羅 磊，郭靈巧

(重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術有限公司，重慶 401122)

1 概 述

眾所周知，我國傳統(tǒng)的工業(yè)制造生產(chǎn)模式通常為：原料采集→生產(chǎn)制造→用戶使用→產(chǎn)品廢棄，該模式是一個單向的開環(huán)系統(tǒng)，以往人們更加關注制造最終產(chǎn)品本身，比如：質量、使用以及經(jīng)濟性，常常忽視對制造生產(chǎn)過程中產(chǎn)生各種廢棄物的處理。近年來，隨著工業(yè)制造生產(chǎn)技術的不斷發(fā)展和社會生活水平的不斷提高，人們的環(huán)保意識逐漸增強，如何對工業(yè)生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)生的廢棄物加以回收利用是傳統(tǒng)單向開環(huán)系統(tǒng)生產(chǎn)模式面臨的重大難題。

進入21世紀，為了推動國民經(jīng)濟高質量發(fā)展，黨和國家提出綠色制造生產(chǎn)模式，在原有的生產(chǎn)模式中增加“資源回收”環(huán)節(jié)，通過回收廢棄物進行資源化利用，將有價物質再次返回到“原料采集”或“生產(chǎn)制造”環(huán)節(jié)，形成閉式循環(huán)系統(tǒng)，這也是一種全新的綠色制造生產(chǎn)模式。

鋼鐵行業(yè)作為我國的傳統(tǒng)大型制造業(yè)，在整個國民經(jīng)濟中具有舉足輕重的作用，我國粗鋼產(chǎn)量已連續(xù)多年位居世界第一。據(jù)統(tǒng)計，2020年我國粗鋼產(chǎn)量達10.53億t，首次突破10億t大關，占全球總產(chǎn)量的56.49%[1]。

鋼鐵行業(yè)是資源和能源密集型行業(yè)，生產(chǎn)過程中除消耗大量資源、能源外，同時產(chǎn)生大量可循環(huán)利用的固體廢棄物。其中，含鐵含鋅塵泥(通常為高爐重力灰、高爐布袋灰、煉鋼除塵灰等)是鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的成分復雜、難以直接回收利用的固體廢棄物。通過多年來對國內(nèi)鋼鐵企業(yè)固體廢棄物的分類統(tǒng)計，整個含鐵含鋅塵泥固體廢棄物的發(fā)生量一般約為企業(yè)鋼產(chǎn)量的3.5%。大致測算我國每年鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的含鐵含鋅塵泥固廢量約為10.53億t×3.5%=0.37億t，這些含鐵含鋅塵泥雖然作為固體廢棄物，但其中含有大量的鐵、碳、鋅等有價元素。

面對如此多的塵泥固廢若不進行有效的處理和綜合利用，只是依靠原有的簡單填埋或堆存的處理方式，需要占用大量土地、填滿溝溪、淤塞河道、污染地下水并造成環(huán)境污染，必將導致塵滿為患，直接影響鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。隨著工業(yè)的發(fā)展和環(huán)境保護要求的提高，鋼鐵企業(yè)固廢塵泥的資源化處理問題已成為鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要課題，其資源化利用已擺上各鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗和環(huán)境保護的工作日程，也是推行綠色制造的必由之路。

2 含鐵含鋅塵泥利用

長期以來，鋼鐵企業(yè)通常將高爐重力灰、高爐布袋灰和煉鋼除塵灰等含鐵含鋅塵泥固廢返回燒結直接利用，燒結礦再進入高爐進行循環(huán)，導致塵泥中的鋅元素和堿金屬等對高爐冶煉有害的元素在爐內(nèi)富集，會導致侵蝕爐體耐材、影響爐料透氣性、堵塞煤氣管路等問題，嚴重影響高爐順行。

1)鋅元素的危害

自然界中鋅元素一般以閃鋅礦(ZnS)、鐵酸鹽或硅酸鹽的形式存在，在高爐高溫高壓冶煉過程中，鋅的硫化物先轉化為硫酸鋅和氧化鋅，在高爐內(nèi)大于1 000 ℃的高溫區(qū)氧化鋅被焦炭還原為單質鋅，由于其沸點低(907 ℃)，被還原出來的單質鋅經(jīng)氣化后混入高爐煤氣。一部分鋅蒸氣在高爐煤氣上升過程中隨煤氣進入氣體收集系統(tǒng)，但易在管道中冷凝黏結，堵塞管路系統(tǒng)；另一部分會再次被氧化成ZnO在爐上部低溫階段形成固態(tài)，并隨入爐原料再次下降還原，形成高爐內(nèi)部的鋅素小循環(huán)，嚴重影響高爐內(nèi)的原料組成，并造成能源和物料的循環(huán)消耗。

