鋼鐵企業除塵灰的綜合利用

鋼鐵企業除塵灰包括燒結機頭灰、高爐布袋灰和轉爐灰。

     燒結機頭灰是指在燒結工序中，燒結煙氣通過大煙道再到電除塵灰器中捕捉下來的灰塵。燒結機頭灰的化學成分：TFe 10～40%，SiO2 0.3~5%，CaO ~12%，MgO 0.5~3，AL2O3 1～4%，Na2O 0.6～-5%，Cl 5~25%。燒結機頭灰中的有害元素主要為K、Na和Cl，部分鋼廠的燒結機頭灰里的K2O含量高達30%。

     燒結機頭灰的粒度極細，呈灰白色，平均粒徑在100 μm左右，堆密度在0.5~1g/ml。因粒度細，堆密度小，這種灰堆存時流動性好，不易打跺，采用翻斗車卸灰時，揚塵很大。

     燒結機頭灰中的Fe主要以Fe2O3和Fe3O4的形式存在，K和Na主要以KCl和NaCl的形式存在，同時也存在CaCl2、MgCl2、PbCl2、ZnCl2等氯化物。在燒結的高溫還原氣氛下，含有堿金屬元素的復雜硅鋁酸鹽，如鉀長石、鈉長石和六方鉀石等部分會發生分解及還原反應，與CaCl2再次反應而生成KCl和NaCl。 

     高爐布袋灰也稱為高爐瓦斯灰或高爐二次灰，是指在高爐冶煉過程中，從爐頂產生出來的的煙氣經重力除塵器后，再通過布袋除塵灰收集的灰塵。高爐布袋灰的化學成分：TFe20～40%， SiO2 2～5%，CaO2~5%，MgO2～4%，Al2O31～4%，Na2O0.5～3%，K2O0.5～3%， Cl2～10%，Zn1～10%， C15～35%。

     高爐布袋灰中的有害元素主要是鋅、鉀、鈉和氯，同時含有較多的有價元素鐵和碳。其產量約為3～6kg/t鐵水，與入爐原料及爐容有關，入爐原料綜合鐵品位越低，爐容越小，灰量越多。

     高爐布袋灰的粒度較燒結機頭灰粗，呈黑灰色，平均粒徑在130μm左右，堆密度在0.7～1.1g/cm3，外觀類似于磁鐵精粉。

    高爐布袋灰中的Fe主要以Fe2O3和Fe3O4的形式存在，C則以單質C的形式存在。高爐布袋灰中的K和Na同樣主要以KCl和NaCl的形式存在，Zn則以ZnO、ZnFe2O4和ZnCl2等形式存在。

     高爐布袋灰中當Zn含量<1%時，可以返回燒結配料使用，但大部分鋼廠高爐布袋灰都在1%以上，如果返回燒結工序繼續使用，會造成燒結礦中的Zn富集，導致高爐Zn負荷超標，易產生降低焦炭強度，侵蝕耐火磚，形成爐瘤，破壞風口等問題。

     轉爐灰是指在煉鋼工序中，轉爐冶煉煙氣經除塵器收集下來的灰塵，干法除塵產生的煙塵稱為轉爐細灰或二次灰，濕法除塵產生的煙塵稱為污泥。轉爐灰的化學成分TFe46～56%，SiO20.5～3%，CaO5～15%，MgO 0.5～4%，Al2O30.5～2，Na2O 0.1～0.5%，K2O 0.1～1%，Cl 0.5～1.5%，Zn 0.5～10%。

     由化學組成可知，轉爐灰中的的主要有害元素是Zn，Fe含量相對較高，有些轉爐灰中的Fe高達56%，其產量約為高爐布袋灰的1.4～1.6倍。轉爐灰的粒度平均在120μm左右，堆密度在1.0～1.5g/cm3，呈灰紅色，外觀類似于赤鐵精粉。

    轉爐灰中的Fe主要以FeO、Fe2O3和Fe3O4的形式存在，Zn主要以ZnO和ZnFe2O4的形式存在。Zn主要來源于轉爐使用的含鋅廢鋼，隨著入爐廢鋼鋅質量分數的提高，轉爐灰中的Zn含量相應增加。

     轉爐灰Zn含量<1%時，也可以直接返回燒結工序配料使用。許多鋼廠為降低成本，提高產量，大量使用如鍍鋅板類的含鋅廢鋼，導致轉爐灰中的Zn含量上，轉爐灰不再適合返回燒結使用。轉爐灰與高爐布袋灰相比，不含碳，且Fe含量較高，不利于回轉窯生產，故經濟價值更低，更難銷售。

      除塵灰綜合利用工藝主要有濕法和火法兩種：

1、濕法脫氯提鹽工藝

     燒結機頭灰及高爐布袋灰聯合脫氯提鹽工藝。主要步驟包括攪拌浸出、固液分離、濾液凈化和蒸發結晶等。因鋼廠內的燒結機頭灰及高爐布袋灰的成分不穩定，尤其不同燒結機、不同高爐的除塵灰K、Na和Cl含量差別較大，可設計一級、二級，甚至三級洗滌，直至濾餅中的K、Na和Cl含量降低至符合鋼廠的標準。

     攪拌浸出工序液固比控制在1.5∶1～2∶1，攪拌時間在1h左右。因燒結機頭灰中的K、Na和Cl遠高于高爐布袋灰，高爐布袋灰水洗后濾液中的KCl和NaCl濃度較低，在50g/L左右，可用于浸出燒結機頭灰，以提高濾液中的KCl和NaCl濃度，降低濾液的產生量。

