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吉建斌

 
 
 

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从炼钢废渣中回收有色金属(上)  

2018-06-11 06:19:36|  分类: 工业和生活垃圾处 |  标签: |举报 |字号 订阅

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翻译:吉建斌

主题摘要:采用PRIMUS火法冶金技术(pyrometallurgical process)与湿法冶金技术(hydrometallurgical process)相结合的方法,对通常被倾倒入垃圾填埋场的炼钢工艺废渣进行二次处理,以回收其中的有价值成分。以生铁(pig iron)产物形式回收其中的铁元素,以高纯锌或锌合金产物形式回收其中的元素锌,以性质稳定的熔渣质形态将剩余的其它成分回收并用于道路铺设用途,或者以“铅-银精矿”副产物形式再回收并销售一部分废渣成分。

 

全世界范围内,钢铁企业都面临着如何达到日益严格的环保法律要求方面的难题,冶铁炼钢过程中产生的废气、废液、固体废物、以及各种工艺废水均必须正确地收集并使其稳定化和无害化。对于任何一个钢铁企业来说,这种环保压力(采取适当技术解决环保问题)意谓着很高的强制性投资并且没有任何收益。多种情况下,根本不存在能够完全“环保”的废渣处理技术,所以,采取适当方法和安全办法来处置不可加工性残渣,只能是一种纯粹“投入”、无“产出”的解决问题的办法,这些办法是投入相当大的废物处置技术。

在最近的数十年里,钢铁产业建起了许多采用EAF(电弧炉)炼钢技术的小型炼钢厂,并逐渐替代了传统的高炉冶铁-BOF(氧气顶吹转炉)炼钢工艺路线。小型炼钢厂采用钢铁企业生产过程中自身产生的钢渣和铁屑、以及从市场上回收的报废钢铁材料做为主要的生产原料,其中占很大比例的材料是镀锌钢及其碎屑,所以电弧炉炼钢过程中产生的粉尘中含有20%到40%的锌、20%到40%的铁以及其它非铁金属(铅、铜、锰),另外还含有少量的氯(大于5%)和氟成分,这种粉尘必须加以收集,之后或者循环利用,或者废弃处置。

这类废弃物的倾倒费用很高,且会引起后继的环境问题,而且已有许多国家立法对这类废料的倾倒进行严格限制,甚至不再审批新的专用处置场所建设项目。因此,钢铁企业一直在致力于寻求更好的、更加经济可行的解决方案。最佳的解决方案是从中提取所含的高价值金属成分,并借以产生经济回报,如果找到适用的办法时,即可使之前的“财务负担”进而转化成为“新的经济机遇”。在过去的20多年里,已经尝试了许多的研究工作,部分成果已得以工业化应用,能够借以生产出氧化锌产品;但是,还没有一种成熟技术方法能够完全兼顾到环保和经济两个方面的平衡。

1. 含锌废渣:可视为一种新型“锌精矿”材料

与其它常用基本金属材料一样,锌的市场供销状况也是一直处于采矿、熔炼、应用三个方面的非稳定性平衡状态,伦敦金属交易所(LME)报价和库存量直接反映了这种“产-需不平衡”状态。八年前,由于全世界范围内锌的产量过多,LME库存量太大,致使LME的金属锌报价滑落到了每吨800美元以下,在2001到2003年期间,锌市场遭遇了严重打击,产能过剩状况对锌矿开采业和熔炼产业造成了极大影响,过于糟糕的市场状况致使众多新的锌矿开采项目被搁置,一些赢利水平差的既有锌矿已经相继关闭,锌熔炼和精炼企业也相应地关停了部分或全部产能。

由于上述新开采计划被搁置、部分产能削减措施,锌的市场供应已开始趋紧,LME锌库存量迅速下降,随着“锌精矿”原料的短缺,市场状况已由之前的“供过于求”逆转为“供不应求”,而且,由于强劲的亚洲经济发展,锌的消耗量年增长率达到约4%的水平,也进一步促进了这种供应紧张态势,LME金属锌报价报复性地增长到了每吨4500美元。按照分析预测,未来几年金属锌的价格将稳定于每吨2000美元上下。

在这种背景下,从回收材料中冶炼金属锌已成为重要议题,且含锌废渣(如EAF收尘)也已经成为一种廉价的、替代性的“锌资源”。

2. 炼钢废渣:生铁(pig iron)的生产原料

炼钢厂产生的含锌废渣中同时含有锌和铁,如果能够将铁以生铁产品加以回收利用时,则这种含铁废渣也可视为一种“附加性资源”原料。由于目前的钢铁原料市场供应已日益趋紧,且由于废钢屑的来源越来越少、价格也日益高涨,故所有铁基替代性资源都对钢铁企业具有强烈的吸引力,而且,这种市场状况在短期内预计不会发生根本性逆转。

