电弧炉炉尘综合处理技术及应用

发表时间：[2007-09-05]　　作者：　　编辑录入：admin　　点击数：4648

摘要:从电弧炉炉尘综合治理利用的角度出发，介绍了当前国外治理电弧炉炉尘的技术和方法。详细陈述了火法、湿法以及其它方法处理电弧炉炉尘的原理，并且简述了这些工艺的可行性。

　关键词:电弧炉；炉尘；火法处理；湿法处理

　电弧炉因其独特的炼钢特性已经成为炼钢的主要手段之一。世界上大约45％的钢是用电弧炉冶炼的，由于我国废钢资源匮乏以及电费昂贵，电弧炉钢产量有所减少，约为3000万t，占总炼钢量的17％。但就全世界而言，由于废钢的回收以及电弧炉出钢时间缩短等原因，电弧炉的产量仍然呈上升趋势。

　电弧炉炉尘就是电弧炉在炼钢过程中产生的灰尘。众所周知，在电弧炉炼钢过程中，由于废钢原料、辅助材料以及电极的消耗，炉尘成分非常复杂，并且有毒物质居多，如果不处理，会污染环境。所以世界各国在这方面都在积极钻研，目前，已经取得突破性进展。

　电弧炉炉尘中的主要金属元素有：锌、铅、镉、铬以及铁等。因为矿石资源有限，充分回收这部分资源是非常有意义的，而且如果回收成本低廉，那么大有市场前途。据美国报道，当前世界电弧炉炉尘产生量大约为200万t/年。电弧炉炉尘的产生主要源于废钢和重金属烟气。电弧炉炉尘中含锌大概为45万t，目前大部分仍然没有被处理。我国电弧炉炉尘的产生量非常大，如2001年我国电弧炉钢产量是3000万t，其中利用废钢原料约为1950万t，假设每吨废钢产生炉尘约20kg，那么一年内产生的炉尘大概是39万t。由于环境的要求，我们必须对炉尘进行处理，虽然处理费用巨大，但从废物利用的角度出发，电弧炉炉尘里蕴藏的经济潜力是可观的。现在，世界上发达国家对电弧炉炉尘的综合利用都呈现积极态度，而我国在这一方面还没有引起人们的重视。在此，笔者针对目前国际上处理电弧炉炉尘的几种成熟工艺并结合自己的一些观点作了简要介绍。

　目前，电弧炉炉尘的处理工艺主要有火法、湿法以及兼而有之的联合工艺。这些工艺的主要目的是回收电弧炉炉尘中的热量和金属元素，然后再将剩余的渣宰制作水泥或作为路基等建筑材料。

1 火法工艺

　火法工艺是在高温下对电弧炉炉尘进行处理的一种工艺。目前，火法工艺中最具有代表性的仍然是威尔兹工艺。半鼓风炉法工艺及电热法工艺也可用于电弧炉炉尘处理。但是，这两种工艺的处理量不大，而且还必须配备专用设备，单位投资成本也较大，因此，实际生产中很少使用。

1.1 日本的火法工艺

　用火法工艺处理电弧炉炉尘，日本具有国际领先水平。日本川崎钢铁集团公司千叶钢厂已经在工业上成功循环利用电弧炉炉尘。电弧炉释放的炉尘大概含有20％～30％的锌和更多含量的铁。千叶钢厂的这种新工艺可以从炉尘中回收90％～100％的锌以及99.8％以上的铁。炉尘的剩余成分可以成渣，这种渣可以与高炉炉渣混合使用，作为制备水泥的原材料，也可以作为铺设路基的材料。

　此工艺有一个大约10m高的炉子，其形状见图1。可以看出，千叶钢厂的电弧炉炉尘处理炉有上、下两个风口、一个炉尘喷射口以及一套回收锌的系统。焦炭从炉顶加入，上下两个风口同时吹入氧气，这样由于焦炭的燃烧会形成一个超高温区域(软熔带)。炉尘经过炉尘喷射口喷入，喷射的炉尘可以到达超高温区。在这个区域温度高达3000℃，足以使炉尘立即熔化。液态炉尘在下落过程中，当其经过正在燃烧的焦炭层时，炉尘中含有的氧化锌等氧化物被还原，液态粉尘被还原和分离成单锌蒸气、铁水以及熔渣等。

