目前，我國鋼鐵工業(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，我國鋼鐵工業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。我國鋼鐵企業(yè)是資源消耗、廢棄物產(chǎn)生大戶，能耗總體水平與國際先進(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，我國粗鋼產(chǎn)量達(dá)8億多噸，含鐵塵泥產(chǎn)生量則超過8000萬噸，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)合我國鋼鐵行業(yè)的實(shí)際情況，提出了適合我國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%、鋅含量超過了1%，使其直接循環(huán)利用受到限制。
含鐵塵泥X射線衍射分析。利用X射線衍射分析儀對(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、見效快、無需改變?cè)泄に嚨葍?yōu)點(diǎn)，但存在配料、混合困難等問題，會(huì)造成有害元素的循環(huán)和富集，給高爐帶來危害，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)掍摴に嚕米鳠掍摾鋮s劑是含鐵塵泥資源化利用的又一途徑。目前，國內(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含鋅、含鉛粉塵的快速直接還原裝置。該直接還原工藝通過混合-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，轉(zhuǎn)底爐也存在一些技術(shù)問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工藝是德國蒂森克虜伯鋼鐵集團(tuán)開發(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)行綜合分類和管理。綜合以上分析，轉(zhuǎn)底爐和Oxycup工藝是未來我國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)行分類和管理。
第二，火法工藝仍是將來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工藝是未來我國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。