鋅蒸氣在高爐內(nèi)部循環(huán)飄逸，沉積到高爐的爐壁上，會與高爐爐襯耐材和爐內(nèi)原料發(fā)生反應，易生成低熔點化合物而在高爐內(nèi)部形成爐瘤。當鋅在高爐內(nèi)部嚴重富集時，整個爐料間空間變小，透氣性變差，爐料下降不暢，高爐無法正常生產(chǎn)，發(fā)生崩料、滑料等生產(chǎn)事故，對高爐的順行和技術指標產(chǎn)生很大影響，影響高爐產(chǎn)量。在高爐生產(chǎn)中，鋅的循環(huán)除高爐內(nèi)部的小循環(huán)外，還存在于燒結-高爐生產(chǎn)環(huán)節(jié)間的大循環(huán)中，由含鐵含鋅泥塵配入燒結礦的鋅也會加劇高爐鋅循環(huán)富集，產(chǎn)生極其惡劣的結果。

2)堿金屬元素的危害

堿金屬元素通常以硅鋁酸鹽和硅酸鹽的形式存在于原料中，通常熔點較低(約1 000 ℃)，在隨高爐原料進入高溫區(qū)后，部分形成高爐渣排出，大部分則被原料中的焦炭還原成單質K、Na元素。K、Na元素的沸點分別為774和883 ℃，在高爐高溫高壓環(huán)境中以氣態(tài)存在，還原出來后直接混入高爐煤氣，其中部分堿金屬元素蒸汽與CO2反應生成碳酸鹽。在高爐上部隨著爐溫的降低，K、Na的碳酸鹽化合物形式進行富集和固態(tài)化。

堿金屬元素存在于高爐中會降低爐內(nèi)礦石的還原軟化溫度，使礦石尚未得到充分還原就開始產(chǎn)生熔化滴落現(xiàn)象，增加高爐下部的直接還原能量消耗；堿金屬化合物會強化原料焦炭的氣化反應效應，使其反應后強度急劇降低從而產(chǎn)生粉化，造成高爐內(nèi)部料柱透氣性變差，爐料下降不暢；堿金屬化合物易在高爐內(nèi)部形成粘接，爐墻結瘤，并與耐火材料發(fā)生反應，形成低熔點化合物，并與耐材中Al2O3發(fā)生反應形成白榴石(K/Na(AlSi2O6))，造成體積膨脹，使耐材剝落，縮短高爐運行壽命。

針對含鋅含鐵塵泥直接返高爐而產(chǎn)生對生產(chǎn)不利的問題，已經(jīng)是鋼鐵企業(yè)用戶亟待解決的難題，國內(nèi)高校及工程科研院所也積極研究切實可行的脫鋅工藝。

3 轉底爐工藝原理

轉底爐是一種針對鋼鐵企業(yè)含鐵含鋅塵泥進行脫鋅處理的成熟工藝，以鋼鐵企業(yè)含鐵含鋅固廢塵泥為原料，配入適量黏結劑經(jīng)混合后制粒成球(粒徑6～20 mm)。生球經(jīng)烘干脫水后布置于轉底爐爐底，通常鋪設1～2層球的料層厚度。轉底爐內(nèi)主要通過輻射傳熱方式將含碳球團加熱，當轉底爐轉動時生球被加熱到1 250～1 300 ℃，含碳球團中的鋅氧化物、鐵氧化物在高溫下被其中的碳素還原。經(jīng)還原后的單質鋅(沸點907 ℃)經(jīng)蒸發(fā)并隨煙氣一起排出，通過冷卻系統(tǒng)時被氧化成細小的固體粉末而沉積在布袋除塵器內(nèi)并回收，可作為次氧化鋅粉產(chǎn)品外售作為有色行業(yè)冶煉的原料。生球中的鐵氧化物被碳素還原變?yōu)閱钨|鐵，生球被還原為金屬化球團送高爐作為原料利用。

轉底爐內(nèi)主要發(fā)生的化學反應如下：

ZnO(s) + C(s)=Zn(g) + CO(g)△H=237.57kJ/mol3Fe2O3(s) + C(s)=2Fe3O4(s) + CO(g)△H=129.2kJ/molFe3O4(s) + C(s)=3FeO(s) + CO(g)△H=191.72kJ/molFeO(s) + C(s)=Fe(s) + CO(g)△H=161.5kJ/mol