　锌蒸气在上升过程中，经过水冷却装置，由于温度下降，锌蒸气被冷凝为锌水，剩下的气体被回收。铁水和高炉出铁的方式一样，经过挡渣，出铁后送钢铁厂循环利用。剩下的渣再根据具体情况酌情处理。

　据调查，这种方式处理电弧炉炉尘规模小，投资成本低，见效快，因此适用于个人投资。

1.2 澳斯麦特工艺

　澳斯麦特工艺是最近20年发展起来的强化冶炼技术，如今推广使用范围很大，大部分有色金属渣的冶炼都可以采用此工艺。国外有些工厂已经投产使用澳斯麦特工艺冶炼铜/镍渣，铅/锡渣等等。

　用澳斯麦特工艺处理电弧炉炉尘时，一般采用两炉段澳斯麦特工艺。两炉包括熔炼炉和还原炉。首先，将熔剂、还原煤以及电弧炉炉尘加入熔炼炉中，用喷枪将煤粉和富氧空气喷入炉中，一般情况下，冶炼温度可达到1250～1350℃。电弧炉炉尘为氧化物，必须通过还原物质使其还原为金属，因此可加入块煤使炉尘在还原气氛中烟化，由于锌的熔点较低，易转变成锌蒸气，锌蒸气在熔池上方二次燃烧后成氧化锌粉尘，这种粉尘可经过布袋除尘器收集处理。银、钾、钠、氯、氟等元素也挥发变成炉气，然后这些炉气通过烟气净化系统，再经过余热锅炉冷却，冷却后经布袋除尘收尘，收尘后的气体经二氧化硫过滤器后排入空气中。

　熔炼炉处理后的渣等固体经流槽流入还原炉。还原炉的温度大约比熔炼炉高50℃。与在熔炼炉内一样，将还原煤和燃烧空气加入还原炉内，出来的烟气经过还原炉的烟气处理系统，再经余热锅炉冷却后，布袋收尘，最后排入空气。还原炉出来的渣可以进行水碎处理。根据资料显示，用澳斯麦特工艺处理后的炉渣已经通过美国环境保护局毒性特征溶出程序检测(TCLP)，因此用这种工艺处理后的电弧炉炉尘也有希望通过TCLP。

　澳斯麦特工艺处理电弧炉炉尘有很多优点：规模可大可小、使用的还原剂价格低廉、余热锅炉冷却回收的热量多，提高了燃料的燃烧率、气体搅拌效果很好。缺点是剩余的渣子得不到很好的利用。

1.3 等离子工艺

　目前，等离子工艺处理电弧炉炉尘所用的直流等离子体装置是由德国阿亨大学热工研究所开发的，其装置和流程如图2所示。从图1可以看出，反应器是一个钢质坩埚，它被放置在用冷却水冷却的作为阳极电源连接件的把持器中，在钍-钨阴极和作为阳极的氧化物烟尘之间产生稳定的等离子体气电弧，氩气作为等离子气体，而氢气、甲烷等气体作为还原性气体。含碳还原性气体的直接供入导致阴极腐蚀，生成碳化钨。为避免腐蚀，将甲烷等还原性气体从侧面喷入氩等离子气体中。而作为造渣助熔的添加物二氧化硅、氧化钙及三氧化二铝等烟尘熔化后投入熔池。经过处理后分析浸出成分是否符合排放标准，并且用此种方法可有效地回收了铁、镍、铬和锌等有价值的金属元素。

图2 等离子枪体(a)和坩埚熔池(b)的示意图

　实验结果表明：应用高温等离子工艺，采用氢气、甲烷等还原性气体熔融还原处理电弧炉炉尘是可行的。炉尘中的有用金属能在可分离的金属相中积聚回收，添加二氧化硅、氧化钙、三氧化二铝等造渣剂可明显改善生成渣的浸洗特性，其浸出液中的有毒元素均低于或符合标准。

