轉(zhuǎn)底爐處理冶金固廢的節(jié)能研究與應(yīng)用

劉長正

（寶武集團(tuán)環(huán)境資源科技有限公司轉(zhuǎn)底爐事業(yè)部，上海 201900）

鋼鐵生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量固體廢棄物，鋼鐵企業(yè)含鐵塵泥產(chǎn)生量約為噸鋼的10%，其中，鋅、鉛、鈉、鉀等元素含量較高的粉塵占鋼鐵企業(yè)粉塵量的25%～30%，這些廢棄物是可以利用的二次資源，它們主要是高爐除塵灰或泥、轉(zhuǎn)爐除塵灰或泥、部分軋鋼污泥等。傳統(tǒng)做法是將這些塵泥回收后直接返回?zé)Y(jié)加以利用，導(dǎo)致鋅、鉛等有害元素在系統(tǒng)中不斷循環(huán)富集，隨著煉鋼高鋅廢鋼比例不斷增加，含鐵塵泥物料的含鋅量逐漸上升，導(dǎo)致高爐鋅負(fù)荷超標(biāo)，影響煉鐵生產(chǎn)的順利運(yùn)行和設(shè)備壽命。隨著環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，委外處置日益困難。因此，鋼鐵企業(yè)普遍尋求各種消化與處理含鐵含鋅塵泥的方案，如回轉(zhuǎn)窯、轉(zhuǎn)底爐等。經(jīng)過多年發(fā)展，轉(zhuǎn)底爐工藝可實(shí)現(xiàn)含鐵含鋅塵泥的循環(huán)利用，取得良好的環(huán)境效益和社會效益，逐漸獲得認(rèn)可。轉(zhuǎn)底爐工藝原料適應(yīng)性強(qiáng)，操作靈活，引起冶金界高度重視。

目前，轉(zhuǎn)底爐處理含鐵含鋅塵泥的工藝日趨成熟，中國寶武鋼鐵集團(tuán)（下屬馬鋼集團(tuán)、寶鋼湛江鋼鐵有限公司、上海基地和武漢基地）、山東鋼鐵集團(tuán)、河北鋼鐵集團(tuán)等均有建成投產(chǎn)的轉(zhuǎn)底爐，未來幾年，各大長流程鋼鐵企業(yè)均會建設(shè)轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線，轉(zhuǎn)底爐替代能耗高的回轉(zhuǎn)窯是大勢所趨。業(yè)界認(rèn)為，轉(zhuǎn)底爐能耗比回轉(zhuǎn)窯低，但能耗占運(yùn)行成本的比例仍較大，碳達(dá)峰碳中和背景下如何降低能耗是轉(zhuǎn)底爐未來的研究方向，目前，轉(zhuǎn)底爐節(jié)能降耗的研究仍較少。本文結(jié)合轉(zhuǎn)底爐處理冶金固廢的常規(guī)工藝流程，分析高能耗環(huán)節(jié)并提出解決方案，論述中國寶武鋼鐵集團(tuán)在轉(zhuǎn)底爐節(jié)能方面的研究和實(shí)踐，并展望碳達(dá)峰碳中和背景下未來轉(zhuǎn)底爐節(jié)能降耗、降低成本的新途徑。

1 鋼鐵企業(yè)塵泥利用現(xiàn)狀

鋼鐵企業(yè)典型的含鐵塵泥主要包括原料粉塵、燒結(jié)粉塵、高爐除塵灰（泥）、轉(zhuǎn)爐除塵灰（泥）、電爐粉塵等，根據(jù)塵泥的成分及性質(zhì)，返回不同工序利用，主要方式有3 種：冷壓塊做煉鋼原料、混勻后返燒結(jié)配料、資源化利用。鉛、鋅、鉀、鈉含量較高的含鐵塵泥一般返生產(chǎn)利用，或者外銷進(jìn)行再加工，回收有價金屬。隨著環(huán)保壓力日益增加，外銷越來越困難，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)只能尋求內(nèi)部消納，開始推行固廢不出廠，積極探索含鐵含鋅塵泥的資源化利用途徑。鋼鐵企業(yè)內(nèi)部資源化利用途徑主要是脫除鉛、鋅等有害元素，再內(nèi)部循環(huán)，回收資源，為鋅循環(huán)尋找開路。

