熔融熱解工藝在鋼鐵行業固廢處理上的應用

文/陳 明

鋼鐵企業生產過程中產生大量固體廢棄物（以下簡稱固廢），一般情況下，每生產1 噸鋼要產生高爐水渣、鋼渣、含鐵塵泥等各類固廢約650kg，根據生產工藝及產品的不同，還同時產生電爐灰、含油污泥、廢石棉等危險廢物。鋼鐵生產中的固廢處理一直是鋼鐵行業企業關注的重點問題。隨著環保要求的提高，傳統的粗放處理模式將逐漸被取締，委托外部企業處理不僅需要支付一定的處理費用，同時多數外部企業的處理產線水平低，環保不達標，往往形成二次污染。

鋼鐵企業固廢一般富含金屬、含碳等生產過程中必須的元素，隨著技術進步，將鋼鐵企業固廢中的不同資源進行回收利用，不僅能夠節約資源、降低排放，而且能夠帶來較好的經濟效益。

一、鋼鐵行業企業固廢利用的現狀

1.爐渣利用

鋼鐵生產過程中產生的高爐渣、鋼渣等主要用于生產礦渣微粉、水泥熟料、混凝土添加劑和磚塊等，其主要資源化利用新技術有高爐渣生產微晶玻璃、熱態高爐渣制備礦渣棉、高爐渣生產硅肥以及高爐渣修復海洋生態環境等，高爐渣綜合利用率在95%以上。鋼渣主要用于筑路、工程回填料、廠內循環利用及用于水泥或建材，鋼渣綜合利用率約為30%。

2.塵泥利用

鋼鐵企業含鐵塵泥發生量約為100～130kg，主要在鋼鐵廠內部返生產利用。塵泥產生的工序不同，主要包括原料粉塵、燒結粉塵、瓦斯灰、轉爐塵泥、電爐粉塵和軋鋼氧化鐵皮等，根據不同工序段產生塵泥的成分及性質，返回不同工序利用，主要包括以下3類：1）塵泥壓塊返煉鋼。塵泥壓塊返煉鋼，直接回收利用塵泥中的鐵、CaO資源，此部分約占塵泥發生總質量的30%，要求塵泥中含鐵、CaO 較高，含硫較低，主要包括高爐爐前除塵灰、氧化鐵皮和熱軋污泥等。2)均質化返燒結配料。均質化返燒結配料，利用塵泥中的鐵、碳、CaO 等資源，約占塵泥發生總質量的40%，要求塵泥中鋅含量較低，主要包括低鋅的高爐瓦斯灰、燒結除塵灰、原料除塵灰和轉爐塵泥等。3)含鋅粉塵資源化利用。隨著鋼鐵生產過程廢鋼比的提高，鋼鐵粉塵中的鋅含量逐漸升高，鋅在高爐冶煉過程中會在高爐爐內或高爐-燒結之間循環富集，影響高爐順行和高爐壽命。

目前，高爐對入爐鋅負荷進行了嚴格的控制，為了降低高爐入爐鋅負荷，部分高鋅粉塵進行單獨處理，回收其中的鐵和鋅，主要包括電爐粉塵、鋅含量高的轉爐粉塵及高爐瓦斯灰(泥），約占塵泥發生總質量的30%。部分企業由于沒有單獨的高鋅粉塵處理設施，此部分粉塵也返回燒結系統。高鋅粉塵處理目前采用最多的為轉底爐工藝，將含鐵塵泥、黏結劑以及焦粉或混勻后進行壓球或造球，烘干得到冷態球團，通過布料裝置加入至爐內，轉底爐采用煤氣加熱，爐內溫度為1300℃，加熱過程中鐵氧化物被逐步還原成直接還原鐵，鋅氧化物還原成鋅蒸氣隨煙氣帶走，在后續煙氣降溫過程中被氧化收集，形成氧化鋅產品。轉底爐還原時間約為30min，產品金屬化率為70%，TFe質量分數為60～65%，鋅回收率為85%，氧化鋅粉中ZnO質量分數在40%以上。轉底爐產品主要指標見表1。

