鞠豪 謝其湘 徐文婷
(湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司 湘潭 411101)
摘要：回轉(zhuǎn)窯技術(shù)是當(dāng)前處理鋼鐵含鋅塵泥的主流工藝之一，本文綜述了傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯技術(shù)處置鋼鐵廠含鋅塵泥的工藝原理和新型回轉(zhuǎn)窯技術(shù)的改進(jìn)升級(jí)內(nèi)容以及未來發(fā)展方向。新型回轉(zhuǎn)窯技術(shù)在打破原料組分含量限制、緩解回轉(zhuǎn)窯體結(jié)圈問題、提高處置能力等方面有明顯的改善，更加符合鋼鐵企業(yè)對(duì)含鋅塵泥資源利用的需求。
關(guān)鍵詞：鋼鐵含鋅塵泥，回轉(zhuǎn)窯，資源化利用
0 引言
隨著鋼業(yè)行業(yè)“固廢不出廠”模式的大勢所趨，含鋅固廢的資源化利用已經(jīng)成為鋼鐵企業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的重要問題。因鋅具有易還原、沸點(diǎn)低等特性，鋼鐵企業(yè)含鋅塵泥的循環(huán)利用易造成鋅在高爐內(nèi)富集，導(dǎo)致耐材膨脹、破壞磚襯、產(chǎn)生結(jié)瘤，給高爐冶煉及爐況造成不利影響[1]。
目前鋼鐵企業(yè)對(duì)含鋅塵泥主要采用廠內(nèi)長期堆存、外委或自建處理設(shè)施等方式進(jìn)行處理。外委單位一般是鋼鐵廠周邊的固廢加工利用企業(yè)，而自建處理設(shè)施通常是部分鋼鐵企業(yè)自建轉(zhuǎn)底爐和回轉(zhuǎn)窯來對(duì)含鋅塵泥進(jìn)行處置，其中回轉(zhuǎn)窯工藝因設(shè)備簡單、脫鋅率高、投資小等因素目前應(yīng)用最廣泛[2,3]，但該工藝也存在能耗較高，固廢資源化利用水平相對(duì)較低，處置含鐵量較高的塵泥窯體易結(jié)圈等問題，新型回轉(zhuǎn)窯工藝針對(duì)以上問題做了進(jìn)一步的升級(jí)改進(jìn)，更加符合鋼鐵企業(yè)對(duì)含鋅固廢資源利用的需求。
1 鋼鐵行業(yè)回轉(zhuǎn)窯技術(shù)現(xiàn)狀
1.1 傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯技術(shù)工藝流程
鋼鐵行業(yè)傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯工藝流程主要為：原料+煤粉或焦粉→配料→回轉(zhuǎn)窯→沉降室→表面式冷卻器→布袋除塵→煙氣脫硫等工序，含鋅塵泥配加燃料（一般是焦粉或煤粉）后，經(jīng)過混合，送入回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行還原焙燒。在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃料燃燒提供熱量并兼做還原劑，燃料中的碳將含鋅塵泥中的鐵氧化物還原為金屬鐵，鋅氧化物還原為金屬鋅。金屬鋅在高溫下氣化進(jìn)入煙氣后再次被氧化成為次氧化鋅粉，煙氣從回轉(zhuǎn)窯窯尾排出后經(jīng)過降溫，再由布袋除塵器收集次氧化鋅粉。經(jīng)過還原后的鐵渣從回轉(zhuǎn)窯窯頭排出，冷卻后破碎磁選，富鐵料可返回?zé)Y(jié)作為原料使用，其余尾渣外賣至水泥和建材市場使用[4,5]。具體工藝流程如圖1所示。
圖1 傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯工藝流程圖[6]
1.2 傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯技術(shù)特點(diǎn)
