含鐵塵泥綜合利用技術

北京科技大學冶金與生態(tài)學院白皓冶金資源高效利用冶金工程碩士課程3.含鐵塵泥綜合利用技術一、背景和意義“節(jié)約資源、保護環(huán)境”是我國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要保證和手段。2010年我國粗鋼產(chǎn)量達6.267億噸，占全球總產(chǎn)量44.3%，是日本、俄羅斯、美國和印度粗鋼產(chǎn)量之和的2倍以上。鋼鐵固體廢物(尾礦、高爐渣、化鐵爐渣、鋼渣、塵泥、粉煤灰等)年產(chǎn)生量達2.0億噸，綜合利用率僅為40%左右。開展鋼鐵工業(yè)的固體廢物回收處理和綜合利用：不僅有利于鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，節(jié)約資源；而且節(jié)約土地，防止環(huán)境污染。二、含鐵塵泥來源和分類1.定義：含鐵塵泥（Fe-bearingdustsandsludges）是指鋼鐵生產(chǎn)過程中對所排煙塵進行干法除塵、濕法除塵和廢水處理后的固體廢物，其全鐵含量(TFe)一般在30-70%，主要包括：燒結(jié)塵泥、球團塵泥、高爐瓦斯灰、高爐瓦斯泥、煉鋼塵泥、轉(zhuǎn)爐污泥、電（轉(zhuǎn)）爐除塵灰、冷（熱）軋污泥、軋鋼氧化鐵鱗、原料場集塵和出鐵場集塵等。鋼鐵廠塵泥主要來自于礦石、熔劑及燃料等原料,但由于塵泥是在各個不同工序連續(xù)產(chǎn)生的,生產(chǎn)條件、操作制度、塵泥收集工藝及方法相差甚大,因此其化學成分、物理性能差異也很大。含鐵塵泥包括如下幾種：燒結(jié)原料在轉(zhuǎn)運、燒結(jié)過程中除塵器收集下來的粉塵，統(tǒng)稱為燒結(jié)塵泥；在高爐煤氣凈化過程中，重力除塵器收集下來的粉塵稱為瓦斯灰，文氏管洗滌產(chǎn)生的粉塵稱為瓦斯泥；高爐出鐵場收集的粉塵，稱高爐出鐵場粉塵；煉鋼廠的含鐵粉塵一般包括轉(zhuǎn)爐污泥（OG法濕法收塵）、轉(zhuǎn)爐電除塵（LT法干式收塵）、轉(zhuǎn)爐蒸發(fā)冷卻器粉塵、轉(zhuǎn)爐二次布袋除塵、鐵水預處理塵、電爐布袋除塵、電爐機力風冷收塵、各種精煉爐（AOD、VOD、LF爐等）粉塵以及煙道、沉降室收塵等；在鋼坯軋制過程中產(chǎn)生的鐵鱗稱軋鋼鐵皮，在軋鋼廢水循環(huán)利用中沉淀池回收的污泥稱軋鋼二次污泥或水渣。1)含鐵粉塵中鐵含量較高,品位一般在50%左右,且有害雜質(zhì)少,有很高的利用價值。2)粉塵粒度小,是一般鐵礦粉的1/30～1/500

,小于50μm

的占絕大多數(shù)。這些粉塵的流動性好.3)吸水性差。年產(chǎn)600萬噸鋼的冶金廠粉塵發(fā)生量(萬t/a)粉塵名稱粉塵量粉塵名稱粉塵量燒結(jié)粉塵32轉(zhuǎn)爐塵泥6.5燒結(jié)粉塵4.5原料場粉塵6高爐瓦斯泥5煤粉塵2.5轉(zhuǎn)爐粉塵5.2石灰粉塵3.8合計65.5(含鐵59.2）鋼鐵工業(yè)含鐵塵泥的來源NipponSteelKimitsuWorks新日鐵君津2.含鐵塵泥的化學成分含鐵塵泥中主要化學成分有全鐵（TFe）、CaO、MgO、SiO2、Al2O3、P2O5、TiO2、MnO、ZnO、Pb、C、S和堿金屬（Na2O+K2O）等。有用成分：可以在鋼鐵生產(chǎn)過程中直接回收利用的成分，如TFe、CaO、MgO、C等；有害成分：不能在鋼鐵生產(chǎn)過程中直接回收利用、且對鋼鐵生產(chǎn)過程有害的成分，如Zn、Pb、K、Na、S、P等。