不銹鋼廠污泥和煙道灰回收利用的新工藝
摘要 ：對不銹鋼廠污泥和煙道灰進行了取樣分析，介紹了用火法冶煉的方法回收利用不銹鋼廠污泥和煙道灰中的鉻及其他有價元素，確定了在此工藝條件下污泥和煙道灰能夠滿足冶煉要求的合適工藝參數以及該工藝的實驗室研究結果。研究結果表明：與傳統工藝相比，新工藝不僅可以創造環保效益，實現資源的循環利用，避免二次污染，而且可以創造一定的經濟效益。
隨著不銹鋼產業的發展，鉻及其化合物得到廣泛的應用。大量的含鉻廢水、廢渣、污泥與日劇增。我國目前對不銹鋼廠廢水處理污泥和煙道灰一般采用填埋的處理措施，這些物質中含有不少以三價和六價形式存在的鉻，對自然界的水體有嚴重的危害。三價鉻對哺乳動物沒有副作用，但對魚類有不同程度的毒副作用[1]，且三價鉻在在某些自然條件下能很快被氧化成六價鉻。然而，六價鉻的化合物卻有較大的毒性，它可透過細胞膜對生命組織產生毒性作用[2]。通過食物鏈，鉻會在動物和人體中成百倍的富集[3]，從而使人造成積累性中毒和致癌。由于鉻及其化合物對環境造成嚴重的危害，如何有效回收利用不銹鋼廠廢物中的鉻資源以有效的起到環境保護的作用，將是相關研究者面臨的重要課題。本課題采用高溫還原的方法回收廢水處理污泥和煙道灰中的有價元素，以廢水處理污泥和煙道灰作為原料加入礦熱爐中以生產不銹鋼和含鉻、鎳等的合金鋼種。
1 廢物的來源及性質
1.1 污泥的來源及性質
不銹鋼廠綜合污水處理后要產生大量污泥，污泥中水分含量很高，為了不影響其應用和物理化學分析，需先對其樣品進行脫水和脫脂。將某不銹鋼廠兩種污泥樣品在700 ℃下恒溫30 min后，測得其失重率約為58%，其化學成分見表1。
表1 700 ℃下恒溫30 min后污泥的化學成份
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1.2 煙道灰的來源及性質
煉鋼爐在生產過程中自煙道產生含大量粉塵的煙道氣，煙道氣經過除塵裝置處理，收集其中的粉塵即為煙道灰。某不銹鋼廠煙道灰的化學組成見表2。
表2 煙道灰的化學組成
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2 處理工藝
2.1 傳統處理工藝的特點
不銹鋼廠污泥和煙道灰的處理方法一般是將其填埋，這種處理方式有很多弊端。由于污泥和煙道灰的產量比較大（2005年，我國不銹鋼產量約為316萬t，而噸鋼所產生的煙道灰約為10 kg，廢水處理污泥約為15 kg），且從表1和表2可以看出，污泥和煙道灰中的鉻含量是比較高的，尤其值得注意的是污泥中的鉻主要是以六價形式存在的。如此大量的污染物在填埋過程中若不充分考慮其對環境可能造成的危害，對其以特殊的方法進行處理，勢必會對水體造成嚴重的污染，進而危害生態鏈。但目前這種填埋的處理方法還無法達到不會污染環境的要求，而且這種處理方式還會增加處理成本，造成土地資源的浪費。
2.2 新工藝的研究
本工藝的總體思路是將焙燒后的污泥與煙道灰按一定質量比混合，加入一定量的焦粉作為還原劑，并對其混合物進行造塊。然后將此混合物加入礦熱爐中進行冶煉。其基本工藝流程如圖1所示。
 圖1 工藝流程圖 |
2.2.1 實 驗
（1）壓塊實驗
由于污泥和煙道灰的細粒度顆粒較多，無法在礦熱爐中直接應用，必須先對其進行造塊處理。壓塊方式是一種有效的粉料造塊方法。本實驗采用WE－30型萬能材料實驗機，測量范圍為0～30 t。壓好的樣品塊為直徑20 mm、高度15 mm的圓柱型。
