工業(yè)化含鋅粉塵處理技術(shù)現(xiàn)狀及分析

張偉，趙德勝,劉寶奎,張磊,李建軍,范振夫,張海明

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧 鞍山114021）

鋼鐵企業(yè)在煉鐵、煉鋼以及軋鋼等各工序會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，約占到總鋼產(chǎn)量的10%左右。隨著近年來(lái)霧霾天氣頻發(fā)，保護(hù)環(huán)境成為全社會(huì)共識(shí)，國(guó)家針對(duì)工業(yè)粉塵排放的管控日趨嚴(yán)格，尤其重點(diǎn)涉及的鋼鐵企業(yè)壓力加大，各工序除塵設(shè)施不斷增加升級(jí)，使粉塵的數(shù)量也持續(xù)增加，這些粉塵往往含有大量鐵和碳而具有很高的利用價(jià)值，傳統(tǒng)方式一般將其作為配料返回?zé)Y(jié)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部回收。但其中部分粉塵含有較高的鋅等有害元素，直接回配將使鋅不斷循環(huán)富集，導(dǎo)致高爐鋅負(fù)荷超標(biāo)，對(duì)生產(chǎn)順行和安全長(zhǎng)壽造成危害，而另一方面由于含鋅粉塵質(zhì)量遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)煉鋅原料，提鋅價(jià)值有限，通常也無(wú)法直接給煉鋅企業(yè)使用，因此如何有效處置含鋅粉塵一直是業(yè)界的重要課題。目前國(guó)內(nèi)外已有諸多工業(yè)化成熟技術(shù)，本文對(duì)相關(guān)工藝進(jìn)行了闡述和分析，以期為企業(yè)采用適宜的處置方式提供參考。

1 鋼鐵生產(chǎn)系統(tǒng)中鋅的來(lái)源

鋼鐵企業(yè)從高爐順行及安全長(zhǎng)壽考慮，應(yīng)嚴(yán)格限制原燃料鋅含量，通常要求高爐鋅負(fù)荷不超過(guò)0.15 kg/t（鐵水），但由于經(jīng)營(yíng)形勢(shì)、原料條件或主觀上不重視，很多企業(yè)的高爐鋅負(fù)荷都超出以上標(biāo)準(zhǔn)。以鞍鋼為例，鞍鋼鲅魚(yú)圈分公司4038 m3高爐鋅負(fù)荷曾達(dá)到1.5 kg/t左右，通過(guò)進(jìn)行高爐鋅平衡分析發(fā)現(xiàn)，90%以上的鋅都是由燒結(jié)礦帶入，表1為進(jìn)一步對(duì)燒結(jié)部分原料檢驗(yàn)鋅含量后的對(duì)比結(jié)果。由表1可知，粉塵類物料的鋅含量普遍較高，尤其高爐干法布袋灰含鋅最高，而各精礦的鋅含量都較低（均未超過(guò)0.01%），因此含鋅粉塵回配燒結(jié)是導(dǎo)致高爐鋅負(fù)荷過(guò)高的直接原因，經(jīng)過(guò)減少和暫停回配干法灰等高鋅粉塵料后，高爐鋅負(fù)荷隨之明顯降低。

表1 含鐵原料鋅含量對(duì)比（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)） %

鋼鐵生產(chǎn)系統(tǒng)中的鋅初始主要來(lái)源于鐵礦原料，雖然鐵礦中伴生的鋅含量都極低，但由于鋅的循環(huán)富集特點(diǎn)使其在系統(tǒng)中會(huì)不斷累積，而迫于成本壓力使用低價(jià)料比例增大，入爐品位降低，也促使進(jìn)入系統(tǒng)的鋅量增加。另一方面，隨著鍍鋅產(chǎn)品增長(zhǎng)，煉鋼中使用的含鋅廢鋼也成為鋼鐵系統(tǒng)中鋅的一大來(lái)源，含鋅廢鋼的使用使轉(zhuǎn)爐粉塵的鋅含量明顯提高，電爐煉鋼粉塵的鋅含量通常會(huì)更高。

在傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，含鋅粉塵回配燒結(jié)模式導(dǎo)致鋅的循環(huán)幾乎沒(méi)有出口，從而造成系統(tǒng)中的鋅量只增不減，尤其對(duì)高爐造成諸多危害影響，減少粉塵回配量或短期停用并不能從根本上解決問(wèn)題，關(guān)鍵還是要脫除鋅等有害元素，國(guó)外在此領(lǐng)域的研究較早，開(kāi)發(fā)了眾多的含鋅粉塵處理工藝，尤其一些已工業(yè)化的成熟技術(shù)值得借鑒。

2 工業(yè)化含鋅粉塵處理技術(shù)概況

2.1 選礦法處理技術(shù)

選礦法即采用常規(guī)選礦技術(shù)實(shí)現(xiàn)粉塵中Zn、C、Fe元素的分離和富集，根據(jù)鋅具有富集在粒度較小和磁性較弱粒子上的特性，可利用水力旋流器使含鋅高的較細(xì)粉塵溢流［1］，含鋅低的較粗粉塵底流，進(jìn)而通過(guò)重選浮選選碳、磁選選鐵。選礦法相對(duì)工藝簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低、易于實(shí)施，但脫鋅率相對(duì)不高，能達(dá)到70%左右，從提鋅考慮一般作為濕法或火法工藝的預(yù)處理工藝。

2.2 濕法處理技術(shù)

濕法技術(shù)一般用于較高鋅含量（＞15%）的粉塵處理，主要有酸浸法和堿浸法。酸浸法主要是用硫酸、鹽酸、醋酸等作浸出劑，粉塵中的鋅化合物在酸中溶解，對(duì)浸出液過(guò)濾除雜后電積回收鋅，部分化學(xué)反應(yīng)如下：

采用強(qiáng)酸（硫酸、鹽酸等）浸出工藝鋅的浸出率較高，在常溫常壓下為80%以上，在高溫、加壓條件下可提高到90%以上，但大量鐵及其他硅、鋁等雜質(zhì)也易被浸出，加重了后序凈化負(fù)擔(dān)，影響產(chǎn)品質(zhì)量［2］。弱酸（碳酸、醋酸等）浸出工藝能耗較低，氧化鋅產(chǎn)品質(zhì)量較高，但鋅浸出率低，特別是當(dāng)其主要以鐵酸鋅形式存在時(shí)，鋅浸出率更低。

堿浸法主要是用氫氧化鈉等強(qiáng)堿作浸出劑，還有用氨溶液或氨與銨鹽的混合溶液作浸出劑，鋅氧化物溶于堿中轉(zhuǎn)入溶液，部分化學(xué)反應(yīng)如下：

堿浸法相對(duì)選擇性好，得到的浸出液更純，可制取純度較高的氧化鋅產(chǎn)品，但鋅浸出率相對(duì)較低，鐵酸鋅形式的鋅難被浸出。

總體而言，濕法工藝相對(duì)能耗小、設(shè)備投資少，但浸出劑消耗多，生產(chǎn)效率較低，除雜工藝步驟繁瑣，而且普遍存在設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、浸渣易造成二次污染等問(wèn)題。由于濕法工藝更適用于較高鋅含量的粉塵處理，通常國(guó)外用其處理電爐粉塵方面研究的較多。

2.3 火法處理技術(shù)

目前鋼鐵企業(yè)普遍流行的處理方法仍是火法工藝，對(duì)相關(guān)設(shè)備和配套技術(shù)也更加熟悉。火法處理工藝的基本原理都是利用鋅沸點(diǎn)較低、高溫易揮發(fā)的性質(zhì)，通過(guò)還原使粉塵中的鋅揮發(fā)再富集回收。主要化學(xué)反應(yīng)為：

火法工藝的典型工業(yè)化代表是回轉(zhuǎn)窯、轉(zhuǎn)底爐、豎爐和小高爐幾種技術(shù)，此外還有一些利用微波、等離子等手段的新技術(shù)，下面對(duì)幾種典型的火法脫鋅工藝進(jìn)行介紹。