典型高爐煙塵物理和化學性質(zhì)表3-17高爐瓦斯泥化學組成（%）項目TFeCCaOMgOSiO2Al2O3ZnPbH2O鋼廠A30～3325～339.01.25.02.30.9～1.60.2～0.620～35鋼廠B36.5813.568.680.9712.144.42.240.5119.70鋼廠C33.8722.782.553.1810.563.273.110.0～0.615.48鋼廠D11.0616.374.335.5420.674.579.332.0928.21表3-18高爐瓦斯泥粒度組成（%）粒度/mm0.2800.280～0.1800.180～0.1540.154～0.1100.110～0.077＜0.077瓦斯泥3.06.382.64.0333.6850.31瓦斯灰9.18.428.629.26.77.8瓦斯泥是高爐煤氣洗滌污水排放于沉淀池中經(jīng)過沉淀處理后而得到的廢渣，呈黑色泥漿狀或灰色粉末狀。瓦斯泥粒度細微高爐瓦斯泥顆粒度細微，小于0.074mm的顆粒約占97%～100%，一般平均粒徑只有20～25μm。高爐瓦斯泥的主要特性為：鋅含量高、水含量高、鐵含量高、碳含量高、顆粒料度細微、鋅主要存在于較小的顆粒中。煉鋼粉塵主要由氧化鐵組成，氧化鐵含量為70%～95%，其余的5%～30%的粉塵由氧化物雜質(zhì)組成，如氧化鈣和其他金屬氧化物（主要是氧化鋅），煉鋼粉塵中其他化合物是鋅鐵塵晶石、鐵鎂塵晶石、碳酸鈣，還有碳。堿性氧化轉(zhuǎn)爐煉鋼法產(chǎn)生的粉塵曾用作燒結(jié)生產(chǎn)的原料并在高爐內(nèi)循環(huán)利用。鋅在煉鐵過程中屬有害元素，在高爐冶煉過程中，鋅易形成爐瘤而限制爐內(nèi)固體和氣體的流動。轉(zhuǎn)爐爐塵和電爐爐塵的化學成分見表3-19、表3-20。表3-19氧化轉(zhuǎn)爐爐塵化學成分（%）類型TFeFeOZnSiO2CaO干法除塵64.05.60.31.41.8濕法除塵68.362.40.540.43.1表3-20電弧爐爐塵化學成分（%）成分含量/%成分含量/%TFe30.2MnO2.8FeO2.8P2O50.5Fe2O340.0Na+K0.4ZnO24.2Cu+Ni0.9PbO4.1C1.7CaO5.1S0.6SiO24.8Cl3.3MgO1.3其他5.3轉(zhuǎn)爐和電爐爐塵的粒度在10μm以下，轉(zhuǎn)爐濕法除塵得到的除塵污泥經(jīng)真空過濾或壓濾后一般含水15%~30%，成膠體狀，水分不易蒸發(fā)。3.含鐵塵泥的分類（1）按全鐵（TFe）含量可分為：低含鐵塵泥（TFe<30%）中含鐵塵泥（TFe=30~50%）高含鐵塵泥（TFe>50%）按含鐵塵泥中鋅（Zn）含量可分為：低鋅含鐵塵泥（Zn<1%）中鋅含鐵塵泥（1%≤Zn≤8%）高鋅含鐵塵泥（Zn>8%）對于低鋅含鐵塵泥可直接作為燒結(jié)配料使用；鋅含量≥1%的中高鋅含鐵塵泥需進行脫鋅處理后才能返回鋼鐵工藝。3.含鐵塵泥的分類（2）按含鐵塵泥中固定碳（FC）含量可分為：低碳含鐵塵泥（FC<2%）中碳含鐵塵泥（FC=2~50%）高碳含鐵塵泥（FC>50%）按含鐵塵泥中堿金屬（K2O+Na2O）含量可分為：低堿含鐵塵泥（K2O+Na2O<0.5%）中堿含鐵塵泥（K2O+Na2O=0.5~1%）高堿含鐵塵泥（K2O+Na2O>1%）按含鐵塵泥的物理狀態(tài)可分為：干式除塵灰濕式污泥含鐵塵泥來源及性質(zhì)一覽表塵泥種類來源收集方式性質(zhì)主要成分原料準備塵泥在原料場、燒結(jié)、球團、煉鐵、煉鋼和軋鋼等工藝的原料準備過程中產(chǎn)生的塵泥。多管除塵器、電除塵器和布袋等。粉體為主，隨工藝變化較大。Fe,Ca等，隨工藝變化較大燒結(jié)塵泥在燒結(jié)原料準備、配料、燒結(jié)與成品處理等過程中，除塵器收集的粉塵，包括燒結(jié)機機頭、機尾、成品整粒和冷卻篩分等收集的煙粉塵。干法：多管除塵器、電除塵器和布袋等。粉體，其細度在5~40μm之間。TFe含量約50%球團塵泥在球團原料準備、配料、焙燒與成品處理等過程中，除塵器收集下來的煙塵、粉塵。干法：多管除塵器或電除塵器同上TFe含量50%左右高爐瓦斯泥在高爐煉鐵過程中高爐煤氣洗滌污水排放于沉淀池中經(jīng)沉淀處理而得到的固體廢物。濕法：文丘里洗滌等呈黑色泥漿狀，表面粗糙，有孔隙，粒度<75μm占50%~85%。