產(chǎn)品詳情
作為世界最大的鋼鐵生產(chǎn)國和消費(fèi)國, 其鋼鐵工業(yè)是能源消費(fèi)大戶, 也是CO2 排放大戶。一直以來鋼鐵工業(yè)能耗約占全國能源消費(fèi)總量的13.8%, CO2 直接排放量約占世界鋼鐵工業(yè)CO2 直接排放量的37.5%。與此同時, 含鐵粉塵( 塵泥) 是鋼鐵生產(chǎn)的大宗固體廢棄物之一, 其中燒結(jié)、高爐、轉(zhuǎn)爐塵泥噸鋼產(chǎn)生量約為40~50kg, 需要我們加強(qiáng)這一處理，在處理意見上我們選用鐵粉壓球機(jī)對此進(jìn)行成型，節(jié)約成本利用。按此估算, 鋼鐵工業(yè)燒結(jié)、高爐、轉(zhuǎn)爐塵泥產(chǎn)生量達(dá)2000萬t 以上。而傳統(tǒng)的配入燒結(jié)、外售、填埋等粉塵處理方法不僅利用率低, 而且污染環(huán)境, 增加鋼鐵企業(yè)的處理成本。
因此, 通過鐵粉壓球機(jī)工藝將排出的含鐵粉塵成型再資源化利用相結(jié)合, 具有較高的經(jīng)濟(jì)價值、環(huán)保優(yōu)勢和工業(yè)應(yīng)用前景, 有望成為鋼鐵廠含鐵粉塵再資源化利用的“綠色”工藝。本文根據(jù)鋼鐵廠含鐵粉塵特點(diǎn), 在對含鐵粉塵再資源化利用工藝進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上, 通過熱力學(xué)和動力學(xué)分析, 探討了含鐵粉塵碳酸化球團(tuán)工藝的可行性與合理性。
一、含鐵粉塵特性與再資源化利用現(xiàn)狀：
含鐵粉塵是鋼鐵工業(yè)除爐渣以外產(chǎn)生量最大的固體廢棄物, 其再資源化利用水平直接影響鋼鐵企業(yè)資源利用效率、經(jīng)濟(jì)效益、社會效益與環(huán)境效益。
1、含鐵粉塵物性特點(diǎn)；
含鐵粉塵產(chǎn)生于鋼鐵生產(chǎn)過程中燒結(jié)、煉鐵、煉鋼等環(huán)節(jié), 其產(chǎn)生量因鋼鐵生產(chǎn)流程、原料條件、工藝裝備水平等不同而存在差異。一般認(rèn)為, 高爐-轉(zhuǎn)爐流程的各類含鐵粉塵/ 塵泥的產(chǎn)生量為鋼產(chǎn)量的10%左右。它們具有以下特點(diǎn):
(1) 含鐵30%~ 70%, 并含有CaO、MgO、C等有用成分 , 具有很高的再資源化利用價值, 有利于鋼鐵企業(yè)提高資源利用效率。
(2) 含有ZnO、K2O、Na2O等有害雜質(zhì) , 需考慮其再資源化利用方式對鋼鐵生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量的影響。
(3) 粒度細(xì)小 , 通常經(jīng)造塊預(yù)處理后加以利用; 但濕法除塵污泥含水量高( 如轉(zhuǎn)爐OG泥含水量35%~ 40%) , 脫水和混合制粒困難。
2、含鐵粉塵再資源化利用工藝比較；
含鐵粉塵再資源化利用工藝大致可分為:燒結(jié)/ 氧化球團(tuán)-高爐、冷固結(jié)球團(tuán)-轉(zhuǎn)爐、含碳球團(tuán)-轉(zhuǎn)底爐等三類。
2.1、燒結(jié)/ 氧化球團(tuán)-高爐工藝
此工藝將含鐵粉塵作為燒結(jié)/ 氧化球團(tuán)的原料, 經(jīng)造塊處理后進(jìn)行高爐冶煉, 具有操作簡單、投資少、見效快等優(yōu)點(diǎn), 被廣泛采用。但由于含鐵粉塵粒度細(xì)、含水高, 配入燒結(jié)易造成混合料粒度不穩(wěn)定和燒結(jié)透氣性下降, 從而導(dǎo)致利用系數(shù)和燒結(jié)礦質(zhì)量降低; 而且, 粉塵中所含Zn、堿金屬等有害雜質(zhì), 因在燒結(jié)/ 球團(tuán)-高爐間循環(huán)富集會影響高爐順行和爐襯壽命。
