钢铁生产过程中除尘灰的资源化利用

文_郭明媚 刘云 臧渊博 河南安环环保科技有限公司

1 项目概述

高炉瓦斯灰作为钢铁工业的副产品，每生产一吨铁将产生约20kg含锌5%～10%的高炉瓦斯灰；按我国2017年产钢8.3亿t计算，我国的瓦斯灰年产出量估计在1660万t，折合锌金属量83万～166万t，约相当于1300万～2600万t锌矿石的开采量。2017年国内废钢总消耗量约1亿t，废钢冶炼过程中排出的电炉烟灰超过100万t。电炉烟灰中锌的质量分数一般在15%～40%之间，折合锌金属量15万～40万t，约相当于230万～630万t锌矿石的开采量。

随着我国经济的高速发展，对金属材料的需求不断扩大，因此，对金属二次资源进行循环利用研究、开发二次资源的高效分离以及循环利用技术、开展对钢厂烟灰的回收利用，不仅可以使宝贵的资源得到充分利用，还可以减轻固体废弃物对环境的污染。次氧化锌作为传统铅锌冶炼工艺链中的高附加值产品，对企业促进重金属防治污染、建立清洁生产模式、提高企业经济效益的同时实现循环经济可持续发展具有十分重要的现实意义。

2 次氧化锌生产工艺流程

外购的电炉灰、瓦斯灰、“石灰石+石英石”按照15:6:2进行配料，配料后物料在圆筒造粒机内直接加水混合制粒，制粒后成品球含水不大于10%，粒度10～15mm。球料由皮带输送进入粒料仓，经设在仓下的定量给料机计量后，再用移动式胶带输送机送入富氧挥发炉。富氧挥发炉为连续作业，富氧挥发炉三层水套侧面设置两个冷料口。焦炭通过螺旋给料机进入富氧底吹炉以提供燃料，经过干燥、预热、燃烧升温至1000℃左右，燃烧状态控制在缺氧富燃料状态，颗粒中的锌被还原成单质锌，并气化成锌蒸汽（包括其他金属蒸汽）。高温烟气从富氧挥发炉熔池顶部进入余热锅炉，大部分烟尘和喷溅物沉降至余热锅炉内，降尘后的烟气进入水平烟道，沿程冲刷各烟道水冷壁及对流管束，完成热交换后从锅炉尾部排出，温度在260℃左右。产出的烟气（尘）经余热锅炉、省煤器、表面冷却器、脉冲布袋收尘器收尘，脱硝、脱硫、电除雾净化后烟气外排。余热锅炉管壁收集的烟尘和布袋收尘器收集的灰尘为次氧化锌，经检验后即为成品。

侧吹富氧挥发炉为连续进料、间断放渣的操作制度。侧吹富氧挥发炉由设在富氧挥发炉风机房的离心鼓风机供风。生产原理：①本项目富氧挥发炉、余热锅炉和表冷为一体化装置，富氧挥发炉鼓风机风量为24000m3/h，烟化炉内物料燃烧过程处于缺氧状态，为氧化锌在加热过程中还原提供条件。引风机风量为60000m3/h，控制整个工艺处于负压状态，防止烟气外溢。同时吸入新鲜空气，为单质锌在烟气管道内氧化提供充分的氧气。②烟道灰中的次氧化锌在1000℃左右被固定碳还原成锌单质，锌单质熔点为 419.75℃、沸点为907℃，故锌单质首先被熔化成液体，然后迅速气化，在随系统内气流进入余热锅炉，锌单质在225℃时可被空气迅速氧化成次氧化锌粉尘。在1000℃条件下，铅单质以液态形式存在，部分气化，随锌蒸汽一起进入余热锅炉内，本项目利用余热锅炉以降低烟气温度，完成热交换后从锅炉尾部排出，温度在260℃左右。产出的烟气（尘）经余热锅炉、省煤器、表面冷却器、脉冲布袋收尘器收尘，脱硝、脱硫、电除雾净化后烟气外排。

