不锈钢厂污泥和烟道灰回收利用的新工艺
摘要 ：对不锈钢厂污泥和烟道灰进行了取样分析，介绍了用火法冶炼的方法回收利用不锈钢厂污泥和烟道灰中的铬及其他有价元素，确定了在此工艺条件下污泥和烟道灰能够满足冶炼要求的合适工艺参数以及该工艺的实验室研究结果。研究结果表明：与传统工艺相比，新工艺不仅可以创造环保效益，实现资源的循环利用，避免二次污染，而且可以创造一定的经济效益。
随着不锈钢产业的发展，铬及其化合物得到广泛的应用。大量的含铬废水、废渣、污泥与日剧增。我国目前对不锈钢厂废水处理污泥和烟道灰一般采用填埋的处理措施，这些物质中含有不少以三价和六价形式存在的铬，对自然界的水体有严重的危害。三价铬对哺乳动物没有副作用，但对鱼类有不同程度的毒副作用[1]，且三价铬在在某些自然条件下能很快被氧化成六价铬。然而，六价铬的化合物却有较大的毒性，它可透过细胞膜对生命组织产生毒性作用[2]。通过食物链，铬会在动物和人体中成百倍的富集[3]，从而使人造成积累性中毒和致癌。由于铬及其化合物对环境造成严重的危害，如何有效回收利用不锈钢厂废物中的铬资源以有效的起到环境保护的作用，将是相关研究者面临的重要课题。本课题采用高温还原的方法回收废水处理污泥和烟道灰中的有价元素，以废水处理污泥和烟道灰作为原料加入矿热炉中以生产不锈钢和含铬、镍等的合金钢种。
1 废物的来源及性质
1.1 污泥的来源及性质
不锈钢厂综合污水处理后要产生大量污泥，污泥中水分含量很高，为了不影响其应用和物理化学分析，需先对其样品进行脱水和脱脂。将某不锈钢厂两种污泥样品在700 ℃下恒温30 min后，测得其失重率约为58%，其化学成分见表1。
表1 700 ℃下恒温30 min后污泥的化学成份
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1.2 烟道灰的来源及性质
炼钢炉在生产过程中自烟道产生含大量粉尘的烟道气，烟道气经过除尘装置处理，收集其中的粉尘即为烟道灰。某不锈钢厂烟道灰的化学组成见表2。
表2 烟道灰的化学组成
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2 处理工艺
2.1 传统处理工艺的特点
不锈钢厂污泥和烟道灰的处理方法一般是将其填埋，这种处理方式有很多弊端。由于污泥和烟道灰的产量比较大（2005年，我国不锈钢产量约为316万t，而吨钢所产生的烟道灰约为10 kg，废水处理污泥约为15 kg），且从表1和表2可以看出，污泥和烟道灰中的铬含量是比较高的，尤其值得注意的是污泥中的铬主要是以六价形式存在的。如此大量的污染物在填埋过程中若不充分考虑其对环境可能造成的危害，对其以特殊的方法进行处理，势必会对水体造成严重的污染，进而危害生态链。但目前这种填埋的处理方法还无法达到不会污染环境的要求，而且这种处理方式还会增加处理成本，造成土地资源的浪费。
2.2 新工艺的研究
本工艺的总体思路是将焙烧后的污泥与烟道灰按一定质量比混合，加入一定量的焦粉作为还原剂，并对其混合物进行造块。然后将此混合物加入矿热炉中进行冶炼。其基本工艺流程如图1所示。
 图1 工艺流程图 |
2.2.1 实 验
（1）压块实验
由于污泥和烟道灰的细粒度颗粒较多，无法在矿热炉中直接应用，必须先对其进行造块处理。压块方式是一种有效的粉料造块方法。本实验采用WE－30型万能材料实验机，测量范围为0～30 t。压好的样品块为直径20 mm、高度15 mm的圆柱型。
根据产出量，实验中污泥与烟道灰的配比定为1∶1（质量比，下同），为了能还原污泥与烟道灰中的有价元素须加入一定量的还原剂，本工艺采用焦粉作为还原剂，其焦粉的化学成分见表3。经计算需加入约为15%（质量分数，下同）的焦粉才能将烟道灰中的有价元素还原出来。
表3 焦粉的化学组成
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（2）还原实验
将污泥与烟道灰按1∶1混合后，根据混合后各物质的含量以及在此含量范围内可能的最终产品进行物料与热平衡计算，得出其理论还原温度约为1 350 ℃。本实验取1 400 ℃作为还原温度。还原过程在高温箱式电炉中进行。
2.2.2 实验结果分析
（1）在污泥和烟道灰1∶1混合后的样品中加入15%的焦粉进行压块，发现样品粘结性很差，样品出现了弯曲并且有很多裂纹，不能达到冶炼要求。之后，在此混合样品中配加了一定量的水对其压块并在200 ℃下恒温30 min后，对其进行了抗压强度的测定，发现样品抗压强度大大提高，能够达到冶炼要求。并得出合适的含水量约为12%，在此条件下合适的压力参数约为4 MPa。
（2）将上述含焦量为15%、含水量为12%经自然烘干后的样品放入刚玉坩埚中，在高温箱式电炉中恒温1 h后取出，隔绝空气至常温。经测定还原效果良好，还原率在90%以上，达到了预期的效果。考虑到在实际生产过程中将原料加入矿热炉中进行还原效果会更好。从实验结果可知充分还原污泥和烟道灰中的有价元素是完全可行的。
2.2.3 废物处理
上述处理污泥和烟道灰的工艺其产生的废物中仍然主要是污泥和烟道灰。因此，本工艺最大的特点就是循环利用，可以避免二次污染。另外，由于炼钢炉在冶炼过程中一般不会始终不变的冶炼同一钢种，所以要根据其物质含量的不同来决定最终产品的种类。由此烟道灰的分类收集就显得十分必要，以免在回收时由于原料成分的不均匀和不确定而在冶炼最终产品的过程中产生不必要的麻烦。
3 经济效益简要分析
传统工艺处理污泥和烟道灰造成了资源的浪费，且处理过程要有一定的投资。如果用火法冶炼工艺回收污泥和烟道灰不仅可以节省这一部分投资，而且此工艺完全可以回收利用废物中的有价元素将其变为成品，从而创造一定的经济效益。
4 结 语
火法冶炼处理不锈钢厂污泥和烟道灰的工艺可以有效回收利用不锈钢厂污泥和烟道灰中的铬、镍、锰和铁等有价元素；能有效的防止铬及其化合物对环境的污染；可以实现资源的循环利用，避免了二次污染。能够节省传统工艺处理污泥和烟道灰的投资；并且由于有价元素有效的回收利用可以创造一定的经济效益。
参考文献
[1] 王晨，李书平，李天铎，等．含铬污泥施肥的安全性研究进展[J]．山东化工，2002，31（4）：16-17．
[2] 王碧，马春辉，张铭让．制革废水与污泥中铬资源的回收及综合利用[J]．中国皮革，2002，31（3）：39-42．
[3] 周渝生，俞勇梅，白凌，等．生物法处理宝钢冷轧含铬废水的研究进展[J]．钢铁，2005，40（6）：76-79．
[4] 杨杰，金海青，许芳萍．利用炼钢烟道灰研制水泥抗渗剂[J]．江南大学学报，2003，2（6）：627-630．
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