钢铁企业含铁尘泥资源化利用工艺及其选择吴 龙 郝以党 岳昌盛 胡天麒 (中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088) 摘要：介绍了各类含铁尘泥的性质和资源化利用的主要工艺，并通过对比分析进行了工艺选择建议。含铁尘泥的资源化利用途径可分为生产回用和除杂工艺两类。杂质元素含量低的含铁尘泥应采用生产回用工艺，建议采用制备冷固球团和均质化造粒工艺。杂质元素含量高的必须通过除杂处理，Zn、Pb杂质元素含量高的含铁尘泥建议采用转底炉生产金属化球团工艺，K、Na杂质元素含量高的含铁尘泥建议采用结晶法生产KCl工艺。除杂后的产品可返回生产流程，富集的杂质元素可实现高附加值利用。 关键词：含铁尘泥；资源利用；生产回用；除杂；转底炉 2014年我国钢产量为8.23亿t[1]，每生产1 t钢大约产生100 kg以上的含铁尘泥[2]，我国含铁尘泥年产生量在8 000万t以上。大量含铁尘泥需要合理的资源化处理方式。 含铁尘泥中普遍含有30%以上的Fe元素，也有部分含有Zn、C、K、Na等有价元素，此外仍有近30%以CaO、SiO2为主的杂质元素，具有巨大的资源化利用潜力。本文对含铁尘泥现有的资源化利用技术进行了阐述，并对其合理利用方式进行探讨，以期为钢铁企业含铁尘泥的资源化利用提供参考。 1 钢铁企业含铁尘泥概况钢铁生产包括烧结、球团、炼铁等工序，各生产工序均设置了除尘装备以确保排放达标。含铁尘泥为除尘过程收集的颗粒物，其成分列于表1中[3-8]。 由表1可知:含铁尘泥成分因除尘工位和方式而异，但主要由除尘工位决定。含铁尘泥按成分可分为高铁、高碳、高锌、高碱、高钙尘泥5类。转炉干法除尘灰、转炉尘泥、出铁厂除尘灰、高炉料仓除尘灰以及烧结成品除尘灰中全铁含量基本为50%，甚至高达60%，属于高铁尘泥；高炉重力除尘灰、瓦斯尘灰、瓦斯尘泥中的碳含量普遍高达20%～30%，为高碳尘泥，也含有少量锌元素；电炉除尘灰中锌含量往往在5%以上，为高锌尘泥。烧结机头除尘灰中，K、Na碱性元素的含量一般都在10%左右，为高碱尘泥；炼钢和烧结料仓除尘灰中CaO含量较高，为高钙尘泥。 各工序尘泥的资源化利用应基于尘泥的基本性质挖掘尘泥的价值，从而选择合适的处理方式。 表1 钢铁企业主要含铁尘泥成分 Table1 Mail composition of mud with iron in iron and steel enterprises %  工序种类TFeCaOMgOSiO2Al2O3C(Na+K)OZnO烧结料仓除尘灰23～3028～312～56～91～32～5机头除尘灰28～552～90～13～61～30.5～2.56～150～1.5机尾除尘灰45～558～172～34～82～31～30.1～0.5成品除尘灰50～556～102～42～51～3高炉炼铁料仓除尘灰54～566～92～32～41～3重力除尘灰36～532～30.5～15～92～415～340.3～1.20.2～0.5瓦斯尘灰22～302～50.8～1.52～122～919～260.5～1.50.5～3瓦斯尘泥33～452～71～26～152～518～230.5～1.50.5～3出铁场除尘灰48～651～90.5～24～71～32～30.5～1.5炼钢料仓除尘灰0.3568.666.791.83转炉干法除尘灰59～6412～171.5～22～40.5～1.51～2转炉尘泥54～6114～182～71～40～32～3转炉二次除尘灰36～5113～162～43～53～4电炉除尘灰35～4513～155～75～71～22～45～17 2 含铁尘泥资源化利用技术含铁尘泥资源化利用主要有生产回用、物理法、火法还原三类处理技术。 