回轉窯處理含鋅塵泥技術現狀及改進方向

郭新穎

(重慶賽迪熱工環保工程技術有限公司,重慶 401120)

鋼鐵工業是國民經濟的重要基礎產業,是國家經濟水平和綜合國力的重要標志。但其在生產過程中會產生大量的固廢塵泥。據統計,鋼鐵企業固廢塵泥的產生量一般為鋼產量的8%～12%[1-2]。這些固廢塵泥可分為含鐵塵泥和含鋅塵泥,含鐵塵泥一般經過簡單處理后即可返回鋼鐵主工藝流程回收利用。含鋅塵泥通常含有鐵、鋅、碳等有價元素,含鋅塵泥的產生量約占鋼鐵企業固廢塵泥總量的30%。2021年我國粗鋼產量10.3億t,按此計算,我國鋼鐵企業每年產生的含鋅塵泥約為3 000萬t。如何處置這些數量巨大的含鋅塵泥已經成為鋼鐵工業的重要課題。

1 現有含鋅塵泥的處置方法

目前鋼鐵企業對于含鋅塵泥固廢的處置方式主要有三種:

(1)直接返回燒結-高爐流程循環利用。該法雖然能夠回收利用塵泥里面的鐵、碳元素,但是會導致鋅在高爐中循環富集,造成高爐爐襯結瘤,爐料透氣性變差,影響高爐順行。

(2)丟棄或者就地堆存。該法一方面造成了資源浪費,另一方面也會對土地、地下水造成污染。國家頒布的《中華人民共和國環境保護稅法》《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》等規律、法規對固廢塵泥的處置都做了明確要求,未來企業合理處置自身產生的廢棄物,做到固廢不出廠已是大勢所趨。

(3)采用一定的處理工藝將含鋅塵泥中的鋅脫除后,再返回鋼鐵主工藝流程回收利用。目前國內應用比較廣泛的含鋅塵泥處理工藝主要有轉底爐工藝以及回轉窯工藝。轉底爐工藝適用于含鋅≤6%的低鋅塵泥,回轉窯適用于含鋅>6%的高鋅塵泥。轉底爐單條生產線的處理規模一般在20萬t以上,適用于大規模的長流程鋼鐵企業。回轉窯單條生產線的處理規模一般在5～15萬t,適用于短流程電爐煉鋼企業或者中小規模的長流程鋼鐵企業,投資更低,生產更靈活。

2 回轉窯處理含鋅塵泥技術現狀

現有回轉窯處理含鋅塵泥工藝流程通常為:將含鋅塵泥配加燃料(焦粉或煤粉)后,經過混合,送入回轉窯中進行還原焙燒。在回轉窯中高溫條件下,利用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入煙氣后再次被氧化成為次氧化鋅粉,煙氣從回轉窯窯尾排出后經過降溫,再由布袋除塵器收集次氧化鋅粉。經過還原后的鐵渣從回轉窯窯頭排出,冷卻后作為燒結原料使用,工藝流程圖如圖1所示[3-4]。

圖1 回轉窯工藝流程圖

回轉窯處理含鋅塵泥技術目前在國內應用比較廣泛,其能夠實現含鋅塵泥的資源化回收利用,且具有投資低、建設靈活等特點,被諸多鋼鐵企業采用,但仍存在原料要求高、回轉窯易結圈、金屬化率低、殘鋅高、能耗高、環境差、自動化控制水平低等問題,嚴重制約回轉窯技術的推廣與發展,具體表現為:

(1)原料要求高:由于現有回轉窯生產線多采用粉料入窯,粉料容易進煙氣降低產品次氧化鋅粉的品位。因此為了保證回轉窯的經濟性,回轉窯只能處理高爐布袋灰、電爐灰等高鋅塵泥,或者經過富鋅處理后的低鋅塵泥,一般要求混合料鋅含量>6%,以此來滿足產品此氧化鋅粉的可銷售性。

(2)回轉窯易結圈:回轉窯中粉料在窯內旋轉前進,如果窯內溫度或原料堿度控制不當,出現熔融現象,原料在回轉窯中容易形成結圈,需要頻繁停窯檢修,結圈已經成了阻礙回轉窯發展的“頑疾”。