國內(nèi)含鐵含鋅塵泥處理以回轉(zhuǎn)窯和轉(zhuǎn)底爐為主，回轉(zhuǎn)窯工藝存在易結(jié)圈、能耗高、環(huán)保不達(dá)標(biāo)等問題，逐步退出。目前，轉(zhuǎn)底爐工藝逐步興起，該工藝對含鐵含鋅塵泥、粘結(jié)劑以及還原劑（焦粉或者煤粉）進(jìn)行配料，然后混勻進(jìn)行壓球或造球，生球在烘干后通過布料裝置均勻布至爐內(nèi)，爐內(nèi)采用煤氣燃燒加熱，爐內(nèi)溫度控制在1 000 ～1 350 ℃，此溫度下鐵氧化物被逐步還原，鋅氧化物還原成鋅蒸氣，被煙氣帶走，在后續(xù)煙氣降溫過程中被收塵裝置收集，獲得含氧化鋅的副產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)鋅與鐵元素分離。

2 轉(zhuǎn)底爐工藝流程簡介

轉(zhuǎn)底爐的常規(guī)工藝流程如圖1 所示。具體來說，各種粉塵干灰直接進(jìn)入配料間料倉，烘干機(jī)烘干后的含鐵含鋅塵泥（含水6%左右）進(jìn)入料倉，將原料、還原劑、粘結(jié)劑按比例配料，經(jīng)過混合、壓球、篩分，將大于8 mm 的含碳球團(tuán)均勻地布到轉(zhuǎn)底爐環(huán)形爐床上，轉(zhuǎn)底爐爐內(nèi)溫度控制在1 000 ～1 350 ℃，在20 ～30 min 內(nèi)，含碳球團(tuán)被還原成金屬化球團(tuán)，同時氧化鋅被還原為鋅，鋅揮發(fā)進(jìn)入煙氣中，經(jīng)過余熱鍋爐進(jìn)行余熱回收，余熱鍋爐出來的煙氣溫度降至小于200 ℃，其由袋式除塵器凈化后外排，氧化鋅在袋式除塵器中逐級回收。

圖1 轉(zhuǎn)底爐的常規(guī)工藝流程

還原后的金屬化球團(tuán)經(jīng)高溫出料螺旋從轉(zhuǎn)底爐排出，進(jìn)入圓筒冷卻機(jī)。冷卻后，成品球團(tuán)溫度降至小于200 ℃，篩分后合格成品球（粒徑不小于5 mm）供高爐使用，篩下成品粉料（粒徑小于5 mm）供燒結(jié)使用。

3 轉(zhuǎn)底爐工藝的高能耗環(huán)節(jié)

3.1 原料處理

從原料來看，除粉塵干灰外，轉(zhuǎn)底爐工藝還要處理鋼鐵企業(yè)的含鐵含鋅污泥，主要處理的污泥為氧氣轉(zhuǎn)爐煙氣回收法（OG）污泥、高爐瓦斯污泥等。這些污泥含水率通常為25%～35%，現(xiàn)有流程均采用圓筒烘干機(jī)烘干。烘干機(jī)熱源通常為煙氣發(fā)生爐，通過發(fā)生爐發(fā)生的700 ℃左右高溫?zé)煔鈱ξ勰噙M(jìn)行烘干，一般采用高爐煤氣或者轉(zhuǎn)爐煤氣作為燃料，需要耗費(fèi)大量能源，單臺轉(zhuǎn)底爐污泥烘干煙氣發(fā)生爐需要耗費(fèi)的轉(zhuǎn)爐煤氣高達(dá)5 200 Nm/h。

