目前，我國(guó)鋼鐵工業(yè)進(jìn)入了轉(zhuǎn)變發(fā)展方式的關(guān)鍵時(shí)期，一方面能源、資源供應(yīng)緊張，鋼鐵原材料價(jià)格居高不下;另一方面，受環(huán)境容量制約，我國(guó)鋼鐵工業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。我國(guó)鋼鐵企業(yè)是資源消耗、廢棄物產(chǎn)生大戶(hù)，能耗總體水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比，還存在差距。發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)要求鋼鐵企業(yè)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物進(jìn)行綜合利用，并提高資源利用率。因此，開(kāi)展鋼鐵企業(yè)含鐵塵泥資源化利用研究，對(duì)有效提高資源利用率、降低污染排放、實(shí)現(xiàn)我國(guó)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展，具有十分重要的意義。
鋼鐵企業(yè)含鐵塵泥主要來(lái)自于燒結(jié)、球團(tuán)、高爐、轉(zhuǎn)爐和軋制等各工序的除塵和廢水治理過(guò)程，一般全鐵含量為30%~70%，同時(shí)含有一定量的碳和有害元素。塵泥產(chǎn)生量與原料狀況、工藝流程、設(shè)備配置、管理水平等因素有關(guān)。其中，燒結(jié)工序粉塵產(chǎn)生量約占燒結(jié)礦產(chǎn)量的2%~3%，煉鐵工序塵泥產(chǎn)生量約占鐵水產(chǎn)量的3%~4%，煉鋼工序塵泥產(chǎn)生量約占鋼產(chǎn)量的3%~4%，軋鋼工序固體廢棄物產(chǎn)生量約占軋材產(chǎn)量的0.8%~1.5%。在傳統(tǒng)的高爐、轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)流程中，含鐵塵泥的產(chǎn)生量約為鋼材產(chǎn)量的10%左右。2016年，我國(guó)粗鋼產(chǎn)量達(dá)8億多噸，含鐵塵泥產(chǎn)生量則超過(guò)8000萬(wàn)噸，數(shù)量非常大。因此，含鐵塵泥資源化回收利用的意義非常大。
本文對(duì)傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)流程產(chǎn)生的含鐵塵泥的基礎(chǔ)特性進(jìn)行了分析研究，并結(jié)合我國(guó)鋼鐵行業(yè)的實(shí)際情況，提出了適合我國(guó)含鐵塵泥回收利用的發(fā)展方向，以期為鋼鐵企業(yè)含鐵塵泥資源化處理提供參考。
含鐵塵泥的基本特性
鋼鐵企業(yè)含鐵塵泥種類(lèi)繁多，且其特性也各不相同。本文以燒結(jié)工藝的燒結(jié)機(jī)頭灰和機(jī)尾灰，高爐工藝的重力除塵灰、旋風(fēng)除塵灰和布袋除塵灰，轉(zhuǎn)爐工藝的OG(轉(zhuǎn)爐煙氣除塵)粗泥和OG細(xì)泥以及軋鋼工序的氧化鐵皮為代表，研究各種含鐵塵泥的基本特性。
化學(xué)組成分析。研究表明，燒結(jié)機(jī)頭灰的全鐵含量最低，僅為28.5%，屬于低鐵含鐵塵泥;高爐除塵灰和燒結(jié)機(jī)尾灰全鐵含量在30%~50%區(qū)間，屬于中鐵含鐵塵泥;而轉(zhuǎn)爐污泥和氧化鐵皮的全鐵含量較高，大于50%，屬于高鐵含鐵塵泥。
