转底炉处理冶金含锌尘泥技术工业化历程概述
时间：2023-01-16 10:45:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李东海
(重庆赛迪热工环保工程技术有限公司，重庆 401122)
钢铁企业在生产中会产生各类尘泥固废，一般约占粗钢产量的8%～12%，其中仍含有Fe、C、Zn、Ni等大量有价元素，是宝贵的待回收资源。其中，无锌和低锌尘泥可通过厂内循环实现二次利用，但剩下的含锌量较高的尘泥(w(Zn)≥1%)却难以被有效回收利用[1-2]。
高锌尘泥主要包括高炉瓦斯灰/泥、转炉OG泥或转炉LT灰和电炉灰等，除含有较高的Fe外，还伴有K、Na、Pb等易挥发元素,如直接返回烧结-高炉循环利用，会造成高炉炉内锌和碱金属的循环积累，破坏焦炭反应性，侵蚀炉衬，恶化炉料透气性，严重危害高炉的顺行和长寿[1-4]。目前一般除部分外卖外，多是填埋或临时露天堆放，不仅浪费场地，还极易引发二次污染，特别是粉尘中的Zn、Pb等有毒元素由于雨水作用会逐渐浸出和渗入地下，污染土壤及地下水。所以，美国早在1976年就将含锌尘泥归类于有害类物质K061，并立法要求进行回收和钝化处理，其他一些发达国家也陆续针对钢铁厂含锌尘泥固废制订了严格的环保标准[5-8]。国内在2008年已将电炉灰定义为危废，而广东、江西等省更是将高炉瓦斯灰/泥也纳入了危险废物管理。
目前，冶金含锌尘泥固废的处理方法主要分物理法、湿法和火法三类[9-11]。物理方法难以有效脱锌，多用于低锌尘泥的处理或是作为其他脱锌工艺的前处理工序。湿法工艺由于流程复杂、浸出剂消耗大、设备腐蚀严重、废渣废液难处理，目前已较少见。因此，火法工艺已成为当前最主流的脱锌技术，较为成熟的主要分回转窑和转底炉两种路线。回转窑中物料填充率低，物料在筒体内转动前进，易粉化，高含铁物料进入高温端后极易与窑衬形成结瘤结圈，因此不仅入炉尘泥铁品位需严格控制，操作温度也难以提升，而且受烧嘴布置的局限，窑内高温区较短，所以只能靠延长物料停留时间来提高还原效果，这也就导致了回转窑工艺生产效率低、单机能力小、能源消耗高，一般仅适用于处理含锌大于8%、含铁低于30%的尘泥，难以适应长流程大型联合钢企，目前多见于一些外协厂。相较于回转窑工艺，转底炉中的物料与炉床相对静止，再结合特有的炉床保护措施，不存在结圈问题，而且炉内温度、气氛多分区精准可控，能够实现高温快速还原，从而有力保证了产品质量，确保了尘泥中有价元素的高效回收利用。因此，近二十年来，转底炉处理冶金含锌尘泥固废技术在国内外得以快速发展[6-13]。
转底炉技术属煤基直接还原炼铁工艺，钢铁厂内的各类含锌尘泥按一定配比混合均匀再经造块和干燥后送入转底炉，在炉内高温还原气氛下，团块内部的碳元素将铁、锌还原，锌变成蒸汽进入烟气系统再氧化后以氧化锌形式被捕集回收，剩下的直接还原铁(即DRI)则经冷却后送高炉、转炉或电炉使用，尤适用于长流程大型联合钢企。该技术起源于美国，发展于日本，成熟于中国，截至目前，世界范围内已建成三十余座处理冶金含锌尘泥的工业化转底炉线，如表1所示[14-20]，其工业化历程可大致分为三个阶段。2000年以前，主要是在技术发源地美国国内起步，由于这一时期伴随着美国传统重工业的产能转移和衰退，因此其工业化历程较为缓慢。2000—2011年，转底炉技术在日本钢铁企业内得以验证并进入大规模工业化阶段，并开始向中韩发展。2011年至今，得益于我国庞大的钢铁市场规模和行业各方从业者的不断改进优化，转底炉技术在我国逐渐走向成熟并形成了自己的技术特色。
表1 国内外冶金含锌尘泥转底炉线一览表
续表
2.1 2000年之前
这一时期主要是转底炉技术的起步阶段，最早由美国Midrex公司前身Midland Ross公司提出Heat-Fast工艺并进行半工业化研究，1978年Midland Ross公司联合Inmetco公司在宾州埃尔伍德市建成第一座处理电炉灰的工业化转底炉线，随后历经发展逐渐演化出DryIron、Inmetco和DryIron工艺等路线，应用于铁精矿处理、冶金尘泥处理等领域，如图1所示，然而伴随着美国钢铁业的衰退，转底炉技术的工业化探索逐渐向日本钢铁业转移。
2.2 2000—2011年
20世纪90年代，日本神户制钢收购Midrex公司成为其全资子公司，转底炉直接还原技术进入日本并相继发展出Fastmet、Itmk3、Hi-QIP等工艺[21]，在处理铁矿粉生产海绵铁和含锌尘泥资源化利用等领域进行了大胆的商业化尝试，特别是在处理冶金含锌尘泥领域，从2000年开始，进入了快速工程化应用阶段。以新日铁为例，图2是其2000—2010年使用转底炉处理含锌尘泥生产DRI的统计数据[10]，10年间，其使用转底炉处理冶金含锌尘泥固废的规模增长了约6倍。这一时期，新日铁柱金、JFE和神户制钢等大型联合钢企陆续建成了十几座转底炉，但受限于其整体钢铁产能规模，转底炉市场很快趋于饱和，于是逐渐开始向韩国和中国进行推广。