3. 联合处理技术方法:从含锌废渣同时回收金属锌和生铁产品

基于以上认识,Paul Wurth公司启动了一个旨在循环利用冶铁厂和炼钢厂废渣的技术开发项目。其中的含锌废渣,特别是电弧炉收尘被做为重点研究对象。项目的基本思路是联合使用火法冶金和湿法冶金技术,项目目标可归纳为以下几点:

(1)采取“零废料”工艺解决相应的环境焦点问题。

(2)以生铁锭产品形式尽可能地回收废渣中的铁元素。

(3)生产“SHG(高纯级)锌”(金属锌的纯度不低于99.995%)或“CGG(连续电镀级)”锌合金(铝锌合金或铝铅锌合金)产品。

(4)从各种炼钢废弃料中回收其它的、可市售的或易再生利用的金属元素。

“Paul Wurth联合回收利用工艺”由以下两个主要工序组成:

(一)还原-熔炼工序,产物为生铁、非铁金属的氧化物、惰性残渣;

(二)洗涤-沥滤-提纯-电解沉积工序,产品为SHG级阴极保护用金属锌、其它可市售的副产品。

这种联合加工技术的预期目标包括环境保护和金属回收利用两个方面。

4. 火法冶金步骤:还原-熔炼工艺

由Paul Wurth公司开发的“PRIMUS?工艺”联合使用了多膛炉(multiple hearth furnace,MHF)技术系统和电弧炉(electric arc furnace,简称为EAF;做为“熔炼炉MF”功能装置。见图1)技术系统。原料EAF(电弧炼钢炉)收尘经造粒后加入MHF(多膛炉)中进行干燥和加热,向炉内添加的高挥发分原煤可引导铁和锌的还原反应,并为还原反应准备活性碳反应剂和金属渗碳过程用的碳元素。随后的熔炼步骤采用特制的MF(熔炼炉)装置完成铁的还原,生成熔融态的生铁产物,形成熔渣,同时完成锌的还原和脱锌加工过程,锌和铅迁移到气相环境中,经过回收装置后,收集物为可市售的氧化锌“精矿”产品。原料中的铁质成分以含有最高4%的碳元素的液态生铁形态得以回收。过程中生成的熔渣质组成与高炉熔渣相近,可用做道路铺设材料。

    第一套工业用PRIMUS装置系统于2003年年中在卢森堡的Differdange市投入运行,业主为PRIMOREC SA公司(见图2)。该套装置系统设计能力为:每年可处理6万吨的电弧炼钢炉收尘和1.5万吨轧钢污泥,原料计划来自ArcelorMittal钢铁集团公司设立在卢森堡的三个小型炼钢厂;为了充分利用该装置的产能,还可接受来自其它钢铁企业的收尘。装置系统的关键工艺参数见表1。

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图注: (1)EAF dust:电弧炼钢炉收尘; (2)Inert slag:惰性熔渣产物; (3)metal:金属产物; (4)POST-COMBUSTION:后燃烧装置; (5)QUENCH:急冷装置; (6)Filter:过滤装置; (7)Zn rich dust:富锌粉尘产物

MHF(多膛炉): (1)Drying:干燥作用; (2)Pre-reduction:预还原作用; (3)Preparing reactive C for reduction + metal carburisation in MF:为后继的熔炼炉加工工序提供还原反应所需的活性碳元素,并为金属产物的渗碳加工提供碳元素

MF(熔炼炉): (1)Final reduction:完成还原反应; (2)De-zincing:脱锌作用; (3)Melting:熔炼作用; (4)Carburization of metal:金属产品的渗碳处理; (5)Slag formation + metal desulphurisation:生成熔渣产物并完成金属产物的脱硫加工

图1:PRIMUS?还原-熔炼联合工艺所用的工业炉装置

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图2:由PRIMOREC SA公司运营的PRIMUS?工业装置系统现场照片

表1:关键工艺参数

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    图3是以流程框图形式描述的整个工艺过程的质量总平衡数据。PRIMUS工艺的强项在于能够使各种废料得以100%回收利用(零废料排放),且能够制取具有高附加值的产品。该工艺从原料收尘的分析数据来看,具有高度操作弹性,且能够处置那些高含锌量的炼钢残渣。使用高挥发分煤炭做为廉价还原剂是另一个技术优势。从PRIMOREC装置系统的运行结果来看,设计的、工业规模的各种反应器均已被证明具有很好的操作稳定性和卓越的运行效果。

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    图注: (1)EAF dust:电弧炼钢炉收尘; (2)Coal:原煤; (3)MHF:多膛炉装置; (4)MF:熔炼炉装置; (5)Slag:熔渣产物; (6)Pig Iron:生铁产品; (7)Gas treatment:工艺尾气处理; (8)ZnO concentrate:富含氧化锌的“精矿”产品

图3:总体质量平衡框图

2006年5月,台湾中龙钢铁公司决定安装一套年处理能力为12万吨炼钢厂废料的PRIMUS装置系统,用于处理电弧炼钢炉收尘、炼铁高炉回收污泥及轧钢过程产生的氧化皮(鳞片氧化铁)。该项目计划于2008年年中投入使用。

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