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                钢铁厂含铁锌尘泥处置工艺综述

                2021-04-02 18:29:00 作者:huangj 来源: 浏览次数:0 网友评论 0

                阐述了钢铁厂含铁锌尘泥的几种处置工艺,重点介绍了火法工艺中的小高炉工艺、OXCUP工艺、烟气磁化熔█融炉工艺、回转窑工艺与转底炉工艺。概况分析了国内①转底炉工程化产业现状,指出转底炉工艺是国内钢铁厂含铁锌固废处置的重要方向。
                 

                刘晓轩,曹志成,刘安治,吴佩佩

                宝武集团环境资源科技有限公司转底炉事业部 

                引言

                钢铁行▼业含铁锌尘泥目前的传统处理方法有3种:物理法、湿法和火法。物理法分为磁性分离和机械Ψ分离。方法简单易行,但操作费用高,锌○的富集效率低,一般只作为湿法或火法的预处理工艺。

                湿法工艺一般用于中锌(Zn15%~26%)和高锌粉尘(Zn>30%)处理,湿法工艺锌的↘浸出效率较低,浸〖渣难以返回钢厂原料循环使用,较难满足环保︽要求;单元消耗过多,浸出剂消耗过多,成本较高;设备←腐蚀严重,大多数操作条件较恶劣;处理过程中引入了硫、氯等易造成新的环境污染;与现有钢厂技术不配套;与火法相〗比,其能源消耗和设备投资要少一些。

                对比各种钢铁〓厂粉尘的处理工艺,火法工艺对含锌尘泥的处理生产效率高、处理规模大,是将来钢铁厂含铁锌资源】化利用的主要途径。国内已实现产业∩化的冶金尘泥火法处理工艺主要包括小高炉工艺、OXCUP工艺、烟气磁化熔融炉工艺、回转窑工艺与转底炉工艺。目前,回转窑工艺与转底炉工艺¤工业化应用案例较多。

                1 小高炉工艺

                德国DK公司专门利用580 m3小高炉处理各类钢铁粉尘和废旧电池,每年处理欧洲各ぷ钢厂的45万t含锌粉尘,可回收28万t生铁1.7万t富锌粉,同时◣处理废旧电池达到2000 t/a左右。工艺过程即传统高炉炼铁模式,配套60 m2烧结机,烧结所用原料为转炉尘泥、高炉尘泥、轧钢铁皮、电池等固体废料及部分╳正常铁矿,高炉主要◤冶炼铸造铁,焦比为630 kg/t,煤比为70 kg/t,燃料比在700 kg/t以上,煤气利用率约为30%,高炉风口12个,风量65000 m3/h,日产铁量约1000 t。由于DK小高炉主要以各种固废为原料,入炉碱金■属负荷约为8.5 kg/t,锌负荷则达到↑38 kg/t,高炉煤气除尘可回收富锌粉尘,其锌含量高达65%~68%,具有很高市场价值。DK小高炉工艺完√全基于传统炼铁模式,各ζ种设备及技术相当成熟,除了钢铁粉尘还能有效处理废旧电池。缺点是由于专门处理各类固废,高炉碱金属、锌等负ㄨ荷极高,对长寿及顺行的危害影响也更严重[1-2]。小高炉工艺虽是钢铁企业最熟悉的工艺,但目前国家限制其发展,这◤也使国内含锌粉尘的处理主要集中在转底炉与回转窑∞工艺上。

                2 OXCUP工艺

                Oxycup 工艺在墨西哥Sicartsa、德国TKS、日本新日铁、JFE 和我国太钢都有采用,部分竖炉工★艺应用情况见表1所示[2]。德国蒂森-克虏伯钢铁公司在2004年对传统冲天炉进行改进,并于近年开发出了新型竖炉工艺,用于处理钢铁厂含铁类废物,其♂主要产品为铁水、熔渣和卐煤气。中国太钢引进该工艺,并于2011年4月投产。

                 

                Oxcup工艺流程见图1,其内部还原过程见图■2。含铁砖块、焦炭、添加剂和废钢通过炉料※加料斗由竖炉上部加入炉内,竖炉内还原产生的烟气通过加料斗下面的环形排气室排出,经过净化和预热后再由→竖炉的中部通入炉内,以供加热炉料和熔化渣铁。生成的渣、铁由竖炉下部排出竖炉[3-7]。

