南鋼含鐵含鋅塵泥資源綜合利用現(xiàn)狀及發(fā)展概述

周賀賀，童星

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇南京 210035）

摘要：南鋼含鐵含鋅塵泥種類繁多、性質(zhì)差異較大，目前未能被有效回收利用。在此基礎(chǔ)上，南鋼聯(lián)合中冶賽迪、寶武梅山設(shè)計院等單位經(jīng)過長時間的調(diào)研論證，提出了采用轉(zhuǎn)底爐工藝方案處置含鐵含鋅塵泥，并進行了可行性研究。結(jié)果表明，采用轉(zhuǎn)底爐工藝處置南鋼含鐵含鋅塵泥，不僅能夠解決現(xiàn)有工藝處理效率低、堆存引起的環(huán)境污染及資源浪費等問題，而且能夠?qū)崿F(xiàn)良好的經(jīng)濟、環(huán)保和社會效益，為鋼鐵工業(yè)產(chǎn)業(yè)變革、綠色轉(zhuǎn)型及高質(zhì)量發(fā)展提供了參考。

關(guān)鍵詞：含鋅塵泥；固體廢棄物；轉(zhuǎn)底爐；資源化利用

1 引言

2020年我國鋼鐵行業(yè)粗鋼產(chǎn)量達10.53億噸，占全球粗鋼產(chǎn)量的56.5%，位居世界第一^[1]。鋼鐵行業(yè)的蓬勃發(fā)展，為我國國民經(jīng)濟發(fā)展與社會進步提供了重要支撐，但同時也帶來了環(huán)境治理問題。這是由于鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的含鐵粉塵、污泥等固體廢棄物，主要包括燒結(jié)除塵灰、高爐瓦斯灰或泥、電爐粉塵、轉(zhuǎn)爐除塵灰或泥、氧化鐵皮等。據(jù)研究顯示，每生產(chǎn)1萬噸粗鋼，就會產(chǎn)生約800~1200噸含鐵塵泥^[2]，意味著我國鋼鐵行業(yè)每年排放的含鐵塵泥總量超過8400萬噸。這些大量的含鐵塵泥固廢中含有豐富的鐵、碳、鋅、鉛、鎂等有價元素，成分復(fù)雜，難以直接回收利用，若處理不當，不僅會造成環(huán)境污染，還會引起資源浪費。長期以來，這些含鐵塵泥大部分是回收后直接返回燒結(jié)加以利用，然而隨著鋅及堿金屬等有害元素在生產(chǎn)循環(huán)過程中的不斷富集，加之煉鋼所使用的廢鍍鋅原料比例不斷增加，上述部分含鐵塵泥物料中的含鋅量也逐漸上升，嚴重影響了高爐的設(shè)備壽命及工藝生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟指標。特別是當鋅負荷接近極限值時，便不能再配入含鋅塵泥，塵泥只能堆存并尋求其他處置辦法^[3-6]。因此，探索含鐵含鋅塵泥固廢的處置方法并實現(xiàn)其潛在資源的回收利用，已經(jīng)成為鋼鐵企業(yè)的最主要研究方向之一，也是實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型、高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措。