TFe=25~45%，鋅含量較高。高爐瓦斯灰在高爐煉鐵過程中隨高爐煤氣一起排出，經(jīng)干式除塵器收集的粉塵。干法：多管除塵器或電除塵器等。呈灰色粉末狀，粒度較高爐瓦斯泥粗，干燥，易流動，堆放、運輸污染嚴重TFe以FeO為主,鋅含量較高高爐除塵灰高爐煉鐵過程中礦槽、篩分、轉(zhuǎn)運、爐頂、出鐵場等除塵收集到的粉塵干法：多管除塵器或電除塵器等。//轉(zhuǎn)爐塵泥轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中經(jīng)文丘里洗滌器或干式靜電除塵器收集而得的固體廢物，包括轉(zhuǎn)爐污泥和轉(zhuǎn)爐粉塵。文丘里洗滌器或干式靜電除塵器呈膠體狀，很粘，難以濃縮脫水，粒度<40μm顆粒占80%。Fe、Zn成分較高，TFe在50%~60%。電爐粉塵電爐煉鋼時產(chǎn)生的粉塵干式靜電除塵器等粒度很細，<2μm顆粒>90%。TFe約30%，鋅鉛10~20%。軋鋼塵泥在軋鋼過程中回收的塵泥，不包括含油、含酸堿的塵泥。干式靜電除塵器等隨工藝變化較大。/氧化鐵皮在鋼材軋制過程剝落的固體物質(zhì)。干濕法收集鐵含量最高的廢渣。TFe>70%。三、含鐵塵泥的處置技術1976年，美國環(huán)保機構制定了法律，將含鋅、鉛的鋼鐵廠粉塵劃歸K061類物質(zhì)（有毒的固體廢物），要求鋼鐵廠對其中的鋅、鉛等進行回收或鈍化處理。歐洲、日本、韓國等都制定了類似法律。含鐵塵泥的處置方法通常包括兩大類：企業(yè)外部處置企業(yè)外部露天堆放與填埋處置企業(yè)外部集中處置企業(yè)內(nèi)部處置國外大多數(shù)鋼鐵企業(yè)大多基于集中管理和處理的原則，由環(huán)保公司統(tǒng)一處理。企業(yè)內(nèi)部處置企業(yè)內(nèi)部直接回收利用：是將含鐵塵泥作為燒結(jié)、球團原料等在企業(yè)內(nèi)部鋼鐵生產(chǎn)工藝上直接循環(huán)利用。含鐵塵泥品位差別較大、且含有有害雜質(zhì)，長期直接循環(huán)利用會造成燒結(jié)礦鐵品位降低、有害雜質(zhì)（主要為鋅）含量提高，導致爐襯壽命和高爐利用系數(shù)降低。常用的直接回收利用工藝后面將詳細介紹。企業(yè)內(nèi)部集中回收利用：是將不同的鋼鐵生產(chǎn)工藝過程中收集的含鐵塵泥進行集中堆放與貯存，經(jīng)過混勻、配料等工藝后，作為燒結(jié)與球團原料來使用。鋼鐵工業(yè)含鐵塵泥的來源四、含鐵塵泥的利用途徑冶金含鐵塵泥利用方法一般分為四類。1、燒結(jié)球團法作煉鐵原料主要方法有：一是直接作燒結(jié)原料，其中又分為直接燒結(jié)法和小球燒結(jié)法；二是直接作球團原料；亦有直接還原獲得預還原球團做高爐爐料。①燒結(jié)法：燒結(jié)法是目前冶金粉塵應用最廣泛的方法，雖然可以達到粉塵利用的目的，但其缺點也是很明顯：直接燒結(jié)法由于冶金塵泥的大部分顆粒度細、分散度高，與燒結(jié)原料粒度差別過大，配料時容易產(chǎn)生偏析，難以混勻，且會影響燒結(jié)料的透氣性和燒結(jié)產(chǎn)品的質(zhì)量；小球燒結(jié)法雖然改善了燒結(jié)料的透氣性，但還是走大循環(huán)道路，就能耗、工序而言均欠合理。②球團法：由于冶金塵泥特別是煉鋼塵泥渣化溫度低，大約在1100℃，軟化區(qū)間狹窄，熔化速度快，超過1150℃就嚴重結(jié)瘤，球團焙燒爐操作上的困難和球團質(zhì)量的均勻性很難保證。③直接還原法，該工藝對粉塵的鐵要求含量很高，雜質(zhì)含量低，而且投資大，能耗高，對粉塵原料適用性差。2、煉鋼粉塵作煉鋼化渣劑.作煉鋼化渣劑的加工方式是將粉塵制作成具有一定強度的球團，然后再投入煉鋼爐應用。主要方法如：碳酸化球團法、水泥冷固結(jié)球團法、輪窯燒結(jié)法、熱壓塊法、冷壓球團法等。