(3)金屬化率低、殘鋅高:為了防止回轉窯發生結圈現象,回轉窯內一般工藝溫度控制比較低,原料中的鐵、鋅還原不充分,鐵渣金屬化率低、殘鋅高,往往只能作為燒結原料或丟棄。

(4)燃料用量大、能耗高:為了保證原料在回轉窯內充分還原以及提供熱量,燃料(焦粉或煤粉)的配比往往高達30%。

(5)環境污染嚴重:現有回轉窯生產線多為粗放式生產,對于粉塵、SO2的治理措施多數不齊全,現場冒灰現象嚴重;鐵渣的冷卻也多采用水淬工藝,蒸汽逸散嚴重,現場作業條件差。

3 回轉窯生產過程影響因素及改進方向

3.1 入窯原料粒度

目前國內回轉窯處理含鋅塵泥生產線多采用粉料入窯,含鋅塵泥與燃料混合后直接送入回轉窯進行焙燒。

表1為鋼鐵企業典型除塵灰粒度分布[5],從表1中可以看出,鋼鐵廠產生的粉塵粒度都比較細,50μm以下的粉塵占大多數。粉塵粒度細,在下落的過程中會漂浮于空氣中。而在回轉窯的窯尾,由于煙氣引風機的作用,處于負壓狀態,在此處進入回轉窯中的原料很容易隨著煙氣被吸走,并在后續除塵器中和煙氣中的次氧化鋅粉一起被收集。吸入煙氣中的粉塵越多,產品次氧化鋅粉的品位越低,經濟效益越差。為了回轉窯的經濟性,不得不通過處理高鋅塵泥來提高產品中次氧化鋅的品位。

表1 鋼鐵企業典型除塵灰粒度分布

為了解決這一問題,打破回轉窯對入窯原料的限制,使回轉窯也能夠處理中、低鋅含量的塵泥,必須對原料進行成型處理。目前轉底爐處理含鋅塵泥技術即采用原料經過成型(造球或者壓球)后再進入轉底爐進行焙燒的方式,當混合料中鋅含量為2%時,產品次氧化鋅的品位可達到50%。回轉窯可借鑒該技術的成型處理方式,原料經過成型后再進入回轉窯進行焙燒,減少了粉料進入煙氣中的比例,提高了產品次氧化鋅的品位,預計回轉窯對于混合料中鋅含量的要求可降低至2%～3%,產品次氧化鋅品位可達到40%。

3.2 回轉窯結圈

回轉窯結圈是指回轉窯內的物料在窯內壁上黏結,并連接成環狀。結圈已經成為了公認的阻礙回轉窯推廣與發展最大的難題。回轉窯結圈造成的危害主要有以下幾方面:

(1)回轉窯內結圈使回轉窯截面尺寸變小,嚴重阻礙了物料和煙氣的流動,降低生產能力與產品質量,嚴重時結圈物將回轉窯完全堵死,需要頻繁停窯進行清理,大大降低了回轉窯的作業率。

(2)回轉窯內結圈后,由于窯內溫度不穩定和物料的機械運動,會使黏結在窯壁上的結圈物掉落或塌陷,導致窯壁上的耐材也跟著松動甚至脫落。高溫下,結圈物中的物質可能與耐材發生化學反應,導致耐材由于受到化學侵蝕而損壞。

造成回轉窯產生結圈現象的原因很多,主要有以下幾個方面[6-9]:

(1)窯內粉末過多:粉末的粒度越細,熔化溫度越低,窯內粉末過多的話在溫度較低的條件下就會發生軟融現象,造成窯內黏結。另外粉末還容易黏附在軟融物表面,使結圈范圍不斷擴大。

(2)回轉窯局部溫度過高:回轉窯內如果溫度控制不當,導致局部溫度過高,會使物料發生軟融,形成液相,液相的形成會加劇物料之間的黏結作用,從而促使窯內結圈的發展和長大。

