于恒1，黃細聰2，李科3，李騫3
(1.日照卓業(yè)環(huán)?？萍加邢薰?，山東 日照 276814；2.武鋼資源集團鄂州球團有限公司，湖北 鄂州 436000；3.中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)
摘要：本文通過分析鋼鐵企業(yè)含有害元素 K、Na、Cl 和 Zn 較多的燒結(jié)機頭灰、高爐布袋灰及轉(zhuǎn)爐灰的形成及性質(zhì)，歸納總結(jié)了這三種除塵灰綜合利用的實驗室研究及國內(nèi)外現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝，重點介紹了燒結(jié)機頭灰和高爐布袋灰脫氯提鹽工藝，以及高爐布袋灰和轉(zhuǎn)爐灰回轉(zhuǎn)窯提鋅工藝,并結(jié)合生產(chǎn)過程中的難點提出了改進措施。通過成本及效益分析，濕法脫氯提鹽-回轉(zhuǎn)窯提鋅工藝是比較適合鋼廠推廣的工藝。
關(guān)鍵詞：鋼鐵企業(yè)；除塵灰；綜合利用；脫氯提鹽;回轉(zhuǎn)窯
引 言
鋼鐵企業(yè)的除塵灰是指從燒結(jié)到軋鋼的各個工序生產(chǎn)過程中，通過電除塵器、重力除塵器和布袋除塵器等除塵設(shè)備收集的灰塵。據(jù)不完全統(tǒng)計，鋼鐵企業(yè)除塵灰產(chǎn)生總量約為鋼產(chǎn)量的 10%左右[1]。對于這些除塵灰的處理方式，傳統(tǒng)的方法是燒結(jié)配料中低比例配加[2]，有的則是通過造小球和壓團等預(yù)處理后再使用[3-4]。隨著高爐冶煉技術(shù)的發(fā)展，鉀、鈉和鋅對高爐生產(chǎn)的危害性越來越受到重視[5-6]，很多鋼廠禁止將含有害元素較多的除塵灰內(nèi)循環(huán)使用，選擇堆放或?qū)ν怃N售的處理方式。堆放會占用大量土地資源；對外銷售價格低廉，每噸從幾十到一百元不等，這兩種處理方式?jīng)]有從根本上解決問題。
2021 年發(fā)改環(huán)資下發(fā)了“關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見”，明確提出“創(chuàng)新大宗固廢綜合利用模式，在鋼鐵冶金行業(yè)推廣“固廢不出廠”，加強全量化利用”。成熟的除塵灰綜合利用工藝成為鋼廠的迫切需求。
根據(jù)對各鋼廠的調(diào)研，目前各鋼廠處理需求最迫切的除塵灰主要有三種：燒結(jié)機頭灰、高爐布袋灰和轉(zhuǎn)爐除塵灰，這也是有害元素鉀、鈉、氯和鋅含量相對較高的除塵灰。本文針對這三種除塵灰介紹了各自的特點及不同的綜合利用工藝，以期為鋼廠提供參考。
1 除塵灰的性質(zhì)
1.1 燒結(jié)機頭灰
燒結(jié)機頭灰是指在燒結(jié)工序中，燒結(jié)煙氣通過大煙道再到電除塵灰器中捕捉下來的灰塵。表 1 為燒結(jié)機頭灰的化學(xué)成分。
由表 1 可知，燒結(jié)機頭灰中的有害元素主要為 K、Na 和 Cl，部分鋼廠的燒結(jié)機頭灰里的 K2O 含量高達 30%。鋼廠的燒結(jié)機頭電除塵器一般有四個電場，從第一到第四電場，燒結(jié)機頭灰中的 Fe 含量呈下降趨勢，K、Na 和 Cl 的含量則呈上升趨勢。其產(chǎn)量約為 0.5~1.5 kg/t 燒結(jié)礦，燒結(jié)機面積越小，使用的含鐵原料品質(zhì)越差，灰量越多。
燒結(jié)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 g/cm3～1 g/cm3。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(jié)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(jié)的高溫還原氣氛下，含有堿金屬元素的復(fù)雜硅鋁酸鹽，如鉀長石、鈉長石和六方鉀石等部分會發(fā)生分解及還原反應(yīng)，與 CaCl2 再次反應(yīng)而生成 KCl 和 NaCl[7-8]。燒結(jié)機頭灰中的 Cl 的來源，一般認為，燒結(jié)使用進口礦較多，在船運及開采過程中有海水滲入所致[9]，其真正根源仍有待確定。