3.2 轉(zhuǎn)底爐球團(tuán)烘干

生球烘干是物料進(jìn)入轉(zhuǎn)底爐進(jìn)行還原之前的一道關(guān)鍵工序，生球干燥優(yōu)劣直接關(guān)系到轉(zhuǎn)底爐爐內(nèi)還原氣氛控制、成品產(chǎn)量、粉化率、金屬化率等關(guān)鍵指標(biāo)。日照鋼鐵控股集團(tuán)轉(zhuǎn)底爐曾經(jīng)采用不烘干直接入爐模式，事實(shí)證明，不烘干對轉(zhuǎn)底爐的生產(chǎn)指標(biāo)影響很大，轉(zhuǎn)底爐爐溫不穩(wěn)定，容易導(dǎo)致分化，造成爐底板結(jié)，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)品噸球能耗偏大。生球烘干跟污泥烘干一樣，采用烘干機(jī)（鏈篦機(jī)或網(wǎng)帶烘干機(jī)），利用煙氣發(fā)生爐的高溫?zé)煔夂娓?，但漏風(fēng)較大，同樣需要耗費(fèi)大量能源，單臺轉(zhuǎn)底爐生球烘干煙氣發(fā)生爐需要耗費(fèi)的轉(zhuǎn)爐煤氣高達(dá)5 200 Nm/h。

3.3 轉(zhuǎn)底爐本體

因球團(tuán)只能布1 ～3 層，轉(zhuǎn)底爐爐膛空間利用嚴(yán)重不足，同時，轉(zhuǎn)底爐需要通過燒嘴燃燒來實(shí)現(xiàn)輻射加熱。因此，轉(zhuǎn)底爐系統(tǒng)用能主要集中在轉(zhuǎn)底爐本體燃燒加熱上。另外，如果煤氣熱值不穩(wěn)定，導(dǎo)致爐溫不穩(wěn)定，將造成煤氣耗量增加，因此國內(nèi)常通過提升助燃空氣和煤氣溫度來保證燃燒溫度。

3.4 煙氣系統(tǒng)

轉(zhuǎn)底爐的能量利用率低、能耗高，根據(jù)轉(zhuǎn)底爐熱平衡測算，煙氣帶走的熱量接近50%。為了提高能量利用率，要對這部分熱量進(jìn)行充分利用。國內(nèi)主要的轉(zhuǎn)底爐工藝均對空氣、煤氣進(jìn)行預(yù)熱，以提高熱效率。轉(zhuǎn)底爐出口煙氣溫度一般為1 100 ℃左右，日照鋼鐵控股集團(tuán)轉(zhuǎn)底爐工藝通過換熱器對助燃風(fēng)和煤氣進(jìn)行預(yù)熱，回收熱能。助燃空氣預(yù)熱器可以將助燃空氣加熱，使其保持在450 ～480 ℃，煤氣預(yù)熱器將發(fā)生爐煤氣加熱，使其保持在250 ～280 ℃。例如，江蘇沙鋼集團(tuán)、馬鋼集團(tuán)均采用助燃空氣預(yù)熱器加鍋爐的形式，但經(jīng)常發(fā)生換熱器堵塞，導(dǎo)致空氣預(yù)熱溫度只有200 ～300 ℃，影響爐溫，反而導(dǎo)致鍋爐燃燒耗費(fèi)更多煤氣。盡管國內(nèi)各家均采用余熱回收方案，但最終結(jié)果均不太理想，設(shè)備故障率高，回收效率低，甚至經(jīng)常導(dǎo)致排放煙氣溫度過高，熱量損失多。

3.5 球團(tuán)冷卻

轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)從爐內(nèi)排出后，其溫度為 1 100 ℃左右。高溫球團(tuán)出來后，目前國內(nèi)常用外部噴淋式圓筒冷卻機(jī)將其冷卻至小于200 ℃，大量的水通過噴淋蒸發(fā)吸收熱量，蒸汽排入大氣，熱量不回收，造成水資源的大量浪費(fèi)，每小時損失水量超過10 t，金屬化球團(tuán)所攜帶的熱焓全部通過蒸汽排入大氣。同時，圓筒冷卻機(jī)需要通入大量氮?dú)膺M(jìn)行密封，防止球團(tuán)再氧化，造成大量氮?dú)馀欧拧?/p>