表1 轉底爐DRI 產品主要技術指標（質量分數） %

轉底爐生產的金屬化球團產品主要進入高爐或煉鋼工序，但由于轉底爐金屬化球團中硫含量較高、鐵含量較低、金屬化率較低以及雜質含量較高，質量遠低于煉鋼用直接還原鐵的標準；根據鋼鐵企業塵泥發生數據，對于年產鋼600 萬噸規模的鋼廠，高鋅粉塵發生量約為20 萬噸，配套一座年產15 萬噸金屬化球團的轉底爐，殘鋅質量分數為0.6%左右，此15 萬噸金屬化球團進入高爐，將帶來900t/a 的鋅負荷，換算成噸原料約為90kg/t，根據高爐煉鐵設計規范，高爐原燃料總入爐鋅負荷建議控制在150g/t，而僅此部分直接還原鐵帶入的鋅占鋅負荷入爐要求的60%，這不是高爐的理想原料。

3.危廢及部分其他固廢處理

其他部分低價固廢主要為金屬含量低的固廢，一般在廠內堆存或委托外部企業處理。生產過程中產生的危險廢物，如廢石棉、廢布袋、含鉻污泥、有機廢物、油漆桶等，大部分委托有資質的企業處理。

二、鋼鐵行業企業固廢的熔融熱解處理

1、熔融處理的固廢種類

熔融熱解處理過程將有機固廢的熱解和金屬氧化物的還原以及金屬與爐渣熔融相結合，在固廢處理領域有應用先例，熔融熱解過程中有機固廢徹底分解，金屬氧化物最終形成鐵水和爐渣。熔融處理的廢物類型主要包括含鐵廢物、含碳廢物、含熔劑廢物及部分有機廢物，主要有渣鋼、含鐵塵泥（包括燒結、煉鐵、煉鋼及軋鋼系統收集的除塵灰泥和連鑄氧化鐵皮等）、轉爐渣、劣質金屬化球團、劣質廢鋼等一 般固廢及納入危廢管理的廢石棉、廢布袋、部分含油廢物和有機廢物等。部分物料進入熔融爐前需進行預處理，根據不同固廢的類型采用不同工藝，粉塵、污泥等粉料經過配料、混合、造球，干燥之后進行預還原成為具有一定強度的金屬化球團或直接添加黏結劑壓球固結，形成一定強度后進行熔融處理。鋼渣等經過破碎后直接加入熔融爐。

2、含鋅粉塵的轉底爐-熔融爐兩步法處理

熔融處理工藝的主要理念為專用熔融爐將鋼鐵企業固廢及粉塵等進行熔融處理，將金屬和渣分離，得到鐵水和熔渣。固廢處理系統和主生產系統分開，鋼鐵企業主系統為規?；⒋笮突a，需要穩定的工藝條件，熔融處理采用一套單獨系統熔融處理固廢，避免固廢中有害元素對鋼鐵企業生產主系統的影響。轉底爐-熔融爐聯合處理工藝將塵泥在轉底爐中預還原造塊，并回收鋅，轉底爐產品再進入熔融爐進行二次熔煉得到鐵水，熔融爐可同時處理鋼鐵企業其他固廢，轉底爐預還原速度快，適用于塵 泥壓塊直接還原，熔融爐高溫，操作靈活，熔煉徹底，渣鐵有效分離，有害物質徹底分解。轉底爐產品進入熔融爐熔煉成鐵水，回收轉底爐金屬化球團中剩余的鋅，且可同時利用部分劣質廢鋼，熔融爐產出煤氣可作為轉底爐燃料，并可發揮熔融爐高溫熔融的特點消納部分其他固廢及城市廢物。

3、熔融處理的工藝及系統組成

熔融熱解設施主要包括配料及上料系統、熔融熱解爐本體系統、鐵水及爐渣處理系統、余熱鍋爐系統和煙氣凈化系統。熔融熱解爐采用豎式熔煉爐，爐內為逆流反應，各種固廢原料、焦炭及部分熔劑由爐頂加入，由于不同固廢的形狀及塊度差別較大，熔融爐采用料籃加料，根據生產配料要求，分批次進行加料。裝料按先重物料、后輕物料的順序進行，即先裝金屬料，后裝焦炭和輔料。熔融熱解爐本體包括裝料區、還原熔煉區及爐底爐缸，裝料區用于接受爐 料，并保證不同物料的均勻，同時煤氣自裝料區抽出。爐料在還原熔煉區被上行煤氣逐漸加熱，風口設置在熔煉區下部，預熱后由風口鼓入700℃左右的熱風，燃燒下行至風口的焦炭提供熔融所需熱量并產生煤氣，焦炭在爐內起著骨架作用，煤氣上升過程中將熱量帶給爐料并進行部分間接還原，爐料在爐內被還原熔煉成鐵水及爐渣，渣鐵由鐵口排出。熔融熱解爐為水冷耐材結構，爐身上部采用高鋁質澆鑄料，爐身下部為剛玉質澆鑄料；爐底為耐火混凝土及碳素搗打料，碳素搗打料以上為鋁-碳化硅-碳磚。爐體外部及爐底設水冷。渣鐵在爐前撇渣器內進行分離，鐵水流至設置在爐前的保溫爐內，集中后定期由鐵水罐車運走。爐渣在爐前直接水淬?；?，脫水后定期外運。頂部煤氣進入燃燒室，在燃燒室內燃燒成煙氣，燃燒室設SNCR 脫硝，燃燒室煙氣出口溫度為1000℃左右，經余熱鍋爐及換熱器回收蒸汽并預熱鼓風。預熱器出口煙氣再進入脫硫裝置脫硫，然后進入布袋除塵器除塵，經引風機、煙囪排入大氣。

