轉底爐技術在鋼鐵冶金工程中的應用

郭明軍，張亞魁

含鋅粉塵在鋼鐵企業不斷循壞利用，形成堿金屬富集，在高爐中會因鋅在爐內揮發、富集，在爐身上部形成結瘤，影響高爐的正常操作，縮短爐襯壽命。因此，高爐對入爐原料鋅含量有限制，很難對鋼鐵聯合企業所有粉塵全部回收使用。我國鋼鐵工業粉塵資源綜合利用水平低和廢棄物回收利用技術落后，粉塵污染物的排放對人體生理健康和自然環境都有很大的破壞。轉底爐技術在冶金工程中的成功的應用，有效解決了含鋅粉塵的處理問題，并實現資源回收再利用，通過實踐生產檢驗，轉底爐技術金屬化率可實現70%以上，脫鋅率80%以上。

1 轉底爐技術介紹

1.1 工藝技術背景

我國鋼鐵工業向自然環境排放了大量的廢氣、廢水和粉塵等污染物，其中粉塵污染物排放尤為突出。由于資源綜合利用水平低和廢棄物回收利用技術落后，我國鋼鐵企業產生的各種粉塵數量巨大，約為粗鋼的10%左右，按照2013 年我國鋼鐵產量7.5 億噸計算，粉塵年排放量超過7500 萬噸。

鋼鐵企業粉塵污染物的排放給人的生理健康和自然環境都有很大的破壞，鋼鐵企業排放的粉塵是PM2.5 元兇之一，粉塵中、鋅、鉛、鉻等有毒性元素隨呼吸系統進入人體，溶解后可侵入血液而引起中毒，也可與組織接觸而引起局部刺激或化學性損傷。冶煉過程中粉塵逸出時對現場操作人員健康將會產生極大危害，粉塵彌漫在空氣中將嚴重影響人類社會活動，目前多數鋼鐵廠采用堆填的方式對塵泥進行處理，隨時間延長，其堆放空間逐年減少，堆積費用逐年提高，不但浪費了資源而且經過風吹雨打，粉塵中的鉛、鋅、鎘和鉻等有害元素浸出進入地下水和生物鏈中對人和動植物有危害，環境污染也日益嚴重。

鋼鐵企業粉塵污染物的排放不僅造成自然環境破壞，同時流失大量具有較高經濟價值的金屬原料。以寶鋼為例，寶鋼年產各類粉塵和污泥超80 余萬噸，其中有20 余萬噸塵泥含鋅大于1%，并含有約50%的鐵以及碳等元素。如果這些含鋅粉塵直接返回冶煉工序重新利用，在高爐中會因鋅在爐內揮發、富集，在爐身上部形成結瘤，影響高爐的正常操作，縮短爐襯壽命。因此，高爐對入爐原料鋅含量有限制，很難對鋼鐵聯合企業所有粉塵全部回收使用。

自1976 年，美國環保機構（EPA）制定法律，將含鋅鉛的鋼鐵企業除塵灰劃歸K061 類物質（有毒的固體廢物），要求鋼鐵廠對其進行化處理，否則須密封堆放在指定場地，但堆放致使費用逐年升高，繼美國之后，西方各國，日本，甚至韓國都制定了類似法律，對鋼鐵企業鋅鉛粉塵處理工藝的研究成為冶金界的熱點之一。我國也正在制定和出臺新的環保法規和廢物回收法規，將鋼鐵廠粉塵特別是含鋅鉛粉塵劃為有害物質，禁止向外界環境直接排放，并要求鋼鐵廠對其粉塵進行處理，對其中的鋅等有價元素進行回收利用或鈍化處理。

如何高效利用鋼鐵廠含鋅鉛粉塵并提高其綜合附加值，減少環境污染，已成為冶金企業共同追求的目標。

1.2 含鋅粉塵的處理方法

含鋅粉塵處置的關鍵是脫除鋅等堿金屬制約其返回高爐生產利用的有害元素。含鋅含鐵粉塵脫鋅的方式比較多，主要工藝分為火法濕法脫鋅工藝。濕法脫鋅工藝技術經過國內外市場實際生產檢驗，因脫鋅率低、生產成本高、設備維護成本高以及二次污染等問題，未廣泛采用；火法脫鋅工藝技術經過不斷發展完善逐漸得到國內外鋼鐵企業認可，目前較為流行的火法冶煉主要是隧道窯、回轉窯和轉底爐三種工藝。

