转底炉直接还原冶金固体废物研究进展.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 25 日 作者简介：张浩浩（1986），男，汉族，安徽宿州人，高级工程师，研究生学历，研究方向为市政、冶金固废资源化利用。-187-转底炉直接还原冶金固体废物研究进展 张浩浩1 陈 珂1 夏 阳1 王啟胜2 万军营2 1.中冶南方都市环保工程技术股份有限公司，湖北 武汉 430000 2.武汉科技大学冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430000 摘要：摘要：通过对比分析钢铁厂含铁含锌粉尘的处置方式，特别针对粉尘处理种类多、运行设备寿命短和处理效率低等问题，选择较为成熟的转底炉处置工艺作为研究对象。归纳总结了转底炉处理冶金含铁含锌尘泥的发展概述及前景，并结合生产过程中的实际问题提出待优化的改进措施。最后调查了当今钢铁企业的发展形式和对处理含铁含锌粉尘的迫切需求，得出结论，转底炉工艺处理钢铁企业含铁含锌粉尘必将得到大范围应用。关键词：关键词：钢铁企业；含铁含锌粉尘；综合利用；转底炉工艺 中图分类号：中图分类号：X757 2022 年我国钢铁行业粗钢产量达 10.13 亿吨，位居世界第一。钢铁行业的蓬勃发展，为我国国民经济发展与社会进步提供了重要支撑，但同时也带来了环境治理问题，主要由于钢铁企业生产过程中会产生大量的含铁含锌粉尘、污泥等固体废弃物。近年来，国内外对钢铁厂含铁含锌粉尘处理技术进行了深入研究，其中，粉尘处理的一个重要领域是固废料脱锌技术，这一技术备受关注。固废料脱锌工艺可分为湿法分离和火法分离两种方式。湿法分离工艺相对简便，但其分离效率不高，且获得的产品可利用的附加价值较低1。而火法分离工艺分为三种：回转窑法、竖炉法、转底炉法。其中，回转窑工艺在处理低锌物料时存在不适宜之处，同时使用回转窑处理低锌物料可能会导致铁料的金属化率降低，难以有效地将其转化成可利用的金属形态产品。此外，回转窑工艺在生产过程中常常出现结圈现象，增加生产成本，降低生产效率，作业率较低，一般仅为 70%2。竖炉处理废弃粉尘是通过将粉尘造块后与焦炭一起进入竖炉冶炼，在炉底形成金属和渣相熔池，最终得到铁水，但炉衬寿命短，造块成本高，作业率偏低。转底炉处理废弃粉尘的工艺目前已相对成熟，且已经成功在国内多家钢厂得到广泛应用3。1 转底炉工艺 1.1 转底炉工艺的发展概述 转底炉工艺，也称为 Rotary Hearth Furnace（RHF），是一种煤基快速直接还原技术。它的主体设备由改进环形加热炉发展而来，具有环形炉膛和可转动的炉底。炉料均匀地铺在可以沿圆周循环转动炉底上，炉膛是一个固定的相对密封的环状容器，炉膛内外墙上布置有多组燃气烧嘴，按不同的区域通过自动调节阀装置和检测元件实现温度控制和气氛调节。转底炉工艺的思想最早由 Midrex 公司前身美国Ross 公司提出，并于 1964 年开始进行规模试验。1978年，美国 Inmetco 公司在宾州埃尔伍德市建成第一座处理 5.6 万 t 电炉钢粉尘能力的具有商业意义的转底炉。此后，转底炉技术在全球范围内得到了广泛研究和应用。在转底炉的发展过程中，美国、德国、日本等国家都相继投入力量开发研究，先后建立起工业化生产厂。目前，该技术已经日趋成熟，并表现出较好的商业发展潜力。进入 21 世纪，国内钢铁企业在 2007 年至 2010 年期间，马钢、莱钢、日照钢铁、沙钢四家钢铁企业分别采用引进、自主研发或联合开发等方式进行转底炉处置含铁含锌粉尘工艺产线工业化的探索。经过几年的实践，摸索取得了一定程度的成功，初步确认了该技术的工艺路线与核心设备。然而，由于在转底炉工业化实施过程中存在技术成熟度不高、生产不稳定、运营成本高等问题，导致该工艺在行业内饱受争议。因此，2011 年至 2015 年期间转底炉的工业化进程基本停滞。近年来，国内诸多技术团队通过技术研发、管理优化和资源投入基本解决了转底炉工业化核心问题，使之成为稳定成熟的工业化产线。