轉(zhuǎn)底爐技術(shù)在鋼鐵冶金工程中的應(yīng)用

郭明軍，張亞魁

含鋅粉塵在鋼鐵企業(yè)不斷循壞利用，形成堿金屬富集，在高爐中會因鋅在爐內(nèi)揮發(fā)、富集，在爐身上部形成結(jié)瘤，影響高爐的正常操作，縮短爐襯壽命。因此，高爐對入爐原料鋅含量有限制，很難對鋼鐵聯(lián)合企業(yè)所有粉塵全部回收使用。我國鋼鐵工業(yè)粉塵資源綜合利用水平低和廢棄物回收利用技術(shù)落后，粉塵污染物的排放對人體生理健康和自然環(huán)境都有很大的破壞。轉(zhuǎn)底爐技術(shù)在冶金工程中的成功的應(yīng)用，有效解決了含鋅粉塵的處理問題，并實現(xiàn)資源回收再利用，通過實踐生產(chǎn)檢驗，轉(zhuǎn)底爐技術(shù)金屬化率可實現(xiàn)70%以上，脫鋅率80%以上。

1 轉(zhuǎn)底爐技術(shù)介紹

1.1 工藝技術(shù)背景

我國鋼鐵工業(yè)向自然環(huán)境排放了大量的廢氣、廢水和粉塵等污染物，其中粉塵污染物排放尤為突出。由于資源綜合利用水平低和廢棄物回收利用技術(shù)落后，我國鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的各種粉塵數(shù)量巨大，約為粗鋼的10%左右，按照2013 年我國鋼鐵產(chǎn)量7.5 億噸計算，粉塵年排放量超過7500 萬噸。

鋼鐵企業(yè)粉塵污染物的排放給人的生理健康和自然環(huán)境都有很大的破壞，鋼鐵企業(yè)排放的粉塵是PM2.5 元兇之一，粉塵中、鋅、鉛、鉻等有毒性元素隨呼吸系統(tǒng)進入人體，溶解后可侵入血液而引起中毒，也可與組織接觸而引起局部刺激或化學(xué)性損傷。冶煉過程中粉塵逸出時對現(xiàn)場操作人員健康將會產(chǎn)生極大危害，粉塵彌漫在空氣中將嚴重影響人類社會活動，目前多數(shù)鋼鐵廠采用堆填的方式對塵泥進行處理，隨時間延長，其堆放空間逐年減少，堆積費用逐年提高，不但浪費了資源而且經(jīng)過風(fēng)吹雨打，粉塵中的鉛、鋅、鎘和鉻等有害元素浸出進入地下水和生物鏈中對人和動植物有危害，環(huán)境污染也日益嚴重。

鋼鐵企業(yè)粉塵污染物的排放不僅造成自然環(huán)境破壞，同時流失大量具有較高經(jīng)濟價值的金屬原料。以寶鋼為例，寶鋼年產(chǎn)各類粉塵和污泥超80 余萬噸，其中有20 余萬噸塵泥含鋅大于1%，并含有約50%的鐵以及碳等元素。如果這些含鋅粉塵直接返回冶煉工序重新利用，在高爐中會因鋅在爐內(nèi)揮發(fā)、富集，在爐身上部形成結(jié)瘤，影響高爐的正常操作，縮短爐襯壽命。因此，高爐對入爐原料鋅含量有限制，很難對鋼鐵聯(lián)合企業(yè)所有粉塵全部回收使用。

自1976 年，美國環(huán)保機構(gòu)（EPA）制定法律，將含鋅鉛的鋼鐵企業(yè)除塵灰劃歸K061 類物質(zhì)（有毒的固體廢物），要求鋼鐵廠對其進行化處理，否則須密封堆放在指定場地，但堆放致使費用逐年升高，繼美國之后，西方各國，日本，甚至韓國都制定了類似法律，對鋼鐵企業(yè)鋅鉛粉塵處理工藝的研究成為冶金界的熱點之一。我國也正在制定和出臺新的環(huán)保法規(guī)和廢物回收法規(guī)，將鋼鐵廠粉塵特別是含鋅鉛粉塵劃為有害物質(zhì)，禁止向外界環(huán)境直接排放，并要求鋼鐵廠對其粉塵進行處理，對其中的鋅等有價元素進行回收利用或鈍化處理。

