侯玉婷  童為碩  李  晶  閆  威

(北京科技大學鋼鐵治金新技術國家重點實驗室，北京100083)

摘  要  鋼鐵冶煉過程中會產生大量污染物，每年的煙粉塵排放量巨大，顆粒物是鋼鐵企業(yè)煙粉塵的主要成分，本研究對鋼鐵生產過程中不同企業(yè)不同工序產生的除塵灰進行了表面形貌和成分含量對比分析，發(fā)現(xiàn)不同工序除塵灰成分及顆粒形貌存在較大差異，不同企業(yè)同一環(huán)節(jié)的除塵灰成分含量也有很大不同，所有工序除塵灰中均含有14%~94%的Fe2O3,具有較高的分級回收利用價值.

關鍵詞  鋼鐵冶煉  除塵灰  形貌  成分

鋼鐵行業(yè)是國家的支柱性產業(yè)，也是高耗能、高污染行業(yè)，一直是減排環(huán)保所關注的焦點行業(yè).顆粒物是鋼鐵行業(yè)主要污染物之一，近幾年來鋼鐵行業(yè)顆粒物排放量一直是工業(yè)領域排放的重頭.國內目前燒結、球團顆粒物在燒結機、球團焙燒設備設施限值為50mg/m3,在燒結機機尾、帶式賠燒機機尾及其他生產設備限值為30mg/m3[1].煉鐵顆粒物排放標準在熱風爐限值為20mg/m3,在原料系統(tǒng)、美分系統(tǒng)、高爐出鐵廠、其他生產設施限值為25mg/m3[2].煉鋼工序顆粒物排放標準在轉爐（一次煙氣）限值為50mg/m3,連珠切割及火焰清理、石灰窯、白云石窯焙燒限值為30mg/m3,鋼渣處理限值為100mg/m3,鐵水預處理（包括導管、扒渣等）、轉爐（二次煙氣）、電爐、精煉爐及其他生產設施限值為20mg/m3[3].扎鋼顆粒物排放標準在熱軋精軋機及廢酸再生工藝限值為30mg/m3,其他設施限值20mg/m3[4].而2018年河北最新發(fā)布鋼鐵工業(yè)超低排放標準，除轉爐一次煙氣和鋼渣處理限值50mg/m3,廢酸再生限值30mg/m3外，其他工序顆粒物排放限值均為10mg/m3,是目前全球鋼鐵行業(yè)最嚴標準[5].雖然鋼鐵行業(yè)煙粉塵排放總量整體呈現(xiàn)下降趨勢，從2012年的43.78×105t降低到了2015年的40×105t以下，但直至2017年煙粉塵排放量仍有33.22×105t左右，運用MFA(物質流分析法）定量分析得出鋼鐵行業(yè)煙粉塵排放量為648.08g/t鋼[6-8]研究分析整個鋼鐵冶煉流程中的粉塵可以為追蹤粉塵來源、提出具體控制措施。但是，目前鋼鐵冶金領域內粉塵研究多為針對鋼鐵行業(yè)某一單獨工序或環(huán)節(jié)所產生的顆粒物進行分析研究，對于不同工序不同環(huán)節(jié)除塵顆粒物的系統(tǒng)分析對比方面的研究較少.文中結合國家環(huán)保要求較高的京津冀典型地區(qū)不同工序除塵灰的顆粒形貌及成分組成[9-15],研究分析不同工序除塵灰之間的聯(lián)系與差異，以期為鋼鐵冶煉過程中顆粒物的控制及利用提供參考.

1  試驗原料與方法

1.1  除塵灰來源

針對焦化、燒結、煉鐵、煉鋼四大工序，對京津冀地區(qū)三個鋼廠干熄焦、焦爐煙肉、燒結機頭、高爐出鐵場、高爐礦槽、鐵水預處理、轉爐除塵、精煉爐除塵等不同工藝環(huán)節(jié)產生的除塵灰進行取樣分析.

1.2  試驗方法

除塵灰形貌采用SEM分析.取金屬片一張，保持表面清潔，將導電膠粘附在其表面.之后把除塵灰樣品均勻撒在膠體表面，用洗耳球吹去未粘附的粉末.表面噴碳后進行SEM分析，觀察顆粒形貌.

除塵灰成分采用XRF分析.將除塵灰烘干，磨細，之后采用X熒光光譜分析儀分析除塵灰成分.

