酒钢冶炼工序除尘灰高效利用研究.pdf

酒钢冶炼工序除尘灰高效利用研究 ① 王彩虹１， 杨云虎２， 秦彩霞１ （１．甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司，甘肃 嘉峪关 ７３５１００； ２．甘肃钢铁职业技术学院，甘肃 嘉峪关 ７３５１００） 摘 要 在分析酒钢烧结、炼铁、炼钢工序各种除尘灰性质的基础上，通过对比各种回收工艺的技术经济指标，推荐了除尘灰的处 理工艺，即采用回转窑焙烧工艺回收锌元素、采用水洗⁃净化⁃蒸发浓缩⁃冷却结晶⁃干燥工艺回收碱金属元素、返回烧结工序回收利 用铁元素，该处理方案既达到了综合回收有价元素的目的，又能降低高炉碱负荷、锌负荷，综合效益显著。 关键词 冶炼； 除尘灰； 资源综合利用 中图分类号 Ｘ７５６文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１５．０３．０２８ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１５）０３－０１０３－０３ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｕｓｔ ｆｒｏｍ Ｓｍｅｌｔｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｉｎ ＪＩＳＣＯ ＷＡＮＧ Ｃａｉ⁃ｈｏｎｇ１， ＹＡＮＧ Ｙｕｎ⁃ｈｕ２， ＱＩＮ Ｃａｉ⁃ｘｉａ１ （１．Ｇａｎｓｕ Ｊｉｕｑｕａｎ Ｉｒｏｎ ＆ Ｓｔｅｅｌ （Ｇｒｏｕｐ）， Ｈｏｎｇｘｉｎｇ Ｉｒｏｎ ＆ Ｓｔｅｅｌ Ｓｔｏｃｋ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｊｉａｙｕｇｕａｎ ７３５１００， Ｇａｎｓｕ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇａｎｓｕ Ｓｔｅｅｌ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｊｉａｙｕｇｕａｎ ７３５１００， Ｇａｎｓｕ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｕｓｔ ｆｒｏｍ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ， ｉｒｏｎ⁃ｍａｋｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｉｎｄｅｘｅｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ， ａ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｔｒｅａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｕｓｔ ｗａｓ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｒｅｃｏｖｅｒｉｎｇ ｚｉｎｃ ｂｙ ｒｏｔａｒｙ ｋｉｌｎ ｒｏａｓｔｉｎｇ， ｒｅｃｏｖｅｒｉｎｇ ａｌｋａｌｉ ｍｅｔａｌｓ ｂｙ ｗａｓｈｉｎｇ⁃ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ⁃ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ⁃ｃｏｏｌｉｎｇ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ⁃ｄｒｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｒｅｔｕｒｎｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒｅａｔｅｄ ｄｕｓｔ ｔｏ ｔｈｅ ｒｏａｓｔｉｎｇ ｓｔａｇｅ ｆｏｒ ｉｒｏｎ． Ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｃａｎ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｍｕｌｔｉｐｕｒｐｏｓｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｏｆ ｖａｌｕａｂｌｅ ｍｅｔａｌｓ， ｂｕｔ ａｌｓｏ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｌｋａｌｉ ａｎｄ ｚｉｎｃ ｂｕｒｄｅｎｓ ｏｎ ｔｈｅ ｂｌａｓｔ ｆｕｒｎａｃｅ， ｂｒｉｎｇｉｎｇ ｉｎ ｇｒｅａｔ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｂｅｎｅｆｉｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｍｅｌｔｉｎｇ； ｄｕｓｔ； ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ 除尘灰是钢铁冶炼过程中形成的产物，其产生量 为钢产量的 ８％ ～１５％，这些粉尘不仅含有铁元素，部 分还含有锌、钾、钠等元素，全部返回上道工序回用，易 造成有害元素的循环富集，导致工序成本上升，降低高 炉寿命，也影响生产顺行；直接丢弃，不仅给环境带来 较大污染，而且造成了资源流失。 因而，高效利用冶金 固废，大力发展循环经济，是钢铁行业目前可持续发展 的奠基石［１－３］。 酒钢公司作为千万吨级钢铁企业，三 地每年的除尘灰总量近百万吨，如何高效、环保地利用 这部分资源，是当下面临的紧迫任务。 １ 除尘灰性质及利用现状 １．１ 除尘灰性质 各种除尘灰化学成分见表 １。 表 １ 数据表明，烧 结除尘灰中，对炼铁有害的成分主要是 Ｓ、Ｋ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ， 以机头灰最为显著，机尾灰成分与烧结原料接近，配料 灰以细粒级石灰为主；炼铁除尘灰中，环境灰的成分与 烧结矿接近，重力灰的主要成分是铁和碳，布袋灰中锌 含量较高；炼钢除尘灰中，一次灰铁含量较高、杂质含 量低，二次灰和精炼灰中 Ｋ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ 含量高，脱硫灰和 混铁炉灰中主要成分是铁和钙。 因此，除烧结机头灰、 炼铁布袋灰、炼钢二次灰和精炼灰外，其余除尘灰基本 可以返回烧结利用。 为进一步查清烧结机头灰中碱金属、炼铁除尘灰 中铁和锌的赋存形式，进行了物相分析，结果见表 ２。 分析结果表明，烧结机头灰中碱金属主要以氯化物形 式存在，重力灰中的铁主要是磁性铁，其次为赤褐铁； 布袋灰中铁以赤褐铁为主，其次为磁性铁，锌以氧化锌 为主。 １．２ 利用现状 目前酒钢三地烧结工序除尘灰年总产生量在 １５ 万吨左右，全部自循环；炼铁工序除尘灰年总产生量约 ４０ 万吨，除布袋灰外其余两种返回烧结回用；炼钢工 序除尘灰年总产生量约 ３０ 万吨，基本都在烧结回用。 ①收稿日期 ２０１５－０１－０４ 作者简介 王彩虹（１９７０－），女，陕西长武县人，高级工程师，主要从事选矿工艺及冶金固废资源综合利用研究。 