目前利用煉鋼粉塵可以加工煉鋼化渣劑，它在冶煉時可起到冷卻、化渣、脫磷、脫硫等效果，是目前煉鋼粉塵利用的主要方向。碳酸化固結(jié)工藝需要時間較長，能耗大，不盡合理；水泥冷固結(jié)球團法，其水泥雜質(zhì)限制其投入煉鋼應用；輪窯是可提供均勻加熱的高溫設備，但投資大能耗大，且需配備一定的擠壓設備，且燒結(jié)后的產(chǎn)品需要破碎成一定的粒度后才能入轉(zhuǎn)爐使用；熱壓塊法只能用于處理干塵，且設備投資高；冷壓球團法目前應用較多的是將轉(zhuǎn)爐污泥干燥到一定水分程度后配加各種粘結(jié)劑后進行壓球，然后再進行自然堆放養(yǎng)護，使之獲得一定的強度，該流程需要很大的場地及長時間的養(yǎng)護，而且其使用的粘結(jié)劑成本較高，另外，該工藝所獲得的團塊強度質(zhì)量特別是熱態(tài)強度很難保證。目前普遍認為轉(zhuǎn)爐煉鋼粉塵加工粉塵球團化渣劑的工藝方法是實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐塵泥綜合利用的最有效途徑之一，但工藝過程中必須解決粉塵球團的強度問題，特別對特種鋼冶煉粉塵球團的粉化問題。干壓球團法，是將煉鋼粉塵進行干態(tài)添加粘結(jié)劑壓球直接得球團的方法，是目前流程最簡單，又能處理各種干濕粉塵的方法。3、直接還原處理直接還原主要是針對含鐵高的冶金粉塵、含鉛鋅高的粉塵和特種鋼粉塵。直接還原法是粉塵先制備成球團，再在高溫還原設備中用固體或氣體還原劑進行還原處理。在還原的高溫環(huán)境下，絕大部分鋅、鉛還原并揮發(fā)出來，再在環(huán)境中氧化后由收塵器捕集到，同時得到的金屬化球團可直接送煉鋼處理。4、濕法處理工藝濕法工藝一般用于含鋅冶金粉塵的處理，低鋅粉塵須經(jīng)物理法富集后，再采用濕法處理。濕法工藝又包括酸浸和堿浸工藝。濕法工藝的總體特點：①鋅鉛的浸出率較低，浸渣難以作為鋼廠原料循環(huán)使用，也滿足不了環(huán)保法提出的堆放要求；②單元操作過多，浸出劑消耗較多，成本較高；③設備腐蝕嚴重，大多數(shù)操作條件較惡劣；④對原料比較敏感，使工藝難以優(yōu)化；⑤處理過程中引入的硫、氯等易造成新的環(huán)境污染；⑥與鋼廠現(xiàn)有技術不配套；⑦效率較低；⑧與火法比，其能源消耗、設備投資少。五、不銹鋼粉塵的回收利用技術不銹鋼粉塵是指在冶煉過程中由電弧爐、AOD/VOD爐或轉(zhuǎn)爐中的高溫液體在強攪動下，進入煙道并被布袋除塵器或電除塵器收集的金屬、渣等成分的混合物。電爐的粉塵量約為裝爐量的1%-2%，AOD爐的粉塵量約為裝爐量的0.7%-1%。因為冶煉原料、冶煉溫度、吹氣量等的不同，所產(chǎn)的粉塵成分和物相結(jié)構隨之不同。在電爐和AOD爐中冶煉不銹鋼時，粉塵中含有較多地Ni、Cr等元素，其成分大致為：

成份Cr2O3NiOMoO2(T-Fe)其他（CaO等）

10-15%3-5%1-2%20-4038%不銹鋼粉塵中一般都含有大量的Ni、Cr、Fe等有價金屬，另外還含有一些微量元素如Si、C、Mn、Mg、Pb、Zn等，這些金屬多以氧化物的形式存在，其中Fe以Fe2O3、Cr以CrO、Ni以NiO的形式存在。目前利用此類粉塵的方法主要有以下幾種：

火法直接還原處理濕法處理噴吹或造塊直接回爐法。

比較具有代表性，也是世界上處于領先水平的直接還原回收工藝包括：瑞典ScanDustAB(SKFSteel公司)的等離子工藝；美國Inmetco公司開發(fā)的InmetcoProcess和Midrex公司開發(fā)的Fastmet／Fastmelt