如何高效利用鋼鐵廠含鋅鉛粉塵并提高其綜合附加值，減少環(huán)境污染，已成為冶金企業(yè)共同追求的目標。

1.2 含鋅粉塵的處理方法

含鋅粉塵處置的關(guān)鍵是脫除鋅等堿金屬制約其返回高爐生產(chǎn)利用的有害元素。含鋅含鐵粉塵脫鋅的方式比較多，主要工藝分為火法濕法脫鋅工藝。濕法脫鋅工藝技術(shù)經(jīng)過國內(nèi)外市場實際生產(chǎn)檢驗，因脫鋅率低、生產(chǎn)成本高、設(shè)備維護成本高以及二次污染等問題，未廣泛采用；火法脫鋅工藝技術(shù)經(jīng)過不斷發(fā)展完善逐漸得到國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)認可，目前較為流行的火法冶煉主要是隧道窯、回轉(zhuǎn)窯和轉(zhuǎn)底爐三種工藝。

隧道窯在國內(nèi)屬于被淘汰的工藝類型，高污染高能耗，特別是國內(nèi)的廠家普遍設(shè)備簡陋，預(yù)熱回收設(shè)備落后甚至沒有預(yù)熱利用設(shè)備，規(guī)模小，產(chǎn)量普遍低于3 萬t/a。

回轉(zhuǎn)窯工藝相對成熟，流程簡單，也達到一定規(guī)模，回轉(zhuǎn)窯煙塵量大，低鋅粉塵難以在煙塵中富集，處理高鋅低鐵的物料較為實用。

回轉(zhuǎn)窯最大的問題是結(jié)圈無法解決，物料在窯中隨窯體轉(zhuǎn)動而滾動運動，揮發(fā)的鋅及粉末、煤灰粘在一起很容易形成“結(jié)圈”，這是回轉(zhuǎn)窯最致命也是難以克服的缺陷，精確控制爐溫是非常困難的事，因此生產(chǎn)作業(yè)率普遍不高，經(jīng)常性停爐清理結(jié)圈。

回轉(zhuǎn)窯反應(yīng)時間長，爐料在窯內(nèi)停留時間達8h ～14h；由于設(shè)備的限制，單位機組的產(chǎn)量不可能做大，目前的典型能力是5 萬t/a 左右。

其它小高爐、富氧豎爐等工藝目前在世界范圍內(nèi)應(yīng)用不多，無法從根本上克服含填充床料柱的高爐工藝對含鋅原料的不適應(yīng)性，焦炭消耗大大增加。

轉(zhuǎn)底爐工藝技術(shù)直接還原是近幾十年發(fā)展起來的處理含鋅、鐵粉塵處理新工藝技術(shù)，其核心技術(shù)來源于軋鋼用的環(huán)形加熱爐。在我國雖還處于起步階段，但卻擁有廣闊的市場前景和巨大的經(jīng)濟效益。各種粉塵在一定比例加入粘合劑內(nèi)配碳后成球，均勻布入轉(zhuǎn)底爐的爐底，爐底載著成球勻速轉(zhuǎn)動。在爐內(nèi)各溫度區(qū)域內(nèi)，根據(jù)工藝技術(shù)要求在爐膛兩側(cè)安裝燒嘴燃燒煤氣，為物料升溫和還原反應(yīng)提供熱量。在物料還原區(qū)通過調(diào)節(jié)燃燒燒嘴的煤氣用氣量和空氣用氣量控制爐內(nèi)溫度及還原氣氛，用以達到最佳的還原氛圍。鐵氧化物被碳材逐漸被還原成金屬。為了實現(xiàn)快速還原，還原區(qū)必須提供高溫條件，其爐溫可達到1300℃。物料在爐內(nèi)的還原時間一般為15min ～25min。塵泥中的鋅揮發(fā)后進入煙氣收集系統(tǒng)，經(jīng)布袋除塵器收集的粉塵含氧化鋅的純度約50%，是很好的提鋅原料。

轉(zhuǎn)底爐直接還原采用的是內(nèi)配碳工藝，還原反應(yīng)界面大，還原溫度高，還原速度快，更重要的是轉(zhuǎn)底爐具有爐料與爐底相對靜止不動的特點，可以避免回轉(zhuǎn)窯還原過程中出現(xiàn)的結(jié)瘤問題，很好地滿足粉塵還原特點的要求。轉(zhuǎn)底爐處理規(guī)模單臺設(shè)備可達20 萬噸/年，不論是處理規(guī)模還是工藝能耗都遠優(yōu)于回轉(zhuǎn)窯和隧道窯等工藝。設(shè)備的作業(yè)率和產(chǎn)品的金屬化率可輕松實現(xiàn)80%以上，脫鋅率90%以上，而這都是回轉(zhuǎn)窯工藝難以做到的。

