不銹鋼煉鋼廠粉塵再循環系統
1.前言
在不銹鋼制造過程中，會產生粉塵、氧化鐵皮和淤泥等廢棄物，這些廢棄物中的一部分可再利用，但大多數不能利用而是作填埋等處理。最近隨著人類環保意識不斷增強，廢棄物丟棄變得越來越困難，要求削減由煉鐵過程產生的廢棄物量。此外，從經濟及節約資源的觀點看，廢棄物中含有的有價物質的再利用是非常重要的。
為了適應廢棄物丟棄限制及其有效利用的需求，大同特殊鋼公司于1996年從美國INMETCO公司引進了利用轉底爐（簡稱RHF）的廢棄物再循環技術，用于處理煉鋼粉塵。
本文介紹煉鋼粉塵還原處理工藝-INMETCO法的概況及采用INMETCO法的不銹鋼煉鋼廠中廢棄物再循環設備的操作情況。
2．INMETCO法的概況
INMETCO法是將氧化金屬粉末和還原材粉末混合造粒后，采用轉底爐進行直接還原，獲得有價金屬的再資源化工藝。INMETCO法的工藝流程如圖1所示。
INMETCO法工藝由3個步驟組成，分別是：原料的入料、儲存及造粒；采用RHF爐還原；浸沒式電爐（簡稱SAF）下的熔融還原。
首先介紹原料的入料和儲存。細粒含鐵氧化物原料，如幾乎不含水分的煉鋼粉塵等在噴射履帶下從一側輸送，通過空氣輸送到筒倉儲存。酸洗淤泥等料漿狀原料經除水后由裝料器輸送到料倉儲存，事前干燥后作為干粉儲存。另一方面，軋機氧化鐵皮等粒徑比較大的廢棄物，除去水分后進行篩選，規定尺寸以上的氧化鐵皮經粉碎機粉碎，儲存在筒倉中。作為還原材的碳粉和粘結劑也采用空氣輸送裝置送到筒倉儲存。將臨時儲存的原料按規定配比從儲存筒倉中取出，混勻后造粒。造粒形狀，即原料性能、從造粒到轉底爐的搬運形態、還原處理后的搬運形態，由最終產品的要求決定。根據原料性能、用途等，選擇壓塊或擠壓等顆粒成型方法。含較多水分的淤泥作為原料處理時，干燥后不需要再次水分調整的擠壓成型是有利的。干燥原料的情況下，也可以選擇壓塊。在球形顆粒的情況下，接著繼續進行還原處理，成為能耐爆裂的直徑數毫米到數十毫米的顆粒。
INMETCO法工藝的第2階段是在RHF爐中氧化金屬的預還原。在前處理中成形的顆粒根據情況被連續投入到RHF爐中，在爐床上鋪設1～2層的厚度。RHF爐內保持1100～1350℃高溫，爐床轉動1次（10～20min）的時間內，顆粒中的氧化鐵被還原，成為金屬化率高的還原鐵。被還原的顆粒從抽出口被連續抽出。另一方面，鋅、鉛及一部分堿、氯化物、氟化物在還原處理中和廢氣一起被排出，作為有色原料在可再循環的程度下被濃縮，作為二次粉塵被回收。
INMETCO法工藝的第3階段是從RHF中抽出的還原顆粒在SAF爐中被熔融還原處理。被連續抽出的高溫還原顆粒通過吊車被搬移到SAF上方的內襯有耐火材料的保溫倉內，隨后還原顆粒通過投入溜槽從保溫倉的下部被連續投入到SAF內，在爐內進行熔融還原處理。為了SAF爐內的還原和爐渣調整，在保溫倉內同時裝入助溶劑和還原用碳粒。在SAF爐內還原顆粒分離成被熔融還原的鐵水和爐渣，根據比重的不同，金屬在下部，爐渣在上部。將分離物從SAF爐側面的出鐵口定期抽出。抽出的鐵水直接返回到煉鋼工序，考慮到搬運性和便利性，澆鑄成鋼錠或鋼棒。
RHF爐內大致可分成加熱帶、還原帶和裝入? 抽出帶3個區域。堆積在轉底爐床上的薄層顆粒隨著爐床的轉動，通過燒嘴火焰及來自爐內壁的輻射被快速加熱。爐內廢氣與顆粒移動方向成反方向流動，從顆粒投入位置附近的加熱帶一側被排放出。在還原帶產生的CO不僅形成了防止還原顆粒再氧化的氣體層，還在加熱帶燃燒生成CO2氣體，成為加熱帶的加熱源。
轉底爐的投入位置作為0°。在120°時，金屬化率超過80%，在超過中間點180°取得最大值。另一方面，作為氧化金屬在原料顆粒中含有如鋅、鉛這樣的高蒸汽壓的重金屬，通過還原反應在揮發廢氣中再氧化。投后從70°開始快速還原反應，在240°反應基本結束。鉛、氯幾乎被100%除去。
3．INMETCO法的優點
采用RHF爐煤基直接還原工藝具有如下優點：
1)由于在高溫下熔融還原，還原時間短，僅為10～20min，還原效率高。
2)由于可利用廉價的煤基能源，對節約運行成本是有效的。