4 轉(zhuǎn)底爐節(jié)能技術(shù)研究及實(shí)踐

針對傳統(tǒng)轉(zhuǎn)底爐工藝存在的能源消耗及回收問題，中國寶武鋼鐵集團(tuán)在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷提高自主集成能力，積極研究轉(zhuǎn)底爐節(jié)能新技術(shù)，開發(fā)新裝備，減少耗能環(huán)節(jié)，加強(qiáng)余熱回收，使得轉(zhuǎn)底爐系統(tǒng)能耗大幅下降。

4.1 低能耗原料預(yù)處理

4.1.1 流態(tài)化原料烘干技術(shù)

針對圓筒烘干機(jī)能耗較高，投資大，污泥烘干能力有限的問題，中國寶武鋼鐵集團(tuán)上海轉(zhuǎn)底爐項目與廠家聯(lián)合開發(fā)了流態(tài)化烘干機(jī)，該烘干機(jī)能實(shí)現(xiàn)污泥快速打散、懸浮與烘干，可實(shí)現(xiàn)大產(chǎn)能、高效率、降能耗的目的，兩種設(shè)備的參數(shù)對比如表1 所示。與圓筒烘干機(jī)相比，流態(tài)化烘干機(jī)熱效率提高15%～25%，占地面積小，物料在懸浮狀態(tài)下快速烘干，停留時間短（2 ～5 s），產(chǎn)量高，熱耗及電耗低。

表1 烘干機(jī)參數(shù)對比

4.1.2 原料水分中和技術(shù)

大多數(shù)轉(zhuǎn)底爐原料中，既有干粉，也有含水率較高的污泥，而干粉原料又需要配加水分進(jìn)行混合壓球，因此可以考慮通過干料和濕料混合調(diào)節(jié)水分，避免濕料烘干后再次加入水分。這樣可以節(jié)約大量烘干能源。寶武集團(tuán)中南鋼鐵有限公司轉(zhuǎn)底爐就采用膠帶輸送機(jī)將微波碳熱還原轉(zhuǎn)爐干法除塵（LT）灰與含水35%的OG 污泥轉(zhuǎn)運(yùn)至干濕攪拌混合機(jī)，LT 灰與OG污泥在干濕攪拌混合機(jī)內(nèi)攪拌混合，得到水分≤6%的混合料，直接配料壓球，節(jié)約大量能源。

4.2 高溫球團(tuán)余熱回收

外噴淋圓筒冷卻主要以蒸發(fā)方式形成水蒸氣降溫，冷卻效果不佳，球團(tuán)溫度一般在180 ℃左右，而且水蒸氣直接排入大氣形成白色污染，設(shè)備長期被水侵蝕，損壞嚴(yán)重，高溫球團(tuán)的熱量無法回收，造成能源浪費(fèi)。

寶鋼湛江鋼鐵有限公司自行開發(fā)了采用管束換熱方式的冷卻介質(zhì)內(nèi)循環(huán)式冷卻機(jī)，整個圓筒由換熱膜式壁組成，傳動裝置帶動冷卻筒體旋轉(zhuǎn)的同時帶動筒體內(nèi)部的高溫物料自進(jìn)料端向出料端移動，冷卻筒體在轉(zhuǎn)動過程中將熱量傳遞給膜式壁結(jié)構(gòu)內(nèi)的冷卻介質(zhì)，冷卻介質(zhì)受熱升溫后進(jìn)入鍋爐系統(tǒng)。成品球團(tuán)冷卻效果更好，與外部噴淋式圓筒冷卻機(jī)相比，其冷卻溫度由150 ～190 ℃下降到小于100 ℃，成品直接還原鐵（DRI）的冷卻溫度下降近100 ℃，一次性投資節(jié)省313.15 萬元，年節(jié)省工業(yè)水32.2 萬元，年節(jié)省檢修費(fèi)用5.5 萬元，年可回收熱能9.23×10GJ。密封用氮?dú)夂牧恳泊蠓档停瑥囊黄诘?00 Nm/h 降低為350 Nm/h，年節(jié)約氮?dú)?.375×10Nm。

