電弧爐爐塵綜合處理技術(shù)及應(yīng)用

1、電弧爐爐塵綜合處理技術(shù)及應(yīng)用  發(fā)表日期：2007-3-16閱讀次數(shù)：153 摘要:從電弧爐爐塵綜合治理利用的角度出發(fā)，介紹了當(dāng)前國外治理電弧爐爐塵的技術(shù)和方法。詳細(xì)陳述了火法、濕法以及其它方法處理電弧爐爐塵的原理，并且簡述了這些工藝的可行性。 關(guān)鍵詞:電弧爐；爐塵；火法處理；濕法處理 電弧爐因其獨(dú)特的煉鋼特性已經(jīng)成為煉鋼的主要手段之一。世界上大約45的鋼是用電弧爐冶煉的，由于我國廢鋼資源匱乏以及電費(fèi)昂貴，電弧爐鋼產(chǎn)量有所減少，約為3000萬t，占總煉鋼量的17。但就全世界而言，由于廢鋼的回收以及電弧爐出鋼時(shí)間縮短等原因，電弧爐的產(chǎn)量仍然呈上升趨勢。 電弧爐爐塵就是電弧爐在煉鋼過程中

2、產(chǎn)生的灰塵。眾所周知，在電弧爐煉鋼過程中，由于廢鋼原料、輔助材料以及電極的消耗，爐塵成分非常復(fù)雜，并且有毒物質(zhì)居多，如果不處理，會(huì)污染環(huán)境。所以世界各國在這方面都在積極鉆研，目前，已經(jīng)取得突破性進(jìn)展。 電弧爐爐塵中的主要金屬元素有：鋅、鉛、鎘、鉻以及鐵等。因?yàn)榈V石資源有限，充分回收這部分資源是非常有意義的，而且如果回收成本低廉，那么大有市場前途。據(jù)美國報(bào)道，當(dāng)前世界電弧爐爐塵產(chǎn)生量大約為200萬t/年。電弧爐爐塵的產(chǎn)生主要源于廢鋼和重金屬煙氣。電弧爐爐塵中含鋅大概為45萬t，目前大部分仍然沒有被處理。我國電弧爐爐塵的產(chǎn)生量非常大，如2001年我國電弧爐鋼產(chǎn)量是3000萬t，其中利用廢鋼原料約為

3、1950萬t，假設(shè)每噸廢鋼產(chǎn)生爐塵約20kg，那么一年內(nèi)產(chǎn)生的爐塵大概是39萬t。由于環(huán)境的要求，我們必須對爐塵進(jìn)行處理，雖然處理費(fèi)用巨大，但從廢物利用的角度出發(fā)，電弧爐爐塵里蘊(yùn)藏的經(jīng)濟(jì)潛力是可觀的。現(xiàn)在，世界上發(fā)達(dá)國家對電弧爐爐塵的綜合利用都呈現(xiàn)積極態(tài)度，而我國在這一方面還沒有引起人們的重視。在此，筆者針對目前國際上處理電弧爐爐塵的幾種成熟工藝并結(jié)合自己的一些觀點(diǎn)作了簡要介紹。 目前，電弧爐爐塵的處理工藝主要有火法、濕法以及兼而有之的聯(lián)合工藝。這些工藝的主要目的是回收電弧爐爐塵中的熱量和金屬元素，然后再將剩余的渣宰制作水泥或作為路基等建筑材料。1 火法工藝 火法工藝是在高溫下對電弧爐爐塵進(jìn)行

4、處理的一種工藝。目前，火法工藝中最具有代表性的仍然是威爾茲工藝。半鼓風(fēng)爐法工藝及電熱法工藝也可用于電弧爐爐塵處理。但是，這兩種工藝的處理量不大，而且還必須配備專用設(shè)備，單位投資成本也較大，因此，實(shí)際生產(chǎn)中很少使用。1.1 日本的火法工藝 用火法工藝處理電弧爐爐塵，日本具有國際領(lǐng)先水平。日本川崎鋼鐵集團(tuán)公司千葉鋼廠已經(jīng)在工業(yè)上成功循環(huán)利用電弧爐爐塵。電弧爐釋放的爐塵大概含有2030的鋅和更多含量的鐵。千葉鋼廠的這種新工藝可以從爐塵中回收90100的鋅以及99.8以上的鐵。爐塵的剩余成分可以成渣，這種渣可以與高爐爐渣混合使用，作為制備水泥的原材料，也可以作為鋪設(shè)路基的材料。 此工藝有一個(gè)大約10m

