对高炉瓦斯灰泥冶金煤基还原回转窑工艺

2019-03-13   作者：佚名   网友评论 0 条

  　王明华，雷鹏飞，权芳民，张志刚

　　甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司资源利用研究所

　　1 前言

　　高炉瓦斯灰泥是炼铁过程中由高炉煤气携带出的细颗粒炉尘，它由高炉炉料粉末和在高温区激烈反应而产生的微颗粒组成，是钢铁企业主要固体排放物之一。其化学成分比较复杂，除铁之外还有许多未燃烧完全的碳和锌、钾、钠、铟等碱金属氧化物。瓦斯灰粒径小，密度小，干燥后极易飘散于大气中，在空气中易于形成成分复杂、对人体危害性较大的飘尘。瓦斯灰中含有铁、碳和锌等少量有色金属，属宝贵的二次资源。

　　目前，国内外处理高炉瓦斯灰泥的方法大致有三种：①直接外排堆存，易造成环境污染、资源浪费；②直接利用，返回烧结或球团配料，被国内许多钢铁企业采用，但其有害杂质如Zn、K、Na等较高，配入烧结或球团矿，会使高炉利用系数降低，焦比升高，影响高炉寿命；③综合回收，提取铁及锌等有价元素。目前，从中提取铁及锌等有价元素是发展方向。

　　目前国内外处理高炉瓦斯灰泥的工艺主要有转底炉工艺和回转窑工艺，太钢还曾利用小高炉集中处理瓦斯灰泥等含锌高的物料。

　　转底炉工艺是目前国内少数钢铁厂（马钢、沙钢、日照和莱钢等）处理含锌尘泥的成熟工艺技术，该直接还原工艺用于处理钢铁厂高炉瓦斯灰泥等含锌铁料具有一定的优势。但也存在难以克服的缺点，如投资大、产品金属化率低、能源利用效率不高、工艺配料复杂（配料中高炉瓦斯灰泥比例低，须配加高比例的转炉OG泥等物料）、运行成本高等，极大限制了它在钢铁行业的推广应用。

　　回转窑工艺是目前国内多数钢铁厂（武钢、本钢、萍钢和新余钢厂等）处理含锌尘泥的成熟工艺技术，该直接还原工艺因其具有工艺简洁、投资小、工艺配料灵活（可单一处理高炉瓦斯灰泥）、运行成本低（不需外购气体燃料）等优点，用于处理钢铁厂高炉瓦斯灰泥等含锌铁料具有较大的优势。但目前也存在诸多问题，如收锌率低、氧化锌粉产品的ZnO含量低、窑渣（金属化产品）的金属化率低且残锌率高等，这些问题直接影响到该工艺的经济性，使其推广应用受到一定的限制。

　　近几年，酒钢资源利用研究所在回转窑处理高炉瓦斯灰泥获得高品位氧化锌粉的机理研究上取得了突破性进展；结合我们在煤基冶金还原方面已经取得的诸多技术成果以及对本钢等企业回转窑处理高炉瓦斯灰泥提锌生产线的实地考察情况；我们认为，目前国内回转窑工艺所存在的诸多问题，通过优化设计是可以解决的，而且经济性会非常好。

　　2 国内高炉瓦斯灰泥回转窑提锌生产线存在的主要问题2.1 氧化锌粉产品的ZnO含量普遍偏低

　　近几年，我们先后对武钢、涟源钢厂、萍乡钢厂、新余钢厂、南京钢厂和本钢的回转窑处理瓦斯灰工艺进行了考察。六家钢铁企业中只有本钢没有配加外购高锌料，原料含ZnO只有6～8%，低于萍乡钢厂、新余钢厂、涟钢、武钢，仅比南钢（原料ZnO含量5～6%）略高，但本钢回收锌粉的ZnO含量高达60%，是六家钢铁企业中最高的。

　　表2.1 部分钢企高炉瓦斯灰回转窑提锌工艺情况表
　　

　　本钢回转窑烟气除尘系统非常庞大，不仅有体积较大的保温沉降室，U型管状空水冷却器的U型管组数也高达8组，是六家钢厂中最多的，而布袋除尘系统却相对较小。这正是本钢瓦斯灰回转窑回收锌粉ZnO含量高的原因，由于U型管组数高达8组，可以使中小颗粒粉尘充分沉降，到布袋除尘器时烟气中就只有微细粉尘颗粒，由于微细粉尘颗粒的比表面积较大，所以这部分粉尘颗粒表面上粘附的细小的ZnO固体粉末最多，布袋除尘收集的粉尘ZnO含量也最高。

