摘要
世界上几乎所有的钢铁都是用高炉（BF）生产的生铁制造的。然而，在这一过程中产生的粉尘，尤其是污泥，对这一材料和能源密集型产业的整体可持续性构成了巨大挑战。
在高炉生产生铁的过程中，空气污染控制系统会产生含锌和铅的污泥。超过 1/2 的原料以废气和固体废物/副产品的形式输出。这些有毒废物在经过脱水和预处理后可进行填埋，但成本非常高。污泥颗粒中含有大量的铁和碳，可以在熔炉中回收利用。然而，污泥中的锌含量很高，而输入高炉的锌必须降低，因此为了能够重新利用所产生的污泥，必须尽可能多地去除锌（主要部分集中在小于20μm部分）。
多年来，AKW凭借其在湿式机械处理领域的专业知识，开发出了能够解决这一问题的正确工艺，使产生的污泥含锌量降低，从而实现污泥的再利用。然而，每种工艺设计和设备布置都主要取决于输入污泥的性质，因此没有标准的BF污泥处理厂，而会以AKW技术实验室进行的中试工作为基础进行设计。
根据测试结果，AKW可以开发、讨论并设计和执行合适的定制工艺解决方案。下文将介绍这种独特的工艺：多级水力旋流与浓缩和压滤相结合。
导言
世界上几乎所有的钢铁都是用高炉工艺生产的生铁制成的。
典型的高炉由一个内衬耐火材料的圆柱形钢壳组成。高炉的下部称为炉膛，装有几个管状开口，风通过这些开口鼓入。靠近炉底的地方有一个孔，当熔炉未开启时，生铁熔液会从这个孔中流出，在这个孔的上方还有一个孔，用于排出炉渣。高炉顶部有用于排出气体的通风口，以及一对装有阀门的圆形料斗，炉料通过料斗进入高炉。现代高炉与氧气炉一起运行；生铁熔液用于钢炉的装料。
根据世界钢铁协会的数据，2019年粗钢总产量达到约18.75亿吨，比2018 年增长2.7%。2020年和2021年的预测显示将进一步增长，达到19.52亿吨。
高炉的进料包括钢、废钢、焦炭、香料金属等。产生的废气中含有大量受污染的粉尘，通过旋风除尘器除尘，然后在湿式洗涤器中进一步净化。这就产生了黑色的物质，即所谓的污泥，其中含有大量的污染物，如锌、铅和大量的碳。
钢铁工业是一个高度材料和能源密集型产业。超过1/2的原料以废气和固体废物/副产品的形式输出。在过去30 年里，固体废物/副产品的再利用和回收率大幅提高。然而，仍有相当数量的固体废物/副产品被丢弃到垃圾填埋场。特别是粉尘和淤泥，这些对提高整体的可持续性是一个巨大的挑战。
仅就欧洲市场而言，总投入（铁矿石、废钢、煤炭、石灰、石灰石、燃料和气体、添加剂等）原料在 3.11 亿吨左右，产出的粗钢只有 1.55 亿吨，其余都是废料。
钢铁工业中粉尘和污泥的主要来源是烧结厂、高炉（BF）、氧气炉（BOF）和电弧炉（EAF）。从锌的含量来看，已知主要集中在小于20μm 的部分，因此必须重点关注这部分。
下表显示了干法除尘废物和湿法洗涤器中锌含量的差异。湿式洗涤器污泥的锌和铅单位含量要高得多。
| C | Fe | Pb | Zn | SiO2 | CaO | MgO | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| (%) | 25 – 40 | 15 – 40 | 0.02 – 0.07 | 0.1 – 0.5 | 4 – 8 | 2 – 8 | 0.3 – 2 |
| 表2：来自BG气体处理的干粗粉尘的典型化学成分（wt%） | |||||||
| C | Fe | Pb | Zn | SiO2 | CaO | MgO | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| (%) | 15 – 47 | 7 – 35 | 0.9 – 2.0 | 1 – 10 | 3 – 9 | 3.5 – 18 | 3.5 – 17 |
| 表3：BF-气体处理产生的微尘/污泥的典型化学成分（wt%） | |||||||
分馏分析表明，污染物聚集在小于20微米的细颗粒中。这是由于这部分颗粒的比表面积较大，吸引了大部分的锌污染。因此，重点是去除这部分细小颗粒。
| (mm) | – 0.02 | 0.02 – 0.032 | 0.032 – 0.063 | 0.063 – 0.09 | 0.09 – 0.125 | 0.125 – 0.18 | 0.18 – 0.2 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| (%) | 2.82 | 0.64 | 0.28 | 0.21 | 0.14 | 0.18 | 0.08 |
| 表4：含锌馏分概述 | |||||||
