粉煤灰提鐵工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用

杜曉敏

（酒鋼集團(tuán)甘肅筑鼎建設(shè)有限責(zé)任公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

粉煤灰是煤粉經(jīng)高溫燃燒后形成的一種似火山灰質(zhì)的固體廢物，主要產(chǎn)生于燃煤電廠、冶煉、化工等行業(yè)[1，2]。我國每年排放的粉煤灰量在1億噸以上，酒鋼（集團(tuán)）公司能源中心熱電廠（包括發(fā)電一分廠、發(fā)電二分廠和發(fā)電三分廠）每年粉煤灰的排放量約150萬噸。目前，除少部分（約5萬噸～9萬噸）粉煤灰用作加氣砼的原材料外，大部分粉煤灰由罐車外棄堆埋。大量的粉煤灰外運(yùn)堆放不僅耗用公司的人力、物力和財(cái)力，而且需要占用大量的土地，其中的重金屬、粉塵等還可能對(duì)環(huán)境造成污染。

為降低粉煤灰排放對(duì)環(huán)境帶來的污染，研究者針對(duì)粉煤灰的回收利用進(jìn)行廣泛研究。經(jīng)過長(zhǎng)期以來的探索，發(fā)現(xiàn)粉煤灰中含5%～10%的鐵，如果能將這部分資源加以利用，不僅能減少粉煤灰?guī)淼沫h(huán)境污染，而且可創(chuàng)造較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3-5]。當(dāng)前，鐵礦石大量進(jìn)口且價(jià)格居高不下的形勢(shì)下，粉煤灰選鐵將大有可為，除作為煉鐵原料外，還可以用作重介質(zhì)選煤的介質(zhì)原料、探傷磁粉等。粉煤灰提鐵技術(shù)可以廢物利用、變廢為寶，具有很高利用價(jià)值。為此，本文開展了粉煤灰提鐵生產(chǎn)線的研究工作，為酒鋼粉煤灰的高效回收利用提供一種新思路。

1 粉煤灰的成分和物質(zhì)組成

粉煤灰的化學(xué)組成與粘土質(zhì)相似，其主要成分為SiO2與Al2O3，還有少量的CaO、Fe2O3、MgO、K2O等物質(zhì)，此外，粉煤灰中含有少量Cd、Pb、Hg、As等有害元素。不同的煤種煤灰成分占比各不相同。目前，酒鋼（集團(tuán)）公司能源中心熱電廠使用的煤大部分為馬克煤和廣匯煤，少部分為哈密煤。表1為不同煤種煤灰的主要成分，表2為熱電廠粉煤灰粒度組成分析。

表1 不同煤種粉煤灰的成分（%）

表2 熱電廠粉煤灰原料粒度組成分析[6]（%）

由表1可知，酒鋼熱電廠粉煤灰中含鐵量受煤種的不同而有所變化，含鐵量約7.38%～10.21%，為低品位含鐵原料；CaO、SiO2、Al2O3含量較高，占總含量的60%以上。由表2可知，粉煤灰中顆粒粒度-0.074mm含量在95%以上，-0.038mm含量達(dá)到85%左右，鐵主要分布在細(xì)粒級(jí)中，表明酒鋼粉煤灰粒度較細(xì)[6]，故選礦時(shí)不用在進(jìn)行磨礦。

2 粉煤灰提鐵生產(chǎn)線建設(shè)方案

自粉煤灰中提取出的鐵精礦，幾乎不含有害成分硫和磷。這是由于在煤的富氧高溫燃燒過程中，硫和磷已經(jīng)大部分被氧化隨煙氣逸出，沒有逸出的部分，也在高溫過程中生成CaSO4，在分選過程中被全部脫除。這在工業(yè)應(yīng)用中，是一種非常優(yōu)越的特性。同時(shí)從粉煤灰中回收鐵礦物不需剝離、開采、破碎、磨礦等工序，其投資僅為從礦石選鐵的1/4左右，從而節(jié)省了大批基建和經(jīng)營(yíng)費(fèi)用。從粉煤灰中選取的鐵精礦可以摻入含鐵品位較高的鐵礦石中作為煉鐵原料。鐵粉通過燒結(jié)造球用于高爐冶煉，可提高高爐利用系數(shù)，降低焦比。