第 ３５ 卷第 ３ 期 ２０１５ 年 ０６ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３５ №３ Ｊｕｎｅ ２０１５ 表 １ 除尘灰主要化学成分（质量分数） ／ ％ 工序名称ＴＦｅ ＳｉＯ２ ＣａＯ Ａｌ２Ｏ３ ＭｇＯＳＰｂ Ｋ２ＯＮａ２Ｏ ＺｎＯ烧失Ｃ 机头灰（本部）３８．８１６．５１９．６６１．３２２．４８１．２２１．１７３．０９０．２４０．０６１６．００ 烧结 机头灰（榆钢）３２．５４４．８１７．６３１．１７１．５７１．００５．７９１１．４２１．３３０．２７２５．８５ 机尾灰（本部）４６．３６７．２６１２．７４１．７２３．１７０．８６０．０８０．８２０．０８２０．０５４．６４ 配料灰（本部）２３．５８５．３９３２．２７１．４７１．９８０．２７５０．０２０．３３０．５１０．０９２．３９ 重力灰（本部）２５．６３６．５３４．７６２．９３１．１７０．７２０．０４０．３２０．０６５１．０００．０４７４６．０３ 重力灰（榆钢）２８．１６８．８９４．２９３．０６１．３６０．７８０．０２０．４３０．１８１．７８３９．８３３８．８７ 炼铁布袋灰（本部）２９．４７６．８６５．１５３．３６１．６２１．０７０．０５０．７９０．０５３７．１３０．０４６３３．１２ 布袋灰（榆钢）３０．７９９．３６４．８８３．０９１．６１１．０２０．０３０．７８０．３０８．９３２８．１６２１．６６ 环境灰（本部）４９．７６０．８０３．８８ 一次灰（本部）５４．０４２．２５５．７３０．１６０．８１０．１５０．１３０．１１５．０４ 二次灰（本部）３５．７０７．７７２６．６４３．２４６．８５１．１７０．０３７１．５００．６２７０．５２７３．３２ 二次灰（榆钢）４６．６３５．７２１０．５３５．７３０．４４０．０６５１．０２０．７８０．６１４．６８ 炼钢脱硫灰（本部）２５．６３３１．８８９．０３１．４１ 精炼灰（本部）１５．７３６．７８４３．２０６．５０９．５０１．６２２．３０１．８３０．３２４．１０ 精炼灰（榆钢）２３．５０１３．５１３０．３５４．２１０．６３０．５３５．７２０．５３０．１５８．７９ 混铁炉灰（本部）４３．７０２．３６２３．１８０．５０４．３８０．３３０．０８２１．３３４．０３ 表 ２ 本部炼铁除尘灰物相分析结果 元素相名 重力灰布袋灰 含量／ ％分布率／ ％含量／ ％分布率／ ％ 磁性铁１５．７９６１．６１１０．５９３５．９３ 碳酸铁０．１００．３４ 黄铁矿０．１１０．４３０．０９０．３１ 铁赤褐铁９．２９３６．２４１８．０６６１．２８ 硅酸铁０．４４１．７２０．６３２．１４ 合计２５．６３１００．００２９．４７１００．００ 氧化锌０．４４２４４．１５５．３７７７５．４１ 锌 硫化锌０．１８８１８．８００．８７８１２．３１ 其它锌０．３７１３７．０５０．８７６１２．２８ 合计１．００１００．００７．１３１００．００ ２ 除尘灰的归类及回收工艺研究 ２．１ 除尘灰归类 分析各种除尘灰的性质可知，烧结、炼铁、炼钢工 序除尘灰大体可分为 ３ 类，第一类是对炼铁工序有害 元素含量低的除尘灰，包括烧结机尾灰、配料灰，炼铁 重力灰、环境灰，炼钢一次灰、脱硫灰以及混铁炉灰；第 二类是锌含量较高的除尘灰，主要是炼铁布袋灰；第三 类是碱金属含量高的除尘灰，包括烧结机头灰、炼钢二 次灰和精练灰。 第一类由于有害元素含量低，部分还 含有 Ｃ、ＣａＯ、ＭｇＯ 对烧结有益的成分，直接回配烧结 工序成本低，回收效果好，可直接返回烧结利用；第二 类和第三类则需要采用适宜的工艺脱除对炼铁有害的 元素后方可回配烧结。 ２．２ 富含锌的除尘灰处理工艺研究 针对富含锌的除尘灰分别进行了物理选矿法、压 成球后加入转炉以及回转窑焙烧研究，同时考察了转 底炉工艺。 ２．２．１ 选矿脱锌 由于重力灰和布袋灰中含有大量 碳，铁是磁性铁和赤褐铁，锌以氧化锌形式存在，因而 采用浮选＋磁选流程即可分别回收。 实践证明，该工 艺回收碳效果较好，但铁和锌的分离效果却非常有限， 主要是由于在高温冶炼过程中，各种金属元素的赋存 形式发生了变化，不再是单纯的矿物形式，仅靠物理选 矿方法很难将其分离。 其回收指标见表 ３。 表 ３ 选矿方法富碳、提铁、脱锌研究结果 样品 名称 产品 名称 产率 ／ ％ 含量／ ％回收率／ ％ ＴＦｅＣＺｎＯＴＦｅＣＺｎＯ 铁精矿 脱锌率／ ％ 重 力 灰 碳精矿５３．６３３．８８ ８２．１４ ０．８０８．２５９５．９７４２．９６ 铁精矿３２．７３５４．８１０．９４７１．２５３０．６９ 尾矿１３．６４３７．８４１．９３２０．５０２６．３５ 重力灰 １００．００ ２５．１８ ４５．９０ １．００ １００．００ １００．００ １００．００ ６９．３１ 布 袋 灰 碳精矿３７．９２３．３２ ７２．１１ ５．６７４．３２８３．５４３０．１７ 铁精矿３２．９４５４．３１３．６６６１．１７１８．２５ 尾矿２９．１４３４．５１１２．６２ ３４．５１５１．５８ 布袋灰 １００．００ ２９．１４ ３２．７３ ７．１３ １００．００ １００．００ １００．００ ８１．７５ 研究还表明，若将重力灰和环境灰按目前方式继 续配入烧结利用，将布袋灰采用浮选＋磁选工艺回收， 回收的铁精粉再配入烧结，经过 ５ 次循环，高炉锌负荷 基本趋于平衡，升高幅度为 ２５％。 ２．２．２ 压制成球后配入转炉 ２０１１ 年将瓦斯泥和布 袋灰按实际产出比例压制成球，以吨钢加入 １５ ｋｇ 的 量加入转炉进行了工业试验， 试验钢种有方坯 ＨＲＢ３３５、ＨＲＢ４００、ＰＢ２３５Ａ，板坯Ｑ２３５Ｂ。 结果表明， 产品质量及生产顺行上基本不存在问题，但对转炉温 度和产量有一定影响，由于需要脱硫，炼钢成本上升， 经济性不佳。 ２．２．３ 回转窑焙烧提铁、脱锌 利用回转窑处理高 碳、高锌除尘灰，主要是利用除尘灰中的碳在高温下不 完全燃烧形成还原气氛，锌、铅的氧化物被还原为单质 后，气化进入除尘系统，与空气接触后二次氧化的原 ４０１矿 冶 工 程第 ３５ 卷 理，该工艺技术成熟，脱锌率达 ９０％以上，目前在武 钢、新余钢厂、涟源钢厂、南京钢厂等广泛应用。 由于 有效利用了除尘灰中的碳，降低了加工成本，回收氧化 锌市场前景好，效益可观。 酒钢本部目前已有 ３ 台回 转窑用于处理高炉布袋灰，榆钢回转窑处理生产线也 在建设中。 酒钢回转窑焙烧产品化学成分见表 ４。 表 ４ 酒钢本部回转窑焙烧产品主要化学成分（质量分数） ／ ％ 名称ＴＦｅＳＰＺｎＯＰｂＫ２Ｏ 窑渣５０．５８０．９５９０．０８４０．４０３０．００５０．２４５ 粗锌粉４６．５４．７２ 名称 Ｎａ２ＯＳｉＯ２ ＣａＯＭｇＯ Ａｌ２Ｏ３ 窑渣０．１０４１５．５４７．８２２．２０５．９２ 粗锌粉０．６９８ ２．２．４ 利用转底炉工艺提铁脱锌 ２０１０ 年曾经外出 考察转底炉，认为转底炉在国内马钢、莱钢、日照、沙钢 等钢厂虽然已经投入应用，脱锌效果彻底，但存在投资 过大、处理成本高的问题，且随着高锌原料不断处理及 减少，脱锌问题不再是核心问题，因而此工艺的经济性 值得深究。 ２．３ 富含碱金属的除尘灰处理工艺研究 富含碱金属的除尘灰主要是烧结机头灰、炼钢二 次灰和精炼灰。 衍射分析表明，碱金属以氯化物形式 存在，重点研究水洗脱碱的效果，结果见表 ５。 表 ５ 水洗脱碱试验结果 名称 含量／ ％ 水洗前水洗后 ＴＦｅＫ２ＯＮａ２ＯＴＦｅＫ２ＯＮａ２Ｏ 水洗 产率 ／ ％ 脱钾 率 ／ ％ 脱钠 率 ／ ％ 本部机头灰 ３５．８８３．８６０．２９９ ４４．６８０．４３０．