馬懷營^1，2， 裴元東^1，2 ，　 潘 文^1，2 ，　 陳紹國^1，2

（ １． 綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 １０００４３ ；

２． 首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院鋼鐵技術(shù)研究所，北京 １０００４３ ）

摘 　 要：介紹了燒結(jié)機(jī)頭除塵灰的特性以及目前針對燒結(jié)機(jī)頭除塵灰的的利用方法，分析了各種利用方法的利弊，對未來燒結(jié)機(jī)頭除塵灰的利用提出了展望。即先利用煙氣循環(huán)工藝對燒結(jié)機(jī)頭除塵灰進(jìn)行減量化，再結(jié)合鋼廠的實(shí)際情況，采取優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)降低除塵灰中有害元素含量，回用燒結(jié)、分離有害元素制備肥料等高附加值產(chǎn)品及金屬化球團(tuán)等方式，實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)合理的再循環(huán)利用。

關(guān)鍵詞：燒結(jié)除塵灰；循環(huán)利用；煙氣循環(huán)；減量化；有害元素

燒結(jié)工序粉塵主要有機(jī)頭除塵灰、機(jī)尾除塵灰、環(huán)冷除塵灰、篩分除塵灰和燃破除塵灰等，燒結(jié)工序每噸燒結(jié)礦粉塵產(chǎn)生量為２０～４０ｋｇ 、排放量約為１．０２ｋｇ ，粉塵排放量占鋼鐵企業(yè)總排放量的４０％左右^［１］。趙亮等^［２］通過對從燒結(jié)各工序的粉塵排放量測試發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)機(jī)頭除塵灰總量約占燒結(jié)除塵灰的１／ ３，其中ＰＭ_１０ 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，達(dá)到４８．６２％ ，采用模糊評判法評價(jià)燒結(jié)工序各個(gè)煙塵排放點(diǎn)，燒結(jié)機(jī)頭除塵灰由于含硫、重金屬等綜合評價(jià)系數(shù)最大，是燒結(jié)工序最重要的排放源。燒結(jié)粉塵合理利用是燒結(jié)及鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展的重要內(nèi)容^{［３－４］}，本文討論了燒結(jié)機(jī)頭除塵灰的物性特點(diǎn)，并對其循環(huán)利用方面的研究和應(yīng)用情況進(jìn)行了總結(jié)，為其經(jīng)濟(jì)合理利用提供參考。

１　 燒結(jié)機(jī)頭除塵灰特性

燒結(jié)機(jī)頭煙氣溫度變化大，為８０～１８０℃ ；煙氣含濕量大，水分在８％～１２％ ，并含有腐蝕性氣體和有毒氣體等；煙氣夾帶粉塵多，燒結(jié)機(jī)頭除塵灰普遍采用的集塵方式為電除塵，通過設(shè)置多個(gè)電場對燒結(jié)除塵灰進(jìn)行逐級捕集。燒結(jié)機(jī)頭除塵灰的成分主要取決于所用鐵礦粉，不同燒結(jié)廠機(jī)頭除塵灰成分差異明顯，見表１^［５］。

某燒結(jié)廠機(jī)頭各電場除塵灰的主要化學(xué)成分情況見表２ ?？梢钥闯觯瑹Y(jié)機(jī)頭除塵灰含有較高的鐵、氯、鈣和硫，堿金屬鉀和鈉含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過燒結(jié)礦中含量，重金屬方面含有較多的鉛和鋅；分電場看，２號、３號和４號電場除塵灰呈現(xiàn)鐵含量降低，鉀、鈉、鉛及鋅含量增加趨勢。研究表明，其中的鐵主要以Ｆｅ_３Ｏ_４和Ｆｅ_２Ｏ_３的形式存在，燒結(jié)機(jī)機(jī)頭除塵灰中的鉀、鈉多以 ＫＣｌ 、 ＮａＣｌ的形式存在^［６］，銅、鉛、鋅等重金屬元素多以氯化物、氧化物的形式存在^［７］。此外，燒結(jié)機(jī)頭電除塵中還含有部分二噁英，張玉才等^［８］通過測試兩臺燒結(jié)機(jī)機(jī)頭煙氣發(fā)現(xiàn)，煙氣中的二噁英含量分別為１．２４和０．４４ｎｇＴＥＱ／ ｍ^３ ，電場除塵灰分別捕獲了煙氣中約５５．４６％和８５．５５％的二噁英。而二噁英具有毒性強(qiáng)，極難溶于水，強(qiáng)脂溶性，在酸、堿溶液以及環(huán)境中性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，在環(huán)境中的平均半衰期約為９年^{［９ ］}，因此，燒結(jié)機(jī)頭除塵灰需要得到妥善處置。