技術；日本KawasakiSteel公司STAR工藝；美國BureauofMines電爐間接還原回收法等。火法直接還原法不銹鋼粉塵直接還原是指粉塵直接（或經(jīng)過造塊制粒）加入還原設備中還原生成合金海綿鐵或直接還原鐵DRI，然后再加到電弧爐（或轉(zhuǎn)爐）中，也有直接還原分離回收金屬的。所有這些工藝都采用高溫加熱的形式，使金屬鎳、鉻、鐵從粉塵中還原出來以合金的形式存在，再將成品或半成品返回不銹鋼冶煉的流程中。要是把水蒸汽再加熱，比方幾千度、上萬度地燒，會達到物質(zhì)的第四態(tài)，等離子體狀態(tài)！PLASMAGASLIQUIDSOLIDENERGY等離子體：當物質(zhì)的溫度從低到高變化時，物質(zhì)將逐次經(jīng)歷固體、液體和氣體三種狀態(tài)，當溫度進一步升高時，氣體中的原子、分子將出現(xiàn)電離狀態(tài)，形成電子、離子組成的體系，這種由大量帶電粒子（有時還有中性粒子）組成的體系便是等離子體等離子體是物質(zhì)存在的第4種狀態(tài)，稱物質(zhì)第四態(tài)。等離子體廣泛存在于宇宙空間（從電離層到宇宙深處物質(zhì)幾乎都是電離狀態(tài)），宇宙空間99%是等離子體。地球表面幾乎沒有自然存在的等離子體。只有閃電、氣體放電等實驗室中出現(xiàn)的電離氣體，即等離子體。（1）ScanDustAB等離子技術等離子技術是德國人于上世紀40年代早期發(fā)明的，后來被瑞典人在1954年用于煉鋼。等離子弧的原理﹕首先，讓連續(xù)通氣放電的電弧通過一個噴嘴孔﹐使其在孔道中產(chǎn)生機械壓縮效應﹔同時﹐噴嘴中心安裝有一個渦流環(huán)﹐等離子氣在電離前就已產(chǎn)生強烈的渦流收縮效應﹐使等離子氣聚焦成一束很細的氣柱從噴中心噴出；最后，為了確保等離子弧的溫度不致持續(xù)升高而使等離子弧柱膨脹擴散，割槍內(nèi)的循環(huán)冷卻液又對噴嘴進行冷卻，通過降低溫度對弧柱再一次進行壓縮并最終達到一種平衡。這3種效應對弧柱進行強烈壓縮﹐在與弧柱內(nèi)部膨脹壓力保持平衡的條件下﹐使弧柱中心氣體達到高度的電離﹐而構成電子﹑離子以及部分原子和分子的混合物﹐即等離子弧。

等離子弧按導電方式可分為非轉(zhuǎn)移型﹑轉(zhuǎn)移型和混合型3種。ScanDustAB等離子技術其原理是利用通電電流在電極（銅合金）上產(chǎn)生的高溫（3000℃）將通入的燃料氣體分子離解成原子或粒子，氣體原子或粒子在燃燒室內(nèi)燃燒，釋放出高達20000℃的火焰中心溫度。加入的不銹鋼粉塵與還原劑的混合物，在如此高的溫度下被迅速地還原，并生成金屬蒸氣。金屬混合物蒸氣因為沸點不同，在冷凝器中逐漸分離。該工藝的突出優(yōu)點:設備占地面積小、效率高;整個工藝過程清潔、無二次污染；粉塵與還原劑混合干燥后直接加入等離子爐，不需造球；還原徹底，鉻的回收率較高；可實現(xiàn)較低沸點不同金屬的分離；能量適應范圍廣；流程短、可回收利用大量的熱量資源等。缺點：電能消耗大；還原劑要求高（需要高質(zhì)量焦炭）、噪聲較大、電極消耗大（100～1500h更換一次）；耐火材料消耗較大，且設備需增加冷凝裝置；其產(chǎn)品一般還需另外冶煉，增加了后序處理工藝。該工藝已較為成熟完善，在瑞典已大量應用于鋼鐵生產(chǎn)領域處理不銹鋼粉塵和其他電弧爐粉塵。（2）Inmetco工藝美國Inmetco公司開發(fā)的InmetcoProcess直接還原工藝在環(huán)形轉(zhuǎn)底爐（RHF）中生產(chǎn)海綿鐵，并于1978年建成直徑為16.8m的RHF進行生產(chǎn)實驗，距今已有20多年的生產(chǎn)經(jīng)驗。該工藝分為三個步驟：①備料、混合、造球；②還原；③熔煉和吹煉。將不銹鋼粉塵+煤或焦粉混合造球;在轉(zhuǎn)底爐床中直接還原，粉塵中Zn、Pb揮發(fā)，其它氧化物被還原;然后將產(chǎn)出的熱金屬化球團加入埋弧電爐熔煉，生產(chǎn)的含Ni、Cr、Fe的合金鑄塊（每塊20Kg），然后再賣給鋼廠作為冶煉不銹鋼的原料。六、鋼鐵冶煉中含鋅粉塵等的回收處理在鋼鐵冶煉過程中，粉塵中除富含鐵外，常含有較高的鋅含量。其中的鋅主要來源于鍍鋅的廢鋼及含鋅較高的鐵礦石。國外大力發(fā)展電爐煉鋼短流程技術，原料以廢鋼為主，粉塵中含鋅較高。