轉(zhuǎn)底爐技術(shù)作為含鋅粉塵脫鋅技術(shù)，近幾年在國內(nèi)外鋼鐵冶金企業(yè)得到廣泛使用，新日鐵、神戶制鋼、浦項、馬鋼、日鋼、沙鋼等相繼新增完善處理含鋅含鐵粉塵的轉(zhuǎn)底爐項目投產(chǎn)，取得了環(huán)保、經(jīng)濟兩方面較好的成果，是鋼鐵廠處理含鋅含鐵粉塵、回收鐵元素和金屬鋅元素的新途徑。

1.3 轉(zhuǎn)底爐技術(shù)的特點

轉(zhuǎn)底爐的環(huán)保效益是與其工藝特點分不開的，主要特點是高溫快速還原。首先是把含金屬氧化物的粉塵和廢棄物還原成金屬；其次是高溫下許多有害元素和物質(zhì)能夠揮發(fā)或分解，能燃燒的用作燃料；第三是本身是封閉系統(tǒng)，微負壓操作，過程中基本無排放，最終的固體產(chǎn)物和經(jīng)過凈化的煙氣均符合環(huán)保要求，而且煙氣余熱得到充分利用。其它特點如下：

（1）轉(zhuǎn)底爐以鋼鐵廠有害且具有利用價值的粉塵為原料進行處理，減少粉塵的排放或者堆放，回收有價值的元素，減輕環(huán)境污染的同時，還可以為鋼鐵企業(yè)提供不菲的經(jīng)濟效益，這是轉(zhuǎn)底爐對環(huán)保的最大貢獻。

（2）轉(zhuǎn)底爐工藝屬于采用直接還原工藝，用非焦煤生產(chǎn)直接還原鐵或金屬鐵，它將取消焦爐和燒結(jié)生產(chǎn)中的污染排放，取消煉焦、燒結(jié)工序，工藝本身最大程度的減少粉塵和有害煙氣的排放。直接還原工藝是國家明確鼓勵支持的冶金新技術(shù)，并且對于處理鋼鐵廠塵泥具有較大的優(yōu)勢，是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的可行的手段。

（3）轉(zhuǎn)底爐使用較低熱值的凈化煤氣作燃料，并且爐料在爐膛內(nèi)無相對運動，排出的廢煙氣中含塵為20mg/m3大大低于國家規(guī)定的標準：一類100mg/m3，二類150mg/m3。

（4）生產(chǎn)過程幾乎無污水和固體廢棄物排放，工藝工程產(chǎn)生的粉塵可以全部重新利用。

轉(zhuǎn)底爐工藝是含碳球團的直接還原，還原劑可直接利用粉塵中的碳，大部分情況下無需單獨外配煤粉，減少燃料消耗以及還原過程中燃料中有害元素的揮發(fā)。

轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)金屬化球團加入高爐，代替燒結(jié)礦和球團礦，可降低高爐焦比，相當于可以減少煉焦過程中SO2等有害成分的排放；進入轉(zhuǎn)爐作為冷卻劑，可以減少廢鋼的消耗，節(jié)約成本，同時經(jīng)使用證明還能起到快速化渣及增加渣的流動性。

（5）轉(zhuǎn)底爐工藝比較容易對如原料處理、轉(zhuǎn)運、轉(zhuǎn)底爐出料過程產(chǎn)生的灰塵進行排放控制。

轉(zhuǎn)底爐在一些發(fā)達國家（如美國、日本）已列為處理所在地域冶金廠粉塵和廢棄物的有效措施，并要求冶金企業(yè)無償提供物料，并給與提供一定處理費用。