4.3 轉(zhuǎn)底爐富氧燃燒

目前，轉(zhuǎn)底爐燃燒系統(tǒng)面臨煤氣熱值低、爐溫難以保證的技術(shù)問題。轉(zhuǎn)底爐富氧燃燒技術(shù)使用低熱值煤氣進(jìn)行燃燒，也能保證較高的燃燒溫度，可以解決該問題。其采用變壓吸附制氧法，工藝成熟、投資低，運(yùn)行維護(hù)簡單。氧氣從助燃風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口與空氣一起被吸入風(fēng)機(jī)，形成的富氧空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)加壓后送入爐內(nèi)。

中國寶武鋼鐵集團(tuán)某項目引進(jìn)轉(zhuǎn)底爐富氧燃燒技術(shù)，采用真空變壓吸附制氧，降低了制氧成本，具有經(jīng)濟(jì)可行性，氧氣成本約為0.3 元/m，燃燒系統(tǒng)燃?xì)饪梢詥为?dú)使用轉(zhuǎn)爐煤氣，煤氣使用量約為 7 800 m/h，預(yù)熱助燃空氣量減少6 500 m/h，整個燃燒系統(tǒng)運(yùn)行成本可節(jié)約600 元/h，年節(jié)約能源成本約400萬元。

4.4 節(jié)能烘干工藝

生球烘干是轉(zhuǎn)底爐系統(tǒng)的重要一環(huán)，需要將含水16%的生球烘干成含水≤2%的干球。寶武集團(tuán)中南鋼鐵有限公司和江蘇永鋼集團(tuán)均將轉(zhuǎn)底爐主煙氣系統(tǒng)尾氣（150 ℃）與生球干燥熱風(fēng)爐產(chǎn)生的煙氣混合，作為生球烘干的煙氣，充分利用主煙氣系統(tǒng)尾氣熱量，可大大降低高爐煤氣消耗。

相比鏈篦機(jī)、網(wǎng)帶烘干機(jī)，中國寶武鋼鐵集團(tuán)自主研發(fā)的超強(qiáng)鋼帶烘干機(jī)熱量置換更充分，同樣溫度與流量的工況下，能將溫度由入口的250 ℃置換到出口的100 ℃（甚至更低），而網(wǎng)帶烘干機(jī)置換后，出口溫度超過110 ℃。超強(qiáng)鋼帶烘干機(jī)采用烘干煙氣分段控制工藝（煙氣兩段烘干），但每段箱體采用單獨(dú)風(fēng)機(jī)控制，精準(zhǔn)控制溫度曲線，效果良好。同時，優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，控制漏風(fēng)率，最終實(shí)現(xiàn)烘干煙氣風(fēng)量降低70 000 m/h、風(fēng)機(jī)功率降低100 kW 的目標(biāo)，年節(jié)約電量75.5×10kW·h，年節(jié)能費(fèi)用為75.3萬元。

4.5 煙氣系統(tǒng)效能提升

國內(nèi)部分轉(zhuǎn)底爐余熱鍋爐和換熱器配合時出現(xiàn)換熱器粘堵問題，導(dǎo)致煙氣系統(tǒng)出口煙溫高，需要摻入大量冷風(fēng)將煙氣降溫，再通過收粉布袋回收，導(dǎo)致熱量浪費(fèi)。同時，換熱器粘堵導(dǎo)致風(fēng)損大，氣流不暢經(jīng)常導(dǎo)致風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行，能耗加大，實(shí)際并未達(dá)到預(yù)期的能源回收效果。因此，寶鋼湛江鋼鐵有限公司轉(zhuǎn)底爐創(chuàng)造性采用全鍋爐形式，提高蒸汽回收量，降低摻冷風(fēng)量，并將部分要排放的150 ℃左右尾氣引入烘干機(jī)進(jìn)行烘干，回收大量能源。例如，對于同樣20 萬t/a 處理能力的轉(zhuǎn)底爐，馬鋼集團(tuán)轉(zhuǎn)底爐蒸汽回收量為9 t/h，寶鋼湛江鋼鐵有限公司轉(zhuǎn)底爐可達(dá)25 t/h，蒸汽回收量增加1倍多。