某燒結(jié)機(jī)機(jī)頭電除塵灰的粒度情況見表３ ?？梢钥闯?，燒結(jié)機(jī)機(jī)頭電除塵灰隨電場由前到后（１號→２號 →３號→４號）粒度逐漸變細(xì)，比表面積升高。付本全等^［１０］的測試表明：前端電場的大粒度粉塵呈塊狀、粒狀，后端電場的小粒度粉塵呈簇狀、團(tuán)絮狀，干法 磁選后１號電場磁性物質(zhì)比例較大，達(dá)４８．９４％ ，２號、３號電場除塵灰的磁性物質(zhì)比例較低，主要受除塵灰顆粒表面包裹的一層非磁性物質(zhì)影響。

２　 利用現(xiàn)狀

燒結(jié)機(jī)機(jī)頭除塵灰由于成分受燒結(jié)原燃料影響大，具有粒度細(xì)、疏水性強(qiáng)、堿金屬含量高等特點(diǎn)，目前采用的利用方式主要有直接回用燒結(jié)、制粒后回用燒結(jié)，制備球團(tuán)、肥料等方式，針對部分電除塵灰個(gè)別高價(jià)值元素含量高的特點(diǎn)，研究開發(fā)了相應(yīng)的元素提取工藝。

２．１　 直接回用燒結(jié)

將燒結(jié)機(jī)頭除塵灰作為原料直接混入燒結(jié)混合料是多數(shù)鋼廠如武鋼、柳鋼等采用的方式，具有操作簡單、處理成本低等特點(diǎn)，但是由于除塵灰易被再次吸入除塵器，難以穩(wěn)定連續(xù)配加等問題會影響燒結(jié)配料過程的穩(wěn)定性，造成燒結(jié)混勻料水分波動；同時(shí)除塵灰的潤濕性差影響造粒效果，對燒結(jié)礦質(zhì)量穩(wěn)定造成影響。燒結(jié)廠一般采取配入量限制、部分回用、多種除塵灰混合等方式，柳鋼開發(fā)了氣力成分均勻技術(shù)，除塵灰氣力輸送后經(jīng)渦流勻化器統(tǒng)一集中進(jìn)行二次勻化后排入到配料灰倉中，再通過高精度連續(xù)穩(wěn)流配料器實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)配用，穩(wěn)定燒結(jié)配料^［１１］。

２．２　 制粒后回用燒結(jié)

將除塵灰預(yù)制粒后回用燒結(jié)是提高除塵灰利用效果的一種方式，可避免直接回用燒結(jié)造成配料不準(zhǔn)、制粒性差等負(fù)面影響，通常需要加入石灰類的黏結(jié)劑，以提高制粒效果。彭志堅(jiān)等^［１２］將水鋼燒結(jié)機(jī)頭除塵灰與機(jī)尾除塵灰、瓦斯灰及出鐵場除塵灰混合后制粒，燒結(jié)料中配入６％～８％的除塵灰球可以改善料層透氣性，穩(wěn)定水碳，增加燒結(jié)礦產(chǎn)量，并改善質(zhì)量。首鋼曾將燒結(jié)電除塵灰等混合灰配入ＪＦ添加劑，利用造球盤進(jìn)行制粒，制粒后的除塵灰球配入混合料后能夠提高燒結(jié)料層透氣性，燒結(jié)機(jī)利用系數(shù)和成品率均有所提高^［１３］。寶鋼采用生石灰作為黏結(jié)劑，將燒結(jié)電除塵灰等７個(gè)煉鐵過程中產(chǎn)生的除塵灰作為原料，建設(shè)１００萬ｔ ／ ａ的粉塵造粒工藝，通過強(qiáng)力混合、潤磨合造球工藝后輸送到燒結(jié)制粒后皮帶進(jìn)行燒結(jié)^［１４］。

２．３　 制備球團(tuán)

回用燒結(jié)雖然能解決除塵灰的利用問題，但是仍會造成燒結(jié)礦中堿金屬富集、篦條糊堵等現(xiàn)象；同時(shí)燒結(jié)礦中鋅含量的升高會危害高爐的壽命和產(chǎn)量，部分燒結(jié)廠機(jī)頭除塵灰中較高的鋅含量也是限制其循環(huán)利用的重要因素。

