轉(zhuǎn)底爐處理冶金含鋅塵泥技術(shù)工業(yè)化歷程概述

李東海

(重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司，重慶 401122)

1 前 言

鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)中會產(chǎn)生各類塵泥固廢，一般約占粗鋼產(chǎn)量的8%～12%，其中仍含有Fe、C、Zn、Ni等大量有價元素，是寶貴的待回收資源。其中，無鋅和低鋅塵泥可通過廠內(nèi)循環(huán)實(shí)現(xiàn)二次利用，但剩下的含鋅量較高的塵泥(w(Zn)≥1%)卻難以被有效回收利用[1-2]。

高鋅塵泥主要包括高爐瓦斯灰/泥、轉(zhuǎn)爐OG泥或轉(zhuǎn)爐LT灰和電爐灰等，除含有較高的Fe外，還伴有K、Na、Pb等易揮發(fā)元素,如直接返回?zé)Y(jié)-高爐循環(huán)利用，會造成高爐爐內(nèi)鋅和堿金屬的循環(huán)積累，破壞焦炭反應(yīng)性，侵蝕爐襯，惡化爐料透氣性，嚴(yán)重危害高爐的順行和長壽[1-4]。目前一般除部分外賣外，多是填埋或臨時露天堆放，不僅浪費(fèi)場地，還極易引發(fā)二次污染，特別是粉塵中的Zn、Pb等有毒元素由于雨水作用會逐漸浸出和滲入地下，污染土壤及地下水。所以，美國早在1976年就將含鋅塵泥歸類于有害類物質(zhì)K061，并立法要求進(jìn)行回收和鈍化處理，其他一些發(fā)達(dá)國家也陸續(xù)針對鋼鐵廠含鋅塵泥固廢制訂了嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)[5-8]。國內(nèi)在2008年已將電爐灰定義為危廢，而廣東、江西等省更是將高爐瓦斯灰/泥也納入了危險廢物管理。

目前，冶金含鋅塵泥固廢的處理方法主要分物理法、濕法和火法三類[9-11]。物理方法難以有效脫鋅，多用于低鋅塵泥的處理或是作為其他脫鋅工藝的前處理工序。濕法工藝由于流程復(fù)雜、浸出劑消耗大、設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、廢渣廢液難處理，目前已較少見。因此，火法工藝已成為當(dāng)前最主流的脫鋅技術(shù)，較為成熟的主要分回轉(zhuǎn)窯和轉(zhuǎn)底爐兩種路線。回轉(zhuǎn)窯中物料填充率低，物料在筒體內(nèi)轉(zhuǎn)動前進(jìn)，易粉化，高含鐵物料進(jìn)入高溫端后極易與窯襯形成結(jié)瘤結(jié)圈，因此不僅入爐塵泥鐵品位需嚴(yán)格控制，操作溫度也難以提升，而且受燒嘴布置的局限，窯內(nèi)高溫區(qū)較短，所以只能靠延長物料停留時間來提高還原效果，這也就導(dǎo)致了回轉(zhuǎn)窯工藝生產(chǎn)效率低、單機(jī)能力小、能源消耗高，一般僅適用于處理含鋅大于8%、含鐵低于30%的塵泥，難以適應(yīng)長流程大型聯(lián)合鋼企，目前多見于一些外協(xié)廠。相較于回轉(zhuǎn)窯工藝，轉(zhuǎn)底爐中的物料與爐床相對靜止，再結(jié)合特有的爐床保護(hù)措施，不存在結(jié)圈問題，而且爐內(nèi)溫度、氣氛多分區(qū)精準(zhǔn)可控，能夠?qū)崿F(xiàn)高溫快速還原，從而有力保證了產(chǎn)品質(zhì)量，確保了塵泥中有價元素的高效回收利用。因此，近二十年來，轉(zhuǎn)底爐處理冶金含鋅塵泥固廢技術(shù)在國內(nèi)外得以快速發(fā)展[6-13]。