2 南鋼含鐵含鋅塵泥利用現(xiàn)狀

2.1 南鋼現(xiàn)有含鐵含鋅塵泥情況

鋼鐵企業(yè)的各工序在生產(chǎn)過程中均會產(chǎn)生一定量的含鐵塵泥，特別是燒結(jié)、煉鐵和煉鋼工序^[7]。南鋼現(xiàn)有的煉鋼工序每年約產(chǎn)生15萬t含鋅含鐵塵泥，其Fe品位高達54％，而該塵泥目前僅做簡單的外售處理。但由于環(huán)保壓力越來越大，外售處理途徑隨之也越來越難，同時由于原材料價格的上漲，每年僅因OG泥內(nèi)鐵素流失而造成的直接經(jīng)濟損失已接近億元。此外，南鋼一煉鋼轉(zhuǎn)爐除塵由濕法工藝改為了干法工藝，雖然能夠減少一定的OG泥發(fā)生量，但是干法除塵新增產(chǎn)生的LT灰卻因鋅含量較高，也無法直接回用。據(jù)統(tǒng)計，南鋼現(xiàn)有的含鐵含鋅塵泥主要包括：一、二鐵廠高爐干法灰，一、二煉鋼轉(zhuǎn)爐污泥，一、二煉鋼轉(zhuǎn)爐LT除塵灰，一、二煉鋼轉(zhuǎn)爐二次灰，三煉鋼電爐除塵灰，軋鋼除塵灰及三煉鋼水處理污泥等。南鋼各含鐵含鋅塵泥的情況見表1。

表1 南鋼含鐵含鋅塵泥情況

序號	物料名稱	TFe（%）	Zn（%）	C（%）	年發(fā)生量/萬t（干基）
1	高爐干法灰（一、二鐵廠）	32.3	1.3	30.25	7.45
2	一煉鋼轉(zhuǎn)爐污泥	53.6	1.5	3.1	2.31
3	二煉鋼轉(zhuǎn)爐污泥	53.6	1.5	3.1	3.42
4	一煉鋼LT除塵灰	58.3	0.94	3.8	4.6
5	一煉鋼轉(zhuǎn)爐二次灰	23.3	5.15	7.4	0.87
6	二煉鋼轉(zhuǎn)爐二次灰	23.3	5.15	7.4	0.89
7	二煉鋼轉(zhuǎn)爐LT除塵灰	58.3	0.94	3.8	1.79
8	三煉鋼電爐除塵灰	38.5	14.3	0.85	1.73
9	三煉鋼水處理污泥	7.4	0.14	6.6	0.02
10	軋鋼除塵灰	60.0	<0.01	<0.01	0.3
合計	-	-	-	-	23.38

由表1可知，南鋼含鋅含鐵塵泥來源廣泛，成分復(fù)雜，性質(zhì)差異較大。其中，F(xiàn)e品位>50.0%的塵泥有5種，分別是一、二煉鋼轉(zhuǎn)爐污泥，一、二煉鋼轉(zhuǎn)爐LT除塵灰及軋鋼除塵灰，且軋鋼除塵灰的Fe品位最高，其值為60.0%；Fe品位在10.0%~50.0%區(qū)間的包括一、二鐵廠高爐干法灰，一、二煉鋼轉(zhuǎn)爐二次灰和三煉鋼電爐除塵灰；而Fe品位<10.0%的僅為三煉鋼水處理污泥，其值為7.4%。同時，塵泥中Zn品位>10.0%的僅含三煉鋼電爐除塵灰，其值為14.3%；塵泥中Zn品位在1.0%~10.0%的包含：一、二鐵廠高爐干法灰，一、二煉鋼轉(zhuǎn)爐污泥；塵泥中Zn品位<1.0%的包括一煉鋼LT除塵灰、二煉鋼轉(zhuǎn)爐LT除塵灰及三煉鋼水處理污泥，且三煉鋼水處理污泥的Zn品位最低，其值為0.14%。此外，塵泥中C品位>10.0%的僅含一、二鐵廠高爐干法灰；而三煉鋼電爐除塵灰中C品位<1.0%，其值為0.85%，其余含鐵含鋅塵泥中C品位在1.0%~10%區(qū)間內(nèi)。此外，所有塵泥的總年發(fā)生量為23.38萬t，其中高爐干法灰（一、二鐵廠）的年發(fā)生量最高，其值為7.45萬t/年；三煉鋼水處理污泥的年發(fā)生量最低，其值為0.02萬t/年，其余含鋅含鐵塵泥的年發(fā)生量在0.1~5.0萬t區(qū)間內(nèi)。