回轉(zhuǎn)窯處理鋼鐵含鋅塵泥技術(shù)目前在國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛，其能夠?qū)崿F(xiàn)含鋅塵泥的資源化回收利用，且具有工藝成熟、投資低、建設(shè)靈活、脫鋅率較高、人工成本低等特點(diǎn)，被諸多鋼鐵企業(yè)采用。目前國內(nèi)如馬鋼、武鋼、漣鋼、酒鋼、包鋼、昆鋼等均已建設(shè)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線[3,4]。投資建設(shè)方面來說，相較于轉(zhuǎn)底爐工藝，相同處置能力投資金額是轉(zhuǎn)底爐工藝的60%，據(jù)資料顯示，年處理量為20萬t的回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線，其總投資為6000萬元，運(yùn)行成本亦較低，目前國內(nèi)有80多條回轉(zhuǎn)窯脫鋅生產(chǎn)線[2]。金永龍等[7]研究可研分析，年處置固廢20萬t的回轉(zhuǎn)窯的總投資同比轉(zhuǎn)底爐低15%-20%。
該工藝的主要產(chǎn)品為次氧化鋅粉和含鐵渣，據(jù)資料記載，該工藝中ZnO的脫出率達(dá)到約80%，其中次氧化鋅的鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)30％—40％，可直接對(duì)外銷售給鋅冶煉廠使用，是回轉(zhuǎn)窯工藝的主要收益來源。而鐵渣往往因鐵含量和金屬化率偏低，一般鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％—55％、金屬化率為50％左右，往往需要進(jìn)一步處理，導(dǎo)致產(chǎn)品收益較低[8]。
但是回轉(zhuǎn)窯技術(shù)處理含鋅含鐵塵泥也存在爐料易在窯內(nèi)粘結(jié)造成結(jié)圈、設(shè)備作業(yè)率低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、工作環(huán)境較差、二次污染等問題。
1.3 傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯技術(shù)的局限和問題
1.3.1 原料要求高
回轉(zhuǎn)窯技術(shù)一般適合于高鋅低鐵塵泥，對(duì)原料的含鋅量及含鐵量有要求，一般要求混合料含鋅量＞6%，含鐵量＜30%，這是考慮了回轉(zhuǎn)窯的經(jīng)濟(jì)性，有時(shí)需添加酸性紅泥以提高鋅含量[6,9,10]?；剞D(zhuǎn)窯法比較適合處理電爐除塵灰、高爐除塵灰，得到的次氧化鋅產(chǎn)品品位較高，并且可實(shí)現(xiàn)無需配碳處理。但對(duì)于鋼鐵廠內(nèi)其他含鐵塵泥的利用，如轉(zhuǎn)爐一次、二次除塵灰、轉(zhuǎn)爐OG泥等存在一定的局限性，往往需進(jìn)行配碳配料使用，且得到的次氧化鋅產(chǎn)品品位較低，經(jīng)濟(jì)性差。且回轉(zhuǎn)窯法也不適合處理燒結(jié)機(jī)機(jī)頭除塵灰，主要是由于燒結(jié)機(jī)機(jī)頭除塵灰中氯元素含量太高，可達(dá)到40%，會(huì)對(duì)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響[11]。
1.3.2 能源消耗高
通常燃料采用煤粉或焦粉與原料混合，據(jù)研究表明，為保證原料的充分還原以及燃料提供的熱量，混料過程中煤粉或焦粉的加入量占比最大約30%[9]。側(cè)面也導(dǎo)致鐵渣中往往殘硫較高，進(jìn)而影響了窯渣二次利用的經(jīng)濟(jì)性。
1.3.3 窯體結(jié)圈
窯體結(jié)圈是指回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的物料在窯內(nèi)壁上發(fā)生大面積的粘結(jié)并且連接成環(huán)狀。研究表明導(dǎo)致結(jié)圈最主要的原因是煤灰的堆積和物料中各種氧化物反應(yīng)形成的低熔點(diǎn)化合物在窯中高溫的作用下形成了液相，結(jié)圈物的最主要的化學(xué)成分是鐵和鐵的氧化物以及CaO、SiO2、Al2O3等[10]；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(huì)迅速地惡化窯內(nèi)工況。同時(shí)鋼鐵廠產(chǎn)生的粉塵粒度都比較細(xì)，50μm以下的粉塵占大多數(shù)[9]，因原料粒徑小，熔點(diǎn)也偏低，易出現(xiàn)軟融現(xiàn)象，粉料過多也容易造成黏結(jié)。鋼鐵企業(yè)典型除塵灰粒度分布如下表所示。
