轉底爐助力鋼鐵企業實現綠色制造

羅 磊，郭靈巧

(重慶賽迪熱工環保工程技術有限公司，重慶 401122)

1 概 述

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

進入21世紀，為了推動國民經濟高質量發展，黨和國家提出綠色制造生產模式，在原有的生產模式中增加“資源回收”環節，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“生產制造”環節，形成閉式循環系統，這也是一種全新的綠色制造生產模式。

鋼鐵行業作為我國的傳統大型制造業，在整個國民經濟中具有舉足輕重的作用，我國粗鋼產量已連續多年位居世界第一。據統計，2020年我國粗鋼產量達10.53億t，首次突破10億t大關，占全球總產量的56.49%[1]。

鋼鐵行業是資源和能源密集型行業，生產過程中除消耗大量資源、能源外，同時產生大量可循環利用的固體廢棄物。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)是鋼鐵企業產生的成分復雜、難以直接回收利用的固體廢棄物。通過多年來對國內鋼鐵企業固體廢棄物的分類統計，整個含鐵含鋅塵泥固體廢棄物的發生量一般約為企業鋼產量的3.5%。大致測算我國每年鋼鐵企業生產過程中產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境污染，必將導致塵滿為患，直接影響鋼鐵工業可持續發展。隨著工業的發展和環境保護要求的提高，鋼鐵企業固廢塵泥的資源化處理問題已成為鋼鐵工業實現可持續發展的重要課題，其資源化利用已擺上各鋼鐵企業節能降耗和環境保護的工作日程，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，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，在高爐內大于1 000 ℃的高溫區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，但易在管道中冷凝黏結，堵塞管路系統；另一部分會再次被氧化成ZnO在爐上部低溫階段形成固態，并隨入爐原料再次下降還原，形成高爐內部的鋅素小循環，嚴重影響高爐內的原料組成，并造成能源和物料的循環消耗。

鋅蒸氣在高爐內部循環飄逸，沉積到高爐的爐壁上，會與高爐爐襯耐材和爐內原料發生反應，易生成低熔點化合物而在高爐內部形成爐瘤。當鋅在高爐內部嚴重富集時，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，發生崩料、滑料等生產事故，對高爐的順行和技術指標產生很大影響，影響高爐產量。在高爐生產中，鋅的循環除高爐內部的小循環外，還存在于燒結-高爐生產環節間的大循環中，由含鐵含鋅泥塵配入燒結礦的鋅也會加劇高爐鋅循環富集，產生極其惡劣的結果。

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 ℃，在高爐高溫高壓環境中以氣態存在，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化。

堿金屬元素存在于高爐中會降低爐內礦石的還原軟化溫度，使礦石尚未得到充分還原就開始產生熔化滴落現象，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生粉化，造成高爐內部料柱透氣性變差，爐料下降不暢；堿金屬化合物易在高爐內部形成粘接，爐墻結瘤，并與耐火材料發生反應，形成低熔點化合物，并與耐材中Al2O3發生反應形成白榴石(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生對生產不利的問題，已經是鋼鐵企業用戶亟待解決的難題，國內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含鐵含鋅塵泥進行脫鋅處理的成熟工藝，以鋼鐵企業含鐵含鋅固廢塵泥為原料，配入適量黏結劑經混合后制粒成球(粒徑6～20 mm)。生球經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。經還原后的單質鋅(沸點907 ℃)經蒸發并隨煙氣一起排出，通過冷卻系統時被氧化成細小的固體粉末而沉積在布袋除塵器內并回收，可作為次氧化鋅粉產品外售作為有色行業冶煉的原料。生球中的鐵氧化物被碳素還原變為單質鐵，生球被還原為金屬化球團送高爐作為原料利用。

轉底爐內主要發生的化學反應如下：

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。

鋼鐵企業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規模的商業運行處理設施以來，先后在日本、韓國、中國臺灣地區及中國內地等已有多條運行線投用，用于處理鋼鐵企業生產過程中產生的含鐵含鋅塵泥。轉底爐以其工藝流程成熟穩定、設備運行穩定可靠、原料適應性廣等優點逐漸得到行業內專家學者的認可。

某公司從2008年開始，利用自身60余年的鋼鐵行業設計經驗和工程背景，組建多專業協同的研發團隊開展轉底爐工藝系統研究。從最初的理論研究開始，開展轉底爐內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權的轉底爐工藝系統。

經過7年的研究積累，自2015年開始，至今已陸續在國內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線。轉底爐工藝通過穩定的生產工藝指標在國內也越來越多的得到鋼鐵企業用戶的認可，采用該工藝可以實現對含鐵含鋅塵泥中的鐵、鋅、碳元素的綜合回收，實現固廢的資源化利用，在解決企業含鐵含鋅塵泥固廢資源化利用的同時，還能創造一定的經濟價值，通過實踐證明，該工藝整體具有良好的經濟效益和環境效益。

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 鐵素資源的經濟性

進入21世紀以來，大宗原料資源作為制造生產的第一要素越來越得到企業的重視，各種生產原料資源的價格也水漲船高，無形中增加了企業的生產成本。鋼鐵行業生產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，屢創新高，截至2020年12月底，62%澳粉港口現貨價格指數為1 116元/t，全年漲幅61.5%，導致鋼鐵企業生產成本大幅增加。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，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。

環保行業有句名言：“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為國內鋼鐵企業產生含鋅含鐵塵泥固廢的典型化學成分。

表2 國內鋼鐵企業產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跟蹤，上述含鐵含鋅塵泥配料后通常全鐵含量約40%，現階段國內多數鋼鐵企業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制造環節，以2021年4月河北地區品位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，每年的經濟損失為1.4億元，如此大的價格差異嚴重影響鋼鐵企業經濟效益。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，產品金屬化球團可以作為優質原料資源直接返回高爐生產，實現固廢中有價資源的回收利用，實現綠色生產。

5 轉底爐工藝生產成本

轉底爐采用煤基高溫快速直接還原工藝，以鋼鐵企業生產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，生產金屬化球團，表3為某轉底爐項目原料及產品情況。

表3 轉底爐項目原料及產品情況

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

(1)支出項：原料成本(根據鋼鐵企業針對塵泥固廢的內部定價機制確定)；

次氧化鋅粉可作為有色行業冶煉原料直接外售。

(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月最新生產成本情況。

表4 轉底爐生產支出及收入項數據表 元/t產品

按照表4統計數據，計算轉底爐金屬化球團產品生產成本如下：

115+410+460-390=595 元/t

根據實際生產統計，通過轉底爐工藝處置后的金屬化球團產品(全鐵TFe：69%，其中單質鐵MFe：51%)對標2021年4月河北地區的球團礦(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轉底爐生產線統計，工程建設投資約2.4億元，每年金屬化球團產品約10萬t(原料中的碳、氧、鋅元素作為燒損失去)，經濟效益約為1億元，投資回報十分可觀。由于轉底爐產品已經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，同時增加鐵水產量，對高爐生產有益。

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

6 結 語

轉底爐脫鋅工藝技術自20世紀70年代以來經過40余年的發展已日趨成熟可靠，并在海內外建成投運數十套工程業績。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，在國家環保政策要求日益嚴格的背景下，解決企業生產環保難題的同時并具有可觀的經濟效益。通過將固體廢棄物返回生產制造環節，將傳統制造的單向開式系統變為能夠回收生產廢棄物的閉式循環系統，提倡“固廢不出廠”，實現綠色制造，助力企業的環保綠色健康發展。