2.2、冷固結(jié)球團(tuán)-轉(zhuǎn)爐工藝
將含鐵塵泥配加一定量的粘結(jié)劑, 通過冷固結(jié)方法加工成煉鋼造渣冷卻劑, 起到冷卻、加速成渣、改善脫磷、提高爐齡等作用, 同時可打
破燒結(jié)-高爐鋅循環(huán)鏈且不改變鋼水和爐渣成分, 是含鐵粉塵再資源化利用的方向之一。
冷固結(jié)球團(tuán)法又稱低溫固結(jié)球團(tuán)法。根據(jù)固結(jié)機(jī)理和粘結(jié)劑種類不同, 可分為水泥固結(jié)法、熱液固結(jié)法和碳酸化固結(jié)法等。
(1) 水泥固結(jié)法, 又稱水硬性固結(jié)球團(tuán)法:是一種采用硅酸鹽水泥或礦渣水泥等水硬性材料作粘結(jié)劑的冷固結(jié)工藝。配入8%~ 10%的水泥與含鐵粉塵充分混勻后造球, 加水后發(fā)生結(jié)晶硬化和膠體化反應(yīng), 生成水化硅酸鈣和水化鐵酸鈣凝膠固結(jié), 該法是目前相對成熟且有工業(yè)應(yīng)用的冷固結(jié)球團(tuán)工藝。水泥固結(jié)機(jī)理主要取決于水硬性粘結(jié)劑加水后的行為, 需在18~20 下保持若干小時后, 再將溫度略提高并保持相應(yīng)時間, 球團(tuán)礦才有一定的強(qiáng)度。因此,水泥固結(jié)工藝通常需要自然養(yǎng)護(hù)4~ 6周以上,且需要大面積養(yǎng)護(hù)場; 而且, 因其以水泥為粘結(jié)劑會降低球團(tuán)含鐵品位, 導(dǎo)致渣量增加。
(2) 熱液固結(jié)法, 又稱蒸養(yǎng)法或高壓蒸煮法: 是以石灰和二氧化硅作粘結(jié)劑, 與含鐵粉塵混勻后制成生球, 略經(jīng)干燥或不干燥即放入高壓釜中, 在一定溫度和壓力下, 養(yǎng)護(hù)4~ 8h, 在顆粒表面形成水合硅酸鈣( CaOSiO225H2O)粘結(jié)物使之固結(jié)。熱液固結(jié)法生產(chǎn)的球團(tuán)礦的基體由氧化物、氫氧化物、水化物和硅酸鹽組成, 由于在反應(yīng)器內(nèi)時間較短, 化學(xué)反應(yīng)很難達(dá)到平衡, 所以反應(yīng)產(chǎn)物沒有結(jié)晶物, 而且必須要有6%~ 8%的SiO2 才能有效固結(jié)。
(3) 碳酸化固結(jié)法: 是在含鐵粉塵中配入適量石灰( 一般為15%~ 20%) 制成生球, 然后將生球置于低溫和含有較高濃度的CO2 氣氛中進(jìn)行碳酸化反應(yīng), 使Ca( OH) 2 經(jīng)過碳酸化在球團(tuán)表面生成碳酸鈣微晶骨架結(jié)構(gòu), 粘結(jié)其周圍含鐵粉料, 從而形成具有一定強(qiáng)度的碳酸化球團(tuán)。碳酸化固結(jié)機(jī)理屬結(jié)晶硬化反應(yīng), 反應(yīng)速率緩慢, 成品球團(tuán)強(qiáng)度低。
2.3、 含碳球團(tuán)-轉(zhuǎn)底爐工藝
將含鐵粉塵與炭質(zhì)還原劑混勻造球后, 經(jīng)轉(zhuǎn)底爐在高溫下快速加熱、還原制得直接還原鐵, 并可回收Zn等有價金屬。該法作為處理含鐵粉塵的直接還原工藝受到極大關(guān)注, 但其工藝流程相對較復(fù)雜, 包括有原料預(yù)處理、直接還原、產(chǎn)品處理等多個工序和與之配套的后續(xù)工藝, 投資也比較高, 且有部分關(guān)鍵技術(shù)尚待解決。