     固液分離工序一般使用脫水效果較好、洗水量較低的廂式壓濾機，得到的固體水份含量在20%左右。固液分離后，K、Na和Cl絕大部分以鹽的形式進入濾液中，同時也有微量的Ca、Mg、Pb和Zn等金屬離子進入濾液。降低濾餅殘留的液體量及濃度是提高K、Na和Cl的脫除率的關鍵。

     凈化工序的作用是脫除Ca、Mg、Pb和Zn金屬離子。如未脫除，濾液進入蒸發器后會形成大量泡沫，蒸發過程難以進行;重金屬離子進入KCl和NaCl產品中，成為不合格產品。采用在濾液中加入Na2CO3及重金屬捕收劑等藥劑攪拌，使金屬離子形成沉淀，再次固液分離后的方法脫除金屬離子。

     蒸發結晶工序采用強制循環式蒸發器，以防止鹽在加熱器中結垢。蒸發冷凝水可返回浸出工序，循環使用，降低水耗。

     實踐證明，燒結機頭灰脫氯提鹽后，Na2O降低至1%以內，K2O降低至3%以內，K、Na和Cl的脫除率均在80%以上，高爐布袋灰的Cl脫除至1%以下，脫除率在85%以上所得產品為氯化鉀和氯化鈉，解決了脫除燒結機頭灰和高爐布袋灰中K、Na和Cl的問題。

2、分離提取布袋除塵灰中的鋅、鐵生產鋅精粉、鐵精粉

     采用濕法與物理法相結合工藝分離布袋除塵灰中的鋅和鐵生產鐵精粉和鋅精礦，工藝過程包含脫鋅、鐵碳分離、鋅精礦制備三個工序：

     (1)脫鋅：將除塵灰與配料液(水或低濃度含鋅溶液)混合并攪拌成漿，加入適量無機酸作為分解劑使除塵灰中的鋅轉化為可溶性鋅鹽進入液相，分解過程碳不與無機酸反應，控制工藝條件使除塵灰中鐵基本不溶出，反應結束經過濾收得含鋅溶液和脫鋅后除塵灰。

     含鋅溶液濃度較低時循環用作脫鋅配料液，濃度符合技術要求時送提鋅工序提取其中的鋅。脫鋅后除塵灰主要成分為鐵、碳，送鐵、碳分離工序回收鐵精礦和煤炭。

     (2)鐵、碳分離：將脫鋅后除塵灰送鐵、碳分離工序，采用物理法分離其中的鐵和碳收得鐵精粉和煤炭。所得鐵精粉鐵含量在50%以上，鋅含量在0.1%以下，用作煉鋼的原料。所得煤炭作為燃料出售。

     (3)鋅精礦制備：將脫鋅工序所得濃度符合要求的含鋅溶液送提鋅工序，采用沉淀法工藝使鋅鹽轉化為難溶性鋅化合物沉淀，再經過濾、洗滌、干燥收得鋅精礦。所得鋅精礦鋅含量在40%以上。提鋅后溶液返回脫鋅工序循環用作配料液。

     工業化運行結果表明，采用全濕法工藝分離布袋除塵灰中的鋅、碳生產鐵精粉、鋅精礦鋅脫除率較高，在95%以上，所得鐵精粉鋅含量在0.1%以下，鋅精礦品為在40%以上，實現了除塵灰中鐵、鋅、碳的分離，工藝流程短，設備投資少，無三廢產生與排放。

3、火法回轉窯提鋅工藝

     火法回轉窯提鋅的原理是在高溫條件(1100～1250℃)下，使用無煙煤或焦粉作為還原劑，將除塵灰中的鋅化合物還原成金屬鋅，由于鋅金屬沸點低(907℃)，以鋅蒸汽的形式進入煙氣中，在低溫區域被氧化，形成氧化鋅，通過除塵器以煙塵的形式收集。

ZnO+C→Zn+CO

ZnO+CO→Zn+CO2

ZnFe2O4+C→ZnO+2FeO+CO

ZnFe2O4+FeO→ZnO+Fe3O4

2Zn+O2→2ZnO

     配料是將轉爐灰和脫氯提鹽后的高爐布袋灰、返料及焦粉按一定的比例稱量混合。配料的關鍵是穩定物料中的固定碳含量，碳是混合料燃燒及鐵和鋅等金屬氧化物還原反應的基礎?；旌显炝５哪康氖欠乐挂蛭锪狭６忍?，焙燒過裎隨煙氣被抽至沉降室。窯頭至窯尾根據溫度的劃分依次分為干燥段、預熱段、燃燒段和冷卻段，其中高溫段溫度在1100℃到1250℃，是鋅發生還原的反應段，高溫段的長度占窯總長度的1/3左右?？刂坪侠淼母G轉速使物料在窯內焙燒時保持運動狀態有利于鋅的脫除。煙氣由沉降室出來后溫度仍為550℃左右，通過余熱鍋爐將煙氣中的余熱回收，以生產蒸汽。余熱鍋爐底部灰斗收集的灰塵鋅品位較低，通常在15%～30%。由于氧化鋅顆粒較輕，布袋除塵器收集的次氧化鋅從前往后呈現出品位依次上升的規律。

     工藝步驟包括:配料、混合造粒、回轉窯焙燒、煙氣沉降、產品收集、燒成料研磨、磁選及脫硫脫硝等工序。

     實踐證明，通過回轉窯焙燒，除塵灰中的鋅可脫除至0.6%以下，鋅的脫除率在85%以上，而且窯渣中的鐵的金屬化率達到50%以上，鐵品位提升至62%以上。所得產品為次氧化鋅和鐵精粉，其中次氧化鋅平均品位在40%以上，鐵精粉品位在63%以上。該工藝解決了高爐布袋灰和轉爐灰脫鋅及鋅、鐵元素的回收利用問題。

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