粉煤灰提铁工艺设计及应用

杜晓敏

（酒钢集团甘肃筑鼎建设有限责任公司，甘肃 嘉峪关 735100）

粉煤灰是煤粉经高温燃烧后形成的一种似火山灰质的固体废物，主要产生于燃煤电厂、冶炼、化工等行业[1，2]。我国每年排放的粉煤灰量在1亿吨以上，酒钢（集团）公司能源中心热电厂（包括发电一分厂、发电二分厂和发电三分厂）每年粉煤灰的排放量约150万吨。目前，除少部分（约5万吨～9万吨）粉煤灰用作加气砼的原材料外，大部分粉煤灰由罐车外弃堆埋。大量的粉煤灰外运堆放不仅耗用公司的人力、物力和财力，而且需要占用大量的土地，其中的重金属、粉尘等还可能对环境造成污染。

为降低粉煤灰排放对环境带来的污染，研究者针对粉煤灰的回收利用进行广泛研究。经过长期以来的探索，发现粉煤灰中含5%～10%的铁，如果能将这部分资源加以利用，不仅能减少粉煤灰带来的环境污染，而且可创造较高的经济价值[3-5]。当前，铁矿石大量进口且价格居高不下的形势下，粉煤灰选铁将大有可为，除作为炼铁原料外，还可以用作重介质选煤的介质原料、探伤磁粉等。粉煤灰提铁技术可以废物利用、变废为宝，具有很高利用价值。为此，本文开展了粉煤灰提铁生产线的研究工作，为酒钢粉煤灰的高效回收利用提供一种新思路。

1 粉煤灰的成分和物质组成

粉煤灰的化学组成与粘土质相似，其主要成分为SiO2与Al2O3，还有少量的CaO、Fe2O3、MgO、K2O等物质，此外，粉煤灰中含有少量Cd、Pb、Hg、As等有害元素。不同的煤种煤灰成分占比各不相同。目前，酒钢（集团）公司能源中心热电厂使用的煤大部分为马克煤和广汇煤，少部分为哈密煤。表1为不同煤种煤灰的主要成分，表2为热电厂粉煤灰粒度组成分析。

表1 不同煤种粉煤灰的成分（%）

表2 热电厂粉煤灰原料粒度组成分析[6]（%）

由表1可知，酒钢热电厂粉煤灰中含铁量受煤种的不同而有所变化，含铁量约7.38%～10.21%，为低品位含铁原料；CaO、SiO2、Al2O3含量较高，占总含量的60%以上。由表2可知，粉煤灰中颗粒粒度-0.074mm含量在95%以上，-0.038mm含量达到85%左右，铁主要分布在细粒级中，表明酒钢粉煤灰粒度较细[6]，故选矿时不用在进行磨矿。

2 粉煤灰提铁生产线建设方案

自粉煤灰中提取出的铁精矿，几乎不含有害成分硫和磷。这是由于在煤的富氧高温燃烧过程中，硫和磷已经大部分被氧化随烟气逸出，没有逸出的部分，也在高温过程中生成CaSO4，在分选过程中被全部脱除。这在工业应用中，是一种非常优越的特性。同时从粉煤灰中回收铁矿物不需剥离、开采、破碎、磨矿等工序，其投资仅为从矿石选铁的1/4左右，从而节省了大批基建和经营费用。从粉煤灰中选取的铁精矿可以掺入含铁品位较高的铁矿石中作为炼铁原料。铁粉通过烧结造球用于高炉冶炼，可提高高炉利用系数，降低焦比。

粉煤灰作为燃煤电厂的固体排放物，每年的排放量十分巨大，单纯的外弃或堆埋不仅占用大量的土地，而且污染环境。若能从中将有用的铁精矿（或其他）加以提取，不仅可以减少一部分的排放量，而且符合国家发展循环经济、资源循环利用产业政策。

经测算，提铁生产线建成（达产）后，正常年生产56%的铁精粉～2.13万吨。年销售收入～1810.12万元，平均年利润总额988.29万元，项目税前内部收益率为29.56%，远大于行业基准收益率8%，生产线建设在财务上是可行的且具有可观的经济效益。

受资源利用研究所委托，本次粉煤灰提铁生产线建设方案针对酒钢热电厂二分厂2×125MW、2×300MW和2×350MW机组粉煤灰进行试点性建设，设计年粉煤灰量约54万吨，年产粗精矿约3.20万吨，年产精矿约2.13万吨。

2.1 生产工艺

二分厂各机组产生的粉煤灰，由各输灰管道经旁路送至粉煤灰提铁生产线建设区域各自对应的减压仓，经减压暂存后进入预选干式磁选机；磁选后的预选精矿由仓泵送至中间缓存仓，预选尾灰由仓泵经原管道原路由送至润源公司对应的灰库；中间缓存仓的预选精矿进入粗选干式磁选机；磁选后的粗精矿由仓泵送至粗精矿仓，粗选尾灰由仓泵送至尾灰仓；粗精矿仓中的粗精矿由螺旋给料机经布料器送至平板风磁联合干选机进行精选；精选后的最终铁精矿由仓泵送至精矿仓贮存，精选尾灰由仓泵送至尾灰仓贮存，其工艺流程图如图1所示。

