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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(下)  

2018-06-14 23:04:20|  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

尾气净化处理操作始于粉尘沉降室,由气流从炉膛内携带出来的粉末状原料成分在此处被分离去除,通过该操作环节可使后继获得的集尘产物中锌的含量大幅提高。为达到既定的气体冷却处理效果,可向沉降室内适度喷水,但尾气的主冷却装置采用的是引入外界冷风的办法使尾气降温。

采用袋滤机收集粗WAELZ氧化物粉末产品,有时为了控制二恶英污染物的最终排放浓度,可配套使用活性炭或褐煤半焦做吸附剂对袋滤机之后的工艺尾气进行吸附净化处理。

某些WAELZ处理装置运营商直接将粗WAELZ氧化物产品销售给金属锌熔炼厂或其它的化学品加工厂;另一些运营商则增设了收尘洗涤加工装置以脱除粗产品中的卤素成分。洗涤装置通常至少设计有两段式逆流洗涤单元装置,为加速溶解性锌盐的沉淀过程,还向系统中添加了碳酸钠药剂。经过洗涤加工后,WAELZ氧化物产品的卤素含量可降低到:氯元素不大于0.1%、氟元素不大于0.15%。由洗涤装置排出的废水中含有溶解性盐类(含有的离子类型有:钠、钾、氯、氟、硫酸根等),可进一步处理后做为工艺废水排放,也可采用蒸发-结晶处理装置使其中的盐类成分结晶析出。

3.2 PRIMUS技术过程

一套PRIMUS装置系统由三个单元子系统组成:原料接收/准备系统、多膛炉装置系统和电弧炉装置系统。原料准备单元装置系统与WAELZ装置系统相近,用来对固态原材料进行适当混配以确保进入火法冶金工序的原料稳定、均匀,所采用的工艺方法也相似,强力搅拌装置也是最佳选择。PRIMUS工艺与WAELZ工艺在这一环节最大的不同之处是前者使用的还原剂并不在这一工序加入到造粒原料组成中,而是通过添加水泥成分来使得造粒原料达到物理稳定化要求,由混合搅拌机中卸出的造粒原料先进行干燥处理,然后进入下一道工序。

多膛炉由一系列相互叠加的“炉膛腔室”组成,并设置有贯穿整个炉床结构的“落料孔”,使所有炉膛产生“联系”。安装有耙齿(刮料刀)的耙臂结构使固态物料发生移动并被推向所在炉床的落料孔,并由此掉落到下一层炉床上。金属氧化物组分在固态物料层中发生部分还原反应,除铁之外,金属锌和铅挥发进入气相,并与烟气相混合,在后继的烟气处理系统中,这些金属成分与其它挥发性成分(如碱金属、氯化物等)一起被袋滤机捕获,收集的混合氧化物销售给金属锌加工业做为粗制原料使用。多膛炉的操作温度控制在1000以内,以避免在炉膛内形成结渣块。

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图注: (1)Process flowsheet for pig iron production:生铁加工生产工艺流程图; (2)IRON ORE:铁矿石; (3)COAL:原煤; (4)SLAG:炉渣; (5)AIR:工艺空气; (6)OFFGAS:工艺尾气; (7)PIG IRON CASTING OR LIQUID IRON:生铁浇铸或液态铁产物; (8)EAF:电弧炉; (9)CYCLONE:旋风除尘器; (10)FINES RECYCLING:小颗粒返回(到炉内); (11)POSTCOMBUSTION:后燃烧室; (12)COMBUSTION AIR PREHEATING:助燃风预热; (13)COOLING:冷却处理; (14)FILTER:过滤装置; (15)RECYCLE TO PRIMUS:返回到PRIMUS装置系统(精加工); (16)CHEMNEY:烟囱