燒結(jié)機頭灰如果返回?zé)Y(jié)使用，會造成堿金屬富集，常見的影響是燒結(jié)“糊篦條”，引起燒結(jié)礦產(chǎn)量、質(zhì)量降低[10-11]。燒結(jié)機頭灰因有價元素含量低，除含有稀貴金屬金和銀等，價值較低，是最難銷售的除塵灰。
1.2 高爐布袋灰
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(chǎn)生出來的煙氣經(jīng)重力除塵器后，再通過布袋除塵灰收集的灰塵。表 2 為高爐布袋灰的化學(xué)成分。
由表 2 可知，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(chǎn)量約為 3~6 kg/t 鐵水，與入爐原料及爐容有關(guān)，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(jié)機頭灰粗，呈黑灰色，平均粒徑在 130 μm 左右，堆密度在 0.7~1.1 g/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(zhì) 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[7,12]。高爐布袋灰中的 K、Na、Cl 和 Zn 主要來源于入爐原料燒結(jié)礦、球團礦、塊礦和焦炭等。
高爐布袋灰中當(dāng) Zn 含量<1%時，可以返回?zé)Y(jié)配料使用。大部分鋼廠高爐布袋灰都在 1%以上，如果返回?zé)Y(jié)工序繼續(xù)使用，會造成燒結(jié)礦中的 Zn 富集，導(dǎo)致高爐 Zn負荷超標(biāo)，易產(chǎn)生降低焦炭強度，侵蝕耐火磚，形成爐瘤，破壞風(fēng)口等問題[13]。當(dāng)高爐布袋灰中的 Zn 含量在 5%以上時，較易銷售，一般銷售給回轉(zhuǎn)窯廠家用于生產(chǎn)次氧化鋅。
1.3 轉(zhuǎn)爐灰
轉(zhuǎn)爐灰是指在煉鋼工序中，轉(zhuǎn)爐冶煉煙氣經(jīng)除塵器收集下來的灰塵，干法除塵產(chǎn)生的煙塵稱為轉(zhuǎn)爐細灰或二次灰，濕法除塵產(chǎn)生的煙塵稱為污泥。表 3 為轉(zhuǎn)爐灰的化學(xué)成分。
由表 3 可知，轉(zhuǎn)爐灰中的的主要有害元素是 Zn，F(xiàn)e 含量相對較高，有些轉(zhuǎn)爐灰中的 Fe 高達 56%，其產(chǎn)量約為高爐布袋灰的 1.4～1.6 倍。
轉(zhuǎn)爐灰的粒度平均在 120 μm 左右，堆密度在 1.0 g/cm3～1.5 g/cm3，呈灰紅色，外觀類似于赤鐵精粉。
轉(zhuǎn)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[7,14]。Zn 主要來源于轉(zhuǎn)爐使用的含鋅廢鋼，隨著入爐廢鋼鋅質(zhì)量分數(shù)的提高，轉(zhuǎn)爐灰中的 Zn 含量相應(yīng)增加[15]。
轉(zhuǎn)爐灰 Zn 含量<1%時，也可以直接返回?zé)Y(jié)工序配料使用。許多鋼廠為降低成本，提高產(chǎn)量，大量使用如鍍鋅板類的含鋅廢鋼，導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐灰中的 Zn 含量上升至 1%以上[16]，轉(zhuǎn)爐灰不再適合返回?zé)Y(jié)使用。轉(zhuǎn)爐灰與高爐布袋灰相比，不含碳，且 Fe 含量較高，不利于回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)，故經(jīng)濟價值更低，更難銷售。