　　由于对回转窑处理高炉瓦斯灰泥获得高品位氧化锌粉的机理研究不到位，同时基于回转窑烟化提锌工艺在有色行业是非常成熟的工艺，所以，业内普遍错误地认为，只要把有色行业现成的工艺和装备移植过来就可以了，他们也确实这么做了；没有考虑到回转窑烟化提锌工艺在有色行业所加工的物料均为高锌物料（ZnO等可烟化物质的含量普遍在20%左右），MZnO / Mfc比值高；而高炉瓦斯灰泥中的ZnO含量只在7%左右，MZnO / Mfc比值相对偏低。因此，就同一条回转窑烟化提锌生产线（同样的工艺及装备）而言，是加工高锌物料和还是加工高炉瓦斯灰泥，所得到氧化锌粉产品的ZnO含量有相当大的差异。

　　由于有色行业的回转窑烟化提锌生产线所加工的是高锌物料，因而，在除尘系统的设计上，前端大多采用旋风重力除尘器或小型重力沉降室，烟气在此停留时间极短；中端均采用U型管状空冷器（本钢采用的是U型管状空水冷却器），一般只有3～6组U型管（本钢为8组），烟气在此停留时间也较短；后端均采用布袋除尘器。除本钢外，其它钢厂的除尘系统前端和中端设备规模相对后端均偏小，烟气在前端和中端设备内的停留时间普遍偏短，因而在此处捕集或收集到的粉尘颗粒较粗，且产率较低，返回到原料系统参加配料的粉尘量也少，入窑物料的ZnO自富集效果不明显，进而导致后端的布袋除尘器的粉尘收集量太大，氧化锌粉产品的ZnO含量较低。这也是本钢氧化锌粉产品质量优于其它钢厂的主要原因。

　　2.2 窑渣（金属化产品）的金属化率低且残锌率高我们通过对国内外现有各类直接还原铁技术理论及产业化成果的数年认真研究，目前已取得理论上的重大突破，在世界上首次提出“铁矿石碳循环增氧暨碳氢联合还原理论”，并通过了探索性试验验证。在该理论指导下，深入开展冶金煤基还原工艺试验研究工作，进行过千余次不同规模的试验，试验研究成果可以有效地指导高产能、低成本地采用以回转窑为核心的煤基还原装置进行铁矿石（球团）直接还原生产。

　　高炉瓦斯灰泥回转窑提锌工艺所依据的冶金原理，与以回转窑为核心的煤基还原装置进行铁矿石（球团）直接还原生产所依据的冶金原理是相同的。

　　目前，业内用于高炉瓦斯灰泥提锌的回转窑在正常生产过程中，由于没有建立起合理的碳循环，出窑窑渣（金属化产品）中的残碳量非常低；同时在靠近窑头（出料侧）的窑身部位未采取能强化物料焙烧还原后期料层内部还原性气氛的任何措施（增氧或碳氢联合还原技术），因而在还原后期料层内部的还原性气氛不足，使得以碳气化反应为核心一系列冶金反应迅速减慢，直接导致出窑窑渣（金属化产品）的金属化率（30～70%）低且残锌率（1%左右）高。这样的金属化产品只能用于烧结配料，很难直接用于高炉或转炉。

　　3 对回转窑处理高炉瓦斯灰泥获得高品位氧化锌粉的机理研究采用同样的工艺从高炉瓦斯灰泥中提取氧化锌粉，为什么本钢能取得比其他钢厂好得多的技术经济指标？值得深入研究。近期，我们与中科院过程所在粉体表面粘附方面进行了深入的技术交流，并检索研究了国内外在粉尘表面粘附方面的诸多相关研究及应用成果，结合我们在铁矿石煤基直接还原方面取得的成果，在回转窑处理高炉瓦斯灰泥获得高品位氧化锌粉的机理研究上取得了突破性进展。

　　3.1 冶金机理

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