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吉建斌

 
 
 

日志

 
 

采用火法冶金工艺对炼钢厂收尘进行资源化回收利用(上)  

2018-06-14 22:34:01|  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

摘要:火法冶金技术如Waelz回转窑、转底炉(Rotary Hearth)或竖式炉(Shaft Furnace)工艺,是全球最为常用的尘化炼钢残渣、尤其是EAF(电弧炼钢炉)收尘回收利用技术方法。火法冶金工艺的特点是采用焦炭或煤炭做还原剂,使固态混合氧化物中的非铁金属成分如锌、铅和镉“挥发”出来,同时使氧化铁也得以还原。炼钢残渣回收利用工艺的目的是使残渣中含有的金属成分得以二次利用。

电弧炉收尘的回收利用技术使钢铁产业与锌产业得以紧密联系并形成“物料利用回路系统”。金属锌产品中有超过60%是被用做钢板或钢结构体的防锈保护用途,这些钢材报废后,以碎片形态重新加入电弧炉炼制,可生产出新的钢材产品。在这一加工过程中,镀锌层会形成“粉尘”形态进入工艺尾气中。迄今为止,全球范围内仍然有超过一半的这种“粉尘”被丢弃到垃圾填埋场,这也就意谓着每年损失了累计高达60万到80万吨的金属锌。

本文对已知的所有炼钢厂收尘回收利用技术进行了综述,从技术工艺、经济性及环境影响等方面对选定的、已经商业化应用的几种火法冶金技术进行了对比分析。涉及到的主要工艺过程包括Waelz回转窑(Waelz Kiln)工艺、多膛炉(Multiple Hearth Furnace)工艺、化铁炉(Cupola Furnace)工艺三种。在技术性对比时,重点聚焦于原料及其准备工艺、采用的还原剂、消耗定额、以及最终产物类型等方面。

采用最先进的回收利用技术的炼钢厂能够完全满足环保方面的所有要求。几种参比工艺已被列入了欧共体BREF推荐简表中,其运行过程中无废水排放、非组织性排放粉尘量很少、气相污染物排放量极低。在文中同时介绍了几种能够有效控制重金属或二恶英排放的技术工艺方法。

关键词:Waelz工艺;转底炉(Rotary Hearth Furnace);多膛炉(Multiple Hearth Furnace);竖炉(Shaft Furnace);火法冶金;炼钢废渣;EAF(电弧炉)收尘;BREF推荐简表(BREF-Notes)

1、简介

对火法冶金技术和利用该技术对炼钢过程副产的尘化残渣(特别是电弧炼钢炉收尘)回收利用工艺过程进行详细描述之前,须先对其它几个技术过程及其不同特点进行简要介绍。

(1)威尔兹(Waelz)技术:在不产生液态熔渣物的前提下,使用回转窑做反应装置,通过喷吹进入炉膛内的焦炭粉,使固态混合氧化物原料得以还原,并使非铁性金属成分如锌、铅、镉等产物“挥发”进入工艺尾气中。

(2)转底炉(Rotary Hearth)技术:在不产生液态熔渣物的前提下,使用转底炉做反应装置,通过添加的焦炭或原煤的还原作用,使固态混合氧化物原料得以还原,并使非铁性金属成分如锌、铅、镉等产物“挥发”进入工艺尾气中,同时使“铁型金属成分”如铁、镍、铬、钼等成分得以还原“析出”。

(3)PRIMUS技术:联合使用转底炉或多层炉(多膛炉,multiple layer unit)和电弧炉(electric arc furnace)熔炼装置,使炼钢残渣转化成生铁产物和液态的熔炼熔渣产物。

(4)竖炉(Shaft Furnace)技术(又称为OxiCup技术):采用块状焦炭做还原剂,使铁和非铁性金属(如锌、铅、镉)分别得以还原,其中非铁性金属得以“挥发”进入工艺尾气,而生铁的生成及熔渣的熔炼则是通过焦炭的部分燃烧反应来实现的。

由于题述技术的应用领域位于钢铁产业和金属锌产业之间的位置,故为了更好地对技术应用背景和技术经济环境进行掌握,需要先对两个产业的发展现状进行把握。通过下面两个图表可简明地了解近年来这两个产业的市场发展状况。

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图1:全球粗钢产量(来源:国际钢铁协会IISI 2005)

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图2:金属锌用量(来源:国际锌协会IZA 2004)

2、现状

目前大多数国家将钢铁产业和金属锌产业严格地划分成两个不同的产业领域,仅在制造镀锌钢材时,由于需要采购SHG级(高纯)锌,两个产业才会发生“经济型交集”。钢铁产业一般并不考虑对废旧镀锌材产生的金属锌(一般存在于电弧炼钢炉收尘中)进行回收利用,也不考虑增设锌尘回收利用系统,通常直接将这些收尘送到垃圾填埋场进行处置。由于电弧炼钢炉收尘中锌的含量高达20%左右,这一含量水平远高于大多数低品位的锌矿石,故锌工业业已开始考虑将这种“工业垃圾”用做替代性生产原料了。