以上鐵粉壓球機(jī)工藝的優(yōu)、缺點(diǎn)及比較在現(xiàn)有鋼鐵生產(chǎn)流程條件下,冷固結(jié)球團(tuán)- 轉(zhuǎn)爐工藝相比燒結(jié)/ 氧化球團(tuán)-高爐工藝, 不僅具有較高的鐵資源回收效率、較低的能源消耗、較好的工藝適應(yīng)性和低廉的處理費(fèi)用, 而且可起到加速成渣、改善脫磷和減少廢鋼、石灰與氧氣消耗量等作用, 具有較高的經(jīng)濟(jì)價值、環(huán)保優(yōu)勢和工業(yè)應(yīng)用前景。而碳酸化固結(jié)工藝與水泥固結(jié)工藝和熱液固結(jié)工藝相比, 其固結(jié)過程不帶入SiO2 等雜質(zhì), 且可實現(xiàn)CO2 的捕獲與回收利用, 有望成為鋼鐵廠含鐵粉塵再資源化利用的“綠色”工藝。
二、含鐵粉塵碳酸化球團(tuán)工藝?yán)碚摶A(chǔ)：
1、碳酸化反應(yīng)熱力學(xué)分析
碳酸化球團(tuán)利用石灰作粘結(jié)劑, 在含鐵塵泥中配加一定量的石灰首先發(fā)生水合反應(yīng):
CaO+H2O=Ca( OH)2
△G298K= -57801kJ/mol
進(jìn)而, Ca( OH)2 與CO2 發(fā)生碳酸化反應(yīng):
Ca( OH)2+ CO2=CaCO3+H2O
△G298K= -72623kJ/mol
2、碳酸化反應(yīng)動力學(xué)特性
碳酸化反應(yīng)是典型的多孔介質(zhì)固體與氣體間的非催化氣-固反應(yīng)過程, 由快速化學(xué)反應(yīng)和產(chǎn)物層擴(kuò)散兩個階段組成。
從微觀動力學(xué)上來講, CO2 氣體分子在碳酸化生球孔隙中的擴(kuò)散以及在Ca( OH)2 顆?？紫吨械臄U(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)能力都是表征宏觀反應(yīng)速率的關(guān)鍵。氣體在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散能力與氣體分子的平均自由程( ) 以及固體介質(zhì)的孔徑有關(guān)。當(dāng)CO2氣體分子的平均自由程大于碳酸化球團(tuán)及Ca( OH) 2 顆?？讖綍r, 在孔隙內(nèi)部發(fā)生的是氣體Knudsen擴(kuò)散, 其擴(kuò)散速率會十分緩慢。
可知: CO2 氣體分子的平均自由程與擴(kuò)散溫度呈正比, 與氣體壓力呈反比。隨著碳酸化反應(yīng)的進(jìn)行, CaCO3 會不斷地填充到Ca( OH)2內(nèi)部的孔隙中, 造成孔徑不斷減小, 加大了對CO2 氣體分子擴(kuò)散的阻礙作用, 從而延長碳酸化的反應(yīng)時間。為縮短反應(yīng)時間和提高生球碳酸化反應(yīng)速率, 首先就要提高CO2 氣體分子在微孔隙中的擴(kuò)散速率。為此, 應(yīng)從擴(kuò)散溫度和氣體壓力對CO2 氣體分子自由程的影響規(guī)律入手研究。
3、碳酸化球團(tuán)的成渣特性
碳酸化冷固結(jié)球團(tuán)的機(jī)械強(qiáng)度要低于氧化球團(tuán), 無法滿足現(xiàn)代大型高爐冶煉的要求, 而轉(zhuǎn)爐對球團(tuán)礦強(qiáng)度的要求比高爐低得多, 故可用于轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)。