3)可以處理含有重金屬的粉塵，與窯式相比，爐內顆粒的粉化程度低，所以二次粉塵的重金屬濃縮度高。
4)操作簡單，適合穩定連續作業。
而且，與使用其他RHF爐直接還原工藝相比，INMETCO法具有如下優點：
a)長壽命的水冷式顆粒抽出螺孔
作為將爐內被還原的高溫顆粒向爐外排放的結構，螺孔式排放裝置結構簡單且具有穩定性和可靠性。高溫顆粒連續排放的情況下，旋轉軸被焊接成螺旋狀，將顆粒連續刮出的刮板容易磨損，也可能因氣體產生腐蝕，和顆粒一起被投入到爐床上的顆粒粉在爐床表面燒結硬化，顆粒排放裝置的好壞決定了設備的維護間隔。
這種水冷式顆粒抽出螺孔是根據多年的經驗進行了各種改進，壽命長達2年左右，延長了維護周期。
b)對原料適應性強及且可長期穩定的操作
該公司自操作以來經過了30多年，從各種煉鋼廢棄物的處理經驗中，積累了根據原料選擇處理形態、配比控制、處理參數、維護方法、爐床管理技術及特殊爐體結構等豐富的技術訣竅。
4.不銹鋼粉塵再循環設備的概況
介紹大同特殊鋼公司采用INMETCO法的不銹鋼粉塵再循環設備的操作實績。
該設備于2004年開始商業化運行。按照處理附近年產量80萬t的不銹鋼制造廠產生的各種廢棄物而設計，粉塵處理能力為5萬t/a。
除了集塵器外，設備都布置在廠房內，分成1）原料入料?儲存區；2）混勻?造粒區；3）RHF；4）SAF；5）鑄造區。
作為原料的各種廢棄物根據其性能和形狀不同，入料過程也不同。電爐粉塵、精煉爐粉塵等干粉塵，酸洗退火線（APL：Annealing and Pickling Line）噴丸及干燥處理后的酸回收設備（ARP：Acid Recovery Plant）淤泥被直接輸送到筒倉。還有還原材-碳粉、粘結劑等干粉由軟質（包裝）容器搬入，暫時儲存后通過場內的空氣輸送裝置儲存到同樣的筒倉中。
另一方面，含有水分的軋鋼氧化鐵皮在料倉中進行預除水。為了造粒，干燥和粉碎是必要的，在氧化鐵皮干燥機干燥后，粉碎儲存到筒倉中。
根據處理計劃將各原料從筒倉下部的定量取出裝置中取出一定量，在傳送帶上輸送時完成混合，在盤形回轉造粒機上造成直徑6～13mm的顆粒。
顆粒被連續投入到外徑17m的RHF爐中，在爐床轉動1次約20min時間內，顆粒中的氧化鐵被還原，成為金屬化率高的還原鐵。被還原的顆粒從抽出口被連續抽出。在抽出口下方的轉盤上有2臺顆粒搬運倉呈對角設置，一旦一側的搬運倉被還原顆粒填滿，轉動轉盤，另一側的搬運倉就移動到抽出口的下方，通過吊車將填滿的搬運倉輸送到SAF爐上方的搬運倉位置。
從SAF爐上方的顆粒搬運倉內連續向爐內投入還原顆粒，進行熔融還原。爐渣調整材和還原用碳材也被投入。通過浸沒加熱維持爐溫，投入的還原顆粒在爐內被分離成熔融金屬和熔融爐渣，分別被定期排出。
抽出的金屬澆鑄成大型鋼錠，測定成分后在煉鋼廠和廢鋼一起被投入到電爐中。
5.設備作業實績
處理對象物的典型成分如表1所示。粉塵是來自電爐、轉爐、真空精煉爐的粉塵，因受到廢鋼的影響，煉鋼粉塵中的鋅濃度為5.6%，屬于較高位。另外，粉塵中含有氯成分。ARP淤泥是酸洗線的酸洗液再生時產生的淤泥粉。軋鋼氧化鐵皮含有碎片，經過粉碎工序。
表1 不銹鋼煉鋼廠產生廢棄物的化學成分
項目 重量t/a 成分（%）
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Fe Ni Cr C S Zn Pb P2O5 Al2O3 SiO2 MgO CaO Cl-
粉塵 29700 31.0 2.4 8.2 0.6 0.10 5.62 0.81 0.00 0.41 3.98 2.90 8.00 0.30
CCIM氧化鐵皮 2900 30.2 2.4 8.3 14.7 0.20 3.4 0.72 0.03 1.54 5.90 2.40 9.90 0.40
軋鋼氧化鐵皮 13000 31.8 3.2 6.5 7.7 0.20 0.10 0.74 0.03 1.00 1.21 2.07 0.67 0.00