表1 鋼鐵企業(yè)典型除塵灰粒度分布[9]
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鋼鐵企業(yè)典型除塵灰粒度分布 |
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塵泥種類 |
>40 μm |
20～40 μm |
10～20 μm |
5～10 μm |
1～5 μm |
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原料灰 |
24.20% |
70.10% |
2.40% |
1% |
1.30% |
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燒結(jié)灰 |
72% |
14.90% |
11.60% |
0.35% |
1% |
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瓦斯泥 |
>35 μm約40%,≤35 μm約60% |
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瓦斯灰 |
81% |
6.70% |
1.30% |
0.80% |
10.30% |
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出鐵場灰 |
52% |
24% |
11.90% |
8.10% |
4% |
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轉(zhuǎn)爐OG泥 |
>20 μm 38.2%,10～20 μm 50.6%,≤10 μm 11.2% |
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轉(zhuǎn)爐灰 |
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89% |
6.40% |
2.40% |
2.20% |
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電爐灰 |
41.70% |
12.40% |
12% |
10.50% |
23.40% |
結(jié)圈的危害主要有以下幾個(gè)方面[9，12,13,14]：1窯體結(jié)圈后，往往導(dǎo)致窯壁上的耐材松動(dòng)甚至脫落。高溫下結(jié)圈物與耐材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致耐材由于受到化學(xué)侵蝕而損壞。2回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結(jié)圈會(huì)導(dǎo)致窯體截面積變小，嚴(yán)重阻礙物料和煙氣的流動(dòng)，降低生產(chǎn)能力與產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)結(jié)圈物將回轉(zhuǎn)窯完全堵死，需頻繁停窯停產(chǎn)處理，極大地影響了生產(chǎn)效率和效益。3結(jié)圈嚴(yán)重時(shí)無法正常生產(chǎn)，必須停窯進(jìn)處理，處理完成后需重新開窯點(diǎn)火、升溫。若頻繁發(fā)生此現(xiàn)象將會(huì)造成能源大量浪費(fèi)。
為保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，需要嚴(yán)格控制塵泥含鐵量。進(jìn)而也說明回轉(zhuǎn)窯工藝無法處理含鐵量高的塵泥。
1.3.4有害蒸汽的產(chǎn)生和煙塵外溢
由于回轉(zhuǎn)窯采用焦粉或煤粉為燃料，燃料中含有一定量的硫化物，然而現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線的煙氣多數(shù)未經(jīng)過處理，直接排入大氣中，煙氣中的SO2對(duì)周邊環(huán)境造成污染。