2.1 生产回用 Fe、C、CaO都是钢铁生产必需物料，大部分含铁尘泥均可回用生产。钢铁企业将转炉尘泥等作为烧结或球团配料，工艺装备简单，投资低见效快，不改变企业生产工艺，应用十分广泛。但含铁尘泥颗粒小，大多经高温处理和精矿粉性质差异大，转炉尘泥含水高、脱水困难，自然风干后易板结难破碎，此外还存在杂质元素含量多，连续放灰困难等问题。含铁尘泥配入比例过高会导致成球性差，烧结料透气性差，速率下降，产品稳定性差等问题。此外，K、Zn等有害元素循环富集不利于高炉生产。为克服上述问题，业内人士探索了喷浆、尘泥均质化造粒等措施[9-11]。 喷浆工艺是首先将含铁尘泥在水池中采用泥浆泵搅拌成体积浓度为20%的灰浆，使用专用的泥浆泵喷入烧结料一次混合机。采用喷浆工艺一定程度上提高了除尘灰的黏结性，提高了制粒效果和烧结效果，同时可改减少粉尘转运的污染。 均质化造粒工艺是通过调节尘泥水量、充分混匀，在不添加粘结剂的条件下造粒。多采用圆盘造粒方式，粒径为3～10 mm，造粒完成后添加入已经一次混合的烧结料进行配料。尘泥均质化造粒工艺改善了含铁尘泥对烧结速度、烧结矿转鼓强度、烧结矿成品率的不良影响，降低了燃料消耗，一般控制在烧结料的10%以内，过高则会降低烧结矿品位。 2.2 物理法 2.2.1 冷固球团 冷固球团是利用炼钢产生的污泥、除尘灰、氧化铁皮等为原料，石灰(萤石)作为造渣剂，添加有机胶作粘结剂，采用高压挤压成型的物理方法制备球团。 冷固球团要求TFe含量≥50%，单球强度≥800 N，成球合格率≥80%。含铁尘泥需添加氧化铁皮或精矿粉提高Fe含量，添加水玻璃、淀粉等粘结剂提高球团强度，实际多用有机材料作为粘结剂保证钢水质量。冷固球团的生产工艺流程见图1。  图1 冷固球团生产工艺流程 冷固球团作为造渣、冷却剂回用至转炉，相比回原料厂流程短，Fe元素回收率高，化渣快，冷却效果好，可降低能耗和成本。数据表明[12-14]：转炉添加冷固球团后，冶炼时间缩短11 s，氧气消耗量降低1 m3/t，氧化铁皮消耗量降低10 kg/t，石灰消耗量降低6～8 kg/t。该工艺广泛应用于宝钢、鞍钢、首钢、柳钢等企业。 2.2.2 选矿法 选矿法主要应用于含碳、含锌的含铁尘泥处理，可实现C、Zn、Fe元素的分离和富集，主要有重选、浮选和磁选3种，最为典型的为高炉瓦斯尘泥的选矿法处理。瓦斯尘泥多含有C、Fe、Zn元素，具体方法包括水力旋流方式脱锌、重选浮选脱碳和磁选选铁工艺。 瓦斯尘泥中的Zn元素集中于粒径<20>[15-16]。瓦斯尘泥进行加水稀释后采用水力旋流器进行处理，浓度一般为150～250 kg/m3，采用两级旋流器处理，具体工艺如图2所示。经过该工艺处理可获得约30%细颗粒的高锌瓦斯泥和约70%的低锌瓦斯泥。本工艺的脱锌率为70%～80%，低锌粉尘中Zn元素含量仍在0.5%以上，脱除效果不彻底。  图2 水力旋流器铁锌分离工艺流程 浮选—重选—磁选工艺首先根据碳、铁元素的密度差通过浮选重选方式实现碳精粉的提取，再根据铁磁性实现铁精粉和尾泥的磁选分离。工艺流程见图3。该工艺处理高炉瓦斯尘泥，一般可分离获得铁品位40%以上的铁精矿粉(约55%)，含碳量在70%以上的碳精粉(约30%)，以及20%以上含铁约30%、含碳约15%，含Zn 5%以上的尾泥[17-18]。该工艺流程简单，所得铁精矿和碳精粉可以返回烧结工序回用，但仍有20%的尾泥难以利用。  图3 重选、浮选加磁选分离工艺流程 2.2.3 结晶法提KCl 烧结机头除尘灰中K、Na含量高达6%～10%[19]，K、Na盐类易溶于水，不宜堆存，若生产回用则会造成杂质元素富集不利高炉生产。 