廢金屬回收用設(shè)備(4)——礦熱電爐

1、礦熱爐用于幾種典型含金屬廢棄物資源循環(huán)利用的研究礦熱爐設(shè)備是冶煉鐵合金的主要設(shè)備，也可用于黃磷、電石等化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。礦熱爐區(qū)別于其它冶金反應(yīng)器的根本特征在于在一個反應(yīng)器內(nèi)利用電能實現(xiàn)礦物中金屬元素的還原與熔分，凡是具備這個根本特征的冶金反應(yīng)器可統(tǒng)稱為礦熱爐。近些年，垃圾焚燒灰燼、電爐含鋅粉塵、不銹鋼廢棄物、廢舊干電池等各類典型的含金屬元素固體廢棄物排放量日漸增多I,一些發(fā)達國家正在開發(fā)以這類廢棄物為原料的金屬回收工藝與設(shè)備，以解決環(huán)境污染和廢棄金屬資源綜合利用等問題。由于含金屬固體廢棄物中金屬元素主要是以氧化物形態(tài)存在，所以礦熱爐的高溫還原特征實現(xiàn)金屬元素的回收利用。金屬元素之外的某些有毒有

2、機物或者不參與反應(yīng)的無機物，均可經(jīng)過高溫處理（iooo°c以上）使之最終進入煙氣或者爐渣中。所以，采用礦熱爐回收含金屬固體廢棄物是較為理想的選擇。目前，國外采用礦熱爐回收含金屬廢棄物的研究已經(jīng)較為成熟，已有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的裝置與工藝5-7,國內(nèi)關(guān)于該領(lǐng)域亦有一定的研究工作8-10。本文通過查找文獻，對國內(nèi)外礦熱爐回收含金屬廢棄物的工藝進行介紹，希望能引起國內(nèi)鐵合金科研工作者對采用礦熱爐回收廢棄金屬資源研究的關(guān)注。1. 礦熱爐處理生活垃圾焚燒灰燼的工藝簡介目前，針對日益增多的生活垃圾，最常用的處理方法包括填埋法和焚燒法。以焚燒法為例，我國在2011年共建設(shè)生活垃圾焚燒廠109座，處理容量9

3、.41萬t/d。按灰燼量為焚燒垃圾量3%估算，我國生活垃圾焚燒灰燼重量達100萬噸，并將以每年約8%的速度遞增%灰燼的比表面積較大，同時富集有大量有毒重金屬以及二噁英類物質(zhì)，所以對其進行無害資源化回收十分必要。日本NKK公司開發(fā)出的一種渣阻礦熱爐，實現(xiàn)了焚燒灰燼的無污染化處理和其中有用金屬資源的回收5。原文中稱這種爐為"SlagRegistrationElectricFurnace”，該設(shè)備以加入爐內(nèi)的灰燼作為導(dǎo)體，通入交流電壓之后灰燼發(fā)熱達到較高溫度，然后在高溫下進行反應(yīng)，熔分得到爐渣與金屬。其冶煉過程示意圖見圖1。電源焚燒灰燼廢氣（送到廢氣處理裝置）圖1NKK礦熱爐冶煉過程示意圖

4、如圖1所示，灰燼從爐口加入，經(jīng)過爐內(nèi)的高溫處理之后形成爐渣與金屬，渣金兩相因比重不同相互分離，由各自的出口排出，該過程中產(chǎn)生的廢氣從上部的排氣口排除。出于技術(shù)保密的需要，該工藝流程的詳細參數(shù)與設(shè)備特征沒有詳細介紹。該類回收工藝具備如下優(yōu)點：1）冶煉工藝操作簡單，穩(wěn)定性較好；2）運行成本低。電極消耗僅為1公斤/噸灰，并有較高的電效率和熱效率。同時，該礦熱爐的電能由焚燒爐產(chǎn)生的煤氣可供應(yīng)發(fā)電；3）超過99.9%的二噁英能夠被分解，有效的去除灰燼的二次污染11；4）可制得高強度玻璃。如果再灰燼中加入5%的硅，并在1500°C左右熔融約30min,制成的玻璃固化體強度可達4000-5000M

5、Pa，抗折強度為60-90MPa】12。2. 礦熱爐處理電爐含鋅粉塵的工藝簡介電爐煉鋼過程中產(chǎn)生大量粉塵，其中包含有很高比重的鋅、鉛、鐵以及有毒的有機物質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計，每生產(chǎn)1t鋼，將產(chǎn)生10-20kg的粉塵。由于鋅資源稀缺，所以從電爐粉塵中回收鋅的研究工作較多，并且國外已有較為完善的電爐粉塵處理工藝。日本的JPSteelPlantech公司和臺灣的KATEC公司已開發(fā)一種新的電熔融還原爐（ESRF）來解決現(xiàn)有電爐粉塵處理設(shè)備中存在的問題6，該工藝示意圖見圖2。囲0+廢氣7n0COIfI+O血->CDlfc)輕(QUZnFeZnOtFeOwtC)ii0l|5)-CDffi)-+2r；e；tC

