中國鋼鐵企業(yè)含鋅粉塵處理工藝現(xiàn)狀及展望

呂冬瑞

（中鋼集團金信咨詢有限責任公司，北京100080）

隨著中國鋼鐵工業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)生的廢鋼量越來越大，由于廢鋼中的鋅含量較高，鋼鐵企業(yè)在使用廢鋼的過程中產(chǎn)生的含鋅粉塵量也與日俱增。近年來，迫于鐵礦資源緊張、污染物排放治理壓力，鋼鐵企業(yè)大都采用返回燒結(jié)的方法來利用這些粉塵，但由于粉塵中鋅、鉛、鉀、鈉等有害元素含量較高，并影響高爐內(nèi)焦炭的質(zhì)量，從而影響高爐順行。因此，部分難以被利用的粉塵不得不暫時堆積存放，不但會對環(huán)境造成嚴重污染，還會造成大量寶貴資源的浪費［1］。由此，實現(xiàn)鋼鐵廠含鋅粉塵的高效利用，不僅有利于減少鋼鐵企業(yè)污染物排放，而且可以充分利用其中的有價資源，對于實現(xiàn)中國鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。目前，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)對于含鋅粉塵的典型處理工藝有轉(zhuǎn)底爐工藝、回轉(zhuǎn)窯工藝及OxyCup豎爐工藝等。對國內(nèi)目前含鋅粉塵典型處理工藝進行比較分析可以為含鋅粉塵的進一步高效處理提供指導作用。

1 轉(zhuǎn)底爐工藝處理含鋅粉塵

1.1 轉(zhuǎn)底爐工藝流程

轉(zhuǎn)底爐工藝處理含鋅粉塵是將塵泥配料壓塊后直接放在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)還原，生成直接還原鐵，并將鋅、鈉、鉀等元素以粉塵的形式回收，使塵泥中的有價金屬得到很好的回收利用［2］。轉(zhuǎn)底爐工藝流程如圖1所示。

1.2 轉(zhuǎn)底爐工藝應用概況

目前，轉(zhuǎn)底爐處理含鋅粉塵工藝已在國內(nèi)多家鋼廠應用，包括寶鋼湛江、江蘇沙鋼、安徽馬鋼、山東日鋼等多家鋼廠均有建成投產(chǎn)的轉(zhuǎn)底爐。國內(nèi)典型企業(yè)轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)工藝情況如表1所示。

圖1 轉(zhuǎn)底爐工藝流程圖

表1 國內(nèi)典型企業(yè)轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)工藝情況

其中，寶鋼湛江固廢處理轉(zhuǎn)底爐可生產(chǎn)成品金屬球20萬t/a，粗鋅粉約0.7萬t/a，脫鋅率大于85%，金屬化率大于75%。2017年湛鋼基地產(chǎn)生的固廢總量中的21種固廢（約182萬t）由煉鐵廠返回生產(chǎn)使用，二次資源返煉鐵利用率達到30%以上。

江蘇沙鋼集團的蓄熱式轉(zhuǎn)底爐具有年處理塵泥42萬t/a，生產(chǎn)金屬化球團25萬t/a，氧化鋅粉1萬t/a的能力。該轉(zhuǎn)底爐直徑45 m，寬度5 m，轉(zhuǎn)速20～30 r/min，金屬化率在72%～96%之間，脫鋅率可達到90%左右，回收氧化鋅中的平均鋅含量在6%以上。

安徽馬鋼的轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)能為20萬t/a。該轉(zhuǎn)底爐直徑20.5 m，寬度4.9 m，作業(yè)率平均為80%（最高可達95%），成品球能耗為248.57～297.43 kgce/t，系統(tǒng)脫鋅率達85%以上，排堿率達60%，煙塵濃度低于50 mg/m3，回收含鋅55%的粗鋅粉0.3萬t/a，生產(chǎn)金屬化率大于80%的金屬化球團14萬t/a［3］。

日照鋼鐵2010年5月投產(chǎn)2條20萬t/a轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線，其產(chǎn)品金屬化球團產(chǎn)量為14萬t/a，可作為為轉(zhuǎn)爐煉鋼的冷卻劑原料，副產(chǎn)品粗鋅粉塵外售作為煉鋅原料。該轉(zhuǎn)底爐直徑21 m，寬度5 m，爐膛內(nèi)高1.5 m，爐底面積330 m2。2010年點火運行后僅一年時間日產(chǎn)量達到0.1萬t左右，達到了設計產(chǎn)量的90%，金屬化率為70%～85%。