ARP淤泥 2200 46.9 6.9 10.1 1.3 0.60 0.02 0.01 0.28 0.11 1.61 0.10 0.30 0.00
APL噴丸 4100 69.9 1.0 9.0 1.7 0.10 0.01 0.01 0.24 0.35 1.32 0.10 0.30 0.00
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造粒的顆粒成分如表2所示。造粒時添加少量的粘結劑和作為還原材的碳粉。
表2 造粒顆粒的化學成分
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項目 成分（%）
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Fe Ni Cr C S Zn Pb P2O5 Al2O3 SiO2 MgO CaO Cl-
顆粒 28.7 2.0 7.1 14.9 0.24 5.5 0.8 0.03 1.43 5.40 2.55 9.09 0.1
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造粒后的顆粒在RHF爐中預還原，并在SAF爐中熔融還原，得到的金屬與爐渣的典型成分如表3、4所示。出鐵時的金屬溫度為1440～1540℃，得到含有5%鎳、15.2%鉻、約4%碳的生鐵。SAF爐渣的成分、溫度的調整及維持是穩定作業的關鍵點。
表3 SAF金屬成分
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項目 成分（%）
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Fe Ni Cr C S Mo Mn Co Cu P
SAF金屬 71.4 5.0 15.2 4.3 0.05 0.17 2.81 0.04 0.95 0.05
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表4 SAF爐渣成分
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項目 成分（%）
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Al2O3 SiO2 MgO CaO S Cr2O3 Fe
SAF爐渣 4.9 21.3 9.5 35.0 0.9 6.4 1.3
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該工藝總的金屬回收率如表5所示。作業2年后，達到了95%。鉻回收率與爐渣成分調整密切相關，通過適當調整爐渣成分，可實現鉻的高回收率。
表5 金屬再循環設備下的金屬回收率
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Fe Ni Cr
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回收率（%） 95 95 86
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通過采用本設備處理粉塵，迄今從穩定化處理的廢棄物中每年回收1100t鎳和4300t鉻。還有，SAF爐渣滿足美國環境保護局（EPA）的TCLP（Toxicity Characteristic Leaching Procedure）法關于重金屬溶出規定值，可用作路基材。
6．結語
由于從煉鋼廠排放的各種廢棄物的丟棄被限制，廢棄物的處理成為問題，同時對于循環型社會的要求，回收廢棄物中的有價金屬是企業的責任。INMETCO法作為從不銹鋼制造工藝產生的廢棄物中回收有價金屬的工藝被世界所認可，并擁有實績，今后要以發展中國家為中心，加快該工藝的推廣應用。
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