2 現(xiàn)有的除塵灰綜合利用工藝
對于鋼鐵企業(yè)含有害元素的除塵灰處理，許多科研院所進行了大量的實驗室研究。在燒結(jié)機頭灰的綜合利用上，錢峰和張梅等利用水洗浸出、固液分離、蒸發(fā)結(jié)晶和分步結(jié)晶的方法提取 KCl，得到的 KCl 品位都在 90%以上[17-18]；秦立浩采用浸出的方法，K 和 Na 的脫除率達到 99%以上，而且從三四電場機頭灰中得到了質(zhì)量分數(shù)在 10%以上的鉛精礦[19]；劉憲先將燒結(jié)機頭灰磁選，然后尾泥采用氯化浸提的方法，經(jīng)溶解、沉淀反應(yīng)、離心過濾、洗滌和焙燒后得到純度為 99.8%的一氧化鉛[20]。在高爐布袋灰的綜合利用上，羅興國和馬愛元采用氨-碳酸銨浸出的方法脫除鋅，鋅的浸出率分別達到 91%和76.71%[21-22]；胡正剛采用直接還原焙燒的方法處理高爐布袋灰，在焙燒溫度為 1100～1200 ℃，焙燒時間為 20～30 min，通入 0.15 m3 /h 的壓縮空氣的條件下，脫鋅率達到 90% 以上[23]；張建良采用配煤壓球焙燒的方法，在焙燒溫度為 1200 ℃，焙燒時間為 35 min，煤粉添加量為 10%的條件下，鋅的脫除率達到 99.76%[24]；在轉(zhuǎn)爐灰的綜合利用上，鄭志豪使用低溫堿性焙燒一堿浸出方法，然后對鋅電積，脫鋅率達 97.25%[14]。以上實驗室研究為 K、Na、Cl 和 Zn 的脫除實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支持。
近年來，隨著環(huán)保嚴查，一方面收購除塵灰提取鉀鈉鋅等元素的加工廠因環(huán)保不達標(biāo)而關(guān)停，導(dǎo)致除塵灰的銷路受阻，另一方面，部分鋼廠已經(jīng)開始執(zhí)行”固廢不出廠”的要求。在這種背景下，很多鋼廠自行建設(shè)除塵灰綜合利用生產(chǎn)線。
在燒結(jié)機頭灰的處理上，天津、包頭、南京、蘇州、日照和萊蕪等地方鋼廠已經(jīng)投建水洗提鹽的項目。從運營效果上來講，燒結(jié)機頭灰鉀和鈉脫除率均能達到 80%以上，脫除鉀、鈉和氯后的機頭灰返回?zé)Y(jié)使用，生產(chǎn)的氯化鉀、氯化鈉或二者的混鹽，能夠作為產(chǎn)品銷售，實現(xiàn)了燒結(jié)機頭灰的綜合利用。
在高爐布袋灰及轉(zhuǎn)爐灰的處理上，濕法生產(chǎn)線案例較少，國內(nèi)有柳鋼、泰鋼和湘鋼等。柳鋼采用浮選、重選和磁選聯(lián)合的方法處理高爐布袋灰，生產(chǎn)焦炭粉、鐵精粉和碳粉尾泥，焦炭粉和鐵精粉由柳鋼內(nèi)部回收利用，碳粉尾泥銷售給磚廠[25]。泰鋼采用浮選和磁選聯(lián)合的方法處理高爐布袋灰，每100 t高爐除塵灰可生產(chǎn)25～42 t的鐵精粉和22～30 t 的炭精粉，尾泥則銷售給水泥廠或磚廠[26]。選礦生產(chǎn)線主要是處理高爐布袋灰，鐵碳分離后實現(xiàn)綜合利用，但未脫除有害元素鋅。
對鋅含量較高的高爐布袋灰和轉(zhuǎn)爐灰，主要采用火法工藝脫鋅，國內(nèi)使用較早的是轉(zhuǎn)底爐工藝[27-28]，應(yīng)用比較成功的有寶鋼、馬鋼、日鋼、首鋼、沙鋼和永鋼等。轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)的金屬化球團產(chǎn)品成球率在 60%～80%，金屬化率在 60%～95%，脫鋅率在 85%以上，產(chǎn)品次氧化鋅平均品位在 40%～60%。轉(zhuǎn)底爐工藝具有作業(yè)率高，產(chǎn)品附加值高，技術(shù)相對成熟的優(yōu)點。但因其一次性投資較高和運營成本高的缺點，投資低和運營成本低的回轉(zhuǎn)窯工藝成為處理含鋅粉塵的新趨勢。目前國內(nèi)應(yīng)用比較成功的有南鋼、山西建邦、山西立恒、永鋒鋼鐵、山鋼、日鋼、萊鋼和包鋼等，部分回轉(zhuǎn)窯還外購添加電爐灰和鋅冶煉渣等高鋅物料以提高經(jīng)濟效益，個別回轉(zhuǎn)窯把燒結(jié)機頭灰也作為原料，脫除鉀、鈉和氯。這些回轉(zhuǎn)窯的脫鋅率在 80%～95%，產(chǎn)品次氧化鋅平均品位在 40%～60%。