图9:PRIMUS工艺流程图

    电弧熔炼炉做为第三级单元装置,直接设置在多膛炉的下方位置,由多膛炉中卸出的高温直接还原铁迅即进入电弧炉中加工,产品为生铁,可在炼钢厂内二次加工利用,残余的脉石组分则进入惰性熔渣,可用于筑路工程。电弧炉的操作温度高达1300以上。

3.3  OxiCup工艺过程

    OxiCup竖式炉是由CUPOLA公司近期开发的一种专用炉型,可用来加工经聚结成型后的炼钢厂富氧化铁、锌、细粉铁矿石的收尘和污泥等废弃物。经过该工艺处理后的产物可回用于吹氧转炉或电弧炉等高温冶炼装置进行二次加工利用,或者直接以生铁形态销售。

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图注: (1)hot blast:热风; (2)slag:熔渣; (3)iron:铁; (4)cooling / combustion air:冷却风/助燃风; (5)thermal oil:热油; (6)cold blast:冷风; (7)ball rain cleaning:球丸喷注(干)法“洗气”; (8)addition of heavy metal immobilisator:喷注添加重金属固化剂; (9)dust:收尘; (10)state of the art cupola plant:最新开发的CUPOLA装置

图10:Cupola装置系统

CUPOLA装置采取“裸壳式(bare shell)”设计,通过加压处理使铁质与熔渣质相互分离。适用的金属质原料为:约60%比率原料采用的是疏松的废钢屑,其余的40%则来源于各种钢铁加工企业的回收废钢材;另外,添加13%的铸造焦和3.2%的硅铁合金,分别用来供能和调整铸铁产品的硅含量。

在采用铁水包输送到浇铸加工车间之前,液态熔铁先选择性地进入两台160吨级通道式感应电炉中的一台,然后经由一台可摇动操作的倾斜式流槽从一台保温炉中转移到另一台保温炉,取样分析铁水中碳、硅和铜元素的含量,并根据检测分析结果在注入铁水包过程中进行组分调整操作。从铁水包撇取出来的CUPOLA熔渣加工成为块状。

尾气处理装置系统包括:粗颗粒物分离器、后燃烧室、整合了抗热震管束和热风管束及冷却介质管束的换热器、袋滤机、烟囱。抗热震管束、气体冷却系统和单设式换热器系统用来对工艺空气进行预热控制,采用热油做热载体。抗热震性管束系统用来使高温工艺尾气与工艺冷风间接换热,使工艺尾气温度降低大约100,然后再进入同流换热器烟气管束系统进一步换热处理。采取这种方法可大幅削减冷风的加入量,并借以缩减袋滤机的设计规模。对工艺空气预热处理,可确保加入到竖炉中的工艺空气温度稳定地达到600以上,并使炉顶煤气的组成和产量得以控制和调节。

可采用CUPOLA炉和“自还原性球团矿”形态的物料来高效率地加工氧化铁,适用的“球团矿”可采用炼钢厂各种剩余料或者铁矿粉来制备,但不论使用哪种类型的原料,都必须含有可对金属氧化物进行还原反应的碳质成分,故这种“自还原性球团矿”被通称为“碳砖”(C-brick)。

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图注: (1)dusts and sludge:含铁收尘和污泥; (2)brick plant:碳砖生产装置; (3)crane:起重机; (4)coke bricks:焦炭砖; (5)scrap:废钢屑; (6)scale:氧化铁皮; (7)bucket car:箕斗车; (8)oxygen plant:制氧装置; (9)BOF:氧气顶吹转炉; (10)OxiCup:OxiCup装置系统; (11)power generation:发电装置; (12)flue gas:烟气; (13)boiler:锅炉; (14)combust chamber:后燃烧室; (15)scrubber:洗气器; (16)hot metal to steel shop:金属热液送往钢材成型加工车间; (17)General Arrangement:总体布置图