6、Olt)&刖習(xí)¥£間J2i(gj-C0(f)血0嘩汁址日忖4啊+M04WLfeiOi(S)+3C(5：.->2FB(lhICO7n0HOTMETAL圖2ESRF冶煉工藝示意圖在采用ESRF冶煉工藝之前，先將電爐粉塵混合還原劑焦炭和石灰石，燒結(jié)后加入爐內(nèi)熔化，得到鐵水和氧化鋅。圖3所示為回收得到的粗氧化鋅和鑄造生鐵。若ESRF設(shè)備安裝在電爐煉鋼廠，則鐵水可直接裝入電爐，從而省去了錠鑄造機的環(huán)節(jié)，同時利用了鐵水的顯熱并節(jié)約能量。（a）粗氧化鋅（b）鑄造生鐵圖3ESRF冶煉工藝所得產(chǎn)品6相對其它回收工藝，ESRF冶煉工藝的優(yōu)勢是：1）該工藝產(chǎn)生的廢氣中粉塵殘留少，粗

7、氧化鋅中ZnO的含量超過70%；2）廢氣溫度超過1250°C，電爐粉塵中的二惡英和其他有機物質(zhì)完全分解，消除了二次污染。3. 礦熱爐回收不銹鋼廢棄物工藝簡介隨著經(jīng)濟發(fā)展，全球不銹鋼消費量平均每年增速超過10%。我國是不銹鋼需求增速最快的國家，年平均遞增率超過18%8。不銹鋼生產(chǎn)的過程中伴隨有大量的煙塵、熱軋氧化鐵皮、冷軋酸洗廢渣、拋光碎屑等廢棄物產(chǎn)生，噸鋼可達到100kg左右3，按照2012年我國不銹鋼粗鋼產(chǎn)量1600萬噸計算，該類廢棄物的總量為160萬噸。這些廢棄物中含有大量的鎳、鉻氧化物，若隨意排放，易造成環(huán)境污染和金屬資源浪費，對其進行回收利用很有必要。近幾年，國內(nèi)企業(yè)采用礦熱

8、爐回收不銹鋼廢棄物冶煉鎳鉻鐵合金，進行了大量研究和生產(chǎn)實踐3,8,9,10。中冶東方工程技術(shù)有限公司與蘇州振吳電爐有限公司合作開發(fā)了采用礦熱爐回收不銹鋼廢棄物的工藝。該工藝冶煉首先將不銹鋼生產(chǎn)中產(chǎn)生的煙塵、酸洗廢渣、拋光散屑等廢棄物制成球團，采用焦炭和碳化硅作為還原劑，硅石和瑩石做熔劑，間斷性地將這些原料加入到27MVA的礦熱爐中熔煉，定時出鐵。該工藝所得產(chǎn)品為鎳鉻鐵合金，可以重返不銹鋼與合金鑄鐵的生產(chǎn)工藝中。該工藝對金屬元素的回收率非常高，生產(chǎn)實踐表明，廢棄物中主元素回收率的統(tǒng)計平均值為：nNi：91.1%，nCr：88.7%，nFe：95.4%。寶鋼采用類似的工藝，對該廠的不銹鋼廢棄物進行

9、了回收冶煉制備鎳鉻鐵合金，其工藝路線見圖4。其中所提到的冶煉爐即為礦熱爐。除塵灰等可利用尾渣等熱軋污泥等渣鋼（5iwn以下脫水處理受料倉二次混勻制球烘千（水分小于3蜒）造渣劑還原劑球團圖4不銹鋼廢棄物回收流程3一次混勻爐渣粉塵通過對不銹鋼廢棄物回收后制成球團礦,在再生礦熱爐中回收鉻、鎳等金屬元素。礦熱爐有較高的爐溫，可以大大改善爐內(nèi)還原反應(yīng)的熱力學(xué)條件，使還原反應(yīng)順利進行,說明利用礦熱爐回收不銹鋼廢棄物熔煉成鉻鎳鐵合金是可行的煉鋼匸使用4. 礦熱爐回收廢舊錳鋅干電池工藝簡介干電池廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域。干電池作為一次性能源，在放電完畢后應(yīng)當(dāng)妥善處理。因為干電池中含有大量金屬，若隨意與生