國外在含鋅除塵灰的處理上，主要有意大利的氯化浸出 Ezinex 工藝，包括浸出、渣分離、凈化和電解等工序，生產(chǎn)含碳鐵渣，鉛、鎘和鎳等金屬的精礦，以及鋅錠等產(chǎn)品[29]。美國、德國和日本采用威爾茲工藝，與回轉(zhuǎn)窯工藝類似，包括配料、造球、回轉(zhuǎn)窯焙燒和煙氣收集等工序，生產(chǎn)直接還原鐵及富鋅粉塵[30]。德國還有 DK 工藝及 Oxycup 工藝[31-32]，其本質(zhì)上為造塊+高爐冶煉工藝，生產(chǎn)鐵水及富鋅粉塵。
除塵灰綜合利用從根本問題上來講，是脫除 K、Na、Cl 和 Zn 等有害元素。除塵灰脫除有害元素后，其中的 Fe 作為含鐵原料，Si、Ca、Mg 和 Al 等雜質(zhì)完全可以作為熔劑或造渣劑；有害元素 K、Na、Cl 和 Zn 須以產(chǎn)品的形式存在，否則會產(chǎn)生二次污染。
如上所述，從三種灰中有害元素的存在形式及處理工藝上分析，脫除 K、Na 和 Cl適合使用濕法工藝，脫除 Zn 適合使用火法工藝。單一使用火法工藝，根據(jù)目前的各鋼廠的轉(zhuǎn)底爐及回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)經(jīng)驗，如果原料中的 K、Na 和 Cl 含量較高，一方面 Cl 會腐蝕設(shè)備，KCl 和 NaCl 造成煙氣系統(tǒng)堵塞，放灰不暢，嚴重影響作業(yè)率，另一方面，K、Na 和 Cl 進入次氧化鋅，降低了產(chǎn)品質(zhì)量，客戶使用這種次氧化鋅時存在 K、Na 和 Cl 造成二次污染的風(fēng)險。
筆者推薦含 K、Na 和 Cl 含量較高的燒結(jié)機頭灰和高爐布袋灰先進行水洗脫氯提鹽，脫除 K、Na 和 Cl 的燒結(jié)機頭灰返回?zé)Y(jié)工藝使用，脫除 K、Na 和 Cl 的高爐布袋灰則與含 Zn 較高的轉(zhuǎn)爐灰，使用火法回轉(zhuǎn)窯工藝進行脫鋅，脫鋅后的窯渣返回?zé)Y(jié)工序配料，產(chǎn)品 KCl、NaCl 和次氧化鋅對外銷售。
2.1 濕法脫氯提鹽工藝
2.1.1 工藝流程及生產(chǎn)效果
圖 1 為燒結(jié)機頭灰及高爐布袋灰聯(lián)合脫氯提鹽工藝流程圖。由圖 1 可知，其主要步驟包括攪拌浸出、固液分離、濾液凈化和蒸發(fā)結(jié)晶等。因鋼廠內(nèi)的燒結(jié)機頭灰及高爐布袋灰的成分不穩(wěn)定，尤其不同燒結(jié)機、不同高爐的除塵灰 K、Na 和 Cl 含量差別較大，可設(shè)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(biāo)準。
攪拌浸出工序液固比控制在 1.5︰1～2︰1，攪拌時間在 1 h 左右。因燒結(jié)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 50 g/L 左右，可用于浸出燒結(jié)機頭灰，以提高濾液中的 KCl 和 NaCl 濃度，降低濾液的產(chǎn)生量。
固液分離工序一般使用脫水效果較好、洗水量較低的板框壓濾機，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(guān)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(fā)器后會形成大量泡沫，蒸發(fā)過程難以進行；重金屬離子進入 KCl 和 NaCl 產(chǎn)品中，成為不合格產(chǎn)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(fā)結(jié)晶工序采用強制循環(huán)式蒸發(fā)器，以防止鹽在加熱器中結(jié)垢。蒸發(fā)冷凝水可返回浸出工序，循環(huán)使用，降低水耗。