2.2 南鋼現(xiàn)有含鐵含鋅塵泥處理工藝

針對現(xiàn)有含鋅含鐵塵泥，南鋼目前采用了一條回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線來進行處理。回轉(zhuǎn)窯工藝是將各種來源的含鋅塵泥混合完與煤粉一起裝入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，通過焦爐煤氣和空氣燃燒加熱，可將窯內(nèi)的爐料加熱至部分軟化及熔化，從而在窯襯上結(jié)瘤接圈，后通過成球棒刮料，落料沿窯壁滾動成球。同時，含鋅元素在高溫條件下被還原成金屬鋅，蒸發(fā)并進入煙氣，煙氣在排放時冷卻，并再次被氧化成細小的顆粒與煙氣被除塵系統(tǒng)收集^[8]。但通常情況下，回轉(zhuǎn)窯工藝特點只適用于處理低鐵塵泥（Fe品位30％左右），若處理高鐵塵泥則會加劇其結(jié)圈問題，一旦出現(xiàn)結(jié)圈現(xiàn)象就必須停窯處理，這就導致作業(yè)率大大降低^[9]。同時，為了控制結(jié)圈所采取降爐溫的操作，將會導致回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)品窯渣還原度、除雜率降低等問題，使得高鐵塵泥中的鐵素無法有效回收。不僅如此，由于這條生產(chǎn)線建在廠區(qū)外，原料除塵灰及產(chǎn)品在內(nèi)外運輸過程中，對周邊居民的生活也造成了不良影響。此外，由于這條線的建設(shè)時間較久，環(huán)保配套設(shè)施不完善，生產(chǎn)過程環(huán)境控制問題也較嚴重。因此，南鋼亟需一種成熟、可靠、環(huán)保的工藝來處理廠內(nèi)含鐵含鋅塵泥。

3 南鋼含鐵含鋅塵泥綜合利用發(fā)展

為了將前述含鐵含鋅塵泥更好地資源化利用，歷經(jīng)長時間調(diào)研論證，提出了采用轉(zhuǎn)底爐工藝來處理南鋼含鐵含鋅塵泥。

3.1 工藝對比

轉(zhuǎn)底爐工藝是將含鋅含鐵塵泥經(jīng)過配料—混合—成型—烘干后進入轉(zhuǎn)底爐進行還原，還原后的DRI經(jīng)冷卻放入成品倉后運至用戶點，轉(zhuǎn)底爐的熱煙氣經(jīng)余熱鍋爐回收余熱后，再經(jīng)過收鋅袋式除塵器進行氧化鋅粉塵回收。轉(zhuǎn)底爐與回轉(zhuǎn)窯的技術(shù)對比見表2。

表2 轉(zhuǎn)底爐與回轉(zhuǎn)窯技術(shù)對比

項目	轉(zhuǎn)底爐	回轉(zhuǎn)窯
適用范圍	煉鐵、煉鋼各種塵泥	高鋅低鐵塵泥
原料含碳	10%～11%	14～16%
混合料含鋅	～4%	＞6%
產(chǎn)品含鋅	＜0.4%	＜0.6%
脫鋅率	90%	85%
原料全鐵	～50%	～35%
產(chǎn)品全鐵	～70%	～50%
金屬化率	～70%	40～45%
燒成率	65%	60%
反應(yīng)時間	20min～30min	4h～6h
鋅粉品位ZnO%	～60%	～60%

由表2可知，與原有的回轉(zhuǎn)窯工藝相比，轉(zhuǎn)底爐工藝更適宜處理高鐵品位原料，而且具有產(chǎn)品金屬化率、全鐵品位及燒成率更高，反應(yīng)時間更短等優(yōu)點。不僅如此，已有研究表明轉(zhuǎn)底爐工藝還具有運行成本低、固定投資低、設(shè)備運行穩(wěn)定可靠、環(huán)境友好等優(yōu)勢^[10]。目前，國內(nèi)已有許多鋼鐵企業(yè)采用轉(zhuǎn)底爐工藝，包含唐山燕鋼、江蘇新余鋼鐵、寶鋼湛江鋼鐵、山東日照鋼鐵、江蘇沙鋼等^{[11, 12]}。