轉底爐工藝作為煤基直接還原工藝，是一種十分成熟的工藝流程。其工藝設備結合了原料精準配料、混料制粒成球、轉底爐高溫焙燒、煙氣余熱利用及粉塵高效捕集、金屬化球團的冷卻及輸貯等主要系統(tǒng)。

鋼鐵企業(yè)含鐵含鋅塵泥的轉底爐處理工藝歷史久遠，自1978年在美國建設成功第一條生產(chǎn)規(guī)模的商業(yè)運行處理設施以來，先后在日本、韓國、中國臺灣地區(qū)及中國內(nèi)地等已有多條運行線投用，用于處理鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的含鐵含鋅塵泥。轉底爐以其工藝流程成熟穩(wěn)定、設備運行穩(wěn)定可靠、原料適應性廣等優(yōu)點逐漸得到行業(yè)內(nèi)專家學者的認可。

某公司從2008年開始，利用自身60余年的鋼鐵行業(yè)設計經(jīng)驗和工程背景，組建多專業(yè)協(xié)同的研發(fā)團隊開展轉底爐工藝系統(tǒng)研究。從最初的理論研究開始，開展轉底爐內(nèi)含碳球團的反應機理研究，開展廣泛的實驗室測試，并自建年處理能力5 000 t的轉底爐中試基地，最終掌握轉底爐核心工藝，并拓展形成具備獨立自主知識產(chǎn)權的轉底爐工藝系統(tǒng)。

經(jīng)過7年的研究積累，自2015年開始，至今已陸續(xù)在國內(nèi)外建設唐山燕山鋼鐵、寶武湛江基地、寶武寶山基地、寶武青山基地、首鋼京唐等13座轉底爐處理含鐵含鋅塵泥固廢生產(chǎn)線。轉底爐工藝通過穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝指標在國內(nèi)也越來越多的得到鋼鐵企業(yè)用戶的認可，采用該工藝可以實現(xiàn)對含鐵含鋅塵泥中的鐵、鋅、碳元素的綜合回收，實現(xiàn)固廢的資源化利用，在解決企業(yè)含鐵含鋅塵泥固廢資源化利用的同時，還能創(chuàng)造一定的經(jīng)濟價值，通過實踐證明，該工藝整體具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

表1為自2015年以來，某公司承建轉底爐項目情況。

表1 轉底爐項目情況

4 鐵素資源的經(jīng)濟性

進入21世紀以來，大宗原料資源作為制造生產(chǎn)的第一要素越來越得到企業(yè)的重視，各種生產(chǎn)原料資源的價格也水漲船高，無形中增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)的第一資源要素就是鐵素，2020年由于新冠疫情影響，鐵素原料價格單邊上行，屢創(chuàng)新高，截至2020年12月底，62%澳粉港口現(xiàn)貨價格指數(shù)為1 116元/t，全年漲幅61.5%，導致鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)成本大幅增加。面對新冠疫情的全球大變局，未來各種資源的緊缺將成為常態(tài)，各項資源的價格仍然具有上漲空間，所以應該對大宗資源的合理使用提前布局。

環(huán)保行業(yè)有句名言：“世上沒有固廢，所有固廢都是放錯地方的資源”，前文提到的含鐵含鋅塵泥雖然是鋼鐵生產(chǎn)過程中排放的固廢，但其實塵泥里面含有大量的鐵、碳、鋅等有價元素。

表2為國內(nèi)鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生含鋅含鐵塵泥固廢的典型化學成分。

表2 國內(nèi)鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生含鋅含鐵塵泥固廢的典型化學成分 %

通過多年來對該部分固廢塵泥的持續(xù)跟蹤，上述含鐵含鋅塵泥配料后通常全鐵含量約40%，現(xiàn)階段國內(nèi)多數(shù)鋼鐵企業(yè)仍然以低價外賣的形式進行簡單處置，由于屬于固廢，價格通常在10～50元/t，以每年處置20萬t含鐵含鋅塵泥計算，每年外售收益大致為

20萬t×50元/t=1 000萬元/年

其中含有鐵素為

20萬t×40%=8萬t

同理，如果這8萬t鐵素需要以鐵礦原料資源的形式外購重新進入生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，以2021年4月河北地區(qū)品位66%的鐵精粉售價1 255元/t進行采購，8萬t鐵素需采購鐵精粉的數(shù)量為