在这一背景下,可通过对电弧炼钢炉收尘的回收处理技术搭建一个处于钢铁产业和锌工业之间的“物料流动回路”。另外,由于原材料价格的日益上涨,由次生锌原料出发,经回收加工处理来制造金属锌的技术路线也获得了经济性支持和经济可行性。

可通过以下图表(2006年相关数据)对上述实际状况简明地进行判定:

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图3:EAF(电弧炼钢炉)收尘产量数据

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图4:EAF(电弧炼钢炉)收尘回收利用率数据

表1:EAF(电弧炼钢炉)收尘产量及回收利用量数据

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    对上述数据资料进行整理之后,可以获得全球范围内不同地区的电弧炼钢炉收尘回收利用率数据对比结果:

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图5:EAF(电弧炼钢炉)收尘回收利用率对比数据

    在SEAISI(东南亚钢铁学会)成员国内,电弧炼钢炉(EAF)收尘的回收利用工程主要安装在日本和台湾,值得特别提出的是,台湾将在两年时间内实现EAF收尘的100%回收利用目标。在NAFTA(北美自由贸易协定)成员国里,EAF收尘的回收利用工程主要安装在美国和墨西哥。欧洲业已建立了相当完备的EAF收尘回收利用系统,欧盟成员国更是如此。

3、EAF(电弧炼钢炉)收尘回收利用技术

    可资选用的EAF收尘回收利用技术有好几种,但超过99%处理量选用的是火法冶金工艺(pyro-metallurgical processes),且其中大约80%采用的是“老式”的WAELZ(威尔兹)工艺过程。

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图6:不同EAF收尘回收利用/处理技术应用情况

3.1 Waelz技术过程

一套WAELZ装置系统通常由两或三个单元装备系统组成:原料准备单元装置系统、WAELZ单元装置系统、以及尾气洗涤处理单元装置系统。

原料准备单元装置系统用于对固体原材料进行适当混配,以确保进入WAELZ转窑中的物料性质稳定、均匀。采用的固体原料包括:由不同炼钢厂来的含锌电弧炼钢炉收尘、还原剂喷吹焦炭粉或焦炭渣、以及熔渣用沙质发泡剂(适用于酸性加工工艺)或者石灰(适用于碱性加工工艺)。采用一台强力搅拌机对不同来源的电弧炼钢炉收尘及还原用焦炭、(有时会添加)石灰等原料进行混配,同时添加约10%的水使混合物料具备“可团聚性能”,这种工艺被称为“自还原性(self-reducing)”造粒(pellets)料,简写为SRP。

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图注: (1)SILO TRUCK:罐装车; (2)dry EAF dust:干基电弧炼钢炉收尘; (3)Coke fines:焦炭粉; (4)Water:水; (5)PELLETIZER:造粒机; (6)MIXER:混合搅拌机; (7)EAF pellets:电弧炼钢炉收尘造粒料; (8)Coke breeze:喷吹焦粉; (9)sand:(熔渣发泡用)沙粒; (10)TIP TRUCK:自卸卡车

图7:原料准备单元装置系统

在WAELZ生产装置系统内,进料被转化成为终产品“WAELZ熔渣”(这种熔渣产物可用来修筑酸化路基型道路)和“粗WAELZ氧化物”(这是一种富集了原料中非铁性成分的产物,主要为锌,含锌量可达54%到60%)。WAELZ装置系统由固态物料计量/加料单元、WAELZ转窑、熔渣粒化成型单元、以及尾气处理单元系统组成。对不同固态原料组分如SRP、喷吹焦粉、基质沙粒、回用焦粉进行计量之后,采用称重式皮带输送机将按照既定比率混合后的原料喂入热加工转窑中。

WAELZ转窑采取逆流操作方式运行:转窑转速约为1转/分钟,安装倾斜度为2%到3%,固态物料由加料端被回转窑体带动而向出料端移动,同时由熔渣出料端位置向炉膛内通入空气(自然吸入)。固态物料进入炉膛后,先经过干燥段彻底烘干,然后被加热到反应所需的温度范围,物料在炉膛内的温度最高可达1200左右。正常操作条件下,加工过程无需补充热能,这是一个自热平衡反应过程。外界空气以室温状态进入炉膛,尾气的出口温度在700到800之间。

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图注: (1)EAF pellets:电弧炉收尘造粒料; (2)Coke breeze:喷吹焦粉; (3)sand:沙粒; (4)EAF dust:电弧炼钢炉收尘; (5)Return Coke:回用焦粉; (6)WAELZ KILN:威尔兹转炉; (7)Slag:熔渣; (8)Air:外界空气; (9)SETTLING CHAMBER:沉降室; (10)Water:洗涤用水; (11)COOLER:冷却器; (12)BAG HOUSE:袋滤机; (13)DRAFT FAN:引风机; (14)STACK:烟囱; (15)To Washing plant:去往洗涤加工装置; (16)Waelz Oxide Crude:威尔兹氧化产物(粗产品)

图8:Waelz装置系统

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