2.3.1 回轉(zhuǎn)窯工藝

回轉(zhuǎn)窯工藝是用固體燃料作還原劑，以回轉(zhuǎn)窯為反應(yīng)器，能處理較廣的原料，目前已發(fā)展出多種類型，有威爾茲法（Waelz）、川崎法、SL/RN法、SDR法等。其中以Waelz回轉(zhuǎn)窯工藝應(yīng)用最為廣泛，該工藝是20世紀(jì)20年代德國(guó)克虜伯公司為處理鋅精煉渣而開(kāi)發(fā)，其基本流程見(jiàn)圖1［3］。具體將含鋅粉塵和還原劑（煤、焦粉或含碳粉塵）輔以石灰等，經(jīng)配料、混合造球（也可不造球）送入回轉(zhuǎn)窯，在1 100～1 300℃高溫處理，物料中的金屬氧化物與碳質(zhì)還原劑發(fā)生反應(yīng)，還原的鋅揮發(fā)進(jìn)入煙氣并二次氧化，煙氣經(jīng)冷卻（或余熱鍋爐換熱）后集塵，其中氧化鋅含量約55%～60%，可作為鋅冶煉廠粗氧化鋅原料；還原后的窯渣經(jīng)破碎、磁選等，金屬化鐵料可作為煉鐵高爐或燒結(jié)原料，殘留的炭粒也被回收。另外還設(shè)置有吸附過(guò)濾裝置，用吸附劑 （活性炭等）過(guò)濾氯化物及二噁英等污染物，使廢氣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 Waelz回轉(zhuǎn)窯工藝流程

回轉(zhuǎn)窯工藝脫鋅率較高，普遍能達(dá)到90%以上， 歐美 Horsehead Resources Development、B.U.S AG、Global Steel Dust Ltd等，以及日本住友金屬、中國(guó)臺(tái)灣鋼聯(lián)等都廣泛采用（表2），處理能力從數(shù)萬(wàn)到數(shù)十萬(wàn)噸，大都用于處理含鋅＞15%的電爐粉塵，否則經(jīng)濟(jì)效益不佳，不過(guò)日本開(kāi)發(fā)的回轉(zhuǎn)窯傾向處理低鋅粉塵。國(guó)內(nèi)同類型回轉(zhuǎn)窯多是Waelz工藝，大都是煉鋅企業(yè)用來(lái)處理浸出渣，而處理鋼鐵粉塵的較少，文獻(xiàn)介紹過(guò)的有云南紅河鋅聯(lián)公司、昆鋼等采用過(guò)其技術(shù)［4］。

回轉(zhuǎn)窯工藝具有工藝成熟、投資低、運(yùn)行簡(jiǎn)單的顯著優(yōu)點(diǎn)，但處置低鋅物料不太適宜，鐵料金屬化率也低，生產(chǎn)過(guò)程中常發(fā)生結(jié)圈現(xiàn)象，寶鋼曾進(jìn)行回轉(zhuǎn)窯處理高鐵含鋅塵泥工業(yè)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)窯內(nèi)結(jié)圈相當(dāng)嚴(yán)重，認(rèn)為不可行。

2.3.2 轉(zhuǎn)底爐工藝

轉(zhuǎn)底爐是目前鋼鐵企業(yè)應(yīng)用最廣泛的處理工藝，該技術(shù)最早可以追溯到1965年由Midland Ross公司（Midrex公司前身）開(kāi)發(fā)的Heat-Fast工藝，轉(zhuǎn)底爐不僅僅局限于處理鋼廠內(nèi)含鋅固廢，后來(lái)也作為一項(xiàng)非高爐煉鐵工藝得以不斷改進(jìn)和發(fā)展，至今已開(kāi)發(fā)出多種類型，例如Fastmet、INMETCO、ITmk3等工藝。比較典型的如Fastmet工藝（圖2）［5］，其工藝過(guò)程主要是將含鋅粉塵（或鐵礦）與其它碳質(zhì)還原劑混合造球（或壓塊），干燥后送入轉(zhuǎn)底爐，爐料隨著爐底旋轉(zhuǎn)1周約10～30 min，料層高度約l～3層球團(tuán)，在1 250℃以上高溫快速還原處理，鋅等元素還原揮發(fā)進(jìn)入煙氣，普遍可實(shí)現(xiàn)脫鋅90%以上，同時(shí)獲得金屬化率70%以上的金屬化球團(tuán)。

轉(zhuǎn)底爐工藝很受日本鋼鐵企業(yè)青睞，新日鐵、神戶制鋼等先后投產(chǎn)多座并對(duì)其展開(kāi)深入研究，我國(guó)也有很多鋼鐵企業(yè)投產(chǎn)，如馬鋼、沙鋼、日照、榮程、萊鋼、臺(tái)灣中鋼等（表 3）［6］，大都用于處理企業(yè)內(nèi)部產(chǎn)生的煉鐵及煉鋼含鋅粉塵固廢，也有企業(yè)直接使用鐵礦生產(chǎn)DRI或粒鐵。