1.4 威尔兹工艺

　目前，威尔兹工艺是世界上应用最广泛，工艺最成熟的处理电弧炉炉尘的方法之一。在欧洲、美国和日本就有100多万t电弧炉炉尘用这种方法进行处理。现在，德国BUS公司是欧洲锌回收行业最大的企业，也是欧洲唯一专门从事锌再生利用的企业。该公司在德国、法国、意大利、葡萄牙等国拥有5家威尔兹法处理电弧炉炉尘的工厂。表1列出了该公司各厂烟尘处理量，其总量将近40万t，占欧洲电弧炉炼钢炉尘处理市场份额的60％以上。产出的氧化锌则出售给锌冶炼厂生产锌产品，其中，Potenossa及Aser公司的产品通过进一步的洗涤、净化等处理工序去除杂质后成为电解锌厂的原材料，处理后的渣则用来铺路。

表1 　　德国BUS公司锌的回收状况

序号	公司	厂址	处理量/(万t·a^-1)	后续工序
1	BUS Metal Buishurg	德国	6	无
2	BUS Zinkrecycling Freberg	德国	5	无
3	Recytench	法国	8	无
4	Pontenossa	意大利	9	洗涤、净化
5	Aser	西班牙	10	洗涤、净化
总计			38

　威尔兹工艺可以分为一段威尔兹和二段威尔兹，德国的BUS公司开发的是一段威尔兹工艺。主要是将电弧炉炉尘、煤粉以及返回焦制成湿球团，湿球团通过一个微微倾斜的料槽进入一个大回转窑。球团在回转窑里经高温还原，得到富锌的粗级氧化锌产品，锌产品送往锌公司进行生产处理，窑渣经过磁选过滤后，分离出的可用资源作为返回料，剩余部分经水碎处理后，可用于铺路和作建筑骨料。二段威尔兹工艺是美国HR发展公司研发的，其中第一段工艺与一段威尔兹工艺类似。在一段工艺里，主要目的是将铁与锌、铬等金属元素分离。一般情况下，铁的品位都能超过50％，可以送往电弧炉厂再次利用。含有锌、铬等元素的蒸气通过二段威尔兹工艺，得到的粗锌产品送往锌厂再次利用。

　威尔兹工艺处理电弧炉炉尘量大、技术简单、技术成熟、经济效益好，由于在工艺过程中会用到焦煤、煤粉等资源，所以降低焦炭等能源的用量是提高经济效益的途径之一。

2 湿法工艺

　湿法工艺就是将电弧炉炉尘在常温下或非高温下通过酸、碱、盐等溶液的浸出及电解，从而使电弧炉炉尘中有用物质被回收，从而使渣料达到排放标准。图3为基本的湿法处理电弧炉炉尘工艺流程图。目前，由于火法工艺的不断成熟，现在世界上一些二次综合利用资源的企业已聚焦于湿法工艺。在湿法工艺处理电弧炉炉尘中，最成熟的工艺仍然是起源于西班牙的Zincex工艺和意大利Engitech Impianti公司开发的Ezinex工艺。

图3 湿法处理电弧炉炉尘工艺流程图

2.1 Zincex工艺

　在处理电弧炉炉尘时，Zincex工艺一般包括3个步骤：浸出、萃取及反萃。其工作原理和流程与图3类似。浸出一般是在40℃和常压下用稀硫酸处理。金属一般被稀硫酸溶解进入溶液，而剩余的残渣过滤后酌情处理。浸出液一般采用石灰等碱性物质中和、净化回收铝和铁等金属。然后将中和的浸出液调整PH值，在PH=2.5时使用有机溶剂进行萃取，金属锌就进入到萃取液中，剩余的萃取液返回，整个过程一般都循环进行，直到出现理想效果为止。萃取后的锌液送往电解锌工厂进行处理。