粉煤灰作為燃煤電廠的固體排放物，每年的排放量十分巨大，單純的外棄或堆埋不僅占用大量的土地，而且污染環(huán)境。若能從中將有用的鐵精礦（或其他）加以提取，不僅可以減少一部分的排放量，而且符合國家發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)政策。

經(jīng)測(cè)算，提鐵生產(chǎn)線建成（達(dá)產(chǎn)）后，正常年生產(chǎn)56%的鐵精粉～2.13萬噸。年銷售收入～1810.12萬元，平均年利潤(rùn)總額988.29萬元，項(xiàng)目稅前內(nèi)部收益率為29.56%，遠(yuǎn)大于行業(yè)基準(zhǔn)收益率8%，生產(chǎn)線建設(shè)在財(cái)務(wù)上是可行的且具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

受資源利用研究所委托，本次粉煤灰提鐵生產(chǎn)線建設(shè)方案針對(duì)酒鋼熱電廠二分廠2×125MW、2×300MW和2×350MW機(jī)組粉煤灰進(jìn)行試點(diǎn)性建設(shè)，設(shè)計(jì)年粉煤灰量約54萬噸，年產(chǎn)粗精礦約3.20萬噸，年產(chǎn)精礦約2.13萬噸。

2.1 生產(chǎn)工藝

二分廠各機(jī)組產(chǎn)生的粉煤灰，由各輸灰管道經(jīng)旁路送至粉煤灰提鐵生產(chǎn)線建設(shè)區(qū)域各自對(duì)應(yīng)的減壓倉，經(jīng)減壓暫存后進(jìn)入預(yù)選干式磁選機(jī)；磁選后的預(yù)選精礦由倉泵送至中間緩存?zhèn)}，預(yù)選尾灰由倉泵經(jīng)原管道原路由送至潤(rùn)源公司對(duì)應(yīng)的灰?guī)?；中間緩存?zhèn)}的預(yù)選精礦進(jìn)入粗選干式磁選機(jī)；磁選后的粗精礦由倉泵送至粗精礦倉，粗選尾灰由倉泵送至尾灰倉；粗精礦倉中的粗精礦由螺旋給料機(jī)經(jīng)布料器送至平板風(fēng)磁聯(lián)合干選機(jī)進(jìn)行精選；精選后的最終鐵精礦由倉泵送至精礦倉貯存，精選尾灰由倉泵送至尾灰倉貯存，其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 粉煤灰提鐵生產(chǎn)線工藝流程圖

2.2 數(shù)質(zhì)量流程圖

經(jīng)與資源利用研究所合作，采用一段干式預(yù)選富集——二段粗選——三段平板風(fēng)磁聯(lián)合精選工藝，最終獲得鐵品位56%、SiO28.34%的鐵精礦、總產(chǎn)率3.95%的鐵精礦。其粉煤灰提鐵生產(chǎn)線數(shù)質(zhì)量流程圖如圖2所示。

圖2 粉煤灰提鐵生產(chǎn)線數(shù)質(zhì)量流程圖

2.3 管道接引

2×125MW機(jī)組干式預(yù)選灰管就近接自現(xiàn)有125MW機(jī)組輸灰管道，接管管徑為Φ219×8，管道全長(zhǎng)約120m。管道接出后，進(jìn)入干式預(yù)選工藝樓，預(yù)選之后的尾灰沿原管道原路由送至潤(rùn)源公司灰?guī)?，接點(diǎn)處設(shè)氣動(dòng)控制閥門，氣源接自空壓機(jī)室，正常情況下粉煤灰由接引管道進(jìn)入本工藝系統(tǒng)進(jìn)行提鐵，當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)通過閥門切換，粉煤灰通過原輸送管道系統(tǒng)送至原灰?guī)臁?/p>