燒結(jié)機(jī)尾灰、重力除塵灰、旋風(fēng)除塵灰和氧化鐵皮的堿金屬含量較低，小于0.5%，屬于低堿含鐵塵泥;OG細(xì)泥的堿金屬含量為0.63%，屬于中堿含鐵塵泥;而燒結(jié)機(jī)頭灰、布袋除塵灰和OG粗泥的堿金屬含量較高，都大于1%，屬于高堿含鐵塵泥。尤其是燒結(jié)機(jī)頭灰，鉀的含量非常高，若要循環(huán)利用此類(lèi)塵泥，必須進(jìn)行脫鉀預(yù)處理。
大部分含鐵塵泥的鋅含量都較低，小于1%，屬于低鋅含鐵塵泥，只有燒結(jié)機(jī)頭灰和布袋除塵灰的鋅含量稍高，分別達(dá)到1.12%和1.25%，屬于中鋅含鐵塵泥。燒結(jié)機(jī)尾灰和氧化鐵皮的固定碳含量較低，僅為1.06%，屬于低碳含鐵塵泥;其他幾種含鐵塵泥的固定碳含量在2%~22%區(qū)間，其中，重力除塵灰、旋風(fēng)除塵灰和布袋除塵灰的含碳量較高，在16%~22%區(qū)間。
上述幾種含鐵塵泥的全鐵含量基本在25%以上，同時(shí)含有一定質(zhì)量的碳和氧化鈣等資源，是非常有價(jià)值的含鐵資源。但是，這些含鐵塵泥由于含有一定量的鉀、鈉、鋅等有害元素，尤其是燒結(jié)機(jī)頭灰，其堿金屬含量高達(dá)27%、鋅含量超過(guò)了1%，使其直接循環(huán)利用受到限制。
含鐵塵泥X射線(xiàn)衍射分析。利用X射線(xiàn)衍射分析儀對(duì)各種含鐵塵泥分別進(jìn)行物相組成分析。結(jié)果表明，燒結(jié)機(jī)頭灰的主要成分為Fe2O3、Fe3O4、KCl、NaCl、PbCl2和CaCl2。由于燒結(jié)原料中堿金屬及鉛的含量很高，在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中易揮發(fā)進(jìn)入煙氣，導(dǎo)致燒結(jié)機(jī)頭灰的堿金屬含量很高。燒結(jié)機(jī)尾灰的成分與燒結(jié)礦的成分較為相似，主要有Fe2O3、Fe3O4、CaFe2O4和Ca2SiO4，同時(shí)還含有一定量的游離CaO。高爐重力除塵灰、旋風(fēng)除塵灰和布袋除塵灰的成分相似，主要由Fe2O3、Fe3O4、C、CaFe2O4、ZnFe2O4和ZnO等物質(zhì)組成。高爐除塵灰主要有高爐中上部還沒(méi)被還原或還原不充分的固體鐵礦石粉末、焦炭粉末等物質(zhì)，其中鐵元素仍多以高價(jià)氧化物的形式存在。
OG粗泥的主要成分為Fe3O4、FeO、Fe、C、CaCO3和Ca(OH)2，其全鐵品位高，鐵元素主要以FeO的形式存在，同時(shí)還含有一定量的金屬鐵。OG細(xì)泥主要由Fe3O4、γ-Fe2O3、FeO和Fe等含鐵礦物組成，另外還含有一定量的堿性礦物，如CaCO3、MgO等。
粒度分布分析。粒度分布是含鐵塵泥的重要特性之一。燒結(jié)機(jī)頭灰和機(jī)尾灰來(lái)自于燒結(jié)電除塵系統(tǒng)，粒度較細(xì)，其平均粒徑分別為13.667μm和16.009μm，燒結(jié)機(jī)尾灰的粒度分布區(qū)間比燒結(jié)機(jī)頭灰窄，且粒度分布集中;重力除塵灰和旋風(fēng)除塵灰的粒度較大，粒徑分布范圍為7μm~150μm，主要集中在20μm~100μm區(qū)間，平均粒徑分別為44.946μm和42.773μm，且其粒度分布符合正態(tài)分布的特征;布袋除塵灰平均粒徑較小，僅為10.996μm，布袋除塵灰的粒度分布較為均勻。
OG粗泥的粒度分布區(qū)間最大，區(qū)間范圍為1.29μm~180.07μm，粒度分布呈現(xiàn)1.29μm~38.86μm和38.86μm~180.07μm兩個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)的正態(tài)分布特征，但其平均粒徑不大，僅為14.739μm，說(shuō)明OG粗泥大部分以細(xì)顆粒的狀態(tài)存在;OG細(xì)泥的粒度最小，粒徑范圍為0.39μm~32.78μm，與OG粗泥一樣，OG細(xì)泥粒度分布也呈現(xiàn)0.39μm~9.95μm和9.95μm~32.78μm兩個(gè)范圍內(nèi)的正態(tài)分布特征，主要原因可能是轉(zhuǎn)爐污泥的粒度較細(xì)，顆粒的比表面積大。氧化鐵皮的平均粒徑為23.121μm，粒度分布區(qū)間為1.53μm~151.86μm。