表 4 為某鋼廠燒結(jié)機頭灰和高爐布袋灰脫氯提鹽項目的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。由表 4 可知，燒結(jié)機頭灰脫氯提鹽后，Na2O 降低至 1%以內(nèi)，K2O 降低至 3%以內(nèi)，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。該項目每天處理約 30 t 燒結(jié)機頭灰和 180 t 高爐布袋灰，每天約產(chǎn) 10 t 氯化鉀和 5 t 氯化鈉，解決了脫除燒結(jié)機頭灰和高爐布袋灰中 K、Na 和 Cl 的問題。
2.1.2 工藝難點及解決措施
（1）設(shè)備腐蝕嚴重，泵葉輪磨損嚴重。氯離子對鐵具有較強的腐蝕性，與漿液或濾液直接接觸的設(shè)備，在使用碳鋼的情況下，兩周內(nèi)就會被腐蝕穿透；含鐵較高的除塵灰顆粒具有較大的硬度，使用普通葉輪磨損嚴重，壽命甚至不足一周。生產(chǎn)實踐證明，泵類的設(shè)備需采用具備耐磨耐腐性能合金材質(zhì)。蒸發(fā)器則需要使用鈦材才能保證長久運行。
（2）降低噸灰的濾液處理量。在 K、Na 和 Cl 脫除率相同的情況下，進入蒸發(fā)器前的液體濃度越低，液體量越大，蒸發(fā)成本越高。通過提前化驗灰的成分，分類處理，根據(jù)不同濃度控制濾液的循環(huán)次數(shù)，才能提高濾液濃度，降低濾液處理量。
（3）鉀鈉的分離。KCl 和 NaCl 的分離是根據(jù)二者不同溫度下的溶解度相差較大的原理。凈化后的濾液蒸發(fā)至晶體濃度在 5%～10%時，在 100 ℃左右先分離 NaCl，未結(jié)晶的 KCl 溶液則送入閃蒸室蒸發(fā)，降溫結(jié)晶，以實現(xiàn)二者的分離。實際操作中，因濾液中的 K 和 Na 含量并不穩(wěn)定，導(dǎo)致產(chǎn)品 KCl 和 NaCl 的品位波動較大?？梢酝ㄟ^批次進液，穩(wěn)定操作，提前分離 NaCl 的方法提高 KCl 和 NaCl 的分離效果。
2.2 火法回轉(zhuǎn)窯提鋅工藝
2.2.1 工藝流程及生產(chǎn)效果
火法回轉(zhuǎn)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(qū)域被氧化，形成氧化鋅，通過除塵器以煙塵的形式收集[28]。主要化學(xué)反應(yīng)如下：
ZnO+C → Zn+CO （1）
ZnO+CO → Zn+CO2 （2）
ZnFe2O4+C → ZnO+2FeO+CO （3）
ZnFe2O4+FeO → ZnO+Fe3O4 （4）
2Zn+O2 → 2ZnO （5）
圖 2 為回轉(zhuǎn)窯提鋅工藝流程圖。由圖 2 可知，主要步驟包括配料、混合造粒、回轉(zhuǎn)窯焙燒、煙氣沉降、產(chǎn)品收集及脫硫脫硝工序。
配料是將轉(zhuǎn)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(guān)鍵是穩(wěn)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(yīng)的基礎(chǔ)，配碳不足，會使窯內(nèi)高溫段縮短，降低脫鋅率；反之會造成液相過多，窯易結(jié)圈。
混合造粒一般采用滾筒造粒機或圓盤造粒機，粒度一般在 3～5 mm，其目的是防止因物料粒度太細，未經(jīng)焙燒隨煙氣被抽至沉降室。
窯頭至窯尾根據(jù)溫度的劃分依次分為干燥段、預(yù)熱段、燃燒段和冷卻段，其中高溫段溫度在 1100 ℃到 1250 ℃，是鋅發(fā)生還原的反應(yīng)段，高溫段的長度占窯總長度的 1/3左右。為減小焦粉或無煙煤的配比，降低碳的排放，可在窯頭設(shè)置高爐煤氣輔熱燃燒系統(tǒng)?？刂坪侠淼母G轉(zhuǎn)速使物料在窯內(nèi)焙燒時保持滾動狀態(tài)有利于鋅的脫除。