5、高的爐子，其形狀見圖1?？梢钥闯?，千葉鋼廠的電弧爐爐塵處理爐有上、下兩個(gè)風(fēng)口、一個(gè)爐塵噴射口以及一套回收鋅的系統(tǒng)。焦炭從爐頂加入，上下兩個(gè)風(fēng)口同時(shí)吹入氧氣，這樣由于焦炭的燃燒會(huì)形成一個(gè)超高溫區(qū)域(軟熔帶)。爐塵經(jīng)過爐塵噴射口噴入，噴射的爐塵可以到達(dá)超高溫區(qū)。在這個(gè)區(qū)域溫度高達(dá)3000，足以使?fàn)t塵立即熔化。液態(tài)爐塵在下落過程中，當(dāng)其經(jīng)過正在燃燒的焦炭層時(shí)，爐塵中含有的氧化鋅等氧化物被還原，液態(tài)粉塵被還原和分離成單鋅蒸氣、鐵水以及熔渣等。 鋅蒸氣在上升過程中，經(jīng)過水冷卻裝置，由于溫度下降，鋅蒸氣被冷凝為鋅水，剩下的氣體被回收。鐵水和高爐出鐵的方式一樣，經(jīng)過擋渣，出鐵后送鋼鐵廠循環(huán)利用。剩下的渣再根

6、據(jù)具體情況酌情處理。 據(jù)調(diào)查，這種方式處理電弧爐爐塵規(guī)模小，投資成本低，見效快，因此適用于個(gè)人投資。1.2 澳斯麥特工藝 澳斯麥特工藝是最近20年發(fā)展起來的強(qiáng)化冶煉技術(shù)，如今推廣使用范圍很大，大部分有色金屬渣的冶煉都可以采用此工藝。國外有些工廠已經(jīng)投產(chǎn)使用澳斯麥特工藝冶煉銅/鎳渣，鉛/錫渣等等。 用澳斯麥特工藝處理電弧爐爐塵時(shí)，一般采用兩爐段澳斯麥特工藝。兩爐包括熔煉爐和還原爐。首先，將熔劑、還原煤以及電弧爐爐塵加入熔煉爐中，用噴槍將煤粉和富氧空氣噴入爐中，一般情況下，冶煉溫度可達(dá)到12501350。電弧爐爐塵為氧化物，必須通過還原物質(zhì)使其還原為金屬，因此可加入塊煤使?fàn)t塵在還原氣氛中煙化，由于

7、鋅的熔點(diǎn)較低，易轉(zhuǎn)變成鋅蒸氣，鋅蒸氣在熔池上方二次燃燒后成氧化鋅粉塵，這種粉塵可經(jīng)過布袋除塵器收集處理。銀、鉀、鈉、氯、氟等元素也揮發(fā)變成爐氣，然后這些爐氣通過煙氣凈化系統(tǒng)，再經(jīng)過余熱鍋爐冷卻，冷卻后經(jīng)布袋除塵收塵，收塵后的氣體經(jīng)二氧化硫過濾器后排入空氣中。 熔煉爐處理后的渣等固體經(jīng)流槽流入還原爐。還原爐的溫度大約比熔煉爐高50。與在熔煉爐內(nèi)一樣，將還原煤和燃燒空氣加入還原爐內(nèi)，出來的煙氣經(jīng)過還原爐的煙氣處理系統(tǒng)，再經(jīng)余熱鍋爐冷卻后，布袋收塵，最后排入空氣。還原爐出來的渣可以進(jìn)行水碎處理。根據(jù)資料顯示，用澳斯麥特工藝處理后的爐渣已經(jīng)通過美國環(huán)境保護(hù)局毒性特征溶出程序檢測(TCLP)，因此用這種

8、工藝處理后的電弧爐爐塵也有希望通過TCLP。 澳斯麥特工藝處理電弧爐爐塵有很多優(yōu)點(diǎn)：規(guī)?？纱罂尚　⑹褂玫倪€原劑價(jià)格低廉、余熱鍋爐冷卻回收的熱量多，提高了燃料的燃燒率、氣體攪拌效果很好。缺點(diǎn)是剩余的渣子得不到很好的利用。1.3 等離子工藝 目前，等離子工藝處理電弧爐爐塵所用的直流等離子體裝置是由德國阿亨大學(xué)熱工研究所開發(fā)的，其裝置和流程如圖2所示。從圖1可以看出，反應(yīng)器是一個(gè)鋼質(zhì)坩堝，它被放置在用冷卻水冷卻的作為陽極電源連接件的把持器中，在釷-鎢陰極和作為陽極的氧化物煙塵之間產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體氣電弧，氬氣作為等離子氣體，而氫氣、甲烷等氣體作為還原性氣體。含碳還原性氣體的直接供入導(dǎo)致陰極腐蝕，生成