含鐵塵泥綜合利用技術(shù)
含鐵塵泥是鋼鐵生產(chǎn)流程中品種最多、成分最復(fù)雜的一類(lèi)廢棄物。含鐵塵泥富含鐵、氧化鈣、氧化鎂、碳等資源，且數(shù)量非常龐大，若不加以回收利用，不僅造成資源的極大浪費(fèi)，而且還將嚴(yán)重污染環(huán)境。因此，實(shí)現(xiàn)含鐵塵泥的高效回收利用便成了當(dāng)務(wù)之急。含鐵塵泥處理工藝主要分為物理法處理工藝、濕法處理工藝、火法處理工藝及含鐵塵泥高附加值利用工藝等。目前，鋼鐵工業(yè)主要采用火法工藝處理和回收利用含鐵塵泥，主要方法有燒結(jié)法、球團(tuán)法、粉塵噴吹法、直接還原法、熔融還原法和造塊返回?zé)掍摲ā?br />
燒結(jié)法和球團(tuán)法主要將含鐵塵泥作為原料直接配入燒結(jié)和球團(tuán)生產(chǎn)工序，這兩種方法最為簡(jiǎn)單，能在一定程度上實(shí)現(xiàn)鐵資源的回收利用，具有投入少、見(jiàn)效快、無(wú)需改變?cè)泄に嚨葍?yōu)點(diǎn)，但存在配料、混合困難等問(wèn)題，會(huì)造成有害元素的循環(huán)和富集，給高爐帶來(lái)危害，屬于含鐵塵泥的粗放型利用，不能徹底解決含鐵塵泥高效資源化利用的問(wèn)題。粉塵噴吹法主要是將含鐵粉塵、含碳粉塵按一定比例混合噴吹入高爐或其他熔融爐中，代替部分原料進(jìn)行循環(huán)回收利用，從而達(dá)到降低煉鐵生產(chǎn)成本的目的。該方法具有一定的效果，但對(duì)噴吹物料有相當(dāng)高的技術(shù)要求，且處理量不大，使該工藝的應(yīng)用受到限制。
將含鐵塵泥造塊返回?zé)掍摴に�，用作煉鋼冷卻劑是含鐵塵泥資源化利用的又一途徑。目前，國(guó)內(nèi)外許多企業(yè)已使用這種方法。該法可充分利用粉塵中的氧化鐵和氧化鈣，代替部分造渣劑和冷卻劑，而且對(duì)粉塵的強(qiáng)度要求不高，可減少煉鋼石灰和鋼鐵材料的消耗，從而降低煉鋼成本。但是，該方法不適合處理低品位、高碳和高堿粉塵。
直接還原法和熔融還原法能處理鋼鐵企業(yè)大部分含鐵塵泥，不僅能有效利用塵泥中的鐵、碳和氧化鈣等物質(zhì)，同時(shí)還可脫除塵泥中的鉛、鋅、硫等有害雜質(zhì)，生產(chǎn)出金屬化球團(tuán)和鐵水，具有較好的處理效果。轉(zhuǎn)底爐是目前比較受關(guān)注的用于處理各鋼廠(chǎng)含鋅、含鉛粉塵的快速直接還原裝置。該直接還原工藝通過(guò)混合-配料-成型-轉(zhuǎn)底爐直接還原等工序脫除含鐵塵泥中的鉛、鋅等有害元素，并得到直接還原鐵，直接還原鐵可返回鋼鐵生產(chǎn)流程使用。轉(zhuǎn)底爐工藝的優(yōu)勢(shì)在于處理效率高，且對(duì)能源要求不是很高，可以直接利用鋼鐵廠(chǎng)的副產(chǎn)煤氣作為熱源，能夠很好地回收含鐵塵泥中的鐵、鋅、鉛等金屬。不過(guò)，轉(zhuǎn)底爐也存在一些技術(shù)問(wèn)題和難以克服的缺點(diǎn)，如爐膛高、料層薄、能源利用效率不高等。