未焙燒的大顆粒隨煙氣進入沉降室，通過重力作用在灰斗收集，避免進入次氧化鋅產(chǎn)品，同時沉降室也為鋅的氧化提供空間。沉降室收集的物料稱為返料，返料的多少是判斷生產(chǎn)是否順行的重要依據(jù)，窯尾負壓越大，返料越多。
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(chǎn)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(xiàn)出品位依次上升的規(guī)律。
回轉(zhuǎn)窯煙氣經(jīng)收塵后，需脫硫后再排入大氣。在還原氣氛下，物料中的硫脫除率較低，窯渣中的 S 含量在 0.4%～0.6%，煙氣中的 SO2 濃度通常在 100 mg/m3 以下，可選擇干法脫硫。脫硝則根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿馀欧艠?biāo)準選擇是否脫硝。
表 5 為某鋼廠提鋅回轉(zhuǎn)窯的原料配比，表 6 為在該配比下的生成的窯渣成分。由表5 和表 6 可知，在外配 13%焦粉的條件，通過回轉(zhuǎn)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。該項目每天約處理 200 t 脫氯提鹽后的高爐布袋灰，約 700 t 轉(zhuǎn)爐灰，每天產(chǎn)次氧化鋅約 90 t，次氧化鋅平均品位在 40%左右。次氧化鋅可作為產(chǎn)品對外銷售，窯渣則返回?zé)Y(jié)工序使用。該項目解決了高爐布袋灰和轉(zhuǎn)爐灰脫鋅的問題。
2.2.2 工藝難點及解決措施
火法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝相對濕法脫氯提鹽工藝較為成熟，但同樣存在生產(chǎn)難點。
（1）回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈是回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的一大難題。一旦結(jié)圈嚴重，需要停機后耗費大量的人力物力清理?；剞D(zhuǎn)窯結(jié)圈的主要原因是初期煤灰的堆積，中后期物料在高溫段形成的低熔點化合物，產(chǎn)生較多的液相而不斷粘結(jié)[33]?？刂聘G結(jié)圈的主要措施有：根據(jù)物料的性質(zhì)選擇合適的配碳量，嚴格控制高溫段的溫度，配料精確，避免下料異常造成的高溫段集中。
（2）物料易粘倉，下料不暢。如脫氯提鹽后的高爐布袋灰，水分在 20%左右，通過在倉內(nèi)設(shè)置螺旋輸堵機可有效解決下料不暢的問題；返料及次氧化鋅做到定時放料，防止在倉內(nèi)過多堆積造成的堵塞。
（3）窯頭窯尾易冒煙，水淬產(chǎn)生水霧污染。生產(chǎn)時，需隨時保持窯內(nèi)的微負壓狀態(tài)，避免窯頭冒煙，同時可在窯頭窯尾增加除塵器，及時將溢出的煙塵收集。水淬車間可采取完全密封的方式，水淬池頂部設(shè)置密封罩，將水汽引入除霧器以消除水霧。
3 成本及效益分析
3.1 成本分析
以年處理 8 萬 t 高爐布袋灰，2 萬 t 燒結(jié)機頭灰脫氯提鹽項目為例，噸灰的處理成本在 300 元左右（不含折舊），成本由高到低的組成主要是藥劑費、能源動力費、人工費及制造費。其中藥劑費較高是由于濾液在凈化時需要使用大量藥劑，將雜質(zhì)離子脫除。
能源動力費中主要是蒸發(fā)器的蒸汽消耗，蒸發(fā) 1 t 濾液，需要約 0.5 t 蒸汽。
以年處理 8 萬 t 噸脫氯提鹽后的高爐布袋灰，12 萬 t 轉(zhuǎn)爐灰提鋅回轉(zhuǎn)窯項目為例，噸灰的處理成本在 350 元左右（不含折舊），成本由高到低的組成主要是燃料費、能源動力費、人工費及制造費。其中燃料費根據(jù)含鋅除塵灰的數(shù)量及碳含量而定，能源動力費中除電費外，壓縮空氣費用占比較高，主要用于氣力輸灰及除塵器的反吹。