9、碳化鎢。為避免腐蝕，將甲烷等還原性氣體從側(cè)面噴入氬等離子氣體中。而作為造渣助熔的添加物二氧化硅、氧化鈣及三氧化二鋁等煙塵熔化后投入熔池。經(jīng)過處理后分析浸出成分是否符合排放標(biāo)準(zhǔn)，并且用此種方法可有效地回收了鐵、鎳、鉻和鋅等有價(jià)值的金屬元素。圖2 等離子槍體(a)和坩堝熔池(b)的示意圖 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：應(yīng)用高溫等離子工藝，采用氫氣、甲烷等還原性氣體熔融還原處理電弧爐爐塵是可行的。爐塵中的有用金屬能在可分離的金屬相中積聚回收，添加二氧化硅、氧化鈣、三氧化二鋁等造渣劑可明顯改善生成渣的浸洗特性，其浸出液中的有毒元素均低于或符合標(biāo)準(zhǔn)。1.4 威爾茲工藝 目前，威爾茲工藝是世界上應(yīng)用最廣泛，工藝最成熟的處

10、理電弧爐爐塵的方法之一。在歐洲、美國和日本就有100多萬t電弧爐爐塵用這種方法進(jìn)行處理。現(xiàn)在，德國BUS公司是歐洲鋅回收行業(yè)最大的企業(yè)，也是歐洲唯一專門從事鋅再生利用的企業(yè)。該公司在德國、法國、意大利、葡萄牙等國擁有5家威爾茲法處理電弧爐爐塵的工廠。表1列出了該公司各廠煙塵處理量，其總量將近40萬t，占?xì)W洲電弧爐煉鋼爐塵處理市場份額的60以上。產(chǎn)出的氧化鋅則出售給鋅冶煉廠生產(chǎn)鋅產(chǎn)品，其中，Potenossa及Aser公司的產(chǎn)品通過進(jìn)一步的洗滌、凈化等處理工序去除雜質(zhì)后成為電解鋅廠的原材料，處理后的渣則用來鋪路。表1 德國BUS公司鋅的回收狀況序號公司廠址處理量/(萬t·a-1)后續(xù)工

11、序1BUS Metal Buishurg德國6無2BUS Zinkrecycling Freberg德國 5無3Recytench法國8無4Pontenossa意大利9洗滌、凈化5Aser西班牙10洗滌、凈化總計(jì)38 威爾茲工藝可以分為一段威爾茲和二段威爾茲，德國的BUS公司開發(fā)的是一段威爾茲工藝。主要是將電弧爐爐塵、煤粉以及返回焦制成濕球團(tuán)，濕球團(tuán)通過一個(gè)微微傾斜的料槽進(jìn)入一個(gè)大回轉(zhuǎn)窯。球團(tuán)在回轉(zhuǎn)窯里經(jīng)高溫還原，得到富鋅的粗級氧化鋅產(chǎn)品，鋅產(chǎn)品送往鋅公司進(jìn)行生產(chǎn)處理，窯渣經(jīng)過磁選過濾后，分離出的可用資源作為返回料，剩余部分經(jīng)水碎處理后，可用于鋪路和作建筑骨料。二段威爾茲工藝是美國HR發(fā)展公司

12、研發(fā)的，其中第一段工藝與一段威爾茲工藝類似。在一段工藝?yán)铮饕康氖菍㈣F與鋅、鉻等金屬元素分離。一般情況下，鐵的品位都能超過50，可以送往電弧爐廠再次利用。含有鋅、鉻等元素的蒸氣通過二段威爾茲工藝，得到的粗鋅產(chǎn)品送往鋅廠再次利用。 威爾茲工藝處理電弧爐爐塵量大、技術(shù)簡單、技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)效益好，由于在工藝過程中會(huì)用到焦煤、煤粉等資源，所以降低焦炭等能源的用量是提高經(jīng)濟(jì)效益的途徑之一。2 濕法工藝 濕法工藝就是將電弧爐爐塵在常溫下或非高溫下通過酸、堿、鹽等溶液的浸出及電解，從而使電弧爐爐塵中有用物質(zhì)被回收，從而使渣料達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。圖3為基本的濕法處理電弧爐爐塵工藝流程圖。目前，由于火法工藝的不斷成

13、熟，現(xiàn)在世界上一些二次綜合利用資源的企業(yè)已聚焦于濕法工藝。在濕法工藝處理電弧爐爐塵中，最成熟的工藝仍然是起源于西班牙的Zincex工藝和意大利Engitech Impianti公司開發(fā)的Ezinex工藝。圖3 濕法處理電弧爐爐塵工藝流程圖2.1 Zincex工藝 在處理電弧爐爐塵時(shí)，Zincex工藝一般包括3個(gè)步驟：浸出、萃取及反萃。其工作原理和流程與圖3類似。浸出一般是在40和常壓下用稀硫酸處理。金屬一般被稀硫酸溶解進(jìn)入溶液，而剩余的殘?jiān)^濾后酌情處理。浸出液一般采用石灰等堿性物質(zhì)中和、凈化回收鋁和鐵等金屬。然后將中和的浸出液調(diào)整PH值，在PH=2.5時(shí)使用有機(jī)溶劑進(jìn)行萃取，金屬鋅就進(jìn)入到萃

