張志霞

（六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553000）

鋼鐵行業(yè)作為資源和能源消耗大戶，現(xiàn)面臨愈發(fā)嚴重的資源及環(huán)境壓力，節(jié)能減排工作和固廢資源的利用已成我國鋼鐵行業(yè)的研究重點。轉(zhuǎn)爐粉塵是轉(zhuǎn)爐煉鋼過程的固體廢棄物，具有含鐵高、粒度細的特點，如何實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐粉塵的有效利用需引起充分重視。

在能源消耗和溫室氣體排放方面，我國均位于世界第二，當(dāng)下面臨的減排壓力巨大。目前，利用堿性氧化物（如CaO、MgO）固定CO2作為一種減排新技術(shù)，已用于燃煤鍋爐尾氣處理、煤氣化制氫、能源儲存系統(tǒng)等領(lǐng)域。到目前為止，針對含鐵粉塵固定CO2的研究相對較少，又存在碳酸化壓塊的強度問題，因此，需進一步研究各碳酸化參數(shù)對壓塊強度的影響規(guī)律。

將鋼鐵行業(yè)內(nèi)的含鐵粉塵經(jīng)過壓塊碳酸化處理，可捕獲行業(yè)內(nèi)產(chǎn)生的CO2，這樣既可減少CO2排放，又可實現(xiàn)含鐵粉塵這一固廢資源的再利用。

1 轉(zhuǎn)爐粉塵的資源狀況及其特點

轉(zhuǎn)爐粉塵（或轉(zhuǎn)爐塵泥）是轉(zhuǎn)爐廠通過煙氣除塵得到的，其主要成分是氧化鐵、氧化鈣和二氧化硅等，有害元素的含量很低，噸鋼約可產(chǎn)干塵泥12 kg[1]。

目前鋼鐵廠排出來的粉塵分為兩種[2-3]：一種是經(jīng)過壓濾而來的細污泥（-0.1 mm粒度級，占比約80%），含水量約為30.61%；另一種是經(jīng)過旋流器粗處理后排放的顆粒，含水量約為24.52%。粗污泥含鐵品位在60%左右，細污泥含鐵品位在50%左右。轉(zhuǎn)爐內(nèi)細小的金屬微粒被爐氣帶至旋流器時沉淀下來，與爐氣分離。故粗塵泥粒度較大，含鐵量也更高，其中w（Fe）就高達16.75%。

轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的粉塵量，因各鋼企的原料條件、工藝參數(shù)的不同，波動范圍較大。轉(zhuǎn)爐粉塵有以下共同點：

1）含鐵量較高。鐵品位一般為30%~70%，且有害雜質(zhì)較少，是寶貴的二次資源。

2）粒度細小。大多數(shù)轉(zhuǎn)爐粉塵粒度小于50μm。正因為這些粉塵粒度細小，極易揚灰，易造成二次污染，影響工人的作業(yè)環(huán)境。

3）親水性差。由于粒度細小，轉(zhuǎn)爐粉塵的比表面積大且表面光滑，使得其親水性下降，因此對其加濕處理較為困難。

2 轉(zhuǎn)爐粉塵碳酸化再利用的現(xiàn)狀

我國轉(zhuǎn)爐粉塵數(shù)量大，且成分波動范圍也大，導(dǎo)致我國的轉(zhuǎn)爐粉塵有效利用率并不高。

鋼鐵廠的各類塵泥利用方式通常有兩種：作為原料配入燒結(jié)；采用冷固結(jié)法制成球團。所謂冷固結(jié)球團，就是將一定量的黏結(jié)劑加入含鐵粉塵，在低溫下固結(jié)，制得球團礦。碳酸化固結(jié)，就是在球團原料中配入一定量的石灰制成生球，然后將其置于低溫和含有較高濃度的CO2氣氛中進行碳酸化反應(yīng)，使得球團表面和內(nèi)部生成碳酸鈣微晶結(jié)構(gòu)，形成具有一定強度的碳酸化球團[4-6]。

近年來，國外學(xué)者對碳酸化固結(jié)工藝展開了大量研究，如Erten MH[6]對螢石精礦粉進行了碳酸化冷態(tài)固結(jié)研究。目前我國有關(guān)碳酸化固結(jié)工藝的研究相對較少，還處在初步階段。張志霞[7]、胡長慶[8]進行了含鐵粉塵碳酸化制備球團的相關(guān)研究表明：碳酸化球團，生產(chǎn)工藝簡單、操作方便，且適合處理細粉塵，故其工業(yè)化應(yīng)用前景廣闊。