國內(nèi)含鋅粉塵主要來源于電爐粉塵和使用含鋅、鉛較高鐵礦石的高爐粉塵。當前國內(nèi)外鋼鐵冶煉含鋅粉塵的單位產(chǎn)出和組成成份統(tǒng)計結(jié)果如表3-21、表3-22所示，某鋼鐵廠含鋅粉塵的堆密度和粒度組成如表3-23所示。表3-21國外鋼鐵冶煉含鋅粉塵單位產(chǎn)出及組成/%粉塵種類產(chǎn)出量/kg.t-1TFeZnPbC電爐粉塵5~2010~3614~403~60~4高爐粉塵14~3020~500.5~250.2~1.52.5~60轉(zhuǎn)爐粉塵7~3054~802.5~80.2~1.01~2表3-22國內(nèi)鋼鐵冶煉含鋅粉塵單位產(chǎn)出及組成/%粉塵種類產(chǎn)出量/kg.t-1TFeZnPbC電爐粉塵4.5~22.535~455~71~40~4高爐粉塵10~8010~303~172~73~21轉(zhuǎn)爐粉塵8~2055~680~0.50~0.30~2表3-23某鋼鐵廠含鋅粉塵的堆密度和粒度組成粉塵種類堆密度/kg.m-3粒度組成（%）+147m-147+74m-74+41m-41m轉(zhuǎn)爐粉塵77615.9317.528.4958.06高爐粉塵117619.9015.5810.1254.40鋼廠塵泥按不同鋅質(zhì)量分數(shù)的分類國外通常將含鋅大于30%的粉塵劃為高鋅粉塵，含鋅15%~30%的為中鋅粉塵，含鋅小于15%的為低鋅粉塵。我國劃分標準依企業(yè)自身情況而定，一般將含鋅大于1%的粉塵劃為中、高鋅粉塵，含鋅小于1%的為低鋅粉塵。對鋅含量小于1%的低鋅粉塵，目前主要用于燒結(jié)配料，在冶金流程內(nèi)部循環(huán)，基本得到全部利用。但因工藝技術、設備配置等不同，對用于內(nèi)部循環(huán)使用的粉塵鋅含量要求差別也較大，如寶鋼就嚴格限制鋅含量大于0.1%的粉塵再返回燒結(jié)循環(huán)使用。對鋅含量大于1%的中、高鋅粉塵的利用，國內(nèi)外都做了大量工作，目的是以盡可能低的成本，充分回收其中的鋅等有價元素，并使脫鋅后的塵渣能作為富鐵料循環(huán)利用。概括起來，處理含鋅粉塵的方法有物理分離法、濕法浸出和火法冶金三種。含鋅粉塵的利用途徑（1）物理分離法含鋅粉塵的物理分離法主要有磁選法和分級法。（1）磁選法磁選法是利用粉塵中鋅富集在磁性較弱的細顆粒中的特性，采用磁選方法，將富含鋅的磁性較弱的細顆粒與富含鐵的強磁性顆粒分離，富集鋅元素，并降低富鐵粉塵中的鋅含量，使其能在鋼鐵冶煉流程中循環(huán)利用。對含碳較高的高爐粉塵，需采用浮選脫碳—磁選富鋅的聯(lián)合工藝流程，以提高分離的效率。磁選法工藝成熟、簡單易行，但鋅、鐵分離效率低。（2）分級法分級法是利用鋅一般富集在較細粒級顆粒中的特性，采用離心分級富集鋅。分級法可分為濕式和干式兩種。由于物理分離法的分離效率較低，通常不單獨應用，只作為濕法浸出或火法冶金的預處理工藝。（2）濕法浸出含鋅粉塵中的鋅主要以氧化鋅形式存在，少量呈鐵酸鋅形態(tài)。氧化鋅是一種兩性氧化物，不溶于水或乙醇，但可溶于酸、堿或銨液中。濕法浸出技術就是利用氧化鋅的這種性質(zhì)，根據(jù)需要采用不同的浸出液，將鋅從混合物中分離出來，主要用于處理中、高鋅粉塵，如圖3-19所示。根據(jù)所選擇浸出液的不同，濕法浸出技術又可分為酸性浸出和堿性浸出等。圖3-19濕法浸出處理鋼鐵廠中、高鋅粉塵工藝流程表3-24幾種濕法浸出的反應過程及工藝技術特點方法浸出液反應特征酸浸出硫酸系一段浸出：pH值為2.5~3.5，ZnO溶解二段浸出：pH值為1~1.5，200℃