这一时期，国内也有部分高校及科研单位在致力于转底炉技术的研究，并相继建成了几条中试线，但主要集中于铁矿石直接还原和贫杂伴生矿的多级回收利用领域[22-24]，再加上当时国内环保意识尚未充分建立，因此在冶金含锌尘泥处理领域发展十分缓慢。但随着环境问题的日益突出，环保压力与日俱增，为降低冶金含锌尘泥的资源化循环利用难题，国内钢企开始探索应用转底炉技术。自2009年马钢与新日铁合作建设了大陆地区第一条工业化转底炉处理线，对探索冶金含锌尘泥固废的资源化循环利用起到了一定的示范作用，之后日钢、沙钢、莱钢也相继上马转底炉项目，陆续于2011年前投产。
2.3 2011至今
2011—2014年，受当时国内基础研究不足、工程实践积累不够、成熟设备供应商匮乏和有经验的从业人员短缺等诸多因素影响，前期建成的转底炉历经多次改造才逐渐趋于稳定。因此，这一时期转底炉市场较为低迷，企业多持观望态度。然而随着国家对于环境保护和淘汰落灰产能力度的不断加强，钢铁企业对于绿色发展的需求逐渐高涨；
与此同时，随着高炉的大型化发展、铁矿石价格的不断攀升和废钢的大量使用，含锌尘泥循环使用带来的高炉锌害问题日益突出，而转底炉处理含锌尘泥直接生产金属化球团的环保性和经济性优势逐渐凸显。在此期间，中冶赛迪等工程公司立足于基础工艺与核心装备的自主研发，逐渐形成了自有知识产权的转底炉技术，先后于2015年和2016年在唐山燕钢和宝钢湛江分别建成了1座转底炉，经过业内各方的共同努力，实现了转底炉产线的稳定运行和快速达产达标，市场逐渐开始回暖。此后，随着2018年燕钢二期转底炉建成投产以及上海宝钢转底炉项目的落地，市场信心得以重振，首钢京唐、新余钢铁等大型联合钢企纷纷上马转底炉，预计到2022年国内(含港澳台地区)含锌尘泥转底炉线累计数量将达到21座，占据全球转底炉数量的一半以上。
图3为近十余年来国内(含港澳台地区)建成转底炉的数量情况，可以看到，2011年以前由于市场重视程度不够和核心技术掌握程度不足，工业化进展较缓慢。2015—2018年，随着业界的不断探索和积累，转底炉技术终趋于成熟，2018年以后，以年均3～4座的数量在递增。值得一提的是，在越南河静钢铁，中冶赛迪在与新日铁的同台竞争中获得业主认可，实现了国内转底炉技术的首次对外输出，该项目预计将于明年建成。
从转底炉处理冶金含锌尘泥技术的工业化历程不难看出，其发展是与钢铁产能的变迁相伴生的。从表1中的统计数据可以发现，日本国内转底炉处理冶金含锌尘泥的规模约占其整个钢铁产能的2%，而当前国内的规模仅有0.5%，因此，类比日本经验来看，目前国内转底炉技术仍处于增量市场的发展过程中。另外，有研究表明，高炉每使用100 kg/t金属化球团可降低燃料比约22 kg/t ，在大力倡导钢铁企业践行绿色低碳环保发展的当下，继续优化提升转底炉技术服务于钢铁企业的转型升级更具有一定的现实意义，预计未来可向以下几个方向进一步拓展。
(1)长流程大型钢铁联合企业中的冶金尘泥综合固废处理中心——可通过柔性化的整合设计将各类冶金含铁尘泥固废进行综合统筹处理，形成以大型转底炉为核心，均质化、冷压块等技术为辅的冶金尘泥固废综合处理中心。宝钢湛江基地、中天钢铁南通基地固废处理中心正是基于这一理念而建成。
(2)短流程炼钢厂的配套单元——我国钢铁生产已迈过弧顶区步入下降通道，废钢蓄积量也已逐渐接近发达国家水平，特别是在当下铁矿石价格高昂，实现减碳绿色发展等现实要求下，废钢作为可循环再生冶炼原料已成为必然趋势。可借鉴美日等传统钢铁强国的经验，建立配套的小型化转底炉单元，对电炉灰进行无害化和资源化处理。
(3)独立运营的区域冶金尘泥固废处理中心——对于局部中小型钢企较密集的地区，或大型钢铁产业园区内的资源循环利用单元，可由政府协调、行业统筹、多家联合组建独立运营的区域固废综合处理中心，与其他固废处置技术联动发展，打造灵活柔性的订单式区域固废处理中心。
(4)构建数字化“智慧固废中心”——为适应企业数字化转型发展的要求，同时落实新《固废法》对于固废信息化监管的要求，可依托转底炉固废单元构建冶金尘泥的“智慧固废中心”，通过运用物联网、5G、大数据等技术手段，破除固废产地多源、检测计量数据离散、管理部门多头等信息孤岛难题，打通钢铁企业内固废产生、流转、治理、排放的全业务数据链，形成全厂冶金尘泥固废从源头产生到中转库存以及末端处置的全流程一体化管控。
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