2 轉(zhuǎn)底爐技術(shù)及在鋼鐵冶金中的作用

（1）轉(zhuǎn)底爐有效祛除有害堿金屬元素。鋅是與含鐵原料共存的元素，少量的鋅主要以鐵酸鹽ZnO.Fe2O2、硅酸鹽2ZnO.SiO2及閃鋅礦ZnS 的形式存在。在高爐內(nèi)鋅易還原，且不溶于生鐵。在鋼鐵冶金過程中，含鐵粉塵灰收集后統(tǒng)一配送到燒結(jié)進行預(yù)配料，進行循環(huán)利用，但是鋅因無法有效排除，不斷進行富集，含量越來越高，對高爐設(shè)備的使用壽命以及順行程度帶來較大不利影響。鋅元素在高溫區(qū)被CO 還原為氣態(tài)鋅，鋅的沸點為907℃，鋅蒸氣隨高爐煤氣上升，到達溫度較低的區(qū)域時冷凝而且氧化，其中一部分附著于粉塵時被煤氣帶出爐外，另一部分粘附在爐料上，隨爐料下降重新帶入高爐內(nèi)，在堿金屬聯(lián)合作用，會使爐缸碳磚侵蝕破損，縮短高爐壽命。鋅蒸氣滲入爐墻冷卻壁縫隙中，氧化后使爐襯體積膨脹受破壞，爐墻結(jié)厚、結(jié)瘤影響高爐物料正常下行；進入到風(fēng)口組合磚中，造成風(fēng)口二套上翹，給正常冶煉帶來很大影響。

轉(zhuǎn)底爐技術(shù)原料采用鋼鐵冶金中各種含鐵除塵灰在一定比例內(nèi)配碳后混合成球，進行焙燒，還原。鐵氧化物被還原成金屬。其爐溫可達到1300℃，粉塵中的鋅揮發(fā)后進入煙氣收集系統(tǒng)，經(jīng)布袋除塵器收集的粉塵含氧化鋅的純度約50%，可作為優(yōu)質(zhì)的含鋅原料。既做到了有益金屬的回收利用，同時也將高爐冶煉有害元素鋅進行剔除回收。

（2）典型工藝流程圖。（圖1）。

圖1 典型工藝流程圖

（3）工藝流程簡介。各種含鐵、鋅粉塵及粘結(jié)劑，通過密閉罐車送至不同的配料倉，經(jīng)定量給料機按比例配料，送混料、造球和篩分。

合格生球經(jīng)干燥（生球含水量由～12%降到～1%）后送至轉(zhuǎn)底爐振動布料器，將料均勻布到轉(zhuǎn)底爐（RHF）環(huán)形爐床上，利用RHF 爐內(nèi)約1300℃高溫及球團中的碳產(chǎn)生還原反應(yīng)。在20min ～30min 內(nèi)，將氧化鐵大部分還原成為金屬鐵；同時將氧化鋅還原為鋅，鋅進入煙氣被再氧化成氧化鋅粉末，隨煙氣一并排出。

還原的金屬化球團使用高溫水冷螺旋從RHF 爐排出，隨即進入臥式回轉(zhuǎn)筒，回轉(zhuǎn)筒內(nèi)通入氮氣以防止高溫成品球團氧化，回轉(zhuǎn)筒外設(shè)有水噴淋系統(tǒng)以熱傳導(dǎo)方式冷卻筒內(nèi)球團。冷卻后成品球團溫度從1100℃降低至300℃，再經(jīng)篩分，合格球團進入成品料倉儲存供高爐使用，篩下物返回原料系統(tǒng)或送燒結(jié)利用（也可就近設(shè)置一壓球系統(tǒng)，對成品粉進行壓球再利用。）

從RHF 爐出來的煙氣先通過余熱蒸汽鍋爐進行余熱回收，再由袋式除塵器凈化后外排，氧化鋅在余熱回收過程中和袋式除塵器逐級回收。

3 轉(zhuǎn)底爐技術(shù)實際應(yīng)用效果

3.1 燕山鋼鐵主要設(shè)施包括

（1）原料處理系統(tǒng)

（2）轉(zhuǎn)底爐系統(tǒng)

（3）成品爐冷卻及運輸系統(tǒng)

（4）高溫煙氣及余熱回收系統(tǒng)

（5）氧化鋅系統(tǒng)

（6）相關(guān)公用設(shè)施我公司轉(zhuǎn)底爐項目投用施工后，實現(xiàn)了高爐布袋灰、重力除塵灰、礦槽除塵灰、煉鋼除塵灰、燒結(jié)除塵灰等粉塵灰綜合循環(huán)利用，入爐鋅負荷由0.521（kg/t.fe）降低到0.2（kg/t.fe）左右，爐況順行程度得到明顯改善。金屬化球團金屬化率70%～80%，可作為電爐及高爐冶煉，轉(zhuǎn)爐冷料使用。收集鋅粉外賣，實現(xiàn)粉塵灰綠色循環(huán)使用。