以上是生產(chǎn)正常運行下的成本，如生產(chǎn)運行不暢，例如回轉(zhuǎn)窯因結(jié)圈造成作業(yè)率低，成本會大幅上升。
3.2 效益分析
以 3.1 中的項目為例，每年生產(chǎn)的脫除有害元素后的含鐵原料約 15 萬 t，按 500 元/t 計算，價值 7500 萬，生產(chǎn)約 4800 t 氯化鉀，按 1500 元/t 計算，價值 720 萬元，按窯含鋅量平均 3%計算，可生產(chǎn)約 1.2 萬 t 平均品位為 40%的次氧化鋅，按 3500 元/t 計 算，價值 4200 萬，以上合計 1.242 億元，處理成本為 1 億元，直接經(jīng)濟效益為 2420 萬元。入窯除塵灰中 Zn 的含量越高，經(jīng)濟效益越明顯。
有害元素脫除后，除塵灰可內(nèi)循環(huán)使用，減少了有害元素的富集，為燒結(jié)和煉鐵的穩(wěn)定順行提供了有利條件，同時減少了因鉀、鈉和鋅在系統(tǒng)中循環(huán)富集而消耗的熱量，間接經(jīng)濟效益明顯。項目從根本上解決了“固廢不出廠”的問題。
4 結(jié) 論
鋼鐵企業(yè)除塵灰綜合利用問題，隨愈加嚴格的環(huán)保政策得到鋼鐵企業(yè)的日益重視。本文通過對現(xiàn)有的綜合利用技術(shù)研究及應(yīng)用總結(jié)對比，燒結(jié)機頭灰及高爐布袋灰脫除K、Na 和 Cl 適合采用濕法工藝，高爐布袋灰及轉(zhuǎn)爐灰脫除 Zn 適合采用火法工藝。濕法脫氯提鹽及火法提鋅回轉(zhuǎn)窯的項目在部分鋼廠已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用，具有良好的經(jīng)濟效益，適合在各鋼鐵企業(yè)推廣應(yīng)用。
參考文獻：
[1] 伍穎, 姚俊, 彭波. 淺議鋼鐵冶金除塵灰的處理工藝[J]. 低碳世界, 2019, 9 (12): 30-31.
[2] 孟祥福. 除塵灰在燒結(jié)過程中的綜合利用[J]. 黑龍江冶金, 2016, 36(5): 59-62.
[3] 朱彤, 秦嬌平, 王躍飛. 寶鋼燒結(jié)資源綜合利用的生產(chǎn)實踐[J]. 煉鐵, 2005(A1): 113-116.
[4] 張凌義, 張德國. 轉(zhuǎn)爐一次除塵灰綜合利用技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 工程與技術(shù), 2016(1): 31-34.
[5] 蔡皓宇，陳輝，張勇，武建龍. 入爐堿負荷與焦炭劣化的關(guān)系[J]. 中國冶金, 2015, 25(12): 17-21.
[6] 朱斌, 周進東, 趙龔池, 呂小東, 潘祎. 高爐內(nèi)鋅的賦存形式及對燒結(jié)礦性能的影響[J]. 鋼鐵, 2020, 55(8): 130-139.
[7] 毛瑞， 張建良，劉征建, 等. 鋼鐵流程含鐵塵泥特性及其資源化[J]. 中南大學(xué)學(xué)報，2015, 46(3): 775-784.
[8] GUANG ZHAN, ZHAN-CHENG GUO. Water leaching kinetics and recovery of potassium salt from sintering dust[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2013, 23(12): 3770-3779.
[9] 胡賓生, 余三友, 貴永亮, 等. 唐鋼燒結(jié)工藝過程中氯元素平衡的研究[J]. 燒結(jié)球團, 2013, 38(2): 113-116.
[10] 劉月建,呂文,關(guān)紅兵, 等.安鋼 1#燒結(jié)機解決篦條糊堵的實踐[J]. 河南冶金, 2019, 27(4): 39-41.
[11] 張傳炳. 九鋼燒結(jié)機爐篦條糊堵現(xiàn)象的原因分析及解決措施[J]. 福建冶金, 2018(3): 20-22.