高壓浸出ZnO·Fe2O3分解容易處理，傳統(tǒng)的電解法回收Zn鹽酸系ZnO+2HCl→ZnCl2+H2OZnO·Fe2O3+2HCl→ZnCl2+H2O+Fe2O3吹入Cl2使溶解的少量Fe2+轉(zhuǎn)變成Fe(OH)3一步浸出，氯化鋅的鹽酸溶液電解回收Zn或者溶劑萃取鹽酸硫酸混合系混酸可一步浸出ZnO和ZnO·Fe2O3殘渣用堿處理一步浸出，浸出環(huán)境不比鹽酸系差堿性溶液浸出氯化銨30%的NH4Cl100℃浸出，最后回收ZnO，ZnO·Fe2O3成為殘渣工藝簡單，Zn回收率難以提高，回收ZnO后需要酸浸才能提取Zn氨水通CO2氣體，氨水溶解ZnO，最后回收ZnO應考慮ZnO精制氫氧化鈉ZnO·Fe2O3經(jīng)反應ZnO·Fe2O3+2OH–

→ZnO22-+Fe2O3+H2O溶解，原NaOH溶液中電解最終殘渣中Pb含量較低（3）火法冶金火法冶金技術處理含鋅粉塵可分為熔融還原法和直接還原法。熔融還原法主要用于處理鋅含量大于30%的高鋅粉塵。包括有瑞典、美國、英國等國家的等離子法、美國的火焰反應爐還原法、日本川崎的Z-Star豎爐熔融還原法、俄羅斯和日本新日鐵的Romelt等。對于中、低鋅粉塵，主要采用直接還原法。直接還原法利用鋅的沸點較低（907℃）的性質(zhì)，在高溫還原條件下，粉塵中鋅的氧化物被還原成鋅金屬，并氣化揮發(fā)成鋅金屬蒸氣，隨煙氣一起排出，實現(xiàn)鋅與粉塵的分離。在煙氣氣相中，鋅蒸氣又很容易被氧化，再轉(zhuǎn)化成鋅的氧化物顆粒，得到回收。直接還原法比較成熟的工藝技術有回轉(zhuǎn)窯法、轉(zhuǎn)底爐法、循環(huán)流化床法和冷固球團法。近年寶鋼自主開發(fā)了轉(zhuǎn)爐紅渣法，微波加熱法也是當前受到關注的技術。鋼鐵廠內(nèi)各種來源的含鋅粉塵經(jīng)過物理分離、濃縮、干燥等預處理，與還原劑混合。送入還原氣氛的回轉(zhuǎn)窯，在高溫下，粉塵中鐵和鋅的氧化物被還原，鋅進一步蒸發(fā)并隨煙氣排出，經(jīng)過煙氣收集裝置獲得富鋅產(chǎn)品。直接還原鐵產(chǎn)品從窯頭排出，經(jīng)冷卻后，用篩孔為7mm的篩子篩分，大于7mm的直接還原鐵產(chǎn)品作為高爐原料，小于7mm的作為燒結(jié)原料。其工藝流程見圖3-20。a回轉(zhuǎn)窯法圖3-20回轉(zhuǎn)窯法處理鋼鐵廠含鋅粉塵工藝流程該工藝不需造球，還原出的產(chǎn)品30%（+7mm）可直接作為高爐原料使用，70%(-7mm)作為燒結(jié)原料，并綜合回收了有價元素鋅。但因是粉料入爐，設備處理能力較低，直接還原鐵產(chǎn)品的金屬化率不高?；剞D(zhuǎn)窯法中比較成熟的工藝是威爾茲(Waelz)工藝。

圖3-21威爾茲工藝流程圖轉(zhuǎn)底爐法的工藝過程主要包括配料造球、還原、煙氣處理及煙塵回收等主干單元。含鋅粉塵與還原劑混合造球、干燥。送入轉(zhuǎn)底爐，在1316~1427℃高溫下快速還原處理，得到直接還原鐵。同時，被還原的鋅氣化后進入煙氣，煙氣冷卻后，氣化的金屬鋅被氧化成細小的固體顆粒，得到氧化鋅產(chǎn)品。b轉(zhuǎn)底爐法與回轉(zhuǎn)窯法相比，轉(zhuǎn)底爐法獲得的直接還原鐵金屬化率高，單位處理能力大。但是如果粉塵中的非鐵、鋅成分較多，將降低還原后金屬化球團的鐵品位，金屬化球團中殘留鋅的含量也比回轉(zhuǎn)窯法高，影響其循環(huán)利用。轉(zhuǎn)底爐工業(yè)生產(chǎn)流程如圖3-22所示。圖3-22轉(zhuǎn)底爐工業(yè)生產(chǎn)流程日本新日鐵等公司采用該方法處理含鋅粉塵，獲得的直接還原鐵產(chǎn)品含鐵82%~84%，金屬化率大于90%，鋅含量小于0.1%，脫鋅率達94.0%。獲得的氧化鋅產(chǎn)品鋅含量高達63.4%。46國內(nèi)鋼鐵塵泥循環(huán)再利用——轉(zhuǎn)底爐直接還原處理含鐵塵泥技術用轉(zhuǎn)底爐將含鐵塵泥造塊①生產(chǎn)金屬化球團，供給高爐煉鐵或②生產(chǎn)直接還原球團代替廢鋼供給轉(zhuǎn)爐冶煉純凈鋼。①使塵泥能全面利用，同時②還可除去塵泥中的有害金屬元素(鉛、鋅)。