另外，窯渣從回轉(zhuǎn)窯窯頭排出，直接落到水淬渣池。因熱窯渣的溫度高達(dá)900℃以上，遇水會(huì)產(chǎn)生大量白蒸汽，原料中摻入焦粉或煤粉，從而導(dǎo)致白蒸汽中含有硫化物，對(duì)周圍環(huán)境易造成污染。同時(shí)因粉料直徑過小，易造成揚(yáng)塵，窯頭一般采用半密封罩除塵[11]，存在一定的煙氣外溢，窯尾部位也存在不同程度的冒塵現(xiàn)象。
2 新型回轉(zhuǎn)窯技術(shù)
2.1新型回轉(zhuǎn)窯技術(shù)工藝流程
新型回轉(zhuǎn)窯工藝流程主要為：強(qiáng)力混合機(jī)→造球機(jī)→回轉(zhuǎn)窯（還原）→沉降室或余熱鍋爐→表面式冷卻器→布袋除塵器→濕法脫酸系統(tǒng)等工序，相對(duì)于傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯技術(shù)，新型回轉(zhuǎn)窯技術(shù)在工藝流程上主要新增原料強(qiáng)混+造球工藝，一定程度上參考了轉(zhuǎn)底爐的部分工藝，將粉料進(jìn)行造球處理，以球團(tuán)的形式進(jìn)入窯體。既可以抑制傳統(tǒng)粉料進(jìn)入窯體的揚(yáng)塵，減少粉料進(jìn)入煙氣中，從而提高次氧化鋅的品位。新型回轉(zhuǎn)窯工藝流程如圖2所示。
圖2 新型回轉(zhuǎn)窯工藝流程圖[15]
2.2 新型回轉(zhuǎn)窯與傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯的對(duì)比與改進(jìn)
2.2.1擴(kuò)寬原料適用范圍
新型回轉(zhuǎn)窯工藝增設(shè)原料強(qiáng)混、造球預(yù)處理工藝，將原料以球團(tuán)形式加入到回轉(zhuǎn)窯，與傳統(tǒng)粉料入窯相比，球團(tuán)在窯體內(nèi)翻滾可以大幅減少揚(yáng)塵，煙塵中粉塵含量降低，從而減少了高溫?zé)煿芏氯默F(xiàn)象，同時(shí)也減少了次氧化鋅粉的雜質(zhì)，提高了鋅品位。此外，因球團(tuán)在窯體內(nèi)受熱更加均勻充分，原料中低熔點(diǎn)的物質(zhì)在球體內(nèi)部集中反應(yīng)，反應(yīng)更加穩(wěn)定，減少窯體內(nèi)局部過熱，避免了含鐵原料與耐火材料的直接接觸軟化熔融而發(fā)生反應(yīng)粘結(jié)，減少了耐火材料的侵蝕及回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈現(xiàn)象。采用強(qiáng)混造球預(yù)處理后，能夠提高原料中允許加入的鐵含量，進(jìn)而提高了窯渣的鐵品位，改善副產(chǎn)品窯渣的經(jīng)濟(jì)性。傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯將原料混料后，含鐵量一般在30%左右，新型回轉(zhuǎn)窯混料含鐵量則能夠達(dá)到40%左右。
沈維民等[15]研究，通過強(qiáng)混、造球工藝將粉料制成3-8mm的小球，并通過反復(fù)試驗(yàn)，確定該工藝不需要添加黏結(jié)劑，也不需要額外干燥，制成的生球可直接進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)。研究表明，若入窯原料的鐵品位達(dá)到43％，窯渣的鐵品位可高達(dá)62％以上，這使得回收窯渣中的鐵成為可能。
2.2.2降低能耗
燃料可利用鋼鐵廠內(nèi)的高爐煤氣和其他低熱值氣體，對(duì)回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行供熱，原料中的碳元素僅作為還原劑，可以大幅減少所需含碳量。同時(shí)也可減少向窯體內(nèi)的鼓風(fēng)量，間接地提高了窯渣的金屬化率，為含鐵渣的利用創(chuàng)造條件。
2.2.3緩解窯體結(jié)圈