隧道窯在國內屬于被淘汰的工藝類型，高污染高能耗，特別是國內的廠家普遍設備簡陋，預熱回收設備落后甚至沒有預熱利用設備，規模小，產量普遍低于3 萬t/a。

回轉窯工藝相對成熟，流程簡單，也達到一定規模，回轉窯煙塵量大，低鋅粉塵難以在煙塵中富集，處理高鋅低鐵的物料較為實用。

回轉窯最大的問題是結圈無法解決，物料在窯中隨窯體轉動而滾動運動，揮發的鋅及粉末、煤灰粘在一起很容易形成“結圈”，這是回轉窯最致命也是難以克服的缺陷，精確控制爐溫是非常困難的事，因此生產作業率普遍不高，經常性停爐清理結圈。

回轉窯反應時間長，爐料在窯內停留時間達8h ～14h；由于設備的限制，單位機組的產量不可能做大，目前的典型能力是5 萬t/a 左右。

其它小高爐、富氧豎爐等工藝目前在世界范圍內應用不多，無法從根本上克服含填充床料柱的高爐工藝對含鋅原料的不適應性，焦炭消耗大大增加。

轉底爐工藝技術直接還原是近幾十年發展起來的處理含鋅、鐵粉塵處理新工藝技術，其核心技術來源于軋鋼用的環形加熱爐。在我國雖還處于起步階段，但卻擁有廣闊的市場前景和巨大的經濟效益。各種粉塵在一定比例加入粘合劑內配碳后成球，均勻布入轉底爐的爐底，爐底載著成球勻速轉動。在爐內各溫度區域內，根據工藝技術要求在爐膛兩側安裝燒嘴燃燒煤氣，為物料升溫和還原反應提供熱量。在物料還原區通過調節燃燒燒嘴的煤氣用氣量和空氣用氣量控制爐內溫度及還原氣氛，用以達到最佳的還原氛圍。鐵氧化物被碳材逐漸被還原成金屬。為了實現快速還原，還原區必須提供高溫條件，其爐溫可達到1300℃。物料在爐內的還原時間一般為15min ～25min。塵泥中的鋅揮發后進入煙氣收集系統，經布袋除塵器收集的粉塵含氧化鋅的純度約50%，是很好的提鋅原料。

轉底爐直接還原采用的是內配碳工藝，還原反應界面大，還原溫度高，還原速度快，更重要的是轉底爐具有爐料與爐底相對靜止不動的特點，可以避免回轉窯還原過程中出現的結瘤問題，很好地滿足粉塵還原特點的要求。轉底爐處理規模單臺設備可達20 萬噸/年，不論是處理規模還是工藝能耗都遠優于回轉窯和隧道窯等工藝。設備的作業率和產品的金屬化率可輕松實現80%以上，脫鋅率90%以上，而這都是回轉窯工藝難以做到的。

轉底爐技術作為含鋅粉塵脫鋅技術，近幾年在國內外鋼鐵冶金企業得到廣泛使用，新日鐵、神戶制鋼、浦項、馬鋼、日鋼、沙鋼等相繼新增完善處理含鋅含鐵粉塵的轉底爐項目投產，取得了環保、經濟兩方面較好的成果，是鋼鐵廠處理含鋅含鐵粉塵、回收鐵元素和金屬鋅元素的新途徑。

1.3 轉底爐技術的特點

轉底爐的環保效益是與其工藝特點分不開的，主要特點是高溫快速還原。首先是把含金屬氧化物的粉塵和廢棄物還原成金屬；其次是高溫下許多有害元素和物質能夠揮發或分解，能燃燒的用作燃料；第三是本身是封閉系統，微負壓操作，過程中基本無排放，最終的固體產物和經過凈化的煙氣均符合環保要求，而且煙氣余熱得到充分利用。其它特點如下：

（1）轉底爐以鋼鐵廠有害且具有利用價值的粉塵為原料進行處理，減少粉塵的排放或者堆放，回收有價值的元素，減輕環境污染的同時，還可以為鋼鐵企業提供不菲的經濟效益，這是轉底爐對環保的最大貢獻。

（2）轉底爐工藝屬于采用直接還原工藝，用非焦煤生產直接還原鐵或金屬鐵，它將取消焦爐和燒結生產中的污染排放，取消煉焦、燒結工序，工藝本身最大程度的減少粉塵和有害煙氣的排放。直接還原工藝是國家明確鼓勵支持的冶金新技術，并且對于處理鋼鐵廠塵泥具有較大的優勢，是發展循環經濟的可行的手段。