2 發(fā)展階段

轉(zhuǎn)底爐技術(shù)屬煤基直接還原煉鐵工藝，鋼鐵廠內(nèi)的各類含鋅塵泥按一定配比混合均勻再經(jīng)造塊和干燥后送入轉(zhuǎn)底爐，在爐內(nèi)高溫還原氣氛下，團(tuán)塊內(nèi)部的碳元素將鐵、鋅還原，鋅變成蒸汽進(jìn)入煙氣系統(tǒng)再氧化后以氧化鋅形式被捕集回收，剩下的直接還原鐵(即DRI)則經(jīng)冷卻后送高爐、轉(zhuǎn)爐或電爐使用，尤適用于長流程大型聯(lián)合鋼企。該技術(shù)起源于美國，發(fā)展于日本，成熟于中國，截至目前，世界范圍內(nèi)已建成三十余座處理冶金含鋅塵泥的工業(yè)化轉(zhuǎn)底爐線，如表1所示[14-20]，其工業(yè)化歷程可大致分為三個階段。2000年以前，主要是在技術(shù)發(fā)源地美國國內(nèi)起步，由于這一時期伴隨著美國傳統(tǒng)重工業(yè)的產(chǎn)能轉(zhuǎn)移和衰退，因此其工業(yè)化歷程較為緩慢。2000—2011年，轉(zhuǎn)底爐技術(shù)在日本鋼鐵企業(yè)內(nèi)得以驗(yàn)證并進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)化階段，并開始向中韓發(fā)展。2011年至今，得益于我國龐大的鋼鐵市場規(guī)模和行業(yè)各方從業(yè)者的不斷改進(jìn)優(yōu)化，轉(zhuǎn)底爐技術(shù)在我國逐漸走向成熟并形成了自己的技術(shù)特色。

表1 國內(nèi)外冶金含鋅塵泥轉(zhuǎn)底爐線一覽表

續(xù)表

2.1 2000年之前

這一時期主要是轉(zhuǎn)底爐技術(shù)的起步階段，最早由美國Midrex公司前身Midland Ross公司提出Heat-Fast工藝并進(jìn)行半工業(yè)化研究，1978年Midland Ross公司聯(lián)合Inmetco公司在賓州埃爾伍德市建成第一座處理電爐灰的工業(yè)化轉(zhuǎn)底爐線，隨后歷經(jīng)發(fā)展逐漸演化出DryIron、Inmetco和DryIron工藝等路線，應(yīng)用于鐵精礦處理、冶金塵泥處理等領(lǐng)域，如圖1所示，然而伴隨著美國鋼鐵業(yè)的衰退，轉(zhuǎn)底爐技術(shù)的工業(yè)化探索逐漸向日本鋼鐵業(yè)轉(zhuǎn)移。

2.2 2000—2011年

20世紀(jì)90年代，日本神戶制鋼收購Midrex公司成為其全資子公司，轉(zhuǎn)底爐直接還原技術(shù)進(jìn)入日本并相繼發(fā)展出Fastmet、Itmk3、Hi-QIP等工藝[21]，在處理鐵礦粉生產(chǎn)海綿鐵和含鋅塵泥資源化利用等領(lǐng)域進(jìn)行了大膽的商業(yè)化嘗試，特別是在處理冶金含鋅塵泥領(lǐng)域，從2000年開始，進(jìn)入了快速工程化應(yīng)用階段。以新日鐵為例，圖2是其2000—2010年使用轉(zhuǎn)底爐處理含鋅塵泥生產(chǎn)DRI的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[10]，10年間，其使用轉(zhuǎn)底爐處理冶金含鋅塵泥固廢的規(guī)模增長了約6倍。這一時期，新日鐵柱金、JFE和神戶制鋼等大型聯(lián)合鋼企陸續(xù)建成了十幾座轉(zhuǎn)底爐，但受限于其整體鋼鐵產(chǎn)能規(guī)模，轉(zhuǎn)底爐市場很快趨于飽和，于是逐漸開始向韓國和中國進(jìn)行推廣。