2×300MW機(jī)組干式預(yù)選灰管就近接自現(xiàn)有300MW機(jī)組輸灰管道，接管管徑為Φ219×8，管道全長(zhǎng)約120m，接點(diǎn)處設(shè)氣動(dòng)控制閥門，氣源接自空壓機(jī)室，正常情況下粉煤灰由接引管道進(jìn)入本工藝系統(tǒng)進(jìn)行提鐵，當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)通過閥門切換，粉煤灰通過原輸送管道系統(tǒng)送至原庫。管道接出后，進(jìn)入干式預(yù)選工藝樓，預(yù)選之后的尾灰沿原管道原路由送至潤(rùn)源公司灰?guī)臁?/p>

2×350MW機(jī)組干式預(yù)選灰管接自現(xiàn)有15萬立加氣砼輸灰管道，接管管徑為Φ219×8，兩條管道并行鋪設(shè)，每條管道長(zhǎng)約500m，接點(diǎn)處設(shè)氣動(dòng)控制閥門，氣源接自空壓機(jī)室，正常情況下粉煤灰由接引管道進(jìn)入本工藝系統(tǒng)進(jìn)行提鐵，當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)通過閥門切換，粉煤灰通過原輸送管道系統(tǒng)送至原灰?guī)?。管道接出后，進(jìn)入干式預(yù)選工藝樓，預(yù)選之后的尾灰沿來灰管道路由新鋪設(shè)回送管將尾灰送至潤(rùn)源公司灰?guī)欤蠋欤??；厮凸芄軓綖棣?19×8，管道長(zhǎng)約500m，接點(diǎn)處設(shè)氣動(dòng)控制閥門，氣源接至空壓機(jī)室。

2.4 工藝設(shè)備配置

各輸灰管道中的粉煤灰經(jīng)旁路送至各自對(duì)應(yīng)的減壓倉，減壓倉有效容積107m3，總?cè)莘e約144m3,可滿足2×350MW機(jī)組4h的原灰儲(chǔ)存。粉煤灰經(jīng)減壓后進(jìn)入預(yù)選干式磁選機(jī)；每臺(tái)磁選機(jī)下方設(shè)有兩個(gè)過渡倉，尾灰過渡倉的有效容積3.5m3，總?cè)莘e約5m3，粗精礦過渡倉的有效容積0.12m3，總?cè)莘e約0.2m3。預(yù)選后的粗精礦經(jīng)過渡后裝入0.5m3倉泵送至中間緩存?zhèn)}待用，三臺(tái)機(jī)組共用一個(gè)中間緩存?zhèn)}，其有效容積48m3，總?cè)莘e約65m3；預(yù)選尾灰經(jīng)過渡倉后裝入4.5m3倉泵由原管道送往潤(rùn)源公司灰倉。

預(yù)選后的粗精礦接著進(jìn)行粗選。粗選后的粗精礦經(jīng)0.2m3過渡倉裝入0.5m3倉泵送至粗精礦倉待用，尾灰經(jīng)0.2m3過渡倉裝入0.5m3倉泵送至精選尾灰倉。粗精礦倉有效容積35m3，總?cè)莘e約50m3,可滿足粗選16h產(chǎn)生的粗精礦貯存。

粗選后的粗精礦進(jìn)入干式精選系統(tǒng)。精選系統(tǒng)設(shè)有精礦倉、尾灰倉等儲(chǔ)存設(shè)施。精礦倉的有效容積46m3，總?cè)莘e約62m3,可滿足精選系統(tǒng)39h產(chǎn)生的精礦貯存。尾灰倉的有效容積32m3，總?cè)莘e約62m3,可滿足精選系統(tǒng)46.5h產(chǎn)生的尾灰貯存。

除過渡倉外，減壓倉、緩存?zhèn)}、粗精礦倉、精礦倉及尾灰倉倉頂均設(shè)有布袋除塵器、壓力真空釋放閥、料位計(jì)等輔助設(shè)備。在布料器、平板風(fēng)磁聯(lián)合干選機(jī)頭部設(shè)有除塵管道，通過管道將粉塵抽至精選除塵器進(jìn)行集中處理；在精礦倉及尾灰倉頂部設(shè)有布袋除塵器在罐車裝車時(shí)，倉頂除塵器開始工作產(chǎn)生負(fù)壓防止粉塵外逸。