图11:使用碳砖做原料的OxiCup工艺过程

    1999年在德国Duisburg市的TKS钢厂建设了一套每小时可加工处理25吨水泥粘结型炼钢厂收尘和高炉回收污泥等废弃物压块球团原料的CUPOLA装置系统。

3、不同工艺之对比分析

以上几种火法冶金过程采用的技术各不相同,但是,由于它们都适用于炼钢厂尘化废弃物的回收利用,故有必要对其中的一些关键参数进行对比分析。

WAELZ工艺是其中最早应用的技术,其应用历史已超过了百年,且目前仍占据全球碳素钢电弧炉收尘回收利用总量的80%份额。从近期内仍有五套装置即将建成投产的情况来看,这种工艺仍然是一种先进的技术型式。这种工艺着眼于回收具有可挥发性的非铁型金属成分,故优先被用来处理碳素钢和部分不锈钢生产用电弧炼钢炉的富含锌的收尘类废弃物。

CUPOLA工艺在铸造业获得了广泛推广,从其基本原理(即竖式炉技术)来说,它也是一种应用历史相当长的技术过程。近年来新开发的CUPOLA装置系统也被应用到了钢铁产业的废渣回收利用领域,除了前文提到的德国TKS公司安装的CUPOLA装置系统之外,在日本也安装有两套相似的装置系统。CUPOLA工艺着眼于铁质金属成分的熔炼回收,故被优先用于富铁型炼钢厂收尘和钢铁加工业金属废屑的回收处理。

尽管PRIMUS工艺的部分单元装置已经在其它领域应用了许多年,但该工艺过程仍然是最新发展的技术类型。目前有一套装置系统在欧洲运营,另一套装置正在台湾建造和安装。其主要加工目标是采用多膛炉装置对含铁的氧化物进行还原、之后在电弧炼钢炉中生产出生铁产品,优先选择富铁的炼钢废弃物做原料,当然,利用这种工艺同时对非铁型金属氧化物进行处理和回收利用也没有任何问题。

从能源消耗(煤炭/焦炭、电力)角度分析,WAELZ工艺是其中最好的一种技术,原因是它不采用固态原料熔炼工艺,但是,这种工艺过程只能获得低价值的粗氧化锌产物。出于同样的原因(未采用熔炼技术,WAELZ转炉和转底炉内不发生原料的熔融过程),采用这种工艺也无法有效地对碳素钢生产残渣进行还原处理以获得熔炼精铁产品,因此,当采用的是富铁/低锌性钢渣做原料时,需要提供额外的能源来同时回收熔炼铁产品(同时保持原有的粗氧化锌生产能力)。

从环保角度分析,上述三种工艺过程均能够满足严格的欧盟法规要求。其中WAELZ工艺甚至被“BREF推荐简表”推荐为锌工业的“最佳适用技术类型”。为了控制二恶英的排放,WAELZ工艺和PRIMUS工艺还采用活性炭或活性褐煤焦为吸附剂,采取喷注投加方法和吸附技术对这类污染物进行脱除的控制。

4、结束语

本文综述的三种工艺过程是目前最常用的炼钢厂废渣、尤其是收尘类废弃料的回收、处理、利用技术。钢铁产业既有收尘类废渣的总处理量中,有超过80%是采用WAELZ工艺和转底炉工艺(PRIMUS工艺是转底炉工艺的一种特殊形式)来实施的。WAELZ工艺主要用来处理加工富锌型碳素钢电弧炼钢炉收尘废料,而转底炉工艺则主要用来处理和加工整个炼钢厂各种含氧化铁的废料。OxiCup工艺也是一种用来处理整个炼钢厂各种生产废渣的工艺类型,其额外的优点在于能够处理加工含有象硬壳锈层(sculls)类废渣的炼钢残渣原料。

这三种工艺过程会在很长一段时期内并存。由于工艺简单、相关知识普及度高,用来对碳素钢电弧炼钢炉收尘进行处理加工的WAELZ工艺、和用来对炼钢厂所有种类尘粒状残渣进行处理加工的转底炉工艺,在可预见的未来时期内,仍将是最为常用的技术类型。

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