至 2021 年底，国内中国科技期刊数据库 工业 A-188-运营（在建）转底炉的数量将会达到 17 座，其中由中国宝武投资、建设、运营及技术输出的有上海 2 座、湛江 2 座、马鞍山 1 座、韶关 1 座、武汉 2 座、永钢等 9 座，市场占有率达 53%4。1.2 转底炉工艺处理固废类型 转底炉处理含铁含锌粉尘的工艺包含多个关键步骤。首先，针对处置原料进行成分分析，针对炼钢除尘灰由于其含有较高比例氧化钙，处理之前，需进行消解处理。消解完的炼钢灰与其它原料进行合理的配比，随后充分加湿混合，将混合物通过压球设备或造球设备进行成型，压球或造球后合格产品，通过烘干过程去除多余水分。最终，水分控制在 2%以下的生球团直接送入转底炉内，经过焙烧还原处理，实现废弃含铁含锌尘泥的有效处理和资源回收。截止目前，转底炉工艺已在国内多家钢厂成功应用并取得显著成果。转底炉炉膛内部，铁的氧化物被逐渐还原成铁单质，生成的金属化球团 DRI 从转底炉通过螺旋出料排出，送入圆筒冷却设备，冷却完成低于 180球团通过链斗机或皮带送入筛分设备，大于5mm 的筛上的 DRI 球团可用作转炉/电炉炼钢的原料，小于 5mm 筛下物可直接返回烧结或再压块送入高炉炼铁或转炉/电炉炼钢；锌的氧化物被还原成锌蒸汽从球团中逸出，随着烟气进入烟道，烟道中锌蒸汽被再次氧化为氧化锌，通过布袋收尘系统回收，最终得到富含氧化锌的产品4。目前，我国转底炉技术主要用于处置钢铁行业产生的含铁含锌铁尘泥。图 1 是转底炉直接还原工艺中可处理的冶金固体废物，包括：高炉出铁场灰、高炉二次尘泥、炼钢 LT 灰、炼钢 OG 细泥、电炉除尘灰、转炉二次除尘、冷轧酸碱污泥、冷轧含锌污泥等。图 1 转底炉工艺可处理的常见冶金固废 以国内某钢厂为例，待处置原料包含环境灰、高炉炉前灰、高炉槽下灰、高炉 TRT 灰、炼钢污泥等含铁含锌尘泥，通过原料成分检测发现：环境灰是各生产车间除尘设备产生，含铁率、钙含量、锌含量均较高，分别为 49.07%、10.25%与 3.47%。高炉炉前灰含铁率及含碳率很高，分别为 58.59%与 9.06%；但是含锌率低，仅为 0.29%。高炉槽下灰含铁量高达 55.51%，含碳率与含锌率较低，分别为 4.92%和 0.33%。高炉 TRT灰含铁率为 26.24%，含碳率高达 25.87、含锌率为2.37%，CaO 为 4.24%。炼钢污泥含铁率为 49.07%，含锌率为 3.47%，含碳为 5.92%，由于其 CaO 含量高达10.25%，因此原料处置前需进行污泥消解（消解完成后物料中仍含有大块 CaO 物质，则消解不完全，需进一步破碎消解）。CDQ 粉的成分组成包含大部分的碳和少量的挥发分，平均含碳量为 81.21%。结合上述检测结果，对转底炉原料进行配比并进行造球处理，环境灰、高炉炉前灰、高炉槽下灰、高炉 TRT 灰、炼钢污泥、CDQ 粉配比为：15%：15%：9%：4%：50%：7%，生产产品金属化率70%，粉化率20%，氧化锌粉品味50%，产品强度500 N/个球，具有良好经济及社会价值。1.3 转底炉工艺发展前景 转底炉工艺作为一种煤基快速直接还原技术，具有对原料、燃料和还原剂的要求灵活、投资少、工艺简单、设备易于制造、运行可靠、操作灵活等优点。同时，它在处理冶金粉尘和环境保护方面也具有巨大的潜力。目前，转底炉工艺已经得到了广泛应用，并在多个国家实现了工业化生产。在中国，该技术的应用也在逐步推广，已有不少企业开始从事相关的研究和应用。考虑到转底炉工艺的优越性和市场需求，以及其在处理冶金粉尘和环境保护方面的巨大潜力，可以预见转底炉工艺在未来将继续受到重视和推广。同时，随着技术的不断进步和工业化应用的深入，转底炉工艺也将不断得到优化和改进，提高生产效率、降低成本、提升产品质量等方面也将成为未来的研究重点。2021 年，国家发改委和环保部门联合发布了关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见。这一指导意见明确了在钢铁冶金行业广泛推广“固废不出厂”和加强“全量化利用”的战略目标，为满足政策要求，钢铁厂需要积极采用成熟的固体废弃物综合利用工艺，以有效地降低固废排放，实现资源的最中国科技期刊数据库 工业 A-189-大化回收和再利用。