2.5 總圖布置

粉煤灰提鐵生產(chǎn)線建設(shè)方案主要由幾部分組成：

一部分是干式預(yù)選系統(tǒng)。粉煤灰經(jīng)輸灰管道送至減壓倉，經(jīng)減壓暫存后進(jìn)入一段干式磁選機(jī)；磁選后的粗精礦由倉泵送至中間緩存?zhèn)}，尾灰由倉泵經(jīng)原管道原路由送至潤(rùn)源公司灰?guī)臁?/p>

另一部分是干式精選系統(tǒng)。中間緩存?zhèn)}的粗精礦進(jìn)入二段干式磁選機(jī)再選，磁選后的粗精礦由倉泵送至粗精礦倉，而后由螺旋給料機(jī)經(jīng)布料器送至平板風(fēng)磁聯(lián)合干選機(jī)，精選后的終精由倉泵送至精礦倉貯存，尾礦由倉泵送至尾礦倉。合格精礦（終精）由罐車運(yùn)送至精礦庫或燒結(jié)配料室，尾礦由罐車外運(yùn)至潤(rùn)源渣場(chǎng)或銷售給水泥廠。

針對(duì)粉煤灰提鐵生產(chǎn)線建設(shè)方案，在潤(rùn)源公司墻材廠院內(nèi)現(xiàn)有空地新建干式預(yù)選工藝樓、干式精選廠房、粗精礦倉、精礦倉、尾礦倉、空壓機(jī)房及綜合辦公室等建、構(gòu)筑物，以及生產(chǎn)線所需配套供配電、照明、采暖、給排水等能源管網(wǎng)。

（1）場(chǎng)地概述。粉煤灰提鐵生產(chǎn)線建設(shè)場(chǎng)地位于酒鋼潤(rùn)源公司墻材廠院內(nèi)西側(cè)現(xiàn)有空地上，東鄰墻材廠西圍墻，西鄰院內(nèi)主干道，北側(cè)為墻材廠主入口處自行車棚，南側(cè)為現(xiàn)有的建筑石膏粉成品庫。項(xiàng)目建設(shè)用地南北長(zhǎng)約66.0m，東西寬約56.0米，總占地面積約3797.0m2。場(chǎng)地南北向地勢(shì)高差約0.3m，東西向地勢(shì)高差約0.8m，地形特征為西南高、東北低。場(chǎng)地土自地表起即為第四紀(jì)沖積而成的卵石層，厚度大于100m，卵石主要由沉積巖碎塊組成，呈亞圓型，一般粒徑為30mm～70mm，最大為180mm，碎塊堅(jiān)固，空隙充填中密～密實(shí)的中砂約為30%，3m以上卵石堆積較為松散，處于稍密狀態(tài)。3米以下卵石堆積致密，且被粘質(zhì)膠結(jié)，處于半膠結(jié)～膠結(jié)狀態(tài)。地下水埋藏深度大于100m，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk＞600KPa。

項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域周邊公輔、生活以及外部管網(wǎng)設(shè)施已經(jīng)基本形成，項(xiàng)目建設(shè)條件良好。

（2）總平面布置。根據(jù)本方案的生產(chǎn)工藝，結(jié)合項(xiàng)目用地情況進(jìn)行總平面布局，在項(xiàng)目用地范圍內(nèi)建設(shè)的建、構(gòu)筑物包括:干式預(yù)選工藝樓、干式精選廠房、粗精礦倉、精礦倉、尾礦倉、空壓機(jī)房及綜合辦公室等。

考慮干式預(yù)選及干式精選生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)捻槙承?，將干式預(yù)選工藝樓、干式精選廠房布置于項(xiàng)目用地東側(cè)，坐東朝西呈長(zhǎng)條形布置；根據(jù)精選工藝要求，靠近精選廠房，在精選廠房北側(cè)及西側(cè)布置減壓倉、精礦倉及尾礦倉；在項(xiàng)目用地西側(cè)布置有為干式預(yù)選及干式精選生產(chǎn)線配套建設(shè)的空壓機(jī)房和綜合辦公室。