(3)原料堿度控制不當:當原料中的堿度控制不當時,會在回轉窯內形成低熔點的物質,這些低熔點物質處于高溫區時就會產生液相,使回轉窯內的物料黏附到窯襯上加劇回轉窯內部的結圈。

通過對引起回轉窯結圈的因素進行分析,可采取以下措施來預防回轉窯結圈:

(1)對原料進行成型處理,減少回轉窯入窯粉料量;燃料選用灰分低且軟融溫度高的煤粉或者焦粉。

(2)原料入窯前,做好充分的干燥和預熱工作,防止成型后的原料入窯后在高溫焙燒時破裂而產生粉末;改善回轉窯內的布料,盡量確保窯內布料均勻,避免出現部分區域料層過厚的現象。

(3)實時關注回轉窯內火焰的位置和長度,合理控制窯頭鼓風量,使回轉窯內形成合理的溫度分布,避免出現局部高溫。

(4)加強配料管理,實行精細化配料,合理控制原料堿度,避免在窯內形成低熔點的物質。

3.3 回轉窯的焙燒制度

回轉窯的焙燒制度是決定含鋅塵泥中鐵、鋅是否能夠充分還原、揮發的關鍵因素。回轉窯焙燒制度主要包括焙燒溫度、終點控制、窯頭鼓風量、壓力以及窯尾抽風負壓等。

根據回轉窯內各區間溫度的變化,從窯尾至窯頭一般依次劃分為:干燥段、預熱段、高溫段以及冷卻段,各段的劃分及溫度分布情況如圖2所示。

圖2 回轉窯各區間溫度劃分情況

生產實踐表明,合理控制回轉窯內的溫度分布能夠促進含鋅塵泥中鐵、鋅氧化物的還原。窯內溫度過低,鐵、鋅還原不充分;溫度過高,造成能源浪費,且物料容易出現軟融狀態造成回轉窯結圈。一般高溫區溫度控制在1 100～1 200 ℃,高溫區長度控制在窯身總長的1/3～2/3為宜。高溫區的長短可以通過窯頭鼓風量和窯尾負壓來調整,增加鼓風量和窯尾負壓可以延長高溫區的長度,反之則可縮短高溫區的長度。但窯尾負壓不可控制過高,過高容易造成窯內風速加快,大量煙塵顆粒隨氣流進入煙道,影響產品次氧化鋅粉的品位[10]。

3.4 環境保護措施

現有的回轉窯生產線多為粗放式生產,現場操作環境較差,環境污染嚴重,主要問題如下:

(1)原料的堆存多采用落地堆存的方式,通過鏟車上料。由于含鋅粉塵粒度細,堆存及上料過程中粉塵很容易彌散在空氣中,操作環境極為惡劣。

(2)由于回轉窯采用焦粉或煤粉為燃料,燃料中含有硫,現有回轉窯生產線的煙氣多數不經過處理,直接排入大氣中,煙氣中的SO2會對環境造成污染。

(3)回轉窯窯頭、窯尾密封不嚴,并且不設環境除塵設施,生產過程中經常處出現“冒灰”現象,造成環境污染。

(4)窯渣的冷卻多采用水淬的方式,直接將窯渣排入水池中進行冷卻,水池中的水溫度升高,產生大量的蒸汽彌散在空氣中,現場操作環境差。

針對以上環境問題,在新建回轉窯生產線的設計中可考慮將原料堆存系統采用料倉封閉儲存的方式,減少粉塵逸散;對回轉窯煙氣系統配置脫硫裝置,煙氣脫硫后達標排放;對于窯頭、窯尾等有粉塵冒出的部位增加除塵點和除塵設施,減少冒出;窯渣的冷卻采用圓筒冷卻機等間接冷卻的方式,消除水蒸氣的逸散,改善現場操作環境。

4 結 語

回轉窯處理鋼鐵企業含鋅塵泥技術具有投資低、建設靈活等優點,通過調整入窯原料粒度、加強配料管理、合理控制窯內溫度、完善環保設施等手段,能夠改進現有回轉窯生產線對原料要求高、容易結圈、作業率低、環境差等問題,促進回轉窯處理鋼鐵企業含鋅塵泥技術的推廣和應用。