                表2为Oxcup竖炉入炉自还原压块与砾石成分,表3为废铁成分,表4为焦炭〗成分,表5为典型↙铁水成分。

                Oxcup竖炉中,500~620 ℃的富氧热风通过水冷风口的喷枪吹入炉子中,与焦炭反应产生1900~2500℃的高温,为铁氧化物反应生产铁水提供了≡高温条件。每生产1吨铁水↑消耗1100~1200 m3热风和150~200 m3氧气,以燃烧风口处的200~300 kg焦炭,一般热风中氧气浓度30%,最终铁水温度∑1500 ℃。

                 
                图1 OXCUP工艺流程】图


                图2 Oxcup 竖炉还原过程

                与高炉工艺相比⌒,Oxcup工艺主要利用了焦炭的骨架作用,并最大程度发挥了焦炭的发热作用,炉内必须存在部分△氧化性气氛,以保证」焦炭的完全燃烧;而高炉为了维持全还原性气氛,其中的焦炭为不完全燃烧,这是两种工艺的本质区别[7]。

                太钢于2011年投产『了全球最大的OxyCup 竖炉生产厂。用钢厂自产残留物与废钢或渣壳混合制备自还原碳㊣ 砖,工厂处理◎自还原碳砖的设计能力为60万t/a。输入的总炉料平均分配给熔化率相同的两座竖炉㊣ 。用两座竖炉分别对传统碳钢粉尘和污泥以及类似的不锈钢残留物进行处理,以回收残⊙留物中的铬和镍。第三座竖炉则作为这两座竖炉在维修期间的备用。工厂每年可运转8000 h。目前太钢的三座OxyCup 竖炉♀已停止使用[8]。

                3 烟气磁化熔融炉工艺

                北京科技大学与卢龙金源铁鑫工贸有限公司发明的《一种熔融@炉处理钢铁厂固体废料工艺方法》,以含锌、铅的高炉粉尘、转炉污泥、电炉除尘灰△、渣钢以及废钢等为主要原料,进行冷凝造块或高温造块,经养护或冷□却、整粒等操作后得到成品团块。成品团块与焦炭混合后送入熔融炉进行高温熔融,同时含锌废钢等废料也可按一定比例加入熔融々炉,最终产生高温①混合气体,混合气体在炉顶经过旋风除尘器,可将碳等元素分离出来,含碳粉尘可重新回收利@ 用,剩余混合气体经布ㄨ袋除尘器进一步分离,得到富锌、铅粉尘,回收用于高温造块、熔融炉热风预热及后续提纯工序。收集到的富锌、铅粉尘进一步提∮纯,提纯后可得到较高纯度的锌、铅产品。熔融炉☉底定期打开排铅口,收集铅液,得到粗铅,同时也可得到铁水和炉渣等产品[9]。工艺流程见图3。

                其核心设备为熔融◣炉,炉顶料◣仓加入高温造块、冷凝块、焦炭、废钢等块状物料,保证炉内料层的透气性。

                 

                图3 熔融炉工艺


                该工艺最先在河北◣秦皇岛卢龙县建成年处理30万t含铁锌固废产学研合作基地,后唐山鹤兴废料综合利用科技有限公司在河北唐山古冶区建成一期年处理冶≡金固废100万吨含铁锌固废生产线,可回∴收再生生铁30万t,硫酸锌30万t,氯化钾2万t[10]。

                4 回转窑工艺

                4.1 回转窑工艺介绍

                回转窑处理含↘锌的物料时,先将物料与还原剂(焦粉或煤粉)混合均匀,从窑尾加入具有一定倾斜度的回转窑内,随着窑的转动,炉料翻滚向╳窑头端流动。窑内燃烧产生的高温炉气与▓物料逆向流动,炉料中的金属氧化物与还原剂良好接触而被还原。窑内沿窑长各带的温度不同,最高〇温度达1100~1300 ℃。物料中的锌在回转窑高温条件√下被还原为金属锌蒸发出来,后被氧化》为氧化锌,随排出』的烟气进入回转窑烟器处理系统,经过收集装置富集锌。处理高炉瓦斯灰等含锌粉尘时,约90%的锌进入气相。窑渣采用水进行快速冷却,后续№采用进一步分选处理或返回烧结。其典型工艺流程∑ 见图4。

                多数回转窑处理含铁锌尘泥时均采用粉料入窑,不同粉尘料进厂后堆放处理,铲车混匀,调配▃到水分约10%,甚至更高的水分,主要目的是防止物料在窑尾加入时尽可能少地被★抽到烟气系统中,一般混合料中氧化锌含▓量在6-7%,含铁品位在15-20%,氯离子☆控制在10%左右。

                 
                 