10、活垃圾一起丟棄，易造成環(huán)境污染。據(jù)測，每噸垃圾含汞高達1.7-5.1g/1,其中70%的汞來自廢舊干電池。此外還含有鋅、錳、鎘、銅、鉛、鎳、鐵等金屬。據(jù)對各種廢干電池的毒性溶出試驗測定，多數(shù)重金屬的溶出值都高于固體廢物毒性鑒別標準，汞超標10-1000倍以上，鎘超標10-20余倍，鋅超標高達40倍。說明廢干電池是非常有害的固體廢物。而另一方面，廢干電池又是寶貴的礦產(chǎn)資源。以最常見的鋅錳干電池為例，金屬含量超過50%，其中含鋅約28%,含錳約24%4。所以，對廢舊鋅錳干電池中含有的可再生資源回收利用，不僅可以避免鋅、錳等資源的浪費，又對環(huán)境保護和資源節(jié)約具有重要的意義。關(guān)于廢舊鋅錳干電池的回收利

11、用，我國科研工作者已有不少研究，但仍停留在實驗室階段。而發(fā)達國家如瑞士、日本、德國等已開發(fā)出較為完善的廢舊鋅錳干電池的回收利用工藝，并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。關(guān)于回收利用廢舊鋅錳干電池，常用方法有火法、濕法及干濕結(jié)合法。當(dāng)涉及到濕法處理時，所產(chǎn)生的廢液會造成二次污染。所以，國外回收工藝主要采用火法。德國亞琛工業(yè)大學(xué)的科研工作者以廢舊鋅錳干電池為原料，經(jīng)熱解或錘式破碎機破碎后，直接投入直流礦熱爐（DC-SAF）中冶煉，獲得錳鐵合金和氧化鋅粉末。目前該工藝已經(jīng)完成了實驗室階段的研究工作，取得了較好的效果恥DC-SAF工藝中廢舊鋅錳干電池處理過程示意圖見圖5。宜滋電肌爐Q底曰干電迪礙-電;曲P的石罷>両

12、松葷化話的郅分還IffSMlhC*BC->之*匚*SCOAMlnO*C*Mn*Cd:礦熱爐圖5DC-SAF工藝中干電池冶煉工藝示意圖門事至Ik.5-<Ckti>4<X>*-*QOZC*CO：KO圖6為該工藝采用的原料。圖6（1）為熱解后的電池，圖6（2）為黑色球團。熱解后的電池已去除了汞、電解質(zhì)和塑料等。黑色球團是未熱解的電池經(jīng)破碎后，經(jīng)篩分得到的炭黑與錳粉，再加以氧化鈣和硅酸鈉壓制成的球團。、厶/7iTTC3X）、圖6DC-SAF工藝所采用的的原料刀經(jīng)DC-SAF工藝冶煉所得的產(chǎn)品為錳鐵和氧化鋅粉，如圖7所示。(1)錳鐵板(2)氧化鋅粉圖7DC-SAF工藝所得的

13、產(chǎn)品刀該工藝制得的錳鐵合金不是非標產(chǎn)品，不利于產(chǎn)品推廣。同時，僅采用廢舊鋅錳電池作為原料直接冶煉錳鐵的新工藝在放大到工業(yè)實際應(yīng)用中肯定還存在一些技術(shù)問題，有待進一步深入研究。結(jié)論礦熱爐還原反應(yīng)器的優(yōu)勢在于對原料成分的穩(wěn)定性及生產(chǎn)工藝性能都要求較低,這正好符合了含金屬固體廢棄物做資源化回收原料的特點。同時，由于利用電能提供能量，爐內(nèi)溫度相對較高，有利于某些難還原金屬的熔煉。礦熱爐用于固體廢棄物中金屬的回收利用在國外已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，而在國內(nèi)還處于起步階段，仍有大量研究工作亟需展開，比如原料制備工藝、熔煉熱力學(xué)參數(shù)及工藝制定、礦熱爐設(shè)備參數(shù)研究等。隨著人們環(huán)保意識的增強和相關(guān)政策的出臺，鐵合金行業(yè)除了

14、完成其產(chǎn)品冶煉之外，還有必要從環(huán)境保護和資源回收角度進行自身服務(wù)功能的進一步提升，以更好地促進我國循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。參考文獻1 崔祥芬，楊一兵，齊媛媛等.城市固體生活垃圾焚燒對周邊居民的健康影響研究進展C.中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集(第七卷)，2013:5413-5416.2 胡曉軍，郭婷，周國治含鋅冶金粉塵處理技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀J.鋼鐵研究學(xué)報，2011，23(7)：1-5.3 韓偉不銹鋼生產(chǎn)過程中含鎳廢棄物的綜合利用J.寶鋼技術(shù)，2009(3):27-30.4 王保士.國內(nèi)外廢干電池的回收與再生利用研究現(xiàn)狀J.金屬再生，1990(6):38-42.5 http:/www.gec.jp/js

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