由于大部分无用锌都集中在20微米以下的细颗粒中，因此需要对污泥进行分类。在进行分类的同时，还需要考虑对污泥进行特殊处理，尤其是在脱水过程中，以最终得到含水量较低的材料。
对于这种特殊应用，AKW的技术方案已被证明是合适的解决方案：多级高性能水力旋流器，结合浓缩和适当的脱水解决方案（根据客户具体情况选择）。
下面的典型流程图显示了分离可再利用产品部分和浓缩细粒径颗粒中锌的过程。
该工艺首先进行预筛分，分离出粗块，然后进行多级（通常为2级）水力旋流处理，将重金属积聚的溢流导入浓缩池进一步浓缩，之后在压滤机或箱式过滤器中进一步脱水，以便后续处置。第一阶段水力旋流的底流经稀释后进入第二阶段，底流产生的低锌含量污泥可重新进入高炉。
这样可减少50%至80%的填埋量。
设备简介
AKA-VORTEX水力旋流器：
锥形水力旋流器通过泵压产生旋转流，是一种在工艺和制备技术中应用已久的分离设备。其优势在于能够在有限的空间内对颗粒进行高效、精细的切割。
AKA-SET 浓密机：
AKA-SET是一种高性能浓密机，有扁平型和锥形型两种，用于澄清工艺用水和浓缩浆料。由于絮凝进料浆的流向与过滤区的沉淀颗粒相反，因此会产生大絮凝体。与传统浓缩机中产生的微絮凝体相比，这些絮凝体具有沉淀速度快的优点。因此，与传统的静态浓缩机相比，单位沉淀面积的处理量更高，浓密机直径更小。
污泥脱水：
将使用间歇式厢式压滤机或带式压滤机对不同的污泥浆进行脱水，这些污泥浆是来自AKA-VORTEX旋流器的低锌污泥或来自AKA-SET浓缩池的高锌污泥。
这种由AKW全面开发的独特系统已被欧盟委员会视为最佳可行技术 (BAT)，并被列入其《综合污染防治报告》。
由于碱性污泥没有标准的处理方案，其设计和设备布置主要取决于进料污泥的性质，因此中试工作是确定最佳工艺的重要第一步。AKW的技术实验室和测试中心配备了全套工艺设备，可确保进行有效的测试工作，并对几乎所有类型的处理步骤进行测试。结合检测工具（3D电子显微镜、XRF系统、激光粒度分析仪），在一个地点进行全面测试和试验处理，并生成工艺流程图以及相关的工艺性能保证。
下面将介绍最近实施的两个项目的数据和具体流程。
项目实例 (1)
2019 年，一位欧洲客户与我们联系，希望我们能够实施一个项目，建立一个从碱性污泥中提取锌的试验工厂。作为第一步，我们在技术实验室进行了全面测试。测试结果如下：
| (AKA-Vortex RWS 105 II G) w/w-% | 原污泥 | 第一级水力旋流器细组分(O/F) | 第1水力旋流器粗组分(U/F) | 第2水力旋流器粗组分(U/F) |
|---|---|---|---|---|
| SiO2 | 9,19 | 6,36 | 8,46 | 8,04 |
| AI2O3 | 4,49 | 3,81 | 3,22 | 3,01 |
| Fe2O3 | 3,42 | 17,4 | 35,6 | 35,2 |
| TiO2 | 0,19 | 0,09 | 0,19 | 0,20 |
| K2O | 0,53 | 0,46 | 0,46 | 0,44 |
| Na2O | 0,13 | 0,02 | 0,26 | 0,08 |
| CaO | 7,26 | 4,36 | 7,22 | 7,02 |
| MgO | 1,79 | 1,53 | 2,04 | 2,02 |
| PbO | 0,53 | 1,57 | 0,08 | 0,03 |
| BaO | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,03 |
| SO3 | 6,97 | 10,8 | 2,40 | 1,92 |
| MnO | 0,32 | 0,15 | 0,36 | 0,36 |
| P2O5 | 0,21 | 0,21 | 0,15 | 0,13 |
| ZrO2 | 0,03 | < 0,01 | < 0,01 | < 0,01 |
| ZnO | 5,61 | 13,0 | 1,13 | 0,64 |
| L.O.I. 1025°C | 28,2 | 39,6 | 38,2 | 40,7 |
根据已进行的测试及其测试结果，对所需的处理工艺进行了评估。考虑到现有的处理设备，对其进行了评估，以确定在何处以及如何加入新增的处理工段：
经过深入调查并与客户讨论后，双方商定了一项具体安排：来自3个沉淀池的污泥将被输送到新的处理装置。新装置将排放两种污泥：
T相应的水力旋流器是由我们的模拟和建模专家利用最新技术和软件开发的，以确保在给定压降范围内以最佳流量平稳运行。