Oxycup工藝是德國(guó)蒂森克虜伯鋼鐵集團(tuán)開(kāi)發(fā)的一種旨在處理鋼鐵流程塵泥等含鐵、碳等副產(chǎn)品的工藝，是目前熔融還原法循環(huán)利用含鐵塵泥物料并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的代表工藝之一。該工藝的主體裝置是一個(gè)富氧熱風(fēng)鐵豎爐，可以回收傳統(tǒng)煉鐵、煉鋼各工序產(chǎn)生的所有含鐵、碳?jí)m泥和廢料，其產(chǎn)品是鐵水。鐵水經(jīng)預(yù)處理后可用于轉(zhuǎn)爐煉鋼，同時(shí)，可產(chǎn)生高熱值煤氣、爐渣、富鋅粉塵等副產(chǎn)品。Oxycup工藝的金屬收得率高，處理含鐵物料的范圍廣，生產(chǎn)的鐵水可直接用于煉鋼，不需要燒結(jié)機(jī)，環(huán)保效果相對(duì)較好，但Oxycup工藝冶煉過(guò)程需要使用焦炭，這將影響運(yùn)行成本。同時(shí)，該工藝也存在設(shè)備運(yùn)行周期短等缺點(diǎn)。
火法工藝對(duì)含鐵塵泥的處理效率較高、處理規(guī)模大，仍然是將來(lái)含鐵塵泥資源化利用的主要途徑。鋼鐵企業(yè)含鐵塵泥資源化利用的發(fā)展方向是含鐵塵泥的集中化處理，應(yīng)按含鐵塵泥的基礎(chǔ)特性對(duì)其進(jìn)行綜合分類(lèi)和管理。綜合以上分析，轉(zhuǎn)底爐和Oxycup工藝是未來(lái)我國(guó)含鐵塵泥資源化利用的理想工藝。
含鐵塵泥造球工藝分析
轉(zhuǎn)底爐和Oxycup工藝處理含鐵塵泥都需要將塵泥制成冷固結(jié)含碳球團(tuán)，然后進(jìn)行高溫還原反應(yīng)，最終生產(chǎn)金屬化球團(tuán)和鐵水。
從塵泥的粒度分析可以看出，重力除塵灰的粒徑范圍為7μm~150μm，平均粒徑約為44.95μm，而轉(zhuǎn)爐污泥的平均粒徑僅為2μm。研究表明，用非均一性粒度組成的塵泥壓制的球團(tuán)容易達(dá)到較大的致密度，從而提高球團(tuán)的強(qiáng)度。利用非均一性粒度組成的塵泥壓球時(shí)，塵泥中細(xì)小的顆�？梢蕴畛涞捷^大顆粒間的空隙中，使顆粒排列緊密，有利于提高球團(tuán)的致密度。大小不等的顆粒之間的接觸面積大，不僅增大了分子間的作用力，還增大了顆粒之間的機(jī)械嚙合作用力，從而使球團(tuán)的強(qiáng)度增大。由于各種含鐵塵泥的成球特性不同，單一含鐵塵泥造球的效果可能不佳，而將各種含鐵塵泥按一定的比例搭配造球，可實(shí)現(xiàn)塵泥成球性能的互補(bǔ)，從而提高球團(tuán)的強(qiáng)度，有利于含鐵塵泥的綜合利用。
主要結(jié)論
綜上分析，可以得出以下3點(diǎn)主要結(jié)論：
第一，鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的含鐵塵泥具有種類(lèi)多、數(shù)量大、成分復(fù)雜等特點(diǎn)，含鐵塵泥在化學(xué)組成、礦物組成、粒度分布和微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)上都有明顯的區(qū)別，其資源化利用的核心在于充分回收利用含鐵塵泥中的鐵、碳等元素，同時(shí)分離并綜合利用不能在鋼鐵生產(chǎn)中循環(huán)的有害元素。因此，需根據(jù)含鐵塵泥的基礎(chǔ)特性對(duì)含鐵塵泥進(jìn)行分類(lèi)和管理。
第二，火法工藝仍是將來(lái)含鐵塵泥資源化利用的主要工藝。鋼鐵企業(yè)含鐵塵泥資源化利用的發(fā)展方向是含鐵塵泥的集中化處理，同時(shí)資源化利用應(yīng)能夠達(dá)到一定的規(guī)模。綜合分析，轉(zhuǎn)底爐和Oxycup工藝是未來(lái)我國(guó)含鐵塵泥資源化利用的理想工藝。
第三，含鐵塵泥的成球特性各不相同，單獨(dú)造球時(shí)效果往往不佳，而根據(jù)含鐵塵泥特性，將各種含鐵塵泥按照一定的比例搭配造球，可實(shí)現(xiàn)含鐵塵泥成球性能的互補(bǔ)，從而提高球團(tuán)的強(qiáng)度，有利于含鐵塵泥的綜合利用。