這一時期，國內(nèi)也有部分高校及科研單位在致力于轉(zhuǎn)底爐技術(shù)的研究，并相繼建成了幾條中試線，但主要集中于鐵礦石直接還原和貧雜伴生礦的多級回收利用領(lǐng)域[22-24]，再加上當(dāng)時國內(nèi)環(huán)保意識尚未充分建立，因此在冶金含鋅塵泥處理領(lǐng)域發(fā)展十分緩慢。但隨著環(huán)境問題的日益突出，環(huán)保壓力與日俱增，為降低冶金含鋅塵泥的資源化循環(huán)利用難題，國內(nèi)鋼企開始探索應(yīng)用轉(zhuǎn)底爐技術(shù)。自2009年馬鋼與新日鐵合作建設(shè)了大陸地區(qū)第一條工業(yè)化轉(zhuǎn)底爐處理線，對探索冶金含鋅塵泥固廢的資源化循環(huán)利用起到了一定的示范作用，之后日鋼、沙鋼、萊鋼也相繼上馬轉(zhuǎn)底爐項(xiàng)目，陸續(xù)于2011年前投產(chǎn)。

2.3 2011至今

2011—2014年，受當(dāng)時國內(nèi)基礎(chǔ)研究不足、工程實(shí)踐積累不夠、成熟設(shè)備供應(yīng)商匱乏和有經(jīng)驗(yàn)的從業(yè)人員短缺等諸多因素影響，前期建成的轉(zhuǎn)底爐歷經(jīng)多次改造才逐漸趨于穩(wěn)定。因此，這一時期轉(zhuǎn)底爐市場較為低迷，企業(yè)多持觀望態(tài)度。然而隨著國家對于環(huán)境保護(hù)和淘汰落灰產(chǎn)能力度的不斷加強(qiáng)，鋼鐵企業(yè)對于綠色發(fā)展的需求逐漸高漲；與此同時，隨著高爐的大型化發(fā)展、鐵礦石價格的不斷攀升和廢鋼的大量使用，含鋅塵泥循環(huán)使用帶來的高爐鋅害問題日益突出，而轉(zhuǎn)底爐處理含鋅塵泥直接生產(chǎn)金屬化球團(tuán)的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢逐漸凸顯。在此期間，中冶賽迪等工程公司立足于基礎(chǔ)工藝與核心裝備的自主研發(fā)，逐漸形成了自有知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)底爐技術(shù)，先后于2015年和2016年在唐山燕鋼和寶鋼湛江分別建成了1座轉(zhuǎn)底爐，經(jīng)過業(yè)內(nèi)各方的共同努力，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行和快速達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)，市場逐漸開始回暖。此后，隨著2018年燕鋼二期轉(zhuǎn)底爐建成投產(chǎn)以及上海寶鋼轉(zhuǎn)底爐項(xiàng)目的落地，市場信心得以重振，首鋼京唐、新余鋼鐵等大型聯(lián)合鋼企紛紛上馬轉(zhuǎn)底爐，預(yù)計到2022年國內(nèi)(含港澳臺地區(qū))含鋅塵泥轉(zhuǎn)底爐線累計數(shù)量將達(dá)到21座，占據(jù)全球轉(zhuǎn)底爐數(shù)量的一半以上。

圖3為近十余年來國內(nèi)(含港澳臺地區(qū))建成轉(zhuǎn)底爐的數(shù)量情況，可以看到，2011年以前由于市場重視程度不夠和核心技術(shù)掌握程度不足，工業(yè)化進(jìn)展較緩慢。2015—2018年，隨著業(yè)界的不斷探索和積累，轉(zhuǎn)底爐技術(shù)終趨于成熟，2018年以后，以年均3～4座的數(shù)量在遞增。值得一提的是，在越南河靜鋼鐵，中冶賽迪在與新日鐵的同臺競爭中獲得業(yè)主認(rèn)可，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)轉(zhuǎn)底爐技術(shù)的首次對外輸出，該項(xiàng)目預(yù)計將于明年建成。