8萬t÷66%=12.12萬t

花費費用為

12.12萬t×1255元/t=1.52億元

通過上面的粗略計算，每年外售處置20萬t含鐵含鋅塵泥，收入1 000萬，同量的鐵素資源采購需重新花費1.52億元，每年的經(jīng)濟損失為1.4億元，如此大的價格差異嚴重影響鋼鐵企業(yè)經(jīng)濟效益。含鐵含鋅塵泥由于含有鋅、堿金屬等對高爐冶煉有害的元素無法直接簡單回用，通過轉底爐工藝資源化處置后能夠脫除鋅及堿金屬，產(chǎn)品金屬化球團可以作為優(yōu)質原料資源直接返回高爐生產(chǎn)，實現(xiàn)固廢中有價資源的回收利用，實現(xiàn)綠色生產(chǎn)。

5 轉底爐工藝生產(chǎn)成本

轉底爐采用煤基高溫快速直接還原工藝，以鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中排放的含鐵含鋅塵泥作為原料，利用塵泥中的碳元素作為還原劑，生產(chǎn)金屬化球團，表3為某轉底爐項目原料及產(chǎn)品情況。

表3 轉底爐項目原料及產(chǎn)品情況

轉底爐工藝在生產(chǎn)過程中需要消耗水、電、風、氣等能源介質，通常生產(chǎn)成本由以下幾部分組成。

(1)支出項：原料成本(根據(jù)鋼鐵企業(yè)針對塵泥固廢的內(nèi)部定價機制確定)；

次氧化鋅粉可作為有色行業(yè)冶煉原料直接外售。

(2)支出項：能源成本(包括：轉爐煤氣、電、水、壓縮空氣、氮氣等)；

(3)支出項：制造成本(包括：設備折舊、維修費用、工人工資、輔料等)；

(4)收入項：外售盈利(包括：蒸汽回收、次氧化鋅粉外售、篩下粉外售)。

表4為某轉底爐項目2021年4月最新生產(chǎn)成本情況。

表4 轉底爐生產(chǎn)支出及收入項數(shù)據(jù)表 元/t產(chǎn)品

按照表4統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算轉底爐金屬化球團產(chǎn)品生產(chǎn)成本如下：

115+410+460-390=595 元/t

根據(jù)實際生產(chǎn)統(tǒng)計，通過轉底爐工藝處置后的金屬化球團產(chǎn)品(全鐵TFe：69%，其中單質鐵MFe：51%)對標2021年4月河北地區(qū)的球團礦(全鐵TFe：62%)售價為1 550元/t，取兩者價格相等，那么每噸轉底爐金屬化球團產(chǎn)品利潤為

1 550-595=955 元/t

以年處理能力為20萬t轉底爐生產(chǎn)線統(tǒng)計，工程建設投資約2.4億元，每年金屬化球團產(chǎn)品約10萬t(原料中的碳、氧、鋅元素作為燒損失去)，經(jīng)濟效益約為1億元，投資回報十分可觀。由于轉底爐產(chǎn)品已經(jīng)是還原的金屬化球團，含有大量金屬單質鐵，作為原料資源加入到高爐冶煉時，能夠減少還原焦炭用量，同時增加鐵水產(chǎn)量，對高爐生產(chǎn)有益。

依據(jù)多年來的實際生產(chǎn)實踐，轉底爐工藝不僅能夠解決企業(yè)處理含鐵含鋅塵泥固廢，還具有良好的經(jīng)濟效益，值得在鋼鐵企業(yè)中進行推廣。

6 結 語

轉底爐脫鋅工藝技術自20世紀70年代以來經(jīng)過40余年的發(fā)展已日趨成熟可靠，并在海內(nèi)外建成投運數(shù)十套工程業(yè)績。通過轉底爐固廢處置工藝能夠將塵泥固廢中的有價元素進行資源化回收利用，在國家環(huán)保政策要求日益嚴格的背景下，解決企業(yè)生產(chǎn)環(huán)保難題的同時并具有可觀的經(jīng)濟效益。通過將固體廢棄物返回生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，將傳統(tǒng)制造的單向開式系統(tǒng)變?yōu)槟軌蚧厥丈a(chǎn)廢棄物的閉式循環(huán)系統(tǒng)，提倡“固廢不出廠”，實現(xiàn)綠色制造，助力企業(yè)的環(huán)保綠色健康發(fā)展。