图1 粉煤灰提铁生产线工艺流程图

2.2 数质量流程图

经与资源利用研究所合作，采用一段干式预选富集——二段粗选——三段平板风磁联合精选工艺，最终获得铁品位56%、SiO28.34%的铁精矿、总产率3.95%的铁精矿。其粉煤灰提铁生产线数质量流程图如图2所示。

图2 粉煤灰提铁生产线数质量流程图

2.3 管道接引

2×125MW机组干式预选灰管就近接自现有125MW机组输灰管道，接管管径为Φ219×8，管道全长约120m。管道接出后，进入干式预选工艺楼，预选之后的尾灰沿原管道原路由送至润源公司灰库，接点处设气动控制阀门，气源接自空压机室，正常情况下粉煤灰由接引管道进入本工艺系统进行提铁，当系统故障时通过阀门切换，粉煤灰通过原输送管道系统送至原灰库。

2×300MW机组干式预选灰管就近接自现有300MW机组输灰管道，接管管径为Φ219×8，管道全长约120m，接点处设气动控制阀门，气源接自空压机室，正常情况下粉煤灰由接引管道进入本工艺系统进行提铁，当系统故障时通过阀门切换，粉煤灰通过原输送管道系统送至原库。管道接出后，进入干式预选工艺楼，预选之后的尾灰沿原管道原路由送至润源公司灰库。

2×350MW机组干式预选灰管接自现有15万立加气砼输灰管道，接管管径为Φ219×8，两条管道并行铺设，每条管道长约500m，接点处设气动控制阀门，气源接自空压机室，正常情况下粉煤灰由接引管道进入本工艺系统进行提铁，当系统故障时通过阀门切换，粉煤灰通过原输送管道系统送至原灰库。管道接出后，进入干式预选工艺楼，预选之后的尾灰沿来灰管道路由新铺设回送管将尾灰送至润源公司灰库（南库）。回送管管径为Φ219×8，管道长约500m，接点处设气动控制阀门，气源接至空压机室。

2.4 工艺设备配置

各输灰管道中的粉煤灰经旁路送至各自对应的减压仓，减压仓有效容积107m3，总容积约144m3,可满足2×350MW机组4h的原灰储存。粉煤灰经减压后进入预选干式磁选机；每台磁选机下方设有两个过渡仓，尾灰过渡仓的有效容积3.5m3，总容积约5m3，粗精矿过渡仓的有效容积0.12m3，总容积约0.2m3。预选后的粗精矿经过渡后装入0.5m3仓泵送至中间缓存仓待用，三台机组共用一个中间缓存仓，其有效容积48m3，总容积约65m3；预选尾灰经过渡仓后装入4.5m3仓泵由原管道送往润源公司灰仓。

预选后的粗精矿接着进行粗选。粗选后的粗精矿经0.2m3过渡仓装入0.5m3仓泵送至粗精矿仓待用，尾灰经0.2m3过渡仓装入0.5m3仓泵送至精选尾灰仓。粗精矿仓有效容积35m3，总容积约50m3,可满足粗选16h产生的粗精矿贮存。

粗选后的粗精矿进入干式精选系统。精选系统设有精矿仓、尾灰仓等储存设施。精矿仓的有效容积46m3，总容积约62m3,可满足精选系统39h产生的精矿贮存。尾灰仓的有效容积32m3，总容积约62m3,可满足精选系统46.5h产生的尾灰贮存。

除过渡仓外，减压仓、缓存仓、粗精矿仓、精矿仓及尾灰仓仓顶均设有布袋除尘器、压力真空释放阀、料位计等辅助设备。在布料器、平板风磁联合干选机头部设有除尘管道，通过管道将粉尘抽至精选除尘器进行集中处理；在精矿仓及尾灰仓顶部设有布袋除尘器在罐车装车时，仓顶除尘器开始工作产生负压防止粉尘外逸。

2.5 总图布置

粉煤灰提铁生产线建设方案主要由几部分组成：

一部分是干式预选系统。粉煤灰经输灰管道送至减压仓，经减压暂存后进入一段干式磁选机；磁选后的粗精矿由仓泵送至中间缓存仓，尾灰由仓泵经原管道原路由送至润源公司灰库。

另一部分是干式精选系统。中间缓存仓的粗精矿进入二段干式磁选机再选，磁选后的粗精矿由仓泵送至粗精矿仓，而后由螺旋给料机经布料器送至平板风磁联合干选机，精选后的终精由仓泵送至精矿仓贮存，尾矿由仓泵送至尾矿仓。合格精矿（终精）由罐车运送至精矿库或烧结配料室，尾矿由罐车外运至润源渣场或销售给水泥厂。