                图4 典型回转窑法工艺流程图


                典型的回转窑综合处理含锌粉尘工艺可以分为三个▲系统:回转窑直接▼还原系统、锌焙砂处理系统、窑渣选铁系统。

                1)回转窑直接还原系统

                回转窑直接还原系统工▽艺流程:将高炉炼铁烟尘与焦粉(兰炭、烟煤等)按照一定的比例配料后通过胶带输送机送入回转窑中,挥发窑反应区温度为1000~1300℃,窑尾烟气温度♀约为400~500℃,炼铁〗烟尘中的有价金属锌、铟、铅、铋、锡、镉等在回转窑内被还原,挥发进入气相中被氧化成氧化物,经降温后被收集在烟道及布袋收尘器内,随后送入锌ω 焙砂窑系统或外卖,烟气再由风机送至脱硫塔洗涤脱硫后,由烟囱排放;回转窑内的窑渣在水淬熄火降温后送入选铁处理工㊣序或返回烧结工序。

                2)锌焙砂窑系统

                锌焙砂窑系统工艺流程:次氧化锌经皮带运输由下料管进入焙烧窑内,通入燃料点火,在700-850℃的高温中,将氧化『锌中的铅、铟、锡、铋、氟、氯等】元素从料层中挥发出来。烟气被带入收尘系统形成烟尘收集。从窑头排出的窑渣为锌焙砂,经水淬冷却后供电炉炼锌系统使用。

                3)窑渣选◥铁处理系统

                窑渣选铁处理工艺流程:含铁窑渣加湿经皮带运送至球磨机内,经球磨机球磨成矿浆后进○入磁选机进行磁选,磁∮选分离出铁粉和尾泥,铁粉可进一步经分级产出◎高纯铁粉和铁精粉,高纯铁粉经干燥后外售,铁精粉直接给烧结厂作为原料使用。尾泥经脱水后销售下游企业。

                4.2 主要维修及故障处理▂

                回转窑作业率在90%左右,5-6个月检修一次,每次检修周期约20天。

                主要是更换窑内耐火材料(主↑要是耐火砖),根据生产【情况,耐火材料有脱落段需要更换,多发生在窑头部前15米〓的高温段,但也有发生在窑内其它位置的。

                回转窑结圈是回转窑生产面临的主要问题,这与原料有关,也与操作工的操作有关:为了减少结圈∩情况,尽量减少原料中的含铁量,要求入窑原料中含铁量少于20%,同时应加强窑操作工培训,进一步熟悉回转窑操作。回转窑结圈对回转窑生◥产而言是一种正◤常现象,结圈不严重时,生产过程中多会自行脱落、或通过调节窑操作和进料、风量将结圈◥处理掉。

                另外,如果原料中氯离子含量过高,会造成冷却管堵灰或烟气收尘系统布袋粘灰堵塞情况▆,需要及时清理☆积灰、更换堵灰布袋,同时降低原料中氯离子含量█。

                5 转底炉工艺

                5.1 国内转底炉发展综述                                                                                                                                                             

                自20世纪80年代,国内开始引进转╲底炉工艺。1992年,北京科技大学理化系与河南舞阳钢铁公司合作,借鉴美国的FASTMET和Inmetco工艺,在舞阳钢铁公司建成一座直径3 m的转底◣炉试验炉,取得初步成功,其第二次半工业试验以舞钢氧化铁皮为原料,配入煤、粘结剂和水①,经造球烘干〒后送入转底炉进行还原,还原温度为1300~1350 ℃,试验结果表明ㄨ,其金属化率为73.5%~88.7%[11]。

                1996年,北京科技大学和鞍山市科委合作,在鞍山汤︻岗子铁矿建成了一座转底炉试验装置,转底炉平均直径5.5 m,炉底全宽2.0 m,炉底有效宽度1.8 m,炉底面积30 m2,设计油烧嘴12个,生产率为1.5 t/h,设计⌒年产能为1万t。1997年6月8日,开始热态←试验,6月19日完成了第一次热试,试验初步取得了良好的结果:产品的卐金属化率稳定,达80%~85%;操作容易,证明转底炉生产直接还原铁是可行的。

                1997年,北京科技大学冶金与生态工程学院冶金喷枪研究中心在含碳球团直接还原的实◆验过程中发现了珠铁析出的现象,同年即申请了转底炉珠铁生产的√专利[12]。2002年再次申请了名为煤基热风转底炉熔融还原炼铁法的专利,即转底炉煤基热风熔融炼铁工艺,又称恰普法(Coal Hot-Air Rotary Hearth Furnace Process,简称CHARP)。2004年在山西翼城和河南巩义永通◆钢铁公司建成了两●台直径为13.5 m的转底炉,设计年生产能力为金属化球团矿7万t,但是由于技术、资金等问题,目前都处于停●炉状态[13]。