结晶法提取KCl的流程如图4所示。烧结机头灰在常温、常压下浸出，浸出液依次进行净化、浓缩结晶处理，最后获得工业级KCl产品以及其他混合盐。浸出渣和沉淀渣可回用于烧结工序，KCl用作钾肥、混合盐可一步提取[20]。该工艺在曹妃甸等地已投入工业化生产。  图4 烧结机头灰结晶法生产KCl工艺流程 2.3 火法冶炼 火法冶炼通过碳还原含铁尘泥中铁氧化物，实现铁元素的利用和Zn、Pb等有色金属以及K、Na盐类的烟化分离，主要有回转窑、转底炉和竖炉3种工艺。 2.3.1 回转窑 含铁尘泥和煤粉配料后从回转窑尾加入。炉料随回转窑的旋转下行，温度逐步升高转变成半熔态。回转窑最高温度为1 100～1 300 ℃，以防止炉壁结圈[21]。还原过程中，氧化锌被还原成为Zn蒸气，经除尘设备处理获得锌精粉。脱锌后的粉尘从回转窑出口流出，自然冷却后采用湿法磁选方式选铁。 回转窑工艺处理含锌尘泥(图5)，可获得Zn品位为40%以上的锌精粉，Fe含量约55%的铁精粉，以及Fe含量约30%的尾泥[22]。锌精粉可用于锌生产，湿磨磁选的铁精粉一般回用于冶炼生产。尾泥用于填埋或充当建材，利用水平较低。  图5 回转窑处理含锌尘泥工艺流程 2.3.2 转底炉 转底炉处理首先将含铁尘泥、粘结剂以及煤粉搅拌混匀后使用压球机进行挤压成型，烘干得到冷态球团(图6)。转底炉采用煤气加热，最高温度约1 300 ℃[23]。加热过程中铁锌氧化物逐步还原，旋转1周约30 min出料。煤气燃烧后形成1 200 ℃的高温气体混合挥发的Zn蒸气及烟尘，通过除尘管道输送至热交换机[24]。过程余热采用蒸汽锅炉发电，挥发的Zn蒸气冷却随同烟尘回收得到锌精粉。  图6 转底炉处理含铁尘泥工艺流程 转底炉生产金属化球团中铁金属化率在60%以上，TFe含量60%～65%，可用作转炉炼钢用冷料。锌精粉中Zn含量在40%以上，Zn回收率约90%。余热发电量约为200 kW·h/t(球团质量)。 2.3.3 竖炉 竖炉形式类似高炉，炉料从炉顶加入，需添加焦炭作为骨架和还原剂，以及热风、富氧保证冶炼温度，只是处理对象是含铁尘泥等冶金固废。 含铁尘泥和水泥、水等按比例混合挤压成块，硬化干燥后和废铁、焦炭等加入竖炉顶部[25-26]。冶炼过程和高炉炼铁类似，物料随着冶炼的进行下行、升温，铁氧化物被还原成铁水(图7)。烟气经除尘可收集含锌污泥和煤气，产出的铁水经脱硫处理回用炼钢，冶炼废渣可采用水冲渣处理后用作建材。竖炉生产资源化利用率高，但整体设备、物料、运行成本也较高。  图7 竖炉处理含铁尘泥工艺流程 3 含铁尘泥资源化利用技术选择3.1 含铁尘泥利用途径分析 含铁尘泥在Fe、C、CaO、Zn、K、Na的含量上存在差异。Fe、C、CaO都是钢铁生产必需的物料，应根据其具体性质尽量选择返回钢铁生产流程的方法。Zn、K等杂质元素不利于高炉生产，需采用专用工艺设备进行处理回收。 各工序的料仓除尘灰、转炉尘泥等杂质含量低，可直接生产回用，实现其中Fe、C、CaO的资源化利用。Zn含量高的电炉粉尘，K、Na含量高的烧结机头灰等需进行杂质元素去除，除杂后的尘泥可生产回用，富集的杂质元素如锌精粉、KCl等可高附加值利用。 3.2 生产回用工艺的选择 冷固球团和均质化造粒两种工艺设备简单，投资小，生产应用效果好，适用于杂质含量低的含铁尘泥处理。 冷固球团产品用于转炉造渣，利用含铁尘泥种的Fe、CaO资源，适用于高炉炉前出铁除尘灰、转炉料仓除尘灰、转炉尘泥等Fe、CaO含量较高的尘泥。均质化造粒产品用于烧结，Fe、C、CaO资源都能利用，除转炉尘泥、料仓粉尘等外，还可处理Zn含量低的高炉瓦斯尘泥，适用范围更广。 