根據產出量，實驗中污泥與煙道灰的配比定為1∶1（質量比，下同），為了能還原污泥與煙道灰中的有價元素須加入一定量的還原劑，本工藝采用焦粉作為還原劑，其焦粉的化學成分見表3。經計算需加入約為15%（質量分數，下同）的焦粉才能將煙道灰中的有價元素還原出來。
表3 焦粉的化學組成
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（2）還原實驗
將污泥與煙道灰按1∶1混合后，根據混合后各物質的含量以及在此含量范圍內可能的最終產品進行物料與熱平衡計算，得出其理論還原溫度約為1 350 ℃。本實驗取1 400 ℃作為還原溫度。還原過程在高溫箱式電爐中進行。
2.2.2 實驗結果分析
（1）在污泥和煙道灰1∶1混合后的樣品中加入15%的焦粉進行壓塊，發現樣品粘結性很差，樣品出現了彎曲并且有很多裂紋，不能達到冶煉要求。之后，在此混合樣品中配加了一定量的水對其壓塊并在200 ℃下恒溫30 min后，對其進行了抗壓強度的測定，發現樣品抗壓強度大大提高，能夠達到冶煉要求。并得出合適的含水量約為12%，在此條件下合適的壓力參數約為4 MPa。
（2）將上述含焦量為15%、含水量為12%經自然烘干后的樣品放入剛玉坩堝中，在高溫箱式電爐中恒溫1 h后取出，隔絕空氣至常溫。經測定還原效果良好，還原率在90%以上，達到了預期的效果。考慮到在實際生產過程中將原料加入礦熱爐中進行還原效果會更好。從實驗結果可知充分還原污泥和煙道灰中的有價元素是完全可行的。
2.2.3 廢物處理
上述處理污泥和煙道灰的工藝其產生的廢物中仍然主要是污泥和煙道灰。因此，本工藝最大的特點就是循環利用，可以避免二次污染。另外，由于煉鋼爐在冶煉過程中一般不會始終不變的冶煉同一鋼種，所以要根據其物質含量的不同來決定最終產品的種類。由此煙道灰的分類收集就顯得十分必要，以免在回收時由于原料成分的不均勻和不確定而在冶煉最終產品的過程中產生不必要的麻煩。
3 經濟效益簡要分析
傳統工藝處理污泥和煙道灰造成了資源的浪費，且處理過程要有一定的投資。如果用火法冶煉工藝回收污泥和煙道灰不僅可以節省這一部分投資，而且此工藝完全可以回收利用廢物中的有價元素將其變為成品，從而創造一定的經濟效益。
4 結 語
火法冶煉處理不銹鋼廠污泥和煙道灰的工藝可以有效回收利用不銹鋼廠污泥和煙道灰中的鉻、鎳、錳和鐵等有價元素；能有效的防止鉻及其化合物對環境的污染；可以實現資源的循環利用，避免了二次污染。能夠節省傳統工藝處理污泥和煙道灰的投資；并且由于有價元素有效的回收利用可以創造一定的經濟效益。
參考文獻
[1] 王晨，李書平，李天鐸，等．含鉻污泥施肥的安全性研究進展[J]．山東化工，2002，31（4）：16-17．
[2] 王碧，馬春輝，張銘讓．制革廢水與污泥中鉻資源的回收及綜合利用[J]．中國皮革，2002，31（3）：39-42．
[3] 周渝生，俞勇梅，白凌，等．生物法處理寶鋼冷軋含鉻廢水的研究進展[J]．鋼鐵，2005，40（6）：76-79．
[4] 楊杰，金海青，許芳萍．利用煉鋼煙道灰研制水泥抗滲劑[J]．江南大學學報，2003，2（6）：627-630．
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