                2007年,马钢与日本新日铁工程技术公司正式签订关键技术合作协议,设计年产17万吨以上︾转底炉直接还原示范装置。于2008年开工,2009年投产。除部分技术设备从日方引进★外,其余均由马钢自主研发集成。

                2008年沙钢与¤神雾集团江苏省冶金设计院签订联合开发协议,建设年处理30万t钢铁含铁锌尘泥生产⌒线,2010年项目热负荷试车,后于2011年12月连续投产至今。项目年处理30万吨含铁锌尘泥,年产20万吨金属ξ化球团,8000吨次氧化锌粉[14-15]。

                2015年和2016年,中冶赛迪分别与燕山钢铁公司和宝武钢铁集团开发设计的处理钢铁々厂含锌尘泥的20万吨/年转底炉Ψ 投产,该项目♀每年可处理高炉、转炉除尘灰等冶金固废约20万吨,实现脱锌率>85%,金属化率>75%,获得约14万吨金属ξ化球团、0.5万吨氧化锌粉尘、13万吨蒸汽。

                目前,国内多家钢铁企业对转底炉表现出浓厚的兴趣,中国已建成投产的转底炉处理◤含铁锌尘泥生ζ 产线15条,在建转底◥炉6条,共计21条生产线。此外,正在筹建转底炉的钢铁企业包括东海特钢、安阳钢铁、鞍山钢铁、攀钢、八一钢铁等。在已建成转底炉处理钢铁厂含锌尘泥生↓产线中,有代表性的转底炉工程化案例包括神雾集团江苏省冶金设计院设计的沙钢30万t/年含∞铁锌尘泥生产线,钢铁研究总院设计的日照2×20万t/年含Ψ铁锌尘泥生产线,北京科技大学设计的莱钢30万t/年含铁锌尘⊙泥生产线,日本新日铁工程技术□公司设计的马钢20万t/年含铁锌尘泥生产线,中冶赛迪设计的燕山∮钢铁2×20万t/年含铁锌尘泥生产线,宝武环科设计的江苏永钢25万吨/年含铁锌尘泥生产线与韶关钢铁25万吨/年含铁锌尘泥生产↘线等。表6列出了中国已建成与在建含铁锌尘泥转底炉生产线情况。

                 

                 

                5.2 转底炉成型工←艺及产品用途

                目前工业化生产的转底炉均要求块状物料入▓炉,造块方式包㊣括对辊压球、圆盘造球、挤压成型3种成型方式。如马钢、沙钢、淮钢均采用圆盘造球的工艺;湛江钢铁、宝钢、燕山钢铁、江苏永钢均采用对辊压球的☉工艺;台湾中钢采用挤压成型的工艺。从电耗、耗材、人工等因素综合对比来看,采用圆盘造球的成本相对较低。

                转底炉工艺的的产品主要包括金属化球团、次氧化锌粉与副产「蒸汽,其中次氧化锌粉外售给锌冶炼厂,副产的蒸汽并入厂区管网。各大钢铁企业根据企业自身需求,金属化球团的利用也不尽相同,主要包括加入高炉作为炼◇铁原料,加入电№炉或转炉作为炼钢原料。相关研究表明[16],高炉每使用100 kg/t的金属化球团,能够降低←燃料比约22 kg/t。如果向高炉中加入6%的金属化球团,则比普通的高炉工艺流程节约工序能耗76.6 kg/t标煤。如果把物料消︽耗都折合到铁精矿上,可以节约铁精矿粉57.7 kg/t。