[12] 賈元正, 林萬明, 王皓, 等. 溫度對含鋅高爐瓦斯灰燒結(jié)的影響[J]. 礦產(chǎn)保護與利用, 2018(4): 48−53.
[13] 周磊,卜昭晨. 鋅對高爐的危害及應(yīng)對措施[J]. 天津冶金, 2019(2): 16−18.
[14] 鄭自豪. 含鋅轉(zhuǎn)爐塵泥資源化利用的研究[D]. 碩士論文. 北京. 北京化工大學(xué)，2020: 13-22.
[15] 潘剛, 劉川俊, 周從銳，等. 廢鋼對轉(zhuǎn)爐除塵灰鋅的影響[C]. 2020 年全國冶金能源環(huán)保技術(shù)交流 會會議文集. 河北唐山.
[16] 楊春善, 任明欣. 日照鋼鐵固廢塵泥處理實踐[J]. 鋼鐵, 2019, 54(4): 87.
[17] QIAN FENG. Recycling of the electric dust in sintering machine head[J]. Iron and Steel, 2015, 50(12): 67-71.
[18] 張梅, 付志剛, 吳濱, 等. 鋼鐵冶金燒結(jié)機頭電除塵灰中氯化鉀的回收[J]. 過程工程學(xué)報, 2014(6): 979-983.
[19] 秦立浩,墻薔,陽紅輝等.燒結(jié)機頭電除塵灰的分級利用[J].鋼鐵研究學(xué)報, 2020, 32(9): 802-808.
[20] 劉憲. 燒結(jié)機頭電除塵灰制取一氧化鉛試驗研究[J]. 燒結(jié)球團，2012(4): 71-74.
[21] 羅興國，魏昶，李興彬, 等. 高爐瓦斯灰氨-碳酸銨法除鋅[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2019, 29(10): 2433-2441.
[22] 馬愛元, 孫成余, 羅永光, 等. 用 NH3-(NH4)2CO3-H2O 體系從高爐瓦斯灰中浸出鋅試驗研究[J]. 濕法冶金, 2020, 39(4): 289-292.
[23] 胡正剛, 李紅, 李勇波, 等. 高爐瓦斯灰脫鋅試驗研究[J]. 武鋼技術(shù). 2016, 54(2): 15-18.
[24] 張建良, 閆永芳, 徐萌, 等. 高爐含鋅粉塵的脫鋅處理[J]. 鋼鐵, 2006, 41(10): 178-190.
[25] 盧山, 潘智斌, 周永新. 高爐除塵灰處理技術(shù)[J]. 廣西節(jié)能, 2010 (1): 33-36.
[26] 楊逢庭, 趙樹民, 徐國慶. 高爐除塵灰的綜合利用[J]. 山東冶金, 2015, 37 (1): 48-49.
[27] 李博, 毛艷麗, 王博蔚, 等. 轉(zhuǎn)底爐技術(shù)及其在含鐵塵泥處理中的應(yīng)用[J]. 鞍鋼技術(shù), 2017 (6): 8-12.
[28] 王飛，毛瑞，茅沈棟. 轉(zhuǎn)底爐對轉(zhuǎn)爐污泥的處理[J]. 鋼鐵. 2019, 54(12): 111-116.
[29] 尚海霞, 李海銘, 魏汝飛, 等. 鋼鐵塵泥的利用技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]. 鋼鐵, 2019, 54(3): 9-17.
[30] 佘雪峰, 薛慶國, 王靜松, 等. 鋼鐵廠含鋅粉塵綜合利用及相關(guān)處理工藝比較[J]. 煉鐵，2010(4)： 56-62.
[31] HILLMANN C，SASSEN KJ. 高爐處理轉(zhuǎn)爐含鋅粉塵[J]. 世界鋼鐵, 2013(5): 8.
[32] FISCH T，KESSELER K. OxyCup shaft furnace of Thyssen Krupp Steel Strategy for economic recycling of fine grained ferrous and carbonaceous residues[C]. Proceedings of Environmental Seminar. Beijing：The Chinese Society for Metals，2006.
[33] 殷磊明, 周云, 李陽. 回轉(zhuǎn)窯處理鋼鐵廠含鋅粉塵結(jié)圈機制的研究[J]. 冶金工程, 2017，4(2): 77-84.