積、優化供電電源、增加輔助清灰等措施，濕式電除塵的排放濃度可以進一步降低。

3.2 脫硫技術及可行性分析

本項目產品為氧化鋅，脫硫劑來源豐富，脫硫產生的副產物亞硫酸鋅可以送至電解鋅車間回收鋅。該工藝是一種針對鉛鋅冶煉廠煙氣治理的技術，吸收劑來源于鉛冶煉系統中間產物氧化鋅，產品亞硫酸鋅或硫酸鋅送至冶煉廠現有的電解車間進行回收利用。將氧化鋅脫硫工藝應用于鉛鋅冶煉廠時，由于吸收劑的供應與產物的后續處理能夠與冶煉生產結合起來，工藝清潔環保，且流程短，工程投資和運行成本均較低。同時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，且循環漿液中的難溶物較少，不易導致吸收塔設備和管道結垢。

3.3 脫硝技術及可行性分析

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

根據《排污許可證申請與核發技術規范——工業固體廢物和危險廢物治理》（HJ1033-2019），本項目選用的“余熱鍋爐+表冷+袋式收塵器+SCR脫硝+三級氧化鋅脫硫+濕式電除塵”為可行技術。

3.4 重金屬污染防治措施及可行性分析

本項目煙氣經“余熱鍋爐+表冷+袋式收塵器+三級氧化鋅脫硫+SCR脫硝+濕式電除塵”處理措施處理后排放，本項目煙氣經余熱鍋爐冷卻沉降+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的形式存在，可以被袋式除塵器截留。本項目選用的三級氧化鋅脫硫是濕式脫硫法，對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力的作用下到達集塵板/管。濕式電除塵器主要處理含水較高乃至飽和的濕氣體。可有效收集微細顆粒物（PM2.5粉塵、SO3酸霧、氣溶膠）、重金屬（Cd、As、Pb、Cr）、有機污染物（多環芳烴、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10mg/m3甚至5mg/m3以下。

綜上所述，本項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《無機化學工業污染物排放標準》（GB31573-2015）特別排放限值。

4 結語

通過以上工藝分析及環保技術可行性分析，利用富氧揮發爐處理鋼鐵廠產生的電爐灰和瓦斯灰工藝可行，并且環保措施可行，還可以產生次氧化鋅，提高經濟效益和環保效益。