運行的轉(zhuǎn)底爐47轉(zhuǎn)底爐直接還原處理含鐵塵泥技術馬鋼引進日本技術；萊鋼與我校合作在建的轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線是國內(nèi)第一條設備全部國產(chǎn)化、用于處理鋼鐵企業(yè)含鐵粉塵的生產(chǎn)線。萊鋼項目生產(chǎn)的金屬化球團直接供高爐利用，鋅灰全部外銷。項目建成后，年處理含鋅塵泥32.9萬噸，年產(chǎn)金屬化球團20萬噸，回收鋅灰2000噸。項目投資10110萬元，年新增銷售收入20800萬元、所得稅894萬元、利潤2709萬元。該項目不僅解決鋼鐵企業(yè)粉塵難以利用和污染環(huán)境的問題，而且緩解鐵礦石和鋅礦石資源緊張的局面。循環(huán)流化床工藝是利用流化床的良好氣體動力學條件，通過氣氛和溫度的控制，在將鋅還原揮發(fā)的同時，抑制氧化鐵的還原，從而降低處理過程的能耗。其流程見圖3-23。利用循環(huán)流化床法處理冶煉含鋅塵泥過程中，由于塵泥很細，使得還原揮發(fā)出的鋅純度較低，流化床的操作狀態(tài)也不易控制。溫度低雖對避免爐料粘結(jié)有利，但降低了生產(chǎn)效率。因此，自1990年代4t/h的工業(yè)試驗成功后，未再有進一步的工業(yè)應用實踐。c循環(huán)流化床法圖3-23循環(huán)流化床法處理鋼鐵廠含鋅粉塵流程d冷固球團法冷固結(jié)球團法是將含鋅較低的粉塵，加入還原劑、粘結(jié)劑制成球團或壓成塊狀，重新返回高爐、電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉。該方法成本較低，可方便回收塵泥中的鐵元素，但當返回高爐冶煉時，此方法不適用于鋅含量超標的塵泥。e轉(zhuǎn)爐高溫紅渣法轉(zhuǎn)爐高溫紅渣法（BSR）是寶鋼自主研究開發(fā)的處理含鋅粉塵的工藝技術。BSR法的技術思路就是利用鋼鐵廠現(xiàn)有工藝流程中尚未得到利用的鋼渣顯熱資源，使含鋅粉塵脫鋅并熔融還原成可代替廢鋼使用的粒鐵產(chǎn)品。將高鋅含鐵塵泥配加一定量碳制成自還原含碳團塊，并預先鋪放在鋼渣罐中，在出渣過程中兌入1600℃以上的高溫紅渣與其混合，利用高溫紅渣的顯熱來加熱塵泥團塊，在運輸過程中團塊被加熱到1300℃以上，并保持20～30min，從而使塵泥團塊中的氧化鐵被還原為粒鐵夾雜在紅渣中。然后，利用鋼鐵廠現(xiàn)有的滾筒-熱悶罐法鋼渣處理設備及磁選機將粒鐵與鋼渣分離。同時塵泥團塊中的氧化鋅被還原揮發(fā)，揮發(fā)出的高鋅煙氣可利用收塵設備回收，作為鋅精礦副產(chǎn)品出售。轉(zhuǎn)爐高溫紅渣法處理含鋅粉塵的工藝流程示意圖見圖3-24。轉(zhuǎn)爐高溫紅渣法工藝步驟與特點圖3-24轉(zhuǎn)爐高溫紅渣法處理含鋅粉塵工藝流程該方法雖有一定的脫鋅效果，并可回收鐵資源，不需要專門的熔煉設備，投資省、成本低。但鋅沒有有效回收，在整個處理過程中，脫鋅反應動力學條件不好，鋼渣本身顯熱量也不能保證反應充分進行，同時工藝流程長，工藝操作較難控制。微波加熱是以電磁波的形式將電能輸送給被加熱的物質(zhì)，并在被加熱的物質(zhì)中轉(zhuǎn)變成熱能，與物質(zhì)的作用表現(xiàn)為：熱效應、化學效應、極化效應和磁效應。微波加熱與傳統(tǒng)加熱不同，它不需要由表及里的熱傳導，而是依靠被加熱物體自身的介電性，吸收微波能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，從而通過微波在物料內(nèi)部的能量耗散來直接加熱。微波獨特的加熱方式使得其加熱速度大大加快，并且消除了傳統(tǒng)加熱方式在物料中產(chǎn)生的溫度梯度，使物料溫度更加均勻。含鋅粉塵中加入碳粉和輔助材料在微波下處理，類似于微波加熱碳熱還原，塵泥中含有Fe3O4和Fe2O3屬于微波敏感性材料，能夠使物料快速升溫，及時補償反應所消耗的熱量，促進反應快速進行。研究表明，在2.45GHz，