3 展 望

從轉(zhuǎn)底爐處理冶金含鋅塵泥技術(shù)的工業(yè)化歷程不難看出，其發(fā)展是與鋼鐵產(chǎn)能的變遷相伴生的。從表1中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，日本國內(nèi)轉(zhuǎn)底爐處理冶金含鋅塵泥的規(guī)模約占其整個鋼鐵產(chǎn)能的2%，而當(dāng)前國內(nèi)的規(guī)模僅有0.5%，因此，類比日本經(jīng)驗(yàn)來看，目前國內(nèi)轉(zhuǎn)底爐技術(shù)仍處于增量市場的發(fā)展過程中。另外，有研究表明，高爐每使用100 kg/t金屬化球團(tuán)可降低燃料比約22 kg/t ，在大力倡導(dǎo)鋼鐵企業(yè)踐行綠色低碳環(huán)保發(fā)展的當(dāng)下，繼續(xù)優(yōu)化提升轉(zhuǎn)底爐技術(shù)服務(wù)于鋼鐵企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級更具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，預(yù)計未來可向以下幾個方向進(jìn)一步拓展。

(1)長流程大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中的冶金塵泥綜合固廢處理中心——可通過柔性化的整合設(shè)計將各類冶金含鐵塵泥固廢進(jìn)行綜合統(tǒng)籌處理，形成以大型轉(zhuǎn)底爐為核心，均質(zhì)化、冷壓塊等技術(shù)為輔的冶金塵泥固廢綜合處理中心。寶鋼湛江基地、中天鋼鐵南通基地固廢處理中心正是基于這一理念而建成。

(2)短流程煉鋼廠的配套單元——我國鋼鐵生產(chǎn)已邁過弧頂區(qū)步入下降通道，廢鋼蓄積量也已逐漸接近發(fā)達(dá)國家水平，特別是在當(dāng)下鐵礦石價格高昂，實(shí)現(xiàn)減碳綠色發(fā)展等現(xiàn)實(shí)要求下，廢鋼作為可循環(huán)再生冶煉原料已成為必然趨勢。可借鑒美日等傳統(tǒng)鋼鐵強(qiáng)國的經(jīng)驗(yàn)，建立配套的小型化轉(zhuǎn)底爐單元，對電爐灰進(jìn)行無害化和資源化處理。

(3)獨(dú)立運(yùn)營的區(qū)域冶金塵泥固廢處理中心——對于局部中小型鋼企較密集的地區(qū)，或大型鋼鐵產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)的資源循環(huán)利用單元，可由政府協(xié)調(diào)、行業(yè)統(tǒng)籌、多家聯(lián)合組建獨(dú)立運(yùn)營的區(qū)域固廢綜合處理中心，與其他固廢處置技術(shù)聯(lián)動發(fā)展，打造靈活柔性的訂單式區(qū)域固廢處理中心。

(4)構(gòu)建數(shù)字化“智慧固廢中心”——為適應(yīng)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的要求，同時落實(shí)新《固廢法》對于固廢信息化監(jiān)管的要求，可依托轉(zhuǎn)底爐固廢單元構(gòu)建冶金塵泥的“智慧固廢中心”，通過運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，破除固廢產(chǎn)地多源、檢測計量數(shù)據(jù)離散、管理部門多頭等信息孤島難題，打通鋼鐵企業(yè)內(nèi)固廢產(chǎn)生、流轉(zhuǎn)、治理、排放的全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)鏈，形成全廠冶金塵泥固廢從源頭產(chǎn)生到中轉(zhuǎn)庫存以及末端處置的全流程一體化管控。