山東萊鋼的轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)能為32萬t/a，于2011年3月投產(chǎn)運行，可年產(chǎn)金屬化球團20萬t、鋅灰0.2萬t。該轉(zhuǎn)底爐直徑34.5 m，寬度5 m，生產(chǎn)的金屬化球團金屬化率大于60%，TFe品位大于55%，脫鋅率大于93%，粗鋅品位41.36%，粗鋅產(chǎn)量0.2萬t/a，脫鉀、鈉率大于85%，綜合耗能為227.86 kgce/t產(chǎn)品。轉(zhuǎn)底爐用原料也逐步從“鐵精粉+含鋅除塵灰”生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂\除塵灰+廢料”生產(chǎn)［4］。

轉(zhuǎn)底爐工藝用來處理鋼鐵企業(yè)含鋅粉塵，反應速度快，生產(chǎn)成本較低，可以實現(xiàn)高溫快速還原，生產(chǎn)周期短，只需10～20 min。與其他煉鐵工藝相比，轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)工藝在鐵礦石、能源和基建投資上有很大的優(yōu)勢，投資成本只占煉鐵工藝的80%～90%［5］。此外，轉(zhuǎn)底爐整個工藝流程比較緊湊，自動化程度高，可靠性高，便于操作和維護。并且轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)工藝可以實現(xiàn)余熱回收，環(huán)保措施良好，廢氣中含有大量顯熱，可預熱空氣、干燥原材料，也可產(chǎn)生蒸汽。但是，轉(zhuǎn)底爐中含碳球團的熱量主要靠輻射獲得，而輻射傳熱的效率較低，嚴重影響了轉(zhuǎn)底爐本身的熱效率。通常，轉(zhuǎn)底爐內(nèi)熱量的利用不到50%，其余部分會由煙氣帶走。其次，轉(zhuǎn)底爐工藝中硫及脈石成分含量高。含碳球團內(nèi)配大量煤粉，帶入硫的同時也帶入了大量脈石成分，這不僅增加了金屬化球團中的脈石含量，降低了金屬化球團的鐵品位，也降低了金屬化球團的質(zhì)量［6］。第三，轉(zhuǎn)底爐內(nèi)的熱工制度與氣氛不易控制。對于轉(zhuǎn)底爐工藝來說，爐內(nèi)氣氛分為兩段較好：前段是氧化性氣氛，可以迅速提高爐溫；后段是還原性氣氛，有助于迅速還原，兩段均可提高轉(zhuǎn)底爐的生產(chǎn)效率。但是，轉(zhuǎn)底爐內(nèi)的氣氛分段控制的實現(xiàn)比較困難，需要在完善相關基礎試驗的基礎上，根據(jù)不同的處理原料進一步完善工藝和設備。

2 回轉(zhuǎn)窯工藝處理含鋅粉塵

2.1 回轉(zhuǎn)窯工藝流程

回轉(zhuǎn)窯工藝是用固體燃料作還原劑，以回轉(zhuǎn)窯為反應器。20世紀20年代德國克虜伯公司為處理鋅精煉渣而開發(fā)了回轉(zhuǎn)窯工藝，基本工藝流程如圖2所示。回轉(zhuǎn)窯處理含鋅粉塵工藝流程是將含鋅粉塵和還原劑（煤、焦粉或含碳粉塵）輔以石灰等，經(jīng)配料、混合造球（也可不造球）送入回轉(zhuǎn)窯，經(jīng)1 100～1 300℃高溫處理，物料中的金屬氧化物與碳質(zhì)還原劑發(fā)生反應，還原的鋅揮發(fā)進入煙氣并二次氧化，煙氣經(jīng)冷卻（或余熱鍋爐換熱）后集塵，其中氧化鋅含量約55%～60%，可作為鋅冶煉廠的粗氧化鋅原料；還原后的窯渣經(jīng)破碎、磁選等過程后，金屬化鐵料可作為煉鐵高爐或燒結(jié)原料，殘留的炭粒也可被回收［7］。

圖2 回轉(zhuǎn)窯工藝流程

2.2 回轉(zhuǎn)窯工藝應用概況

目前，國內(nèi)紅河鋅聯(lián)科技有限公司的回轉(zhuǎn)窯技術較為成熟，此外，包鋼、宣鋼、昆鋼及臺灣鋼聯(lián)TSU等多家企業(yè)也都設有回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝線。國內(nèi)外典型企業(yè)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝情況如表2所示。