表2 部分回轉(zhuǎn)窯工藝應(yīng)用情況

圖2 轉(zhuǎn)底爐工藝流程

轉(zhuǎn)底爐工藝經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已經(jīng)很成熟，脫鋅率普遍較高，與其它方法相比，轉(zhuǎn)底爐的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)原燃料的要求比較靈活，工藝設(shè)備簡(jiǎn)單易于制造，轉(zhuǎn)底爐本體類似于軋鋼環(huán)形加熱爐，一些輔助設(shè)施也與傳統(tǒng)球團(tuán)廠相似，投資較低，污染也相對(duì)較小。缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)底爐主要依靠輻射傳熱，爐底只鋪l～3層球團(tuán)，普遍存在能耗高、生產(chǎn)率低的問(wèn)題；另外由于處理的粉塵成分復(fù)雜，煙氣中易凝結(jié)物質(zhì)較多，使余熱回收系統(tǒng)容易出現(xiàn)堵塞黏結(jié)；出料設(shè)備、耐材等損耗較快也需進(jìn)一步優(yōu)化。

2.3.3 富氧豎爐工藝

傳統(tǒng)沖天爐用于熔煉鑄造鐵已有多年歷史，爐料包括生鐵、廢鋼等，燃料采用鑄造焦和氣體燃料等，德國(guó)Kuttner公司開(kāi)發(fā)的Oxycup富氧豎爐工藝即源自傳統(tǒng)沖天爐的改良技術(shù)。該工藝基本流程如圖3［7］。將燒結(jié)、高爐、轉(zhuǎn)爐及軋鋼等工序產(chǎn)生的各類粉塵配以焦粉等還原劑，以水泥為黏結(jié)劑，混合壓制成大小約100～150 mm的六棱柱型磚塊，養(yǎng)護(hù)約3天即可入爐使用。Oxycup爐為富氧熱風(fēng)豎爐，從爐頂裝入型磚、廢鋼、渣鋼、焦炭、礫石等爐料，從下部風(fēng)口吹入富氧熱風(fēng)，爐料經(jīng)過(guò)預(yù)熱、還原、熔化、渣鐵分離等冶金過(guò)程，最終生成鐵水、爐渣和煤氣。煤氣凈化后可預(yù)熱熱風(fēng)或并入煤氣管網(wǎng)，濕法除塵收集的富鋅粉塵污泥外銷給煉鋅廠，脫鋅率達(dá)到95%以上。

Oxycup工藝在墨西哥Sicartsa、德國(guó)TKS、日本新日鐵、JFE和我國(guó)太鋼都有采用，部分豎爐工藝應(yīng)用情況見(jiàn)表4所示。

表3 部分轉(zhuǎn)底爐工藝應(yīng)用情況

圖3 Oxycup富氧豎爐工藝流程

表4 部分豎爐工藝應(yīng)用情況

德國(guó)蒂森克虜伯公司所用的豎爐高約10 m，爐缸直徑2.6 m，處理能力25～50 t/h，其熱風(fēng)流量30 000 m3/h，溫度約650℃，鼓風(fēng)壓力40 kPa，同時(shí)噴入3 500 m3/h氧氣，焦比為200～350 kg/t。采取連續(xù)出鐵制度，鐵水產(chǎn)量 15～65 t/h，渣量 15～30 t/h，爐頂煤氣量約50 000 m3/h，熱值約4 200 kJ/m3，煤氣除塵污泥可以壓塊回用，一般使含鋅量富集到30%以上再外銷。每6周左右要停爐維修一次，主要是修補(bǔ)耐材，檢修需約6天時(shí)間。

Oxycup工藝具有傳統(tǒng)沖天爐的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)爐料種類適應(yīng)性廣、爐料強(qiáng)度要求低、生產(chǎn)靈活，能夠處理鋼鐵企業(yè)含鋅粉塵以及渣鋼類的大塊廢料。缺點(diǎn)是燃料比較高、設(shè)備運(yùn)行周期短、維修量大，此外壓塊工序也投資較高、流程較復(fù)雜。