（3）轉底爐使用較低熱值的凈化煤氣作燃料，并且爐料在爐膛內無相對運動，排出的廢煙氣中含塵為20mg/m3大大低于國家規定的標準：一類100mg/m3，二類150mg/m3。

（4）生產過程幾乎無污水和固體廢棄物排放，工藝工程產生的粉塵可以全部重新利用。

轉底爐工藝是含碳球團的直接還原，還原劑可直接利用粉塵中的碳，大部分情況下無需單獨外配煤粉，減少燃料消耗以及還原過程中燃料中有害元素的揮發。

轉底爐生產金屬化球團加入高爐，代替燒結礦和球團礦，可降低高爐焦比，相當于可以減少煉焦過程中SO2等有害成分的排放；進入轉爐作為冷卻劑，可以減少廢鋼的消耗，節約成本，同時經使用證明還能起到快速化渣及增加渣的流動性。

（5）轉底爐工藝比較容易對如原料處理、轉運、轉底爐出料過程產生的灰塵進行排放控制。

轉底爐在一些發達國家（如美國、日本）已列為處理所在地域冶金廠粉塵和廢棄物的有效措施，并要求冶金企業無償提供物料，并給與提供一定處理費用。

2 轉底爐技術及在鋼鐵冶金中的作用

（1）轉底爐有效祛除有害堿金屬元素。鋅是與含鐵原料共存的元素，少量的鋅主要以鐵酸鹽ZnO.Fe2O2、硅酸鹽2ZnO.SiO2及閃鋅礦ZnS 的形式存在。在高爐內鋅易還原，且不溶于生鐵。在鋼鐵冶金過程中，含鐵粉塵灰收集后統一配送到燒結進行預配料，進行循環利用，但是鋅因無法有效排除，不斷進行富集，含量越來越高，對高爐設備的使用壽命以及順行程度帶來較大不利影響。鋅元素在高溫區被CO 還原為氣態鋅，鋅的沸點為907℃，鋅蒸氣隨高爐煤氣上升，到達溫度較低的區域時冷凝而且氧化，其中一部分附著于粉塵時被煤氣帶出爐外，另一部分粘附在爐料上，隨爐料下降重新帶入高爐內，在堿金屬聯合作用，會使爐缸碳磚侵蝕破損，縮短高爐壽命。鋅蒸氣滲入爐墻冷卻壁縫隙中，氧化后使爐襯體積膨脹受破壞，爐墻結厚、結瘤影響高爐物料正常下行；進入到風口組合磚中，造成風口二套上翹，給正常冶煉帶來很大影響。

轉底爐技術原料采用鋼鐵冶金中各種含鐵除塵灰在一定比例內配碳后混合成球，進行焙燒，還原。鐵氧化物被還原成金屬。其爐溫可達到1300℃，粉塵中的鋅揮發后進入煙氣收集系統，經布袋除塵器收集的粉塵含氧化鋅的純度約50%，可作為優質的含鋅原料。既做到了有益金屬的回收利用，同時也將高爐冶煉有害元素鋅進行剔除回收。

（2）典型工藝流程圖。（圖1）。

圖1 典型工藝流程圖

（3）工藝流程簡介。各種含鐵、鋅粉塵及粘結劑，通過密閉罐車送至不同的配料倉，經定量給料機按比例配料，送混料、造球和篩分。

合格生球經干燥（生球含水量由～12%降到～1%）后送至轉底爐振動布料器，將料均勻布到轉底爐（RHF）環形爐床上，利用RHF 爐內約1300℃高溫及球團中的碳產生還原反應。在20min ～30min 內，將氧化鐵大部分還原成為金屬鐵；同時將氧化鋅還原為鋅，鋅進入煙氣被再氧化成氧化鋅粉末，隨煙氣一并排出。

還原的金屬化球團使用高溫水冷螺旋從RHF 爐排出，隨即進入臥式回轉筒，回轉筒內通入氮氣以防止高溫成品球團氧化，回轉筒外設有水噴淋系統以熱傳導方式冷卻筒內球團。冷卻后成品球團溫度從1100℃降低至300℃，再經篩分，合格球團進入成品料倉儲存供高爐使用，篩下物返回原料系統或送燒結利用（也可就近設置一壓球系統，對成品粉進行壓球再利用。）