3.2 設(shè)計基本原則

（1）貫徹國家的產(chǎn)業(yè)政策、資源綜合利用、循環(huán)經(jīng)濟、環(huán)境保護、生產(chǎn)安全與工業(yè)衛(wèi)生等各項方針政策。建設(shè)創(chuàng)新型、實用具有較強的市場競爭能力的轉(zhuǎn)底爐粉塵處理生產(chǎn)線。

（2）轉(zhuǎn)底爐制直接還原鐵創(chuàng)新型生產(chǎn)設(shè)施，配套技術(shù)應(yīng)用可靠的成熟技術(shù)，保證全流程新工藝的實施，減少技術(shù)風(fēng)險。

（3）設(shè)計中應(yīng)采用國家、行業(yè)和地方的有效標準、規(guī)程、規(guī)范，堅決貫徹有關(guān)環(huán)保、安全、勞動衛(wèi)生及消防等國家及地方有關(guān)法規(guī)。鋼鐵工業(yè)設(shè)計的主要法律、法規(guī)和標準見相關(guān)內(nèi)容。

（4）系統(tǒng)要在“先進、經(jīng)濟、實用、可靠”的原則下達到國內(nèi)先進水平。

（5）項目生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備實現(xiàn)自主開發(fā)，轉(zhuǎn)底爐和氧化鋅加收均采用國產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備，降低工程投資。

3.3 項目實際效果

轉(zhuǎn)底爐項目投用施工后，實現(xiàn)了高爐布袋灰、重力除塵灰、礦槽除塵灰、煉鋼除塵灰、燒結(jié)除塵灰等粉塵灰綜合循環(huán)利用，入爐鋅負荷由0.521（kg/t.fe）降低到0.2（kg/t.fe）左右，爐況順行程度得到明顯改善。金屬化球團金屬化率70%～80%，可作為電爐及高爐冶煉，轉(zhuǎn)爐冷料使用。收集鋅粉外賣，實現(xiàn)粉塵灰綠色循環(huán)使用。

將固廢再生利用業(yè)務(wù)作為一項多元產(chǎn)業(yè)發(fā)展。通過對固廢資源集中整合，構(gòu)建內(nèi)部固廢利用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展平臺，設(shè)計新的理想業(yè)務(wù)模式，這樣既有利于固廢資源的集中管理，優(yōu)化固廢的處置利用，又能支撐燕鋼對落實固廢處理末端管理，降低因處置不當或失控后出現(xiàn)二次污染。

推進燕鋼內(nèi)部小循環(huán)、燕鋼與固廢利用平臺中循環(huán)、以及與社會之間大循環(huán)的協(xié)調(diào)發(fā)展，實現(xiàn)一次資源的利用效率最大化，二次資源的回用價值最大化，三次資源的綜合利用效益最大化，使鋼鐵主業(yè)與固廢、其他副產(chǎn)品利用業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)發(fā)展，實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)、社會和經(jīng)濟效益整體最優(yōu)。

4 轉(zhuǎn)底爐技術(shù)完善改進

4.1 配料改進

通過不斷摸索各種除塵灰配料特性，目前已經(jīng)高爐重力除塵灰等顆粒粒徑較大的除塵灰進行常規(guī)使用。目前正在不斷改善配料提高金屬化含鐵品位，增加后續(xù)工藝使用量，降低工藝能耗。

4.2 轉(zhuǎn)底爐工藝流程改進

根據(jù)項目實際生產(chǎn)情況，不斷摸索、完善生產(chǎn)工藝，通過我公司自主研發(fā)除塵灰水洗工藝，降低除塵灰中氯離子含量，減少因氯離子腐蝕對余熱鍋爐管束的腐蝕，延長設(shè)備使用壽命。洗灰廢水通過濃水蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)，實現(xiàn)污水零排放，副產(chǎn)品鹽類外賣處理。

完善富氧燃燒系統(tǒng)，在原燃燒系統(tǒng)上增加富氧管道，有效提高燃氣燃燒溫度，降低燃料消耗以及對熱值的需求。

5 結(jié)論

燕山鋼鐵工程含鐵粉塵及污泥綜合處理系統(tǒng)通過采用轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝，在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)對含鋅球團進行脫鋅和鋅粉回收，同時產(chǎn)出直接還原球團作為電爐、高爐優(yōu)質(zhì)原料，實現(xiàn)鐵、鋅、碳的綜合回收和利用。有效解決了鋅等堿金屬循環(huán)富集對鋼鐵生產(chǎn)的影響，實現(xiàn)了固廢循環(huán)利用綠色冶金。