2.3.4 小高爐工藝

德國(guó)DK公司專門(mén)利用580 m3小高爐處理各類鋼鐵粉塵和廢舊電池，每年處理歐洲各鋼廠的45萬(wàn)t含鋅粉塵，可回收28萬(wàn)t生鐵和1.7萬(wàn)t富鋅粉，同時(shí)處理廢舊電池達(dá)到2 000 t/a左右。

工藝過(guò)程即傳統(tǒng)高爐煉鐵模式，配套60 m2燒結(jié)機(jī)，燒結(jié)所用原料為轉(zhuǎn)爐塵泥、高爐塵泥、軋鋼鐵皮、電池等固體廢料及部分正常鐵礦，高爐主要冶煉鑄造鐵，焦比為630 kg/t，煤比為70 kg/t，燃料比在700 kg/t以上，煤氣利用率約為30%，高爐風(fēng)口12個(gè)，風(fēng)量65 000 m3/h，日產(chǎn)鐵量約1 000 t。由于DK小高爐主要以各種固廢為原料，入爐堿金屬負(fù)荷約為 8.5 kg/t，鋅負(fù)荷則達(dá)到 38 kg/t［8］，高爐煤氣除塵可回收富鋅粉塵，其鋅含量高達(dá)65%～68%，具有很高市場(chǎng)價(jià)值。

DK小高爐工藝完全基于傳統(tǒng)煉鐵模式，各種設(shè)備及技術(shù)相當(dāng)成熟，除了鋼鐵粉塵還能有效處理廢舊電池。缺點(diǎn)是由于專門(mén)處理各類固廢，高爐堿金屬、鋅等負(fù)荷極高，對(duì)長(zhǎng)壽及順行的危害影響也更嚴(yán)重。

3 含鋅粉塵處理工藝對(duì)比

表5對(duì)鋼鐵含鋅粉塵處理技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要對(duì)比。

表5 含鋅粉塵處理工藝對(duì)比

綜合來(lái)看，火法工藝相對(duì)更契合我國(guó)鋼鐵企業(yè)，其中回轉(zhuǎn)窯較適于處理高鋅的電爐粉塵，否則經(jīng)濟(jì)上可能不劃算，小高爐雖是鋼鐵企業(yè)最熟悉的工藝，但目前國(guó)家限制其發(fā)展，這也使國(guó)內(nèi)含鋅粉塵的處理主要集中在轉(zhuǎn)底爐與豎爐工藝上。

需要注意的是，幾種火法工藝在國(guó)外都取得了較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，這與其自身各方面條件以及國(guó)外嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)是分不開(kāi)的。此外鋼鐵企業(yè)含鋅粉塵具有循環(huán)累積的特點(diǎn)，隨著開(kāi)路處理會(huì)使系統(tǒng)循環(huán)的鋅量減少，粉塵含鋅量也會(huì)降低，脫鋅意義下降，因此選擇處理工藝還應(yīng)綜合其它功能，例如轉(zhuǎn)底爐能生產(chǎn)金屬化球團(tuán)，富氧豎爐可以熔煉廢鋼鐵等，各有特點(diǎn)，企業(yè)應(yīng)結(jié)合自身需求慎重考慮。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著入爐原燃料質(zhì)量下降、含鋅廢鋼用量增加，同時(shí)環(huán)保壓力不斷加大，含鋅粉塵的有效處理已成為鋼鐵企業(yè)一項(xiàng)重要工作。由于傳統(tǒng)工藝模式下無(wú)法避免鋅的循環(huán)和危害，采用新的專門(mén)處置工藝成為可行措施之一，對(duì)比目前已工業(yè)化的幾類處置技術(shù)，綜合來(lái)看火法工藝更適合鋼鐵企業(yè)，Waelz回轉(zhuǎn)窯、轉(zhuǎn)底爐、Oxycup豎爐、DK小高爐等各具特點(diǎn)，都取得了比較成功的經(jīng)驗(yàn)，目前國(guó)內(nèi)投產(chǎn)轉(zhuǎn)底爐較多，其次是富氧豎爐，經(jīng)過(guò)多年生產(chǎn)實(shí)踐已日趨成熟，企業(yè)可結(jié)合自身各方面條件選擇適宜的工藝路線，或參考其運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)深入研究，探尋更高效、更經(jīng)濟(jì)的處理方法。

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