在60-80m³/h的泥浆中含有3t/h的固体污泥，即固体污泥处理能力为72t/d。
为了确保水力旋流器无故障运行，必须对进入处理装置的进料浆进行2mm的预筛分，以分离错配的粗物料。为了进一步提高工艺性能，一级旋流器的进料由二级旋流器的溢流稀释。此外，二级旋流器的进料用工艺水稀释。含锌量高的污泥被输送到现有的浓密机进行浓缩，并通过一台带式压滤机进一步脱水。低锌含量的污泥从第二级水力旋流器排出，进入另一个带式压滤机进行脱水。第三台带式压滤机作为备用。带式压滤机排出的污泥直接落入运输车，运输车将可再利用的部分运回炼钢厂，富锌部分则倾倒。
项目实例(2)
2021年，一家欧洲客户联系我们，希望我们为其高炉污泥回收和脱水项目提供支持。该项目包括含锌污泥的分离和脱水，以回收低锌含量（浓度低于0.5%）的原材料。
我们的专业团队进行的测试结果如下：
| 参数 | 入料 | 一级分级 | 二级分级 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| w/w-% | 原污泥 | 细组分（溢流-F1） | 粗组分（底流-G1） | 细组分（溢流-FW1） | 粗组分（底流-GW1） |
| SiO2 | 7,78 | 6,14 | 7,20 | 8,48 | 7,57 |
| AI2O3 | 2,70 | 1,97 | 2,40 | 2,76 | 2,48 |
| Fe2O3 | 38,7 | 20,5 | 39,8 | 32,2 | 41,8 |
| TiO2 | 0,11 | 0,07 | 0,11 | 0,11 | 0,12 |
| K2O | 0,42 | 0,41 | 0,35 | 0,39 | 0,35 |
| Na2O | 0,24 | < 0,02 | 0,70 | < 0,02 | 0,35 |
| CaO | 3,49 | 1,98 | 3,31 | 3,10 | 3,43 |
| MgO | 0,87 | 0,63 | 0,79 | 0,97 | 0,82 |
| PbO | 0,17 | 0,88 | 0,11 | 0,63 | 0,03 |
| BaO | 0,02 | 0,02 | 0,03 | 0,02 | 0,02 |
| SO3 | 3,01 | 10,1 | 2,37 | 6,24 | 1,39 |
| MnO | 0,18 | 0,10 | 0,17 | 0,14 | 0,19 |
| P2O5 | 0,12 | 0,16 | 0,11 | 0,15 | 0,11 |
| ZrO2 | < 0,01 | < 0,01 | < 0,01 | < 0,01 | < 0,01 |
| ZnO | 2,17 | 13,1 | 1,70 | 7,96 | 0,47 |
| L.O.I. 1025°C | 39,9 | 43,7 | 40,7 | 36,6 | 40,8 |
考虑到上述条件，工艺流程设计如下。
在进料量为650m³/d、固体含量为8%w/w的情况下，每天需要通过多级水力旋流器处理52吨的固体污泥。
为确保水力旋流器的无故障运行，必须对进入处理装置的原料进行2mm的预筛分，以分离错配的粗物料。为了进一步提高工艺性能，一级旋流器的进料由二级旋流器的溢流稀释，第一级旋流器的进料量也相应提高。同样，为了达到可处理的进料浓度，二级旋流器的进料用工艺水稀释。低含锌量的污泥从二级水力旋流器中排出，并被输送到一个现有的水池中，以通过压滤机进一步脱水。高含锌量的污泥通过浓密机浓缩，再通过压滤机进一步脱水。浓密机排出的污泥将被泵送至第二个储罐。
在上述两个例子中，AKW对分级装置的工艺控制进行了全面设计，以便用污泥进行连续处理：
结论
AKA-VORTEX水力旋流器由高耐磨、耐高温的聚氨酯（PU）制成，是高炉处理技术的重要补充。通过定制设计的多级水力旋流器工艺，可分成两种物料，从而显著降低废渣中的锌浓度：一种是可回收的锌含量组分；另一种是高锌含量的废料。由于在制造水力旋流器时使用了高质量的聚氨酯材料，因此可最大限度地减少磨损，从而延长部件的使用寿命，并降低运行成本。
AKA-SET浓密机由耐腐蚀材料制成，并配有定制内衬材料（橡胶、聚氨酯或陶瓷釉），可提高污泥浓度，以便通过带式压滤机或厢式压滤机进一步脱水。
由于BF污泥处理装置没有标准的处理工艺，而且工艺设计和设备布置主要取决于进料污泥的性质，因此中试工作是任何设计的先决条件，在这方面，中试工作是AKW的一个关键差异化因素。