　该工艺流程简单、操作方便、可应用性很广，而且投资小、处理能力强。因此，国外一些锌工厂以及钢铁企业正着手建设此工艺生产线。

2.2 Ezinex工艺

　 Ezinex工艺是由意大利的Engitech Impianti公司研发的。该工艺主要以沉积在盐酸电解槽阴极的含锌重金属有选择的萃取为基础。处理电弧炉炉尘的能力为1万t/年的Ezinex设备已经在Pittini集团的Osoppode Ferriere公司投入使用。

　 Ezinex工艺主要包括浸出、渣分离、净化、电解及结晶等工艺步骤。电弧炉炉尘浸出采用以氯化铵为主要成分的废电解液与氯化钠混合液为浸出剂，浸出温度为70～80℃，时间为1 h，铅、铜、镉、镍和银也按一样的机理参与反应，以离子形式进入溶液，而氧化铁、铁酸盐和二氧化硅留在渣中。浸渣含锌8％～12％，氧化铁50％～60％，固液分离后，浸渣与作为还原剂的碳混合，磨匀后再返回电弧炉中使用。

　过滤后的浸出液由于富含锌，所以采用锌金属置换溶液中的其它金属，如：铅、铜、镉、镍和银等。置换渣送精炼厂以回收上述金属。净化后的溶液进行电解，可以回收锌等金属。

　 Ezinex工艺简便可行，而且经济效益好，在国外已经上马了许多生产线。

3 联合工艺

　联合工艺是指在处理电弧炉炉尘时，将火法和湿法工艺结合在一起，以便获得更加理想的效果。目前，成熟的联合工艺有先火法后湿法[MRT(HST)]工艺。该工艺先采用转底炉对电弧炉炉尘等物料进行直接还原焙烧，使铁与锌、铅、镉分离，得到的直接还原铁产品返回电弧炉中回收利用；含铅、镉、铜及银等金属的粗级氧化锌则进入含热氯化铵的浸出槽中，进行浸出处理，然后在连续过滤机上进行固、液分离，滤液进一步处理分离回收铅和镉，最后溶液经稀释沉淀、干燥得到高纯氧化锌产品。其中转底炉还原焙烧为火法工艺，后面的粗级氧化锌经热氯化铵浸出净化沉淀则为湿法工艺。MRT(HST)工艺可同时获得直接还原铁、高纯氧化锌、铅、镉及银等产品，产品回收率很高。

4 其它方法

　目前，由于环境保护意识和资源重视程度的加强，科研工作者对炉尘处理都非常重视，有人提出，在炼钢生产中，可用电弧炉炉尘制造泡沫渣，由于电弧炉炉尘颗粒细小，因此，在造泡沫渣上也有一定的应用前景。

　另外，已有人用电弧炉炉渣制造品质优良的水泥。实验结果表明：用电弧炉炉尘生产的水泥，其指标完全符合国家标准，甚至优于国家标准。由此可见，用电弧炉炉尘生产水泥的想法也是可行的。

　还有人提出生态炼钢和洁净炼钢。其中生态炼钢就是将电弧炉炉尘、转炉炉尘、高炉炉尘、以及钢铁企业路面上的灰尘等加以综合利用。目前已经有人开始着手这方面的实验，估计不久的将来，就会有新的方法、新的工艺问世于上述炉灰尘的综合治理。

5 结语

　目前，我国的电弧炉炉尘量位居世界第3位，但是我国的重视程度和利用水平与美国和日本相比，差距太大。因此，必须对环境保护和可再生资源加以重视，由于各个钢铁厂的电弧炉炉尘的成分不同，因此不能照搬上述工艺，应该综合考虑电弧炉炉尘成分，找到更适合的利用方案。但是，在我国，电弧炉主要应用于不锈钢的生产，炉尘中所含铁、铬、镍、铅、锌等成分较多，处理时，应认真考虑。

　处理电弧炉炉尘的前景非常乐观，由于现在许多成熟的生产线已经在国外投入生产，可以在综合考虑炉尘成分之后，投入试生产。总之，在我国，用电弧炉炉尘作为原料具有价格低廉的优点，因此可以在各大钢铁企业周围专门成立处理电弧炉炉尘的企业，所生产出的产品可以直接送往钢铁企业加以利用，而锌等有色金属及贵重金属可以直接以成品的形式销往市场。