從RHF 爐出來的煙氣先通過余熱蒸汽鍋爐進行余熱回收，再由袋式除塵器凈化后外排，氧化鋅在余熱回收過程中和袋式除塵器逐級回收。

3 轉底爐技術實際應用效果

3.1 燕山鋼鐵主要設施包括

（1）原料處理系統

（2）轉底爐系統

（3）成品爐冷卻及運輸系統

（4）高溫煙氣及余熱回收系統

（5）氧化鋅系統

（6）相關公用設施我公司轉底爐項目投用施工后，實現了高爐布袋灰、重力除塵灰、礦槽除塵灰、煉鋼除塵灰、燒結除塵灰等粉塵灰綜合循環利用，入爐鋅負荷由0.521（kg/t.fe）降低到0.2（kg/t.fe）左右，爐況順行程度得到明顯改善。金屬化球團金屬化率70%～80%，可作為電爐及高爐冶煉，轉爐冷料使用。收集鋅粉外賣，實現粉塵灰綠色循環使用。

3.2 設計基本原則

（1）貫徹國家的產業政策、資源綜合利用、循環經濟、環境保護、生產安全與工業衛生等各項方針政策。建設創新型、實用具有較強的市場競爭能力的轉底爐粉塵處理生產線。

（2）轉底爐制直接還原鐵創新型生產設施，配套技術應用可靠的成熟技術，保證全流程新工藝的實施，減少技術風險。

（3）設計中應采用國家、行業和地方的有效標準、規程、規范，堅決貫徹有關環保、安全、勞動衛生及消防等國家及地方有關法規。鋼鐵工業設計的主要法律、法規和標準見相關內容。

（4）系統要在“先進、經濟、實用、可靠”的原則下達到國內先進水平。

（5）項目生產技術和設備實現自主開發，轉底爐和氧化鋅加收均采用國產技術和設備，降低工程投資。

3.3 項目實際效果

轉底爐項目投用施工后，實現了高爐布袋灰、重力除塵灰、礦槽除塵灰、煉鋼除塵灰、燒結除塵灰等粉塵灰綜合循環利用，入爐鋅負荷由0.521（kg/t.fe）降低到0.2（kg/t.fe）左右，爐況順行程度得到明顯改善。金屬化球團金屬化率70%～80%，可作為電爐及高爐冶煉，轉爐冷料使用。收集鋅粉外賣，實現粉塵灰綠色循環使用。

將固廢再生利用業務作為一項多元產業發展。通過對固廢資源集中整合，構建內部固廢利用產業化發展平臺，設計新的理想業務模式，這樣既有利于固廢資源的集中管理，優化固廢的處置利用，又能支撐燕鋼對落實固廢處理末端管理，降低因處置不當或失控后出現二次污染。

推進燕鋼內部小循環、燕鋼與固廢利用平臺中循環、以及與社會之間大循環的協調發展，實現一次資源的利用效率最大化，二次資源的回用價值最大化，三次資源的綜合利用效益最大化，使鋼鐵主業與固廢、其他副產品利用業務協調發展，實現系統最優、社會和經濟效益整體最優。

4 轉底爐技術完善改進

4.1 配料改進

通過不斷摸索各種除塵灰配料特性，目前已經高爐重力除塵灰等顆粒粒徑較大的除塵灰進行常規使用。目前正在不斷改善配料提高金屬化含鐵品位，增加后續工藝使用量，降低工藝能耗。

4.2 轉底爐工藝流程改進

根據項目實際生產情況，不斷摸索、完善生產工藝，通過我公司自主研發除塵灰水洗工藝，降低除塵灰中氯離子含量，減少因氯離子腐蝕對余熱鍋爐管束的腐蝕，延長設備使用壽命。洗灰廢水通過濃水蒸發結晶技術，實現污水零排放，副產品鹽類外賣處理。

完善富氧燃燒系統，在原燃燒系統上增加富氧管道，有效提高燃氣燃燒溫度，降低燃料消耗以及對熱值的需求。

5 結論

燕山鋼鐵工程含鐵粉塵及污泥綜合處理系統通過采用轉底爐直接還原工藝，在轉底爐內對含鋅球團進行脫鋅和鋅粉回收，同時產出直接還原球團作為電爐、高爐優質原料，實現鐵、鋅、碳的綜合回收和利用。有效解決了鋅等堿金屬循環富集對鋼鐵生產的影響，實現了固廢循環利用綠色冶金。