2  結果與分析

2.1  鋼鐵企業(yè)除塵灰顆粒形貌

2.1.1  焦化工序除塵灰顆粒形貌

焦化工序選擇干熄焦除塵灰和焦爐煙肉除塵灰進行SEM分析，其表面形貌見圖1和圖2.干熄焦除塵灰和焦爐煙肉除塵灰的顆粒形貌對比表明，焦化工序不同環(huán)節(jié)除塵灰表面形貌差異主要表現(xiàn)為顆粒形狀、尺寸分布等.在同等倍數(shù)下焦爐煙肉除塵灰的顆粒物尺寸差異相對于干熄焦除塵灰較小，有大量塊狀或板狀顆粒，表面較為平整，同時存在大量沫狀顆粒物，有粘結現(xiàn)象.干熄焦除塵灰最大顆粒尺寸可達100pm以上，焦爐煙肉除塵灰尺寸相對較小，最大顆粒尺寸約為50um.

2.1.2  燒結工序除塵灰顆粒形貌

燒結工序除塵灰顆粒形貌見圖1,其中（a)、(b)分別是不同放大倍數(shù)的SEM照片.從圖3可以看出燒結機頭除塵灰主要由豆狀顆粒及大量細小的屑沫狀顆粒組成，其中豆狀顆粒物尺寸差異較大，最大顆粒尺寸可達200um,同時顆粒物表面有吸附物.

2.1.3  煉鐵工序除塵灰顆粒形貌

煉鐵工序高爐出鐵場除塵灰顆粒形貌見圖4.

由圖可見高爐出鐵場除塵灰由不規(guī)則板狀、塊狀顆粒及大量球體顆粒和細小的屑沫狀顆粒組成，其中塊狀顆粒物部分表面光滑平整，部分表面有大量沾附物，最大顆粒尺寸可達150um

2.1.4  煉鋼工序除塵灰顆粒形貌

煉鋼工序以轉爐除塵灰為研究重點，其中轉爐一次除塵灰顆粒較粗，顏色多為黑灰色.轉爐二次除塵灰粒度較細，顏色多為紅褐色.轉爐二次除塵灰的顆粒形貌見圖5.

轉爐二次除塵灰能明顯看到多種不同形貌顆粒存在，其中豆狀顆粒物表面極不光滑，有大量球形突起或粘附物，與燒結除塵灰相比存在溝纓和裂紋.同時包含大量不規(guī)則薄片狀板狀顆粒，其表面粘附物很少，最大顆粒尺寸可達150um.

2.2  除塵灰的成分分析

為了進一步尋找更高效的減排環(huán)保技術，對鋼鐵企業(yè)各個工序產生的除塵灰進行了成分分析.由于不同企業(yè)使用的原料、工藝等都存在很大差異，因此，即使同一工序所產生的除塵灰的成分組成以及物理化學性質也有不同.針對各個典型地區(qū)的鋼鐵企業(yè)不同工序除塵灰進行X射線熒光光譜分析，測試結果見表1~表10.表中A、B、C等字母代表不同地區(qū)

2.2.1  焦化工序除塵灰的成分分析

焦化工序有多種大氣污染物片生，其煙塵量大且粉塵粘度大，其中焦爐環(huán)節(jié)含焦塵量大，干熄焦環(huán)節(jié)塵量較大需要經(jīng)過多道除塵環(huán)節(jié).本研究以焦爐煙肉和干熄焦環(huán)節(jié)為典型環(huán)節(jié)，其除塵灰成分分析見表1、表2.

由表可知，焦爐煙肉除塵灰中SO3含量最高，為55%左右，F(xiàn)e2O3含量次之，為25%左右，除SiO2含量9%左右外，其余組分含量均在4%以下.干熄焦除塵灰中主要成分為SiO2、SO3、A12O3、Fe2O3、CaO,含量分別為26%、24%、18%、15%和14%左右.綜合表9及表10,焦化工序除塵灰中不同環(huán)節(jié)的主要成分有較大差異，其中干熄焦除塵灰的主要成分有SiO2、CO3、Al2O3、Fe2O3、CaO,另外還含有少量的K20、MnO、MgO等；焦爐煙肉除塵灰主要成分有SO3、Fe2O3、SiO2,總含量在90%以上.與鋼鐵生產其他工序相比，焦化工序除塵灰的硫氧化物含量相對較高.

