应用非高炉炼铁技术处理固体废弃物

2.2粉尘熔化炉
1988年美国钢铁协会(AISI)在国家能源部(DOE)的支持下，开发了AISI直接炼钢的熔融还原流程。AISI流程是目前国际上具有代表性的两步法熔融还原流程之一，它的预还原采用竖炉，终还原采用厚渣层的铁水熔池。在匹兹堡的USS公司的Universel进行了半工业试验，5年内共投入了6050万美元，为建立一套年产3613万t的示范厂提供了一些依据。原计划在1994年开始设计，示范厂于1997年开始生产，争取2000年完全实现工业化。但从目前的有关资料看，关于AISI熔融还原流程的进展的报道不多。
关于AISI流程发展值得注意的是，它在1994年4月在熔融还原半工业试验的基础上，开发了一项新技术，它不是用来代替现有的炼铁流程，而是处理钢铁厂固体废弃物，回收铁、碳和锌，固体废弃物主要是指钢铁厂产生的粉尘[6]。该技术利用AISI-DOE过燃烧熔化技术获得熔融铁和有益金属，并分离有害元素。为此技术投入830万美元和10个月时间，在原熔融还原试验厂进行了工业试验。试验所用的原料为钢铁厂的固体废弃物，如高炉粉尘和瓦斯灰、转炉粉尘及泥浆和轧钢厂的泥浆。将不同废弃物按不同的配比做成球团和加入粘结剂的含碳球团，也尝试了喷吹部分粉尘的方法。
在试验中，喷吹在高炉和转炉由旋风除尘收集的粉尘，高炉和转炉粉尘进入到熔渣中进行得非常顺利，喷吹的粉尘量可以达到2.5t/h。所得到的产品为合格的制钢液生铁、作为建筑材料的炉渣、较高放热值的煤气和由除尘回收含有较高Zn的泥浆。熔化炉产生的煤气量为1975m3/t，其热值为7.59×106J/m3，其中有害成分如H2S、COS、SO2和CS2等含量都低于环保要求。它可作为均热炉和代替部分天然气和焦炉煤气。经济分析表明，处理钢铁厂固体废弃物得到合格制钢生铁的费用为135美元/t，其中包括设备的折旧费用和扣出了出售煤气和作为有色金属原料的锌含量较高泥浆收入及不用掩埋这些废弃物节省的土地费用。由AISI工艺处理钢铁厂固体废弃物得到的生铁的价格要比正常高炉的生铁高出近30%，这也表明在治理环境污染时，必须给予额外的投入。
2.3废弃物直接熔融炉
新日铁在前几年开发了固体废弃物直接熔融处理技术[7]。该流程的主体设备类似一个直筒高炉，它从顶部加入固体废弃物、焦炭和石灰石，从风口吹入热风和铁口出铁和渣。熔融炉内的温度和气体成分变化与高炉相似，炉内存在干燥层、热分解层和燃烧熔融层。图1比较了焚烧炉、焚烧+灰熔化和直接熔融炉处理固体废弃物的最终结果。

图1不同焚烧炉处理固体废弃物的最终结果
从图1可见，新日铁开发的废弃物直接熔融炉在处理100t固体废弃物时(其中包括15t不可燃物质)，可以得到20t的资源化的物质，只有1m3需要掩埋的物质。而焚烧炉却要掩埋44m3的物质。直接熔融处理炉有以下几方面的优点。
(1)最终量少，由于风口前焦炭高温区的温度很高，不能燃烧的物质会被熔化成渣，资源化的比例高，循环再利用好。
(2)适用面广，对可燃或不可燃、干燥或潮湿一般或特殊的固体废弃物都能够处理，通常不需要对固体废弃物进行预处理。
(3)处理过程产生的能量可以再次利用，产生的气体含有较高的CO，可以作为钢铁厂的燃料，熔渣和熔铁的热量可以回收。
新日铁通过研究对原设计进行了改进，将原单排风口改变成双排风口，下排风口吹入氧气，提高炉缸温度，促进熔融物的渣铁分离，上排风口吹入热空气，增加二次燃烧，为炉内上部热分解提供更多的热量。改进后的熔融炉在能源利用、附属材料、单位容积处理能力、最终产物的质量等方面都有很大的提高。在日处理60t的改进炉进行了连续204天的试验，共处理固体废弃物近13000t，其中可燃物质11095t，不可燃物质1447t和大块料550t，处理后得到可利用渣和金属共2415t。
液态渣的主要成分(%)是39.0SiO2、35.6CaO、15.8Al2O3、3.7Na2O、3.0Fe2O3、1.7MgO和其他的金属。对渣进行了溶解物的浸出试验，有害金属如As、Cd、Cr6+、T-Hg、Pb和Se的浸出量(mg/L)都小于土壤容许的值。同时又检验了渣的性能，如破碎的粒度分布、比重、吸水量和密度等。结果表明这类熔渣可以作为民用建筑材料应用。液态金属的主要成分(%)是90.0%Fe、3.3Cu、2.5Si、2.0C、0.6Cr、0.2Ni和其他的金属。经过进一步处理可以回收其中有用的金属。
2.4飞灰熔融炉
新日铁在改进废弃物直接熔融炉后，又开发了飞灰熔融炉[8]。由图2中可见，在3种焚烧过程中都会产生1t的飞灰。虽然产生的飞灰只占处理量的1%，但它是产生二恶英的潜在物质，因为二恶英的生成与再合成物密切相关[9]。飞灰中由碳和无机氯化物组成的化合物叫做再合成物，其中碳的来源于纤维、木质素、焦炭、乙烯基等，而氯来源于氯化物和一些无机氯物载体。采用飞灰熔化炉可以完全取消掩埋所占用的土地、达到百分之百的资源化、同时又消除了产生二恶英的潜在物质。

图2飞灰熔融炉示意图