０９６８３．６９０．６９ ７３．１６ 榆钢机头灰 ３２．１９ １０．４５１．３２４４．１２ ０．２４１０．１１７３．２９８．３１ ９３．９０ 炼钢二次灰 ４９．８９１．５２０．４６９ ４９．７０ ０．４１２ ０．２０７９７．２７３．６５ ５７．１０ 炼钢精炼灰 １９．７３２．３２０．８６１ １７．２８ ０．２０７ ０．０９４１００．７ ９１．０２ ８９．０１ 经过水洗后的除尘灰碱金属得以脱除，脱水后即 可回配烧结，而水洗液中富含碱金属，需要经过净化⁃ 蒸发浓缩⁃冷却结晶⁃干燥的生产过程，得到氯化钾产 品。 目前该工艺在攀枝花已经成功应用两年多，经考 察所得氯化钾产品 Ｋ２Ｏ 含量在 ６０％以上，供给钾盐、 钾肥厂，产品供不应求。 ２．４ 对比分析 各种方案的主要指标及存在的问题见表 ６。 表 ６ 各方案比选结果 工艺方案主要指标加工成本投资预测效益存在的关键问题 脱锌 物理选矿 铁回收率 ６０％左右 脱锌率 ７０％～８０％ ５２ 元／ 吨原料１００ 元／ 吨原料７０ 元／ 吨原料 脱锌不彻底，回收碳精矿 无法回用冶炼工序 压球后配入转炉 铁回收率≥９０％ 脱锌效果较差 １５０ 元／ 吨原料 少量投资用于压球负效益 用量受限，炼钢成本升高， 产量下降 回转窑焙烧 铁回收率≥８０％ 脱锌率＞９０％ ２００ 元／ 吨原料２５０ 元／ 吨原料４００～５００ 元／ 吨原料操作不好易结窑 转底炉 铁回收率≥８５％ 脱锌率＞９０％ ４１０ 元／ 吨原料１ ０００ 元／ 吨原料 效益不明显投资过高 脱碱水洗⁃蒸发浓缩⁃冷却结晶 铁回收率≥９５％ 脱钾率≥９０％ 脱钠率≥７０％ ３５０ 元／ 吨原料６００ 元／ 吨原料１２０ 元／ 吨原料 要求原料中 Ｋ２Ｏ 含量在 １０％以上，设备及管道易 腐蚀 比选结果表明，高锌除尘灰采用回转窑焙烧工艺 技术成熟，脱锌效果明显，铁回收率高，效益好；高碱金 属除尘灰水洗脱碱率高，基本不影响铁的回收。 为此 推荐了冶炼工序除尘灰总的处理路线，见图 １。 ３ 结 语 １） 钢铁冶炼除尘灰种类多，成分差异大，采用直 接回配烧结的方式利用简便易行，大部分铁得以回收， 但有害元素易循环富集，对炼铁产生极为不利的影响， 分类处理，即可解决入炉钾、钠、锌含量高的根本问题， 同时有益元素铁、钙、镁均得到回收利用。 ２） 通过分类后，采用不同工艺处理，对高炉有害 的有价元素得以回收，变废为宝，经济效益显著。 基本 做到了零排放，真正实现了循环利用。 1*/ /DA AB2. ;0 ;1A1B 4 / 0 / A * / 0 ,     图 ８ 金属化率与预还原温度关系 ３ 结 论 １） Ｃ／ Ｏ 摩尔比为 １．２、碱度为 １．３ 的球团最佳制 球条件为 矿样粒度 ０． ０７５ ～ ０． １０６ ｍｍ， 造球压力 ４ ＭＰａ，加水量 ８％。 ２） ＣａＯ 含量对达到最大金属化率的时间影响不 大。 综合考虑 ＣａＯ 的作用，造球选用碱度为 １．３。 ３） 预还原温度越高，球团金属化率越高，达到金 属化率峰值所需时间越短。 金属化率随预还原时间延 长呈先升后降趋势。 ４） ９００ ℃及更低温度条件下，钛磁铁矿煤基直接 还原难以进行。 １ ０００～１ ３００ ℃条件下，球团预还原金 属化率较高，能大幅缩短球团熔融还原时间。 １ ５５０ ℃ 高温条件下，可实现含碳球团渣铁熔融分离。 参考文献 ［１］ 沙永志，滕 飞，曹 军． 我国炼铁工艺技术的进步［Ｊ］． 炼铁， ２０１２，３１（２）１１－１４． ［２］ 郭培民，赵 沛，庞建明，等． 熔融还原炼铁技术分析［Ｊ］． 钢铁钒 钛，２００９，３０（３）８－１２． ［３］ Ｌｉ Ｌｉｎ， 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