兩種冶金含鋅含鐵塵泥處理工藝的對比

劉 梅

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

我國作為鋼鐵大國，粗鋼產(chǎn)量已連續(xù)多年位列世界第一。根據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2020年我國粗鋼產(chǎn)量為10.65億t[1]。按照鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)中會產(chǎn)生約占粗鋼產(chǎn)量的8%～12%的各類含鐵塵泥推算，我國鋼鐵企業(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)險難以得到有效管控。特別是隨著2019年新《固廢法》的頒布實施，明確要求強化工業(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》，明確提出“在鋼鐵冶金行業(yè)推廣‘固廢不出廠’，加強全量化利用”[2-4]。因此，對鋼鐵企業(yè)而言，實現(xiàn)含鋅含鐵塵泥廠內(nèi)100%循環(huán)利用已是勢在必行。

針對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)致兩者在實際工程應(yīng)用中存在一些差異，企業(yè)在選擇時需結(jié)合自身特點和實際情況選擇。

1 轉(zhuǎn)底爐工藝與回轉(zhuǎn)窯工藝對比

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]。該工藝思想最初來源于Midland Ross公司、國民鋼鐵公司和Hanna礦聯(lián)合開發(fā)的Heat-fast工藝[6]，近二十年來在日本和中國發(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。通過將含鋅含鐵塵泥與黏結(jié)劑按比例配料混合均勻后進行造塊處理，得到的生球經(jīng)烘干后布置于轉(zhuǎn)底爐內(nèi)，球團在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)隨爐底轉(zhuǎn)動的同時完成加熱還原，還原出的鋅被蒸發(fā)隨煙氣一起排出，經(jīng)冷卻系統(tǒng)時被氧化成細小的次氧化鋅粉固體顆粒而后在除塵器內(nèi)被過濾收集，球團內(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)冷卻篩分后進倉存儲。轉(zhuǎn)底爐工藝的主要設(shè)備設(shè)施包括倉儲配料、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、次氧化鋅粉及蒸汽，金屬化球團一般作為高爐或轉(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、破碎磁選富集后進一步得到富鐵料，可作為燒結(jié)原料使用，剩余的無價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)窯工藝在國內(nèi)均有處置鋼鐵企業(yè)含鋅含鐵塵泥的工程實例，兩種工藝各有千秋。本文擬從以下幾個方面對轉(zhuǎn)底爐工藝及回轉(zhuǎn)窯工藝進行對比。

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價值，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，進一步降低了窯渣二次利用的經(jīng)濟性，一旦原料中鋅含量偏低時，所生產(chǎn)的次氧化鋅粉品位和產(chǎn)量難以充分保證，此時回轉(zhuǎn)窯工藝的經(jīng)濟性將無法得以體現(xiàn)。

轉(zhuǎn)底爐對于原料的實用性則更為廣泛，對于原料中鐵、鋅基本無限制。因此，鐵、鋅的回收均可帶來良好的經(jīng)濟性。而目前國內(nèi)鋼鐵企業(yè)多為長流程冶煉工藝，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)高含鐵金屬化球團為主，獲取次氧化鋅粉為輔。因此，兩者產(chǎn)品的經(jīng)濟性差異顯著。

轉(zhuǎn)底爐工藝除可獲得次氧化鋅粉的收益外，所生產(chǎn)的金屬化球團產(chǎn)品全鐵含量可達到60%以上，能夠直供高爐使用，特別是在鐵礦資源緊缺的時候，經(jīng)濟性良好。2021年上半年，轉(zhuǎn)底爐金屬化球團售價達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)生的煙氣一般無需脫硫即可達標(biāo)排放。回轉(zhuǎn)窯由于大量使用煤粉或焦粉作為燃料，其中的硫?qū)⑦M入煙氣后必須經(jīng)過脫硫治理方可達標(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)底爐本身是通過沿爐子內(nèi)外環(huán)一周布置的燒嘴燃燒煤氣來確保提供高溫條件的，通過調(diào)節(jié)空煤氣流量，可實現(xiàn)爐內(nèi)溫度及氣氛的動態(tài)實時調(diào)整，操作靈活便捷，各項技術(shù)指標(biāo)良好，金屬化率可達65%～75%，脫鋅率可達到85%～90%。另外，由于球團在爐內(nèi)是靜態(tài)停留的，且球團與爐底耐材層之間鋪有保護層，不存在與爐底耐材接觸侵蝕問題，維護檢修方便，系統(tǒng)年作業(yè)率可達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，逐漸從低溫度遷移至高溫段，爐內(nèi)溫度場難以有效監(jiān)測、操作調(diào)節(jié)困難，滯后性大，物料極易與耐材形成低熔點化合物，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)地堅硬處理起來十分困難。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1 200～1 300 ℃，還原動力學(xué)條件良好，反應(yīng)速度快，一般僅需20～30 min即可完成還原過程。因而生產(chǎn)周期短，單體處理規(guī)模可達10～30萬t/年。回轉(zhuǎn)窯受限于結(jié)構(gòu)形式和結(jié)圈問題的困擾，還原溫度一般在1 000 ℃左右，只能靠延長停留時間來提高還原效果，一般生產(chǎn)周期長達4～6 h，嚴重制約了其單機產(chǎn)能的發(fā)揮。目前常見回轉(zhuǎn)窯線處理規(guī)模一般約為5～15萬t/年，盡管國內(nèi)部分回轉(zhuǎn)窯線名義設(shè)計處理能力可達20萬t級以上，但受低作業(yè)率的影響，實際年處理能力一般都難以達到。

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是由排料機直接送入專有的封閉式冷卻設(shè)備，生產(chǎn)操作可控，現(xiàn)場環(huán)境良好。而在回轉(zhuǎn)窯工藝中，回轉(zhuǎn)窯出來的熱態(tài)窯渣多是直接落入下方水池進行水淬冷卻，操作難以把控，現(xiàn)場環(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，而窯渣倒運過程中也不可避免地會帶來水滴四濺的問題，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；回轉(zhuǎn)窯由于所需熱源全部來自外配燃料，且單體處理規(guī)模較小，因此能耗可達300 kgce/t窯渣。

2 小 結(jié)

以上對比情況匯總?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)展等實際情況，綜合評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