表2 國內(nèi)外典型企業(yè)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝情況

包鋼工業(yè)試驗實踐表明，使用火法回轉(zhuǎn)窯工藝可以有效地將高爐布袋灰中的有害元素特別是鋅提取出來，形成含鐵渣和高鋅料兩種產(chǎn)品，高鋅料氧化鋅含量達到50%以上，可以作為電解鋅的原料，含鐵渣可以返回鋼鐵流程使用。

回轉(zhuǎn)窯工藝脫鋅率較高，普遍能達到90%以上，除塵灰利用自帶碳，不用加燃料直接入窯，運行成本低，且具有工藝成熟、投資低、運行簡單等顯著優(yōu)點。但是，回轉(zhuǎn)窯工藝處置低鋅物料不太適宜，鐵料金屬化率也低，生產(chǎn)過程中常發(fā)生結(jié)圈現(xiàn)象［8］。寶鋼曾進行回轉(zhuǎn)窯處理高鐵含鋅塵泥工業(yè)試驗，發(fā)現(xiàn)窯內(nèi)結(jié)圈相當嚴重，需要進一步改進。寶鋼湛江鋼鐵通過不斷技術攻關，已使回轉(zhuǎn)窯的結(jié)圈周期由初期的10～12天，大幅度延長至1.5個月，但與2個月的預期定修周期仍有不少差距，考慮通過改善預熱球團質(zhì)量、減少窯內(nèi)粉末以及降低窯內(nèi)局部高溫環(huán)境來控制回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈。

3 OxyCup豎爐工藝處理含鋅粉塵

OxyCup豎爐處理含鋅粉塵是通過將含鋅粉塵造塊后與焦炭及造渣劑一起裝入OxyCup爐冶煉，隨著冶煉進行，爐料不斷下行，持續(xù)加熱升溫、還原，在爐底形成金屬和渣相熔池，通過鐵口和渣口實現(xiàn)鐵水和熔渣的分離，并進一步富集收取重金屬［9］。

太鋼于2011年投產(chǎn)了全球最大的OxyCup豎爐生產(chǎn)廠。用鋼廠自產(chǎn)殘留物與廢鋼或渣殼混合制備自還原碳磚，工廠處理自還原碳磚的設計能力為60萬t/a。輸入的總爐料平均分配給熔化率相同的兩座豎爐。用兩座豎爐分別對傳統(tǒng)碳鋼粉塵和污泥以及類似的不銹鋼殘留物進行處理，以回收殘留物中的鉻和鎳。第三座豎爐則作為這兩座豎爐在維修期間的備用。工廠每年可運轉(zhuǎn)8 000 h。目前太鋼的三座OxyCup豎爐已停止使用。

4 鋼鐵企業(yè)典型粉塵處理工藝對比

鋼鐵企業(yè)典型粉塵處理工藝的對比分析情況如表3所示。綜合來看，轉(zhuǎn)底爐工藝對原料的要求較低，工藝較為成熟，但是轉(zhuǎn)底爐的熱效率較低，爐內(nèi)的熱工制度及氣氛不易控制?；剞D(zhuǎn)窯工藝的運行比較簡單，但是對原料的要求較高，適合處理高鋅的電爐粉塵，否則經(jīng)濟上可能不劃算，而且回轉(zhuǎn)窯工藝在運行工藝中容易產(chǎn)生結(jié)圈現(xiàn)象，作業(yè)率較低。OxyCup豎爐工藝對原料的要求較低，生產(chǎn)靈活，可以處理大塊的廢料，但是其爐襯壽命有待提高，而且效果有待進一步的生產(chǎn)實踐證明。

表3 鋼鐵典型粉塵處理工藝對比分析

5 結(jié)語及展望

轉(zhuǎn)底爐、回轉(zhuǎn)窯與OxyCup三種工藝都能處理鋼鐵企業(yè)的含鋅粉塵二次資源，每種工藝都具有各自的優(yōu)勢，但也都存在一定的不足之處。企業(yè)在選擇含鋅粉塵處理工藝時，應結(jié)合自身產(chǎn)生的含鋅粉塵資源特點，以及場地等具體條件。

未來，中國應開發(fā)一種新型高效的工藝技術來處理含鋅粉塵二次資源，既有效結(jié)合已有工藝的技術優(yōu)勢，還能夠?qū)崿F(xiàn)對含鋅粉塵資源含鋅品位、粒度等特性的廣泛適應性，并且產(chǎn)生鋅含量高的產(chǎn)物，以滿足后續(xù)提鋅工藝的需求。通過開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的含鋅粉塵處理新技術，可以提高中國鋼鐵企業(yè)的綜合競爭力，實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的綠色化、資源化可持續(xù)發(fā)展。