3.2 轉(zhuǎn)底爐工藝流程

為了更好地處理上述含鋅含鐵塵泥，脫除原料中的鋅，得到DRI球團，南鋼委托中冶賽迪對南鋼含鐵含鋅塵泥資源綜合利用項目進行了可行性研究，并制定了轉(zhuǎn)底爐工藝方案，工藝流程圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)底爐工藝流程圖

如圖1所示，該轉(zhuǎn)底爐工藝流程如下：轉(zhuǎn)爐污泥及三煉鋼水處理污泥通過自卸車來料進入原料預(yù)處理間污泥堆存區(qū)域。煉鋼除塵灰、電爐除塵灰、軋鋼除塵灰通過密閉罐車運輸，氣力輸送至原料預(yù)處理間相應(yīng)的灰倉。污泥、干灰在原料預(yù)處理間污泥堆存區(qū)域內(nèi)拌料后由抓斗上料進入混合料料斗，再經(jīng)給料設(shè)施送至混合機預(yù)混，預(yù)混后的混合料落入配料主皮帶。高爐干法灰、粘結(jié)劑、CDQ粉（預(yù)留）通過密閉罐車運輸至配料間，氣力輸送進相應(yīng)的料倉。預(yù)混料和配料間中的干灰、粘結(jié)劑、CDQ粉（預(yù)留）以及系統(tǒng)返料經(jīng)定量給料機按比例配料由膠帶機送至強力混合機混勻，混勻后物料進入壓球緩沖倉，經(jīng)倉下定量給料設(shè)備給至壓球機成球。成型的生球經(jīng)過篩分，篩余物料重新返回配料系統(tǒng)。合格生球進入鏈篦機脫水至～2%，干燥后的生球送至振動布料器，將烘干生球均勻布到轉(zhuǎn)底爐爐床上。

進入轉(zhuǎn)底爐的生球利用爐內(nèi)高溫及生球中的碳產(chǎn)生還原反應(yīng)，將氧化鋅還原為鋅，鋅揮發(fā)進入煙氣中，并被再氧化成氧化鋅粉末沉降，最終被回收。

還原后的DRI成品通過高溫出料螺旋從轉(zhuǎn)底爐內(nèi)排出，經(jīng)出料溜槽進入臥式冷卻機。冷卻后成品溫度降低至180℃以下，再經(jīng)篩分，合格成品進入成品倉，篩下粉進入粉倉。

從轉(zhuǎn)底爐出來的高溫煙氣，先通過沉降室，再經(jīng)余熱鍋爐回收余熱，余熱鍋爐出來的煙氣溫度降至約200℃，摻風降溫并由袋式除塵器凈化后，送往煙氣爐作為混風回用。次氧化鋅粉在余熱回收過程中和袋式除塵器中逐級回收。

3.3 產(chǎn)品情況

根據(jù)所制定轉(zhuǎn)底爐工藝流程，研究人員設(shè)計轉(zhuǎn)底爐設(shè)備能力為25萬t/年，結(jié)合南鋼現(xiàn)有含鐵含鋅塵泥年發(fā)生量情況，計算得含鐵含鋅塵泥資源綜合利用線的產(chǎn)品情況如表3所示。

表3 轉(zhuǎn)底爐項目產(chǎn)品情況

DRI	次氧化鋅粉		蒸汽
產(chǎn)量（萬噸/a）	產(chǎn)量（萬噸/a）	Zn（%）	輸送量（萬噸/a）	壓力（MPa）	溫度（℃）
~16.87	~1.02	~50	~15.18	1.2~1.6	≤300

（注： 1. DRI包括DRI球~12.65萬噸和DRI篩下粉~4.22萬噸；2. DRI和次氧化鋅粉的產(chǎn)量、成分與原料成分有關(guān)，以上為理論計算值，以最終實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為準。）