火法還原是目前國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)比較流行和較為認(rèn)可的含鋅含鐵塵泥處理方法，能有效實(shí)現(xiàn)含鋅球團(tuán)的脫鋅，同時(shí) 還 能夠 實(shí)現(xiàn) 對 鉀、鈉和鉛 的脫除^{［１５－１６］}，采用此種方法可以有效解決燒結(jié)機(jī)頭除塵灰利用過程中的堿金屬及鉛、鋅等重金屬富集的問題。研究者們針對燒結(jié)電除塵灰進(jìn)行了高溫還原制備金屬化球團(tuán)的研究。謝劍波等^［１７］將燒結(jié)電除塵灰配加軋鋼皮、活性炭、膨潤土以及有機(jī)黏結(jié)劑的混合料造成生球，并經(jīng)預(yù)熱、焙燒后制備脫鋅金屬化球團(tuán)，配加３％的活性炭能得到較好冶金性能及低鋅含量的金屬化球團(tuán)礦。畢學(xué)工等 ^{［１８ ］}以燒結(jié)電除塵灰、軋鋼皮、膨潤土、有機(jī)黏結(jié)劑和潞安煤為原料制備球團(tuán)，獲得脫鋅率達(dá)９１％ 、金屬化率為８０％ 、抗壓強(qiáng)度為２１０５Ｎ 的球團(tuán)?；鸱ㄟ€原主要的處理工藝為回轉(zhuǎn)窯法和轉(zhuǎn)底爐法，國內(nèi)外主要用于高爐灰、轉(zhuǎn)爐灰等高鋅粉塵的處理，輔助處理燒結(jié)機(jī)頭除塵灰，但是回轉(zhuǎn)窯法存在低鋅粉塵窯壁結(jié)圈的問題^［１９］，轉(zhuǎn)底爐法存在投資高、能耗和生產(chǎn)成本高、作業(yè)率低等問題，均未能得到廣泛實(shí)施。

２．４　 制備肥料等高附加值產(chǎn)品

由于鉀在燒結(jié)機(jī)頭電除塵灰中主要以氯化物的形態(tài)存在，針對其易溶于水的特點(diǎn)，其提取利用主要研究方向?yàn)橹苽渎然涀鳛榉柿?。張梅?sup>［２０］在國內(nèi)現(xiàn)有除塵灰提取氯化鉀的工藝基礎(chǔ)上提出了水洗脫鉀 → 固液分離 → 除雜與脫色 → 固液分離 → 真空蒸發(fā) → 冷卻結(jié)晶的氯化鉀回收新工藝，獲得氯化鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)９７．２４％的產(chǎn)品。錢峰等^［２１］ 采用水浸、磁選、過濾、蒸發(fā)等工藝，去除其中的有害元素，開發(fā)出二次提純結(jié)晶的方法，將氯化鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)由９３．０％提高到９９．８％ ，磁選濾渣不僅堿金屬含量降低，而且鉛含量也大幅降低。郭占成等^［２２］發(fā)明了一種利用燒結(jié)電除塵灰生產(chǎn)氯化鉀的方法，并在唐山市曹妃甸區(qū)建立了一條利用冶金富鉀粉塵年產(chǎn)氯化鉀５萬ｔ、年產(chǎn)精鐵粉２０萬ｔ的生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)電除塵工業(yè)化再循環(huán)利用^［２３］，其處理后的某批次除塵灰與作為原料的某燒結(jié)機(jī)電場灰的主要成分情況見表４ ?？梢钥闯?，提鉀后的除塵灰精粉鉀、鈉含量均大幅降低，鐵品位得到大幅提升。但是由于這種工藝所用原料來自各個(gè)鋼廠，所回收的鐵精粉成分及燒結(jié)性能不固定，對其利用可能會造成一定障礙。

 因所用原料不同，不同燒結(jié)廠的燒結(jié)機(jī)機(jī)頭除塵灰的雜質(zhì)元素如鉛、銀等含量也有所差異，如邱紅緒等^［２４］采用火焰原子吸收光譜法對河北地區(qū)１１家鋼鐵廠燒結(jié)機(jī)頭除塵灰試樣測試發(fā)現(xiàn)，銀的含量為３６～２９９ｇ／ ｔ不等，采取合適方法進(jìn)行針對性地提取并利用，可以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)機(jī)頭除塵灰的經(jīng)濟(jì)循環(huán)利用。張佴棟等^{［２５ ］}以煉鐵燒結(jié)機(jī)頭除塵灰為試驗(yàn)原料，采用酸性硫脲法浸出燒結(jié)灰提取銀。在最佳提取條件下，獲得真實(shí)銀的浸出率為８９．９％ 。吳濱等^［２６］將燒結(jié)電除塵灰通過水洗除鹽，并以氨水為絡(luò)合劑經(jīng)分步分離回收試驗(yàn)回收銀、銅和鋅，獲得含銀質(zhì)量分?jǐn)?shù)９１．２０％ 、含銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)８６．４０％及含氧化鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)９８．７０％的各分離產(chǎn)物，燒結(jié)除塵灰中銀、銅和鋅元 素 的 總 回 收 率 分 別 為 ７１．２０％ 、 ６０．４０％ 和５６．７１％ 。燒結(jié)灰中的鉛多以氧化物和氯化物形式存在，不溶于水，也不具有磁性，多采用氯化浸取的方式。付志剛等^［２７］采用 ＨＣｌ－ ＮａＣｌ混合溶液濕法浸取回收燒結(jié)電除塵灰中的氯化鉛，并利用其熱分解制取純度為 ９９．２５％ 的一氧化鉛，鉛回收 率達(dá)９５．０８％ ，劉憲^［２８］制取出純度為９９．８％的一氧化鉛產(chǎn)品，但是目前這些技術(shù)僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，并未得到工業(yè)化應(yīng)用。