4、典型熔融處理工藝的技術指標

600 萬噸鋼鐵企業的熔融固廢處理工藝流程及物料平衡如圖1所示，單位為萬t/a。整套系統年處理高鋅粉塵20萬噸、金屬廢料或劣質廢鋼10 萬噸和渣鋼6 萬噸，同時消納廢油桶、廢石棉等危廢1 萬噸，年消耗焦炭9.5 萬噸和熔劑1.0 萬噸，年產鐵水24 萬噸、富氧化鋅粉塵（ZnO質量分數為50%）1.6 萬噸和水渣8.5 萬噸。整套系統與生產主系統完全分開，直接利用固廢產出鐵水及富氧化鋅產品。根據上述主要消耗，主要原燃料按市場價格計算，生成每噸鐵水的熔融過程（燃料、輔料及能源介質）扣除回收后 成本約為400 元/噸，系統鐵水成本低于同期高爐鐵水，若考慮固廢委托外部企業處理的費用，則熔融的 經濟效益更為顯著。根據測算，某600 萬噸鋼廠建設一套熔融熱解系統投資約為2 億元（不包括轉底爐，轉底爐DRI按鐵含量對比高爐原料計算價格），投資回收期約為4 年。熔融熱解爐可作為鋼廠固廢處理的最后一道工序，對不易處理、其他工序無法消納的固廢進行處理，對鋼鐵企業固廢不出廠起到關鍵作用。

三、城市固廢及危廢的協同處理

圖1 600 萬t 鋼鐵企業熔融固廢處理工藝流程及物料平衡

鋼鐵生產過程中具有高溫、熔融的特點，能夠為固廢分解及利用提供有效的溫度環境，而部分固廢可提供冶煉過程中的金屬資源或造渣劑或替代部分燃料，具備很好的消納城市廢棄物的條件。2014 年，國家發布的《關于促進生產過程協同資源化處理城市及產業廢棄物工作的意見》，鼓勵電廠、冶金廠及水泥廠協同處理城市廢棄物。鋼廠努力承擔部分城市功能，不僅能促進城市綠色發展，且有利于加快鋼鐵產業轉型升級，實現鋼廠與城市共同發展。

熔融熱解爐可協同處理的城市固廢類型如下:1)含金屬廢物，如汽車拆解后的切割渣、家電拆解的殘渣、機械加工行業的含油鐵屑和有色冶煉過程中的尾渣尾礦，可回收其中的金屬資源等；2)有機廢物及高分子廢物，包括廢輪胎、廢塑料、廢橡膠、皮革及白色污染物，有機物在爐內熱解，并燃燒提供熔融過程所需熱量或金屬還原的所需還原劑；3)難處理的無機物，包括廢石棉、焚燒殘渣、焚燒飛灰和含鉻污泥等，熔融熱解爐內溫度為2000℃，難處理無機物在熔融爐內熔融進行造渣，有害物質分解，鉻等有害元素進入鐵水形成合金，熔融爐渣為玻璃態，作為建筑材料利用。

四、主要結論

（1）熔融熱解處理工序可作為鋼廠固廢處理的最后工序，固廢徹底分解，形成鐵水及爐渣，能夠實現資源分類回收，固廢不出廠。

（2）熔融熱解處理以含鐵、含碳的固廢為原料，加工成本較低，具有很好的經濟效益。

（3）熔融熱解系統在處理鋼鐵固廢的同時，可協同處理社會固廢，實現鋼廠與城市共同發展，具有很好的社會效益。