3.3 含铁尘泥除杂工艺的选择 含铁尘泥中杂质主要有Zn、Pb以及K、Na两类。 K、Na杂质的资源化利用工艺，目前仅有结晶法生产KCl工艺得到了工业化应用，具有较高的产品附加值，是含铁尘泥中K、Na元素除杂的合适途径。 Zn、Pb杂质的去除工艺有选矿法和火法冶炼两类方法。选矿法处理规模小，有30%的尾泥不能利用，且存在废水、污泥产生量大等问题。因此，火法冶炼是Zn、Pb杂质去除的优先选择。 火法冶炼主要是转底炉、回转窑和竖炉3种工艺应用较多。 回转窑工艺投资少，是目前国内含铁尘泥脱锌应用最多的工艺，但其处理规模小，对原料Zn含量的要求高，Zn回收率低，铁元素金属化率差，尾泥产生量大，余热放散，现场环境差，排放难达标，是面临淘汰的工艺。 转底炉工艺处理规模大、原料要求低，生产效率高，Zn、Pb回收率高，金属化球团可全部利用，过程余热全部回收，烟气排放达标，是含铁尘泥除锌的合理选择。 竖炉法工艺在处理规模、资源化利用水平、余热回收以及环境排放上都具有较好的效果。但不可忽视的是竖炉结构和高炉类似，杂质元素不利于高炉运行，同样也会影响竖炉的运行。 总结可知，转底炉工艺是含铁尘泥中Zn、Pb杂质去除的理想选择。 4 结 论1)含铁尘泥的资源化利用可分为生产回用和除杂工艺两类。钾、钠、锌等杂质元素含量低的含铁尘泥应因地制宜的生产回用；反之，杂质元素含量高的必须通过除杂处理再回用生产。 2)建议采用制备冷固球团和均质化造粒工艺用于含铁尘泥生产回用。两种工艺设备简单，投资小，含铁尘泥利用率，应用效果好。钢铁企业需根据现有生产工艺设备等具体条件进行选择。 3)对于Zn、Pb杂质含量高的含铁尘泥建议采用转底炉生产金属化球团工艺处理；K、Na杂质元素含量高的含铁尘泥建议采用结晶法生产KCl工艺处理。杂质元素经除杂富集得到锌精粉和KCl，除杂后获得金属化球团和铁精粉，资源化利用水平高。 参考文献： [1] 天津冶金编辑部．钢铁及有色行业2014年盘点[J]．天津冶金，2015(1)：33-34. 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For the mud with high content of zinc and lead, rotary heath furnace is proposed to produce metallized pellets. For some with high content of potassium and sodium, crystallization method is proposed to produce potassium chloride. After that, the enriched impurities elements can be used with high added value. Keywords：mud with iron; utilization; industrial reuse; impurity removal; rotary hearth furnace 收稿日期：2015-08-24 DOI：10.13205/j.hjgc.201612023 第一作者：吴龙(1985-)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为冶金固废资源循环利用。jieke8857@126.com |
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