这一举措不仅有助于环境保护，还有助于提高钢铁行业的可持续发展。固体废物综合利用的根本目标在于有效去除其中的有害元素，包括但不限于 K、Na、Cl 和 Zn 等物质。一旦成功脱除这些有害元素，固体废物中的 Fe 成分就可以被充分利用，作为含铁原料，而 Si、Ca、Mg 和 Al等杂质则可用作熔剂或造渣剂，为工业生产提供重要的原料资源。然而，有害元素 K、Na、Cl 和 Zn 在综合利用过程中必须以可用于产品制造的形式存在，以避免可能引发的二次污染问题。因此积极推动转底炉工艺的发展以解决生产中的问题，对于实现钢铁厂对含铁含锌粉尘的高效利用具有至关重要的意义。这一举措的关键在于确保高炉顺产，并且能够最大程度地充分利用粉尘中所包含的有价资源，特别是铁和锌等元素。这种综合利用策略不仅有助于提高生产效率，还对中国的钢铁工业可持续发展具有重要意义，因为它有助于减少资源浪费、减轻环境压力，为行业的未来发展奠定了坚实的基础2。2 转底炉工艺应用于固废处理的问题 转底炉工艺在废弃粉尘处理中具备一系列明显的优点。经过多年的不断发展，这一工艺已相对成熟，其脱锌率普遍较高，表现出了可观的技术及经济优势。相对于其他处理方法，值得注意的是，转底炉工艺对原燃料的选择更加灵活，这为生产提供了较大的便利性。此外，工艺设备相对简单且易于制造，如转底炉本体的结构类似轧钢环形加热炉，同时一些辅助设备与传统的球团设备类似，从而大大降低了转底炉初期投资的成本。同时与回转窑等其他方法比较，该工艺的环境污染较小，符合可持续发展的理念。然而，转底炉工艺也存在一些不容忽视的缺点。首先，由于其主要依赖辐射传热，炉底只能铺设 13层球团，这导致其存在能耗较高和生产率较低的问题，需要更多的能源投入以维持生产效率。其次，由于处理的粉尘成分复杂，烟气中易凝结物质较多，容易导致余热回收系统的堵塞和黏结问题，余热锅炉系统需投入大量维护和管理成本。再次，出料设备和耐材方面也存在损耗较快的问题，这一问题需要进一步的研究和优化，以提高工艺的可持续性和经济性。最后，球团粉化问题是转底炉处理含铁含锌尘泥的另一个技术难题，这就导致钢铁企业必须增加筛分装置，筛下物返回烧结工序或再压块送至高炉工序，但由于筛下物金属化率偏低，锌含量较高，钢铁厂一般都不会使用这种原料。然而，针对转底炉处理含铁含锌尘泥出现的球团粉化物质，目前研究很少或几乎没有研究。如公开号cn106544498a公开了一种含铁粉尘高效烧结方法，将炼铁区域产生的低锌含铁粉尘与粘接剂配料混匀，在圆盘造球机上制成直径312mm的粉尘球团，加入混合料中得到烧结原料，通过布料器将烧结原料布到烧结台车上，进行布料、烧结、冷却，得到成品烧结矿成品率 74%左右。该发明的领域为烧结工艺，没有对锌进行回收，同时其实施例中成品率也仅为 80%左右，没有彻底解决粉化的问题。3 结语 多年来，转底炉处理含铁含锌尘泥技术已经在钢铁行业获得了广泛的技术认可。尽管技术方面取得了一定进展，但由于某些关键技术尚未突破，整体工艺和工程化技术尚未成熟等因素，大多数钢铁企业一直保持谨慎的观望态度。然而，近年来，随着钢铁行业形势的发展，出现了多种有利条件，预示着转底炉处理含铁含锌尘泥技术将迎来广泛应用的机遇。这些有利条件可能包括市场需求的增加、环境法规的收紧、资源回收的重要性日益凸显等因素，都使得钢铁企业更加倾向于积极探索和采用这项技术。因此，转底炉处理钢铁企业的含铁含锌尘泥技术，正逐渐走向广泛应用的道路，并有望在未来为行业的可持续发展做出更大的贡献。参考文献 1张琼丹.转底炉控制系统的设计及应用D.重庆:重庆大学,2016.2吕冬瑞.中国钢铁企业含锌粉尘处理工艺现状及展望J.鞍钢技术,2019(3):7-10，18.3刘长正,曹志成,彭程，等.低品位难选铁矿转底炉直接还原中试研究J.矿产保护与利用,2020,40(4):58-63.4王敏,薛逊,曹志成，等.转底炉直接还原工艺的应用及发展趋势J.天津冶金,2013,6(1):42-46.