14、取液中，剩余的萃取液返回，整個(gè)過程一般都循環(huán)進(jìn)行，直到出現(xiàn)理想效果為止。萃取后的鋅液送往電解鋅工廠進(jìn)行處理。 該工藝流程簡單、操作方便、可應(yīng)用性很廣，而且投資小、處理能力強(qiáng)。因此，國外一些鋅工廠以及鋼鐵企業(yè)正著手建設(shè)此工藝生產(chǎn)線。2.2 Ezinex工藝 Ezinex工藝是由意大利的Engitech Impianti公司研發(fā)的。該工藝主要以沉積在鹽酸電解槽陰極的含鋅重金屬有選擇的萃取為基礎(chǔ)。處理電弧爐爐塵的能力為1萬t/年的Ezinex設(shè)備已經(jīng)在Pittini集團(tuán)的Osoppode Ferriere公司投入使用。 Ezinex工藝主要包括浸出、渣分離、凈化、電解及結(jié)晶等工藝步驟。電弧爐爐塵浸出

15、采用以氯化銨為主要成分的廢電解液與氯化鈉混合液為浸出劑，浸出溫度為7080，時(shí)間為1 h，鉛、銅、鎘、鎳和銀也按一樣的機(jī)理參與反應(yīng)，以離子形式進(jìn)入溶液，而氧化鐵、鐵酸鹽和二氧化硅留在渣中。浸渣含鋅812，氧化鐵5060，固液分離后，浸渣與作為還原劑的碳混合，磨勻后再返回電弧爐中使用。 過濾后的浸出液由于富含鋅，所以采用鋅金屬置換溶液中的其它金屬，如：鉛、銅、鎘、鎳和銀等。置換渣送精煉廠以回收上述金屬。凈化后的溶液進(jìn)行電解，可以回收鋅等金屬。 Ezinex工藝簡便可行，而且經(jīng)濟(jì)效益好，在國外已經(jīng)上馬了許多生產(chǎn)線。3 聯(lián)合工藝 聯(lián)合工藝是指在處理電弧爐爐塵時(shí)，將火法和濕法工藝結(jié)合在一起，以便獲得更

16、加理想的效果。目前，成熟的聯(lián)合工藝有先火法后濕法MRT(HST)工藝。該工藝先采用轉(zhuǎn)底爐對電弧爐爐塵等物料進(jìn)行直接還原焙燒，使鐵與鋅、鉛、鎘分離，得到的直接還原鐵產(chǎn)品返回電弧爐中回收利用；含鉛、鎘、銅及銀等金屬的粗級氧化鋅則進(jìn)入含熱氯化銨的浸出槽中，進(jìn)行浸出處理，然后在連續(xù)過濾機(jī)上進(jìn)行固、液分離，濾液進(jìn)一步處理分離回收鉛和鎘，最后溶液經(jīng)稀釋沉淀、干燥得到高純氧化鋅產(chǎn)品。其中轉(zhuǎn)底爐還原焙燒為火法工藝，后面的粗級氧化鋅經(jīng)熱氯化銨浸出凈化沉淀則為濕法工藝。MRT(HST)工藝可同時(shí)獲得直接還原鐵、高純氧化鋅、鉛、鎘及銀等產(chǎn)品，產(chǎn)品回收率很高。4 其它方法 目前，由于環(huán)境保護(hù)意識和資源重視程度的加強(qiáng)，

17、科研工作者對爐塵處理都非常重視，有人提出，在煉鋼生產(chǎn)中，可用電弧爐爐塵制造泡沫渣，由于電弧爐爐塵顆粒細(xì)小，因此，在造泡沫渣上也有一定的應(yīng)用前景。 另外，已有人用電弧爐爐渣制造品質(zhì)優(yōu)良的水泥。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：用電弧爐爐塵生產(chǎn)的水泥，其指標(biāo)完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)，甚至優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，用電弧爐爐塵生產(chǎn)水泥的想法也是可行的。 還有人提出生態(tài)煉鋼和潔凈煉鋼。其中生態(tài)煉鋼就是將電弧爐爐塵、轉(zhuǎn)爐爐塵、高爐爐塵、以及鋼鐵企業(yè)路面上的灰塵等加以綜合利用。目前已經(jīng)有人開始著手這方面的實(shí)驗(yàn)，估計(jì)不久的將來，就會(huì)有新的方法、新的工藝問世于上述爐灰塵的綜合治理。5 結(jié)語 目前，我國的電弧爐爐塵量位居世界第3位，但是我國的重視程度和利用水平與美國和日本相比，差距太大。因此，必須對環(huán)境保護(hù)和可再生資源加以重視