基于热力学的工艺优化方法，用于抑制钢铁粉尘在回转窑还原过程中的结圈现象

《Powder Technology》：Thermodynamic-guided process optimization to suppress ring deposits during rotary kiln reduction of steelmaking dust

热力学建模与工业试验结合开发出抑制钢渣直接还原 rotary kiln 环状沉积物的工艺策略，通过优化原料配比（C/O=0.4-0.6）和气流控制延长连续运行至108天，揭示了 FeO 与 CaO-SiO2-Al2O3-FeO 相图调控液相行为的关键机制。

　　钢铁工业每年会产生超过2000万吨的炼钢粉尘，这是一种有毒的副产品，主要含有30%至50%的铁氧化物以及2%至5%的锌。尽管这些粉尘在资源回收方面具有潜力，但其管理却带来了显著的环境挑战，因为它们被归类为危险废物。目前，针对粉尘的处理方式包括将粉尘制成球团或块料，以作为高炉的原料；然而，锌的积累会严重影响高炉的运行。此外，粉尘在陶瓷釉料、水泥砂浆或混凝土填充剂中的应用，也浪费了其中的金属成分。虽然水法冶金提取可以实现锌和铁的选择性分离，但对残渣和废水的处理仍面临困难。在火法冶金方法中，碳热还原可以将铁和锌的氧化物转化为金属物质，并通过废气系统实现锌的挥发。旋转窑还原是少数实际应用于粉尘处理的商业技术之一，具有广泛的原料适应性，并通过轴向翻滚运动确保均匀加热，从而增强物理混合和化学反应的均匀性。

然而，在旋转窑的还原和燃烧过程中，由于高温梯度（1000–1350°C）的影响，材料会因液相的存在而发生粘附，形成环状沉积物。这种现象会严重破坏热传递，导致运行效率下降、计划外停机以及维护成本增加，凸显了热稳定性在工艺设计中的重要性。在化学产品合成方面，T. Ginsberg和M. Modigell利用动态建模和数值模拟分析了二氧化钛生产窑中的热传递机制，为工艺和窑体参数的优化提供了依据。Q. Liu等人发现，磷酸矿中的五氧化二磷与二氧化硅结合，会产生低熔点的副产品，其形态、相变和热稳定性决定了环状沉积物的形成。在水泥制造过程中，C. Pieper等人通过计算流体动力学（CFD）分析指出，薄而均匀的沉积层可以作为隔热屏障，提高气相温度并减少熟料中的游离氧化钙。然而，较厚的沉积层会阻碍物料流动并降低生产率。A. Dam?发现，短期沉积物源于颗粒撞击，而长期沉积物则由局部温度梯度和波动驱动。S. Belgacem指出，碳酸盐和硫酸盐的共沉积会形成稳定的环状结构，可以通过调整煅烧程度、脱碳量和窑内氧气水平进行控制。

在铁矿石处理过程中，Li等人发现，在0.1 MPa的压力下，铁矿石与煤的复合球团在高温条件下更容易粘附。S. Wang则在酸性或添加助熔剂的球团中发现了硅酸盐结合相，并指出未燃烧的煤会改变相组成，从而增强沉积物的形成。L. Ma认为，高硅球团中快速形成环状沉积物的原因是摩擦产生的细粉和低熔点的液相，并建议通过改善球团和煤的性能来减少细粉的产生，从而减缓沉积物的生长。L. Yi等人和Y. Wang等人对直接还原窑中的环状沉积物进行了研究，发现金属铁球团与耐火材料之间通过熔融相结合，高温条件增强了液相含量，推动了层状沉积物的形成。在废物处理方面，H. Li发现，在钢轧油污泥焚烧过程中，富含铁的熔融物会渗入并侵蚀耐火砖，形成高度粘附的环状沉积物，这种现象可以通过富含氧化铝和二氧化硅的相来缓解。W. Wang则在化学废物盐的热解过程中指出，细颗粒的挥发会降低耐磨性，促进环状沉积物的形成，这种过程受到热解温度、停留时间和分布的影响。

总的来说，这些研究表明，尽管在某些情况下薄层沉积物可以提供一定的保护性隔热作用，但它们更多时候会损害窑的直径、处理能力和可靠性，因此需要针对具体应用场景进行定制化的控制策略。这些研究强调了四个主要因素对沉积物形成和增长的影响：首先，是原料组成，其中如P?O?–SiO?化合物、碳酸盐和硫酸盐矿物、硅酸盐或富含铁的熔融物等成分可以促进低熔点或粘附相的形成。其次，是热和氧化还原条件，包括温度梯度和局部C/O比，这些因素会影响熔融物的稳定性、粘度和相变行为。第三，是操作参数，如窑速、停留时间、气体流量和颗粒撞击等，这些参数塑造了热环境，并决定了沉积物是逐渐形成还是随着时间累积而快速增加。最后，是物理特性，如颗粒尺寸和窑内衬表面粗糙度，这些特性影响沉积物在何处以及如何牢固地附着。对这些因素的深入理解对于设计针对特定窑应用的有效控制策略至关重要。

在工业实践中，随着环状沉积物的加剧，沉积层的厚度会增加，最终严重恶化旋转窑的运行条件。目前，针对环状沉积物的处理主要有两种方式：第一种是抑制或延缓环状沉积物的形成，第二种是停机并尝试清除沉积物。后者包括手动清除和机械清洗等方法。尽管在生产暂停期间进行高温除锈已经变得可行，但沉积物的清除难度会随着沉积层的深度呈指数级上升。然而，目前关于旋转窑处理炼钢粉尘的研究缺乏将工业规模观察与详细的矿物学和热力学分析相结合的全面研究。因此，这种综合方法对于揭示环状沉积物形成的原因以及制定其预防的实用解决方案至关重要。

本研究首次全面整合热力学建模与工业规模验证，针对危险炼钢粉尘的直接还原过程进行分析。通过伪三元相图，识别出FeO在不同C/O比和温度条件下是低熔点硅酸盐形成的主要驱动因素。此外，通过有针对性的原料混合和结构改进，成功将旋转窑的连续运行时间从5天延长至108天，且未出现环状沉积物。研究结合了基础的吉布斯自由能分析与实际的窑试验，揭示了粉尘还原和粘附层形成机制，并提供了优化大规模工艺的可行指导，从而代表了对现有以球团和矿石为中心研究的显著进步。