4.6 轉(zhuǎn)底爐燃燒控制技術(shù)

轉(zhuǎn)底爐直接還原含鐵球團(tuán)是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，金屬鐵的還原程度與溫度、氣氛和爐底轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。中國寶武鋼鐵集團(tuán)自主研發(fā)的轉(zhuǎn)底爐控制專家系統(tǒng)、燃燒模型和物料跟蹤模塊可實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)氣氛及反應(yīng)過程的精準(zhǔn)控制，從而大大降低一次能源的消耗。燃燒控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)底爐還原段殘氧和可燃物含量的數(shù)據(jù)讀取，并根據(jù)工藝要求，以曲線圖、棒線圖、瞬時值的方式顯示，數(shù)值穩(wěn)定、可靠。專用算法可實(shí)現(xiàn)節(jié)能量的在線計算，可以以瞬時值、曲線值和累計值的方式顯示，燃燒控制系統(tǒng)再輸出控制參數(shù)給分散控制系統(tǒng)（DCS），包括空燃比修正值或其他調(diào)節(jié)空燃比的控制參數(shù)，能實(shí)現(xiàn)反饋控制。燃燒控制系統(tǒng)具有兩大突出功能。

一是節(jié)能量在線估算。燃燒控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能量的在線估算。節(jié)能量就是多余空氣帶走的熱量和剩余燃料損失的熱量之和，計算公式為：

式中：為節(jié)能量；為多余空氣帶走的熱量；為剩余燃料損失的熱量。

多余空氣帶走的熱量就是空氣過剩系數(shù)曲線圖中超出上界的部分，剩余燃料損失的熱量是空氣過剩系數(shù)曲線圖中超出下界的部分。二者可以分別用公式表示為：

式中：Δ為多余的空氣量；為煙氣的熱值；為剩余燃料的量；為燃料的熱值。

二是空燃比動態(tài)尋優(yōu)。主要方法是最高爐溫法，具體來說，確定最佳空燃比，尋找完全燃燒對應(yīng)的最高爐溫，當(dāng)轉(zhuǎn)底爐工況發(fā)生變化后，通過調(diào)節(jié)值，獲得對應(yīng)的爐溫，通過比較找出最大爐溫，其對應(yīng)的值為該工況的最佳值，以最佳值作為設(shè)定值進(jìn)行燃燒控制。轉(zhuǎn)底爐控制專家系統(tǒng)可在線測控計算需要的全部參數(shù)，可對爐內(nèi)氣氛控制的精度做出判斷，可對燃燒優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的節(jié)能量進(jìn)行測算。

針對轉(zhuǎn)底爐工藝存在的能耗問題，諸多鋼鐵企業(yè)不斷研究和改進(jìn)，在新項目中實(shí)施節(jié)能方案，采用新型節(jié)能工藝或設(shè)備，轉(zhuǎn)底爐的能耗大幅降低，如表2 所示。成品球工序能耗不統(tǒng)計內(nèi)含碳，內(nèi)含碳為粉塵自帶，同類企業(yè)計算能耗時一般不統(tǒng)計。

表2 轉(zhuǎn)底爐處理含鐵含鋅塵泥的主要能耗指標(biāo)對比

5 結(jié)論

隨著社會和科技的進(jìn)步，充分利用能源、減少污染物排放成為鋼鐵行業(yè)面臨的主要問題之一。轉(zhuǎn)底爐的能量利用率較低，經(jīng)過不斷研發(fā)和改進(jìn)，轉(zhuǎn)底爐能耗目前有了極大的降低，但在碳達(dá)峰碳中和的背景下，轉(zhuǎn)底爐的能耗仍需要不斷降低。因此，未來應(yīng)全方位考慮能源利用途經(jīng)，研發(fā)、推廣新型轉(zhuǎn)底爐工藝與設(shè)備，同時不斷開發(fā)和利用新的綠色能源，向?qū)崿F(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的目標(biāo)邁進(jìn)。