2.2.2  燒結工序除塵粉灰的成分分析

燒結是鋼鐵生產過程的重要工序，其中全國每年燒結機頭產生的電除塵灰可達1500×105t.重點對燒結機頭除塵灰成分分析見表3.燒結機頭除塵灰XRF分析結果表明，燒結機頭除塵灰中的主要成分有Fe2O3,其含量在40%~50%之間，同時含有氯化物和多種氧化物，包括K20、SO3、CaO、SiO2、Al2O3、Na2O、MgO等，其中堿金屬K2O、Na2O含量分別為12%~15%及0%~3%,不同地區(qū)鋼鐵企業(yè)主要成分含量差異不大.

2.2.3  煉鐵工序除塵灰的成分分析

煉鐵工序顆粒物產生部位有高爐出鐵場、高爐礦槽、熱風爐等環(huán)節(jié)，全國每年約產生高爐除塵灰1000萬噸，其主要成分為高溫再生礦，富含C、Fe、Zn等元素，具有極高的回收利用價值.針對高爐出

鐵場和高爐礦槽環(huán)節(jié)除塵灰進行成分分析見表4及表5.

由表4可知，高爐出鐵場除塵灰中Fe2O3含量最高，可達80%~95%.此外還有SiO2、SO3等多種氧化物，含量均在6%以內.除塵灰的K20和Na2O含量分別在0.2%~3%及0~0.4%,相對于燒結環(huán)節(jié)下降了10%左右.不同地區(qū)煉鐵工序Fe2O3含量差異較大，其他成分含量差異不明顯.

2.2.4  煉鋼工序除塵灰的成分分析

顆粒物是煉鋼工序產生的主要大氣污染物，主要產生環(huán)節(jié)有鐵水預處理、轉爐、精煉等.其中轉爐除塵過程分為一次除塵、二次除塵、三次除塵等不同除塵批次所含成分有較大差異，針對煉鋼工序不同環(huán)節(jié)除塵灰的成分分析見表4至表8.

從表6至表10可知，鐵水預處理除塵灰中主要成分為Fe2O3和CaO,含量分別為43%和32%左右；此外，MgO、SiO2、SO3、AI2O3等含量在3%~7.5%之間，堿金屬K20、Na2O含量為0.5%左右及0.3%左右.轉爐一次除塵灰Fe2O3含量為57%,Ca0含量為30%,堿金屬K20和Na20含量為0.6%左右及0.4%左右，與鐵水預處理除塵灰成分相近，MgO、 SiO2含量略低于鐵水預處理除塵灰.轉爐二次除塵灰不同地區(qū)成分差異較大，其中Fe2O323%~76%CaO含量為12%~35%,堿金屬K20和Na20含量分別為1%~3.5%和0~3%,相較于轉爐一次除塵堿金屬含量呈現(xiàn)增加趨勢.轉爐三次除塵灰Fe2O3含量為20%左右，CaO含量為25%左右，堿金屬K20和Na2O含量為4.5%及8%左右，綜合轉爐三次除塵灰成分分析，F(xiàn)e2O3呈降低趨勢，堿金屬含量呈逐步增加趨勢.轉爐精煉爐除塵灰Fe2O3含量為14%左右，Ca0含量為20%左右，堿金屬K20和Na20含量為4.5%左右及15%左右.轉爐工序中精煉爐塵灰堿金屬含量最高.

3  結論

1)高爐出鐵廠、燒結機機頭以及焦爐煙肉除塵灰由大量不規(guī)則塊狀顆粒及絮沫狀粉末顆粒組成其大顆粒表面粘附物偏多；干熄焦除塵灰多以大小不一的不規(guī)則塊狀顆粒組成，部分顆粒表面較為平整；轉爐二次除塵灰包含片狀、塊狀、及豆狀等及其他不規(guī)則顆粒物同時包含大量屑沫狀顆粒.

2)對比鋼鐵生產四大工序，焦化工序除塵灰的硫氧化物含量相對較高，燒結工序Fe2O3、C1、K2O、SO3、CaO含量較高，煉鐵工序Fe2O3、SO3、SiO2含量較高，不同企業(yè)煉鋼過程中同一工序所產生的除塵灰的成分組成也存在不同，轉爐過程除塵灰隨著除塵次數(shù)的增加堿金屬含量增加，轉爐精煉爐除塵灰堿金屬含量相對較高，F(xiàn)e2O3、CaO含量始終較高.

3)不同工序除塵灰中大多含有可觀的Fe2O3等具有回收價值的成分，可考慮對除塵灰分級回收利用.

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