在轉(zhuǎn)爐冶煉初期，使用部分碳酸化球團可以平衡轉(zhuǎn)爐熔池的溫度，減少廢鋼和石灰的消耗量，又因其內(nèi)的碳酸鈣會在熔池內(nèi)發(fā)生分解，所產(chǎn)二氧化碳氣體可強化熔池攪拌，有利于爐渣發(fā)泡，從而加快了脫磷反應(yīng)。與單純的石灰塊等造渣劑相比，碳酸化球團的加入提高了爐渣w（FeO），顯著降低了爐渣的黏度，提高了流動性，加快傳質(zhì)，從而提高了爐渣在石灰顆粒中的滲透，破環(huán)了致密產(chǎn)物層C2S，進一步加快了CaO的溶解。綜上，碳酸化球團在熱力學(xué)和動力學(xué)兩方面都有利于轉(zhuǎn)爐的脫磷，不僅提高了轉(zhuǎn)爐的脫磷量，而且提高了爐渣的脫磷速率。因此，碳酸化球團用于轉(zhuǎn)爐，是一種很好的造渣劑和助熔劑。

3 轉(zhuǎn)爐粉塵碳酸化

3.1 轉(zhuǎn)爐粉塵壓塊

試驗所使用的轉(zhuǎn)爐粉塵和石灰，均來自實際生產(chǎn)中的某鋼鐵公司，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)爐粉塵和石灰的化學(xué)成分 %

壓塊（生球）制備步驟：先進行原料處理，將來自現(xiàn)場的轉(zhuǎn)爐粉塵和石灰置入圓筒球磨機，磨30 min；然后配料，依據(jù)不同CaO配比，計算得出所需轉(zhuǎn)爐粉塵和石灰的質(zhì)量；再進行混料，使轉(zhuǎn)爐粉塵和石灰充分混合；混料后，加一定量的水，水潤2 h；而后使用拉壓試驗機進行壓塊；最后烘干。

3.2 壓塊碳酸化實驗

將壓塊自然干燥一段時間后，選取合格的壓塊（無裂痕、較圓）進行試驗。

將每組（20個）壓塊放入吊籃后，將吊籃置入加熱爐，再連接天平進行位置調(diào)節(jié)，確保吊籃在加熱爐中央且沒有接觸內(nèi)壁，并確保連接鐵絲沒有接觸爐蓋；開始加熱升溫，加熱過程中一直通入N2作為保護氣體；待爐溫達到目標溫度且穩(wěn)定一段時間后，將N2切換為CO2/（CO2+N2），進行碳酸化反應(yīng)；反應(yīng)達到目標時間后，關(guān)閉CO2，打開N2，碳酸化反應(yīng)終止；關(guān)閉加熱裝置，繼續(xù)通入N2，待成品球冷卻到室溫，試驗結(jié)束。

采用TL-5000型彈簧拉壓試驗機測試壓塊抗壓強度。

4 實驗數(shù)據(jù)

隨著碳酸化反應(yīng)的進行，壓塊生成的CaCO3產(chǎn)物的厚度不斷增加，相應(yīng)地氧化鈣的轉(zhuǎn)化率也在不斷升高，壓塊內(nèi)的分子間排列更為緊密，從而提高了壓塊的抗壓強度。

故先經(jīng)CaO配比、反應(yīng)溫度、碳酸化反應(yīng)時間、氣體濃度的各自單因素實驗（氧化鈣轉(zhuǎn)化率），分別得到各工藝參數(shù)的最佳條件為20%、600℃、60 min、75%。后采用上述工藝參數(shù)，得出碳酸化壓塊的抗壓強度（其中S1—S9表示CaO配比皆為20%的壓塊編號）如表2所示。

表2 不同碳酸化壓塊的抗壓強度

由表2可知：碳酸化球團的抗壓強度隨著壓塊壓力升高而呈升高趨勢，且都能滿足轉(zhuǎn)爐冶煉對造渣劑強度的要求。

5 結(jié)論

1）石灰作為含鐵粉塵冷固結(jié)的黏結(jié)劑，在CaO顆粒消化后，形成附著在含鐵粉塵顆粒表面的Ca（OH）2膠體，使得生球具有一定的機械強度。

2）碳酸化反應(yīng)過程中，因生成的CaCO3致密性高，從而提高了成品球的強度。碳酸化程度越大，碳酸化球團的強度越大。

3）碳酸化球團作為轉(zhuǎn)爐冶煉的化渣劑，因其含有大量的鐵氧化物，具有促進化渣的能力；又因其含大量的氧化鈣，具有一定的脫磷能力。

4）采用轉(zhuǎn)爐粉塵碳酸化制備的球團做造渣劑，可滿足轉(zhuǎn)爐冶煉要求，同時可降低煉鋼石灰及鋼料消耗，降低煉鋼成本。