                5.3 宝⊙武环科转底炉

                宝武环科转底炉业务作为宝武环科六大业务板块之一,是支撑中〖国宝武“固废不出★厂”的重要举措之一,以高科技、高效率、高市占、生态化的综合竞争优势吸〖引了国内外钢铁企业,是行业内ζ相对认可,适宜处置长流程钢铁企业〗含铁锌尘泥的工艺路径,以其处理量大、作业率高、能耗低、产∩品质量稳定、环保指标佳的优势得到普遍认可,宝武环科充分发挥聚焦融合』的专业化优势,持续提升,在中国宝武内外部领域均实现了成果输出,可为客户提供集研发、设计、建设、运∞营一体化的专业化服务。多年来,宝武集团一直致力于转底炉直接还原技术研发与产业化开发,2016年在宝钢湛江建成了年处理20万吨含锌粉尘转底炉生产线,已ω 达标达产◣◣,实现100%固废不出厂,成为国内转底炉处理含锌粉尘的标杆企业。2019年,由宝武环科自主集成的广东韶关钢铁年处理25万吨含锌粉◣尘生产线顺利投产,上海宝钢2条年处理25万吨含锌粉尘生产线相继投产,2020年,宝武环科对外技术输出的第一转转底炉-江苏永钢年处理25万吨含锌■粉尘生产线投产,技术指标优』异。此外,宝武环科正在筹建多条转底炉处理含锌粉尘生产线:宝钢湛江二期年处理20万吨含锌粉尘生产线、武钢2×20万吨/年含锌粉尘生产ζ线等。转底炉处理含〓锌粉尘生产线已然是业内共识的大型钢厂的标准配置,强有力地支撑了钢铁企业的稳定健康发展。表7列出了宝武环科已建成与在建转底炉情况。

                 

                归纳而言,宝武环科设计与运营的※转底炉优势如下:

                (1)高科技:

                在技术研发创新方面,拥有一流的研发平台与高端人才专家工作站,技≡术研发能力强,可对转底炉→工艺与设备持续创新。

                在智慧制造方面,搭≡建转底炉智慧化数字工厂云平台架构,实现多基地统一数字化数据集中展示。开发视频会控系统与数字工厂融合,实现远程技术支撑和客♀商信息共享。实现转底炉业务数据资源共▆享,对标找差,协同提高。

                在生产技术指标方面十分优异,中国宝武湛江钢铁转底炉已稳定运行4年多,球团金属化率♂超过70%,抗压强度2000~3000N/个,平均作∏业率达85.6%,平均脱锌率超过〇88%。 

                在解决技术瓶颈方面,依托中国宝武钢铁在国内的多疆域布置,针对水分、粒度、化学成分、粘度等各类※复杂多变的冶金尘泥,可提供完整的解决方案,确保项目顺利达标达产▲。

                在统筹规范工艺与设备标准方面,依托宝武环科在国内运营转底炉最多的㊣ 丰富经验,可牵头完成钢铁原料、原料处理系统、原料配料及成型、转底炉直接还原、转底炉烟气系统↙↙、转底炉产出的产品等一▂系列标准体系。

                在产城融合方面,已开发出转底炉协同处置钢铁厂含铬废液新工艺,并在宝钢湛【江转底炉投入使用,依托转底炉-高炉-转炉/电炉等冶金炉窑,对含铬污泥、含油污泥、电镀污泥、含铅(含锌)废物、高热值废活性炭△、废过滤介质、表面@处理废物、垃圾飞灰等城市固危废实现协同消纳,共建高质量钢铁生态圈,实现“钢铁让城市变的更美」化”的目标。

                (2)高市占

                中国宝武是全球最〒大钢铁企业,以“绿色制造”、“固废不出厂”为目标,打造高质量的钢铁生态圈。宝武环科是中国宝武唯一专业化处理固废的环〓保公司,已成为中国处理钢铁固废最大的公司,其规范的治理体系,强大的供应链管理确保建成的转底炉运行稳定,各项技术经济指标实◤现最优化指标。目前中国在ξ 生产运行的转底炉共计12座,其中宝武环科设计或运营的转底炉达到6座,占比高达50%。

                (3)高效率

                建设智慧中心,实现转底炉业务数据资源共享,对标找差,协同提高。新建转底炉项目的建设周期短,可快速达产达标,作业率>90%,形成可复制的运营方案,设计、运营、维护一体化,成本最优。按照功能定位【划分为:诊断专家组♀、技术支撑组和运营对标组,通过工艺优化一体化、技术研发一体化、关键资材ω一体化3个“一体化”实现多基◆地转底炉专业化管控,持续提升,效率最高。

                (4)生态化

                钢铁厂产生的冶金尘泥通过转底炉直接还原工艺处理,铁产品(金属化球团)返回钢◇铁主流程循环利用,次氧化锌粉外售给锌冶炼厂,副产蒸汽并入厂区管网或直接发电,做到了含铁锌固废的全量循环利用,无废①物外排,真正实现了含铁锌固废的资︼源化、减量化与无害化处置,构建了高质量的钢铁制造业生态圈。

                宝武环科与合作伙伴共同成长,提供全生命□ 周期增值服务分享成果,持续提升转底炉技术水平与经济效益。向绿色化、低碳化、智能化、生态化稳步前进。

                ……

                 

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