總圖用地范圍內(nèi)所布置建、構(gòu)筑物間距均按照消防、日照采光、防火安全等方面的規(guī)范要求設(shè)計(jì)。

各建筑單體的結(jié)構(gòu)尺寸及建筑面積如下：干式預(yù)選工藝樓為三層框架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)×寬×高為16m×13.5m×18m，一層層高為8.1m、二層層高為9.9m，三層露天布置，總建筑面積541.72m2；干式精選廠房采用門式鋼架結(jié)構(gòu)，精選廠房長(zhǎng)×寬×高為18m×11m×8m。建筑面積215.02m2，廠房?jī)?nèi)設(shè)有一臺(tái)起重量5t跨度7.5m電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)；空壓機(jī)房為一層框架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)×寬×高為18.5m×7.5m×7.7m，建筑面積149.31m2；綜合辦公室為一層框架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)×寬×高為28.2m×10.5m×6.8m，建筑面積約311.74m2；室內(nèi)設(shè)配電室、控制室，變壓器室，男女衛(wèi)生間，辦公室、班組會(huì)議室及班組休息室。

（3）豎向布置。本工程場(chǎng)地南北向地勢(shì)高差約0.3m，東西向地勢(shì)高差約0.8m，結(jié)合場(chǎng)地地形及用地環(huán)境、周邊道路，場(chǎng)地豎向采用平坡式布置。場(chǎng)地雨水采用自然排水，經(jīng)由硬化地坪排至區(qū)域外道路，最后匯集至周邊綠化地內(nèi)。

（4）道路運(yùn)輸。整體用地范圍內(nèi)的建、筑物及設(shè)備周邊場(chǎng)地開闊，均為硬化地坪，無任何障礙物，便于人流及車流的疏散。同時(shí)方案所在區(qū)域可與現(xiàn)有南側(cè)及西側(cè)毗鄰道路相銜接，作為日常物料運(yùn)輸通道及消防通道。新建道路及硬化地坪均采用C30混凝土路面，300mm厚，總面積約3250m2。因方案建設(shè)基地位于酒鋼潤(rùn)源公司墻材廠院內(nèi)，故與墻材廠共用出入口，一個(gè)位于墻材廠西側(cè)，墻材廠的主入口，與酒鋼廠區(qū)即有道路銜接，另一個(gè)位于墻材廠東南側(cè)，與酒鋼環(huán)廠東路相銜接。

3 生產(chǎn)線的建成投運(yùn)

按照粉煤灰提鐵生產(chǎn)線建設(shè)方案，在潤(rùn)源公司墻材廠院內(nèi)，目前已建成一條年處理粉煤灰54萬噸，年產(chǎn)鐵精礦2.13萬噸的粉煤灰提鐵生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線于2019年7月底通過交工驗(yàn)收，正式進(jìn)入試生產(chǎn)階段；通過一段時(shí)間的消缺、試生產(chǎn)，目前已生產(chǎn)出1000多噸符合預(yù)期品質(zhì)的鐵精礦。從試運(yùn)行情況來看，該生產(chǎn)線總體運(yùn)行情況穩(wěn)定順行，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖，對(duì)同行業(yè)提鐵生產(chǎn)線的建設(shè)具有一定的示范效應(yīng)[6]。

4 結(jié)語

粉煤灰作為燃煤電廠的固體排放物，每年的排放量十分巨大，單純的外棄或堆埋不僅占用大量的土地，而且污染環(huán)境。若能從中將有用的鐵精礦（或其他）加以提取，不僅可減少一部分的排放量，而且符合國家發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)政策。目前，酒鋼粉煤灰提鐵生產(chǎn)線一期工程已建成，通過一段時(shí)間的試運(yùn)行獲得了預(yù)期品質(zhì)的鐵精礦，為酒鋼熱電廠年產(chǎn)近150萬噸粉煤灰的回收再利用提供新方案。