由表3可知，該項目產(chǎn)品包含DRI產(chǎn)品、次氧化鋅粉及蒸汽。其中，DRI產(chǎn)品成品脫鋅率≥88%，成品抗壓強度：≥1500 N，DRI粉化率（5 mm篩分）≤30%，可以作為煉鋼和煉鐵的原料。同時，產(chǎn)品中的次氧化鋅粉直接外售，蒸汽并入全廠蒸汽管網(wǎng)利用。

3.3 經(jīng)濟效益

依據(jù)南鋼現(xiàn)有含鐵含鋅塵泥發(fā)生量23.38 萬噸/年，參照南鋼燒結(jié)返礦金屬化球團、粉的價格，以及近期市場氧化鋅，對轉(zhuǎn)底爐項目產(chǎn)品的收入進行了計算，結(jié)果見表4。

表4 轉(zhuǎn)底爐項目收入預(yù)算

序號	產(chǎn)品	單價(元/t)	年量（104 t）	金額（萬元）
1	DRI 球	1000	12.65	12650
2	DRI 粉	500	4.22	2108
3	氧化鋅	4300	1.02	4395
4	蒸汽	90	15.18	1366
合計	-	-	-	20520

由表4可知，南鋼含鐵含鋅塵泥經(jīng)轉(zhuǎn)底爐工藝處理后，每年至少可收入20520萬元。若這些塵泥僅做外售處置，由于屬于固廢，按照常規(guī)價格10~50 元/t^[4]，以每年處置23.38萬t含鐵含鋅塵泥計算，每年外售收入約為

23.38萬t×50元/t=1169萬元

通過這一粗略的計算與對比可得，南鋼含鐵含鋅塵泥通過轉(zhuǎn)底爐工藝處置后，產(chǎn)品DRI球、粉，氧化鋅粉以及蒸汽實現(xiàn)分類回收資源化利用，其收入超出簡單售賣的17倍，具有極大的盈利潛力。

3.4 環(huán)境保護

轉(zhuǎn)底爐項目生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙氣、粉塵，可采用先進、高效的除塵設(shè)備，實現(xiàn)氣體含塵濃度≤10 mg/m³，SO₂≤35 mg/m³，NO_X≤50 mg/m³，達到超低排放的標準。同時，生產(chǎn)用水可采取分質(zhì)供水、循環(huán)供水，提高生產(chǎn)用水的利用率，實現(xiàn)無生產(chǎn)廢水外排。此外，環(huán)境除塵產(chǎn)生除塵灰可由系統(tǒng)回收，含鋅除塵灰經(jīng)袋裝密封后也可送有資質(zhì)的單位回收利用，全廠廢耐火材料可由回收單位統(tǒng)一回收利用。

總之，將南鋼含鐵含鋅塵泥通過轉(zhuǎn)底爐工藝處置，不僅可以解決該固廢堆存引起的環(huán)境問題、資源浪費問題以及現(xiàn)有工藝處理效率低等問題，而且可以實現(xiàn)含鋅含鐵塵泥固廢的零排放、全回收，為鋼鐵行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型及可持續(xù)發(fā)展提供了新思路，對于環(huán)境保護、資源循環(huán)利用具有重要意義。

4 結(jié)論

隨著“十四五”開啟，中國鋼鐵工業(yè)正闊步邁上高質(zhì)量發(fā)展新征程。為了踐行高質(zhì)量發(fā)展理念，南鋼將聚焦鋼鐵行業(yè)產(chǎn)業(yè)變革及綠色發(fā)展需要，依據(jù)南鋼含鐵含鋅塵泥現(xiàn)狀，探索研究并制定了轉(zhuǎn)底爐工藝方案，創(chuàng)新性地解決了該含鐵含鋅塵泥固廢現(xiàn)有工藝處理效率低，堆存引起的環(huán)境污染及資源浪費等問題，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)南鋼含鋅含鐵塵泥固廢的全回收、零排放，而且具有極大的經(jīng)濟盈利潛力，對于鋼鐵工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型、高質(zhì)量發(fā)展提供了新思路。