轉(zhuǎn)爐冶煉過程中, 初期形成以2FeOSiO2和2MnOSiO2 為主要礦物的高酸性初渣; 之后, 酸性初渣向石灰顆粒內(nèi)部滲入, 與CaO生成低熔點(diǎn)化合物, 渣中CaO含量逐漸提高。隨CaO在初渣中含量增加, 渣中SiO2 與CaO在石灰顆粒表面形成高熔點(diǎn)、結(jié)構(gòu)致密的2CaOSiO2, 導(dǎo)致CaO溶解速率降低, 從而延長化渣時間, 使轉(zhuǎn)爐冶煉周期延長, 并縮短爐襯壽命。而在轉(zhuǎn)爐冶煉初期加入部分碳酸化球團(tuán), 可平衡轉(zhuǎn)爐熔池溫度, 減少廢鋼等冷卻劑的消耗量; 同時, FeO與CaO同是立方晶系, Fe
2+能破壞石灰顆粒表面形成的高致密性產(chǎn)物2CaOSiO2, 從而提高爐渣在CaO顆?？紫吨械臐B透能力, 進(jìn)一步加快CaO的溶解速度和成渣速度。此外,CaCO3在熔池內(nèi)高溫分解, 溢出的CO2 氣體可強(qiáng)化熔池攪拌, 加速泡沫渣的形成, 加快脫磷反應(yīng)速率。再者, 低溫固結(jié)不會改變FeO的存在狀態(tài)和物質(zhì)形態(tài), 與單純的加入石灰塊等造渣劑相比, 因提高了渣中FeO含量而增強(qiáng)了爐渣的氧化性, 能顯著降低爐渣粘度, 加快鋼-渣界面的傳質(zhì)速率?？梢? 轉(zhuǎn)爐冶煉加入碳酸化球團(tuán),從熱力學(xué)和動力學(xué)兩方面都有利于轉(zhuǎn)爐的脫磷反應(yīng), 不僅提高了轉(zhuǎn)爐的脫磷量, 而且提高了爐渣的脫磷速率。
因此, 含鐵塵泥制備的碳酸化球團(tuán)用于轉(zhuǎn)爐是一種良好的造渣劑和助熔劑, 可加速轉(zhuǎn)爐前期化渣, 不帶入雜質(zhì), 不改變鋼水和爐渣成分, 還能減少部分廢鋼、石灰和氧氣消耗量, 起到冷卻、加速成渣、改善脫磷、提高爐齡等作用。
三、碳酸化球團(tuán)工藝總結(jié)：
（1）、鋼鐵生產(chǎn)過程的各類含鐵粉塵具有較高的再資源化利用價值, 但因含Zn等有害雜質(zhì)和粒度細(xì)小、含水量高等特點(diǎn), 需考慮回收利用工藝對鋼鐵生產(chǎn)主工藝的影響。綜合比較認(rèn)為:碳酸化球團(tuán)-轉(zhuǎn)爐工藝將含鐵粉塵與CO2 回收利用有機(jī)結(jié)合, 有望成為鋼鐵工業(yè)含鐵粉塵再資源化利用的 綠色工藝。
（2）、從熱力學(xué)角度分析, 含鐵粉塵碳酸化球團(tuán)工藝是可行的, 當(dāng)溫度低于1160K時碳酸化反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行, 且為放熱反應(yīng), 理論上可以通過工藝參數(shù)與裝備設(shè)計優(yōu)化, 實現(xiàn)回收利用過程“零”能耗, 甚至“負(fù)”能耗。
（3）、從動力學(xué)角度來看, CO2 分子擴(kuò)散平均自由程是表征宏觀反應(yīng)速率的關(guān)鍵, 當(dāng)CO2 分壓高于1MPa時, 通過優(yōu)化反應(yīng)溫度等措施, 可加快碳酸化反應(yīng)速率, 提高CaO轉(zhuǎn)化率和成品球團(tuán)強(qiáng)度。
（4）、鐵粉壓球機(jī)工藝成型球用作轉(zhuǎn)爐造渣劑, 可降低轉(zhuǎn)爐煉鋼消耗, 提高鋼質(zhì)量, 是一種理想的利用途徑。
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