３　 展望

針對燒結(jié)機(jī)頭除塵灰，目前研究開發(fā)了多種利用方法，沒有一種完全適用于所有鋼廠的合理經(jīng)濟(jì)的再利用工藝，本文認(rèn)為可以從源頭控制和末端治理兩方面著手解決燒結(jié)機(jī)頭除塵灰的利用問題。

從源頭抓起減少燒結(jié)機(jī)頭除塵灰的產(chǎn)生及有害元素的含量是控制其產(chǎn)生量、降低處理難度和成本的有效手段，燒結(jié)配料方面可以通過優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)，減少高有害元素的礦石用量以降低燒結(jié)機(jī)頭除塵灰的有害元素含量；工藝方面推薦采用煙氣循環(huán)工藝直接降低燒結(jié)煙氣中的粉塵總量。目前，煙氣循環(huán)工藝在國內(nèi)外均得到了一定的應(yīng)用，通過將部分煙氣循環(huán)到燒結(jié)料面，可直接減少煙氣量，從而實(shí)現(xiàn)粉塵和污染物的減排，國內(nèi)沙鋼、寧鋼、聯(lián)峰鋼鐵等鋼廠燒結(jié)煙氣循環(huán)比例在２０％～３５％^［２９］，最高煙氣循環(huán)比例為荷蘭艾默伊登鋼鐵廠的 ＥＯＳ （ ｅｍｉｓｓｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚｅｄ?。螅椋睿簦澹颍椋睿?）工藝達(dá)到５０％ ，實(shí)現(xiàn)二噁英減排量達(dá)到７０％ ，顆粒物和 ＮＯ ｘ 減排量近４５％^［３０］。

末端治理方面，各鋼廠所用原料、燒結(jié)裝備及工藝條件不同，燒結(jié)機(jī)頭除塵灰有害元素含量也有明顯差異，所以應(yīng)根據(jù)自身特點(diǎn)采用合理的方式實(shí)現(xiàn)資源化處理，建議總的低成本治理思路為：首先通過煙氣循環(huán)工藝實(shí)現(xiàn)粉塵減量，其次根據(jù)各自除塵灰成分特點(diǎn)，通過優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)降低超出回用標(biāo)準(zhǔn)的有害元素含量，采取部分或全部回用燒結(jié)的方式。對于有害元素超標(biāo)無法回用的企業(yè)，可采取銷售至集中處理企業(yè)生產(chǎn)肥料等高附加值產(chǎn)品，在分離有害元素后實(shí)現(xiàn)回用；對于無法采用上述方式的燒結(jié)廠，則需配建合適的有害元素分離工藝，如氯化鉀提取工藝、回轉(zhuǎn)窯工藝、轉(zhuǎn)底爐工藝等，以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)除塵灰資源化合理利用。

４　 結(jié)論

（１）燒結(jié)機(jī)頭除塵灰產(chǎn)生量大、粒度細(xì)，成分中含有大量的鐵氧化物可以回收利用，但也含有過多的以氯化物、氧化物的形式存在的堿金屬、重金屬等，同時(shí)還含有一定量強(qiáng)毒性的二噁英。

（２）當(dāng)前中國燒結(jié)機(jī)頭除塵灰的利用方式有直接返回?zé)Y(jié)利用、與多種除塵灰制粒后回用燒結(jié)、脫鋅制備金屬化球團(tuán)及分離有害元素制備高附加值產(chǎn)后回用燒結(jié)等。

（３）煙氣循環(huán)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)燒結(jié)機(jī)頭除塵灰及其他污染物大幅減排，未來燒結(jié)除塵灰總的低成本處理思路應(yīng)為先進(jìn)行煙氣循環(huán)減量化，再根據(jù)各鋼廠實(shí)際情況采用回用燒結(jié)或分離有害元素后再利用的方式。