针对粉煤灰提铁生产线建设方案，在润源公司墙材厂院内现有空地新建干式预选工艺楼、干式精选厂房、粗精矿仓、精矿仓、尾矿仓、空压机房及综合办公室等建、构筑物，以及生产线所需配套供配电、照明、采暖、给排水等能源管网。

（1）场地概述。粉煤灰提铁生产线建设场地位于酒钢润源公司墙材厂院内西侧现有空地上，东邻墙材厂西围墙，西邻院内主干道，北侧为墙材厂主入口处自行车棚，南侧为现有的建筑石膏粉成品库。项目建设用地南北长约66.0m，东西宽约56.0米，总占地面积约3797.0m2。场地南北向地势高差约0.3m，东西向地势高差约0.8m，地形特征为西南高、东北低。场地土自地表起即为第四纪冲积而成的卵石层，厚度大于100m，卵石主要由沉积岩碎块组成，呈亚圆型，一般粒径为30mm～70mm，最大为180mm，碎块坚固，空隙充填中密～密实的中砂约为30%，3m以上卵石堆积较为松散，处于稍密状态。3米以下卵石堆积致密，且被粘质胶结，处于半胶结～胶结状态。地下水埋藏深度大于100m，地基承载力标准值fk＞600KPa。

项目建设区域周边公辅、生活以及外部管网设施已经基本形成，项目建设条件良好。

（2）总平面布置。根据本方案的生产工艺，结合项目用地情况进行总平面布局，在项目用地范围内建设的建、构筑物包括:干式预选工艺楼、干式精选厂房、粗精矿仓、精矿仓、尾矿仓、空压机房及综合办公室等。

考虑干式预选及干式精选生产运输的顺畅性，将干式预选工艺楼、干式精选厂房布置于项目用地东侧，坐东朝西呈长条形布置；根据精选工艺要求，靠近精选厂房，在精选厂房北侧及西侧布置减压仓、精矿仓及尾矿仓；在项目用地西侧布置有为干式预选及干式精选生产线配套建设的空压机房和综合办公室。

总图用地范围内所布置建、构筑物间距均按照消防、日照采光、防火安全等方面的规范要求设计。

各建筑单体的结构尺寸及建筑面积如下：干式预选工艺楼为三层框架结构，长×宽×高为16m×13.5m×18m，一层层高为8.1m、二层层高为9.9m，三层露天布置，总建筑面积541.72m2；干式精选厂房采用门式钢架结构，精选厂房长×宽×高为18m×11m×8m。建筑面积215.02m2，厂房内设有一台起重量5t跨度7.5m电动单梁桥式起重机；空压机房为一层框架结构，长×宽×高为18.5m×7.5m×7.7m，建筑面积149.31m2；综合办公室为一层框架结构，长×宽×高为28.2m×10.5m×6.8m，建筑面积约311.74m2；室内设配电室、控制室，变压器室，男女卫生间，办公室、班组会议室及班组休息室。

（3）竖向布置。本工程场地南北向地势高差约0.3m，东西向地势高差约0.8m，结合场地地形及用地环境、周边道路，场地竖向采用平坡式布置。场地雨水采用自然排水，经由硬化地坪排至区域外道路，最后汇集至周边绿化地内。

（4）道路运输。整体用地范围内的建、筑物及设备周边场地开阔，均为硬化地坪，无任何障碍物，便于人流及车流的疏散。同时方案所在区域可与现有南侧及西侧毗邻道路相衔接，作为日常物料运输通道及消防通道。新建道路及硬化地坪均采用C30混凝土路面，300mm厚，总面积约3250m2。因方案建设基地位于酒钢润源公司墙材厂院内，故与墙材厂共用出入口，一个位于墙材厂西侧，墙材厂的主入口，与酒钢厂区即有道路衔接，另一个位于墙材厂东南侧，与酒钢环厂东路相衔接。

3 生产线的建成投运

按照粉煤灰提铁生产线建设方案，在润源公司墙材厂院内，目前已建成一条年处理粉煤灰54万吨，年产铁精矿2.13万吨的粉煤灰提铁生产线。该生产线于2019年7月底通过交工验收，正式进入试生产阶段；通过一段时间的消缺、试生产，目前已生产出1000多吨符合预期品质的铁精矿。从试运行情况来看，该生产线总体运行情况稳定顺行，体现了设计意图，对同行业提铁生产线的建设具有一定的示范效应[6]。

4 结语

粉煤灰作为燃煤电厂的固体排放物，每年的排放量十分巨大，单纯的外弃或堆埋不仅占用大量的土地，而且污染环境。若能从中将有用的铁精矿（或其他）加以提取，不仅可减少一部分的排放量，而且符合国家发展循环经济、资源循环利用产业政策。目前，酒钢粉煤灰提铁生产线一期工程已建成，通过一段时间的试运行获得了预期品质的铁精矿，为酒钢热电厂年产近150万吨粉煤灰的回收再利用提供新方案。