含锌粉尘转底炉直接还原及工程化
2013-09-10 作者：佚名 网友评论 0 条
摘要：对钢铁厂含锌粉尘采用配料—混料—压球（或造球）—烘干—转底炉直接还原的工艺流程进行了中试试验研究，获得较佳的条件是：混合料TFe品位43.04%，原料配料C/O为1.1，焙烧温度1300℃、焙烧时间20～30min，此时获得球团金属化率大于92%， TFe品位达到67.48%，96.16%的K、90.19%的Na、大于75%的Pb和大于96%的Zn进入烟气，Zn、Pb、K、Na可通过烟气回收系统进行回收。对通过中国金属学会鉴定的沙钢转底炉的运行情况、工艺数据和能耗进行了分析。
关键词：转底炉 直接还原 含锌粉尘 金属化率
根据世界钢铁协会发布的2012年全球钢铁生产统计数据，中国大陆2012年粗钢产量7.16亿吨，占全球钢产量的46.3%，比2011年提高了0.9个百分点。几乎占全球钢产量的一半。钢铁生产中产生大量的粉尘和污泥，一般为钢产量的10%左右，据此计算，我国钢铁行业2012年产生的粉尘量达7000万ｔ以上。占总粉尘量30%左右的粉尘（污泥）中，除Fe之外还含有大量Zn、Pb、K、Na等有价元素[1]，这些粉尘被称为难利用粉尘。直接将其返回烧结生产的传统利用方式，虽然利用了粉尘中的铁元素，但是浪费了大量的其他有价元素，而且由于粒度细小以及Zn、Pb、K、Na等元素的存在使烧结矿质量下降，对高炉顺行以及高炉寿命有严重的影响[2-4]。
目前国外采用转底炉处理含锌粉尘的方法主要有INMETCO和Fasmet工艺[5]。这两种工艺都是将含锌粉尘、煤粉和粘结剂混合造球，经干燥后在转底炉内还原，但在装料、烧嘴型式、炉温分布、金属收集、运输设备以及高温废气热量利用等方面各有特点，理论上均可实现含锌粉尘的再利用。国内有日本新日铁在马鞍山钢铁公司建设的,设计能力为年处理20万t 的生产线，全部采用新日铁技术[6-7]；钢铁研究总院与日照钢铁公司开发设计能力为 20万t 含锌粉尘/年转底炉2台[8]；北京科技大学与莱芜钢铁公司开发的设计能力为20万吨/年转底炉生产线[9]，北京神雾集团设计能力为30万吨/年转底炉生产线，许多学者对含锌粉尘的还原也做了大量的数值模拟和机理研究工作[10-11]，表现出人们对转底炉处理含锌粉尘的浓厚兴趣。
与实验室小型试验不同的是，本文研究了在外径10 m，中径8 m，小时处理物料3-5 t的转底炉上进行了多次中试试验成果。结果表明，采用转底炉直接还原工艺可有效回收金属铁，通过布袋收尘系统，同时回收了Zn、Pb、K、Na等有价金属。同时介绍了目前沙钢转底炉的运行情况和技术经济指标，对钢铁企业有很大的借鉴意义。
1 转底炉处理含锌粉尘的工艺路线与反应原理
工艺过程描述：将含铁、锌粉尘制成含碳球团，烘干后入转底炉、在炉内1200～1300℃的还原区将含碳球团还原为金属化球团，球团中的ZnO还原成金属Zn，金属锌挥发，进入烟气中再氧化生成ZnO，再通过对烟尘的收集可以得到富含ZnO的二次粉尘，而生产出的金属化球团可供电炉、转炉或高炉直接使用，也可以采用磨矿磁选的方法得到金属铁粉，压块后供给电炉炼钢。蓄热式转底炉处理含锌粉尘工艺流程见图1所示。
图1 蓄热式转底炉处理含锌粉尘工艺流程
球团中含氧化锌和氧化铁物料的还原反应方程式如下：
ZnO + C ＝ Zn + CO （1）
ZnO + CO ＝ Zn + CO2 （2）
FeO + CO ＝ Fe + CO2 （3）
Fe2O3 + 3C ＝ 2Fe + 3CO （4）
Fe2O3 + 3CO ＝ 2Fe + 3CO2 （5）
CO2 ＋ C ＝ 2CO （6）
转底炉内含碳球团受热、进出料以及参加的反应状况如图2所示。
图2 转底炉内球团反应状况
2 工艺条件研究
根据不同粉尘的粒度和化学成分计算其配比，制定出造球试验方案，球团落下强度均可达到8次以上，满足转底炉工艺的要求。试验按照原料配比、焙烧温度、焙烧时间三个影响因素进行试验结果对比，选择最佳的试验方案。
2.1不同碳氧比下焙烧温度对还原效果的影响
还原条件中，影响因素最大的是焙烧温度，一般规律是随着焙烧温度的增加，铁的品位和金属化率呈上升趋势。试验选择了3种配料方案，C/O分别为1.1、1.2和1.3。保持焙烧时间30分钟，焙烧温度分别为1150、1200、1250和1300℃，考察不同焙烧温度对金属化球团铁品位和金属化率的影响。试验结果见表1所示，其中C/O为1.1时的品位和金属化率变化关系见图3所示。
表1 温度对铁品位和金属化率的影响试验数据
图3 焙烧温度对铁品位和金属化率的影响
2.2 焙烧时间对铁品位和金属化率的影响
焙烧时间的长短很大程度上影响着铁的还原程度，焙烧时间长，铁的金属化率可能就高；但是焙烧时间过长，不仅直接导致生产效率降低，而且由于球团中碳含量的降低，会使得球团再氧化，所以并不是焙烧时间越长越好，要综合考虑。焙烧时间对铁品位和金属化率的影响见图4所示。
图4 焙烧温度对铁品位和金属化率的影响
2.3 最佳方案试验的结果分析
通过以上试验，得出最佳的试验方案为：原料配料C/O为1.1，焙烧温度1300℃、焙烧时间20~30min。重复试验，结果如表2所示。K、Na、Pb、Zn分布率见表3所示。
3 沙钢转底炉运行情况
沙钢转底炉经过不断改进和完善，目前已实现全固废连续稳定生产，金属化率在72%～96%之间、加权平均值为85.6%，脱锌率94%～97%，锌回收率达95%以上，布袋收集ZnO除尘灰平均含锌量62%[12]。2012年9月，通过了中国金属学会的科技成果评价，各项性能指标均达到国际领先水平。沙钢转底炉生产工艺路线见图5所示，转底炉生产线、金属化球团、氧化锌粉分别见图6、图7和图8所示。
图5 沙钢转底炉生产工艺路线
图6 转底炉生产线
图8 氧化锌粉
综上，沙钢转底炉固废粉尘处理的指标已达国际领先水平，且投资低，回收期仅为2～4年，有较大的优势。
4结论
（1）铁品位在35~50%之间的低品位含锌粉尘混合料，通过转底炉直接还原工艺，不仅实现了铁的回收，同时回收了K、Na、Pb、Zn等金属。96.16%的K、90.19%的Na、大于75%的Pb和大于96%的Zn进入烟气，可以通过布袋收尘系统获得；
（2）中试研究得出较佳的试验方案为：原料配料C/O为1.1，焙烧温度1300℃、焙烧时间20~30min，粉尘含碳球团金属化率可达92%以上；
（3）沙钢转底炉运行成功并通过金属学会科技成果评价，表明转底炉处理含锌粉尘工艺可靠，技术指标先进，节能环保，是钢铁厂处理粉尘的示范工程，意义重大。
参考文献
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