富氧挥发炉中主要反应：

①在料层内：

C+O2=CO2CO2+C=2CO ZnO+CO=Zn+CO2

ZnO+C=Zn+CO Fe2O3+CO=2FeO+CO2

FeO+CO=Fe+CO2

ZnO+Fe=Zn+FeO PbO+CO=Pb+CO2

PbO+C=Pb+CO PbO+Fe=Pb+FeO

②在料层上空：

2Zn+O2=2ZnO 2Pb+O2=2PbO 2CO+O2=2CO2

3 生产过程中烟气治理措施

本项目富氧挥发炉运行过程中产生的烟气采用“余热锅炉+表冷+袋式收尘器+三级氧化锌脱硫+SCR脱硝+湿式电除尘”进行处理后经25m排气筒排放。

3.1 除尘技术及可行性分析

“余热锅炉+表冷+袋式收尘器”除尘效率为99.9%，三级氧化锌脱硫除尘效率为60%，湿式电除尘去除效率为80%。如果合理配置，湿式电除尘排放粉尘浓度可低于10mg/m3，甚至5mg/m3以下，适用于含湿烟气的处理，尤其适用在湿法脱硫之后含尘烟气的处理上，通过增加电场数量、降低电场风速、增加比集尘面积、优化供电电源、增加辅助清灰等措施，湿式电除尘的排放浓度可以进一步降低。

3.2 脱硫技术及可行性分析

本项目产品为氧化锌，脱硫剂来源丰富，脱硫产生的副产物亚硫酸锌可以送至电解锌车间回收锌。该工艺是一种针对铅锌冶炼厂烟气治理的技术，吸收剂来源于铅冶炼系统中间产物氧化锌，产品亚硫酸锌或硫酸锌送至冶炼厂现有的电解车间进行回收利用。将氧化锌脱硫工艺应用于铅锌冶炼厂时，由于吸收剂的供应与产物的后续处理能够与冶炼生产结合起来，工艺清洁环保，且流程短，工程投资和运行成本均较低。同时工艺采用了高效逆喷洗涤塔，脱硫效率高，浆液喷溅的范围小，且循环浆液中的难溶物较少，不易导致吸收塔设备和管道结垢。

3.3 脱硝技术及可行性分析

SCR是利用NH3和催化剂在温度为300～400℃时将NOx还原为N2。NH3具有选择性，只与NOx发生反应，基本上不与O2反应，所以称为选择性催化还原脱硝法。

根据《排污许可证申请与核发技术规范——工业固体废物和危险废物治理》（HJ1033-2019），本项目选用的“余热锅炉+表冷+袋式收尘器+SCR脱硝+三级氧化锌脱硫+湿式电除尘”为可行技术。

3.4 重金属污染防治措施及可行性分析

本项目烟气经“余热锅炉+表冷+袋式收尘器+三级氧化锌脱硫+SCR脱硝+湿式电除尘”处理措施处理后排放，本项目烟气经余热锅炉冷却沉降+表冷冷却沉降后烟气温度低于180℃，此温度下，各类金属氧化物以固态的形式存在，可以被袋式除尘器截留。本项目选用的三级氧化锌脱硫是湿式脱硫法，对颗粒物和重金属有一定的吸收作用，湿式电除尘器靠高压电晕放电使得粉尘荷电，荷电后的粉尘在电场力的作用下到达集尘板/管。湿式电除尘器主要处理含水较高乃至饱和的湿气体。可有效收集微细颗粒物（PM2.5粉尘、SO3酸雾、气溶胶）、重金属（Cd、As、Pb、Cr）、有机污染物（多环芳烃、二噁英）等。使用湿式电除尘后含湿烟气中的颗粒物排放可达10mg/m3甚至5mg/m3以下。

综上所述，本项目烟气废气中颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、重金属排放浓度可以满足《无机化学工业污染物排放标准》（GB31573-2015）特别排放限值。

4 结语

通过以上工艺分析及环保技术可行性分析，利用富氧挥发炉处理钢铁厂产生的电炉灰和瓦斯灰工艺可行，并且环保措施可行，还可以产生次氧化锌，提高经济效益和环保效益。