以往傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯中的空氣全部從窯頭鼓入，這會(huì)使窯頭部分區(qū)域成為高溫區(qū)，甚至局部過熱，容易造成回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈。新型回轉(zhuǎn)窯采用多噴孔回轉(zhuǎn)窯技術(shù)，將窯體進(jìn)風(fēng)方式改進(jìn)為窯頭部分進(jìn)風(fēng)+窯體中部進(jìn)風(fēng)，這種方式可以降低窯頭局部高溫，同時(shí)窯體內(nèi)高溫區(qū)的長度得到延長，有效緩解窯體結(jié)圈現(xiàn)象，提高設(shè)備的生產(chǎn)效率，減少檢修時(shí)間和設(shè)備維護(hù)成本。例如湖南誠鈺環(huán)保回轉(zhuǎn)窯改造項(xiàng)目是國內(nèi)首臺(tái)采用多噴孔進(jìn)風(fēng)的回轉(zhuǎn)窯，改造后生產(chǎn)規(guī)模提升10%-20%[15]。
2.2.4惰性氣氛干式出窯渣及余熱利用
通常高熱的窯渣從回轉(zhuǎn)窯窯頭直接排入水淬池冷卻，會(huì)激起濃厚的白蒸汽，造成出渣口工作環(huán)境極差，同時(shí)有部分硫化物會(huì)揮發(fā)出來，造成周邊環(huán)境污染。且窯渣的熱能被完全浪費(fèi)。目前窯渣的冷卻采用圓筒冷卻機(jī)等間接冷卻的方式[9]，通過惰性氣體保護(hù)窯渣中的金屬化鐵不被氧化，可提高窯渣的金屬化率；而采用合理的余熱利用工藝可以實(shí)現(xiàn)對(duì)窯渣中余熱的充分利用，例如用凈水進(jìn)行換熱，出水可作為鍋爐給水、預(yù)熱水及廠內(nèi)其他使用。
2.2.5回轉(zhuǎn)窯煙氣協(xié)同處置
回轉(zhuǎn)窯煙氣一般需配套脫硫設(shè)備設(shè)施，但單獨(dú)建設(shè)脫硫設(shè)施成本較高，因煙氣處理的污染物較為單一，為降低排放量節(jié)約成本，含鋅塵泥處置項(xiàng)目可充分利用周邊大型爐窯處置設(shè)計(jì)的余量，以燒結(jié)工序?yàn)楹诵?，將回轉(zhuǎn)窯煙氣接入燒結(jié)工序煙氣處理系統(tǒng)中一并處理，實(shí)現(xiàn)煙氣協(xié)同處置[16]。
3 新型回轉(zhuǎn)窯技術(shù)發(fā)展方向
（1）協(xié)同處置鋼鐵廠及城市固廢
現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯技術(shù)主要處置鋼鐵廠內(nèi)含鋅塵泥，原料來源相對(duì)比較單一，然而回轉(zhuǎn)窯擁有1050—1200℃的高溫還原環(huán)境，未來在協(xié)同處置其它類型固廢方面有較大的潛力。比如可協(xié)同處置塑料、橡膠、保溫棉等一般有機(jī)固廢，以及含油污泥等有機(jī)危廢，利用有機(jī)危廢中的揮發(fā)性碳提供熱源。固定碳作為還原劑，還可節(jié)約化石燃料的使用量并降低碳排放量。采用提鐵減鋅回轉(zhuǎn)窯還原含鉻廢物，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)含鉻廢物的解毒[8]。此外，在打造無廢城市方面可以形成助力，例如寶鋼對(duì)閑置的石灰回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行改造，使之轉(zhuǎn)型成為4000t/d協(xié)同處置工業(yè)及城市廢棄物的水泥熟料生產(chǎn)線?？商幚沓鞘形勰?、工業(yè)無價(jià)污泥10萬t/a( 含水率按 80%計(jì)) ，各類有毒有害廢棄物 5 萬t/a，礦渣、粉煤灰、脫硫石膏等工業(yè)廢棄物18.7萬 t/a[17]。因此，未來通過回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)多源固廢的協(xié)同處置，能夠助力實(shí)現(xiàn)“固廢不出廠”的目標(biāo)。
4 結(jié)語
鋼鐵行業(yè)新型回轉(zhuǎn)窯技術(shù)在擴(kuò)寬原料的適用范圍、降低能源消耗、改善窯體結(jié)圈問題等方面有較大的改進(jìn)，更加符合鋼鐵企業(yè)的使用需求，降低了鋼鐵企業(yè)的固廢處置成本，未來應(yīng)用前景廣闊，是助力鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)“固廢不出廠”的重要手段。
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