金永龍 劉思遠 秦國旗 楊 鯤 王 倩 孫宇佳

(1. 河鋼集團有限公司鋼研總院，2. 唐鋼國際工程技術(shù)有限公司， 3. 河鋼集團有限公司舞鋼公司)

鋼鐵廠含鋅固廢，同時含有大量的鐵素資源，是企業(yè)固廢綜合利用、實現(xiàn)“固廢不出廠”的重要環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外處置鋼鐵含鋅固廢的工藝路徑主要包括基于高爐或豎爐等熔融系統(tǒng)的鋅回收和鐵渣分離的生產(chǎn)工藝、基于回轉(zhuǎn)窯或轉(zhuǎn)底爐等固態(tài)還原系統(tǒng)的鋅和鐵分離回收工藝，各工藝都有其自身優(yōu)勢，就能源利用和能效來說，也存在較大的差異[1-6]。文章就國內(nèi)外規(guī)模化生產(chǎn)的各工藝能源結(jié)構(gòu)和能效進行研究和分析。

1 基于融態(tài)還原的鋅和鐵分離工藝

典型的工藝包括德國DK公司的高爐、從德國引進的太鋼Oxycup豎爐和國內(nèi)唐山鶴興的煙氣磁化分離熔融爐等[7-8]。其中位于德國杜塞爾多夫的DK公司，是專業(yè)處置含鋅固廢的循環(huán)利用公司，收集來自歐盟、加拿大、澳大利亞等地區(qū)和國家的含鋅固廢，配加部分軋鋼鐵皮等高含鐵物料，通過60 m2燒結(jié)機造塊，然后利用兩座專門的高爐(工作容積為580 m3和460 m3)進行還原后將鐵、渣和鋅分離。高爐鐵水主要成分為[Si]2.5%～3.0%，[Mn]0.5%～1.0%，[P]0.012%，[S]0.04%，[C]3.5%～4.2%，經(jīng)脫硫處理后到鑄造車間鑄成高品質(zhì)鑄鐵，出售到歐盟地區(qū)。而鋅蒸氣隨著高爐爐頂煤氣進入除塵系統(tǒng)，通過濕法除塵將細顆粒的高含鋅粉塵收集，含鋅65%～68%，TFe<1.5%，年處理量9 000 t，作為副產(chǎn)品外售。

該工藝主要能耗集中在燒結(jié)和高爐工序，其中燒結(jié)原料包括高爐除塵灰等含碳物料，以及各種回收的粉塵、軋鋼鐵皮等，這些回收物都不利于形成燒結(jié)粘結(jié)相，燒結(jié)成品率偏低。綜合考慮燒結(jié)過程、煙氣脫硫和熱煙氣循環(huán)等，燒結(jié)能耗和國內(nèi)燒結(jié)廠相比差距不大[9]。而對于高爐來說，入爐焦比630 kg/t，油比70 kg/t，燃料比約700 kg/t，明顯偏高。主要原因為：(1)提高鋅的回收率是該高爐的重要目標。為了促使高爐內(nèi)還原生成的鋅蒸氣能夠隨著煤氣流上升并從爐頂排出，采用的是大風量、邊緣和中心同時發(fā)展的特殊操作模式，風量達1 600～2 400 m3/t；(2)大量的硅、錳和鋅的還原需要消耗大量的碳，根據(jù)入爐鋅負荷、鐵水成分等估算，大約需要碳30～35 kg，折合焦比增加約40 kg/t；(3)通過高爐熱平衡和能源折標分析，高爐燃料輸入的總熱量約為20.8 GJ/t(折合約710 kgce/t)，比普通生產(chǎn)制鋼生鐵高爐(12.5～13.5 GJ/t；440 kgce/t)高60%左右，主要原因為：和普通高爐(燃料比490 kg/t，煤比170～190 kg/t)相比，該高爐的高燃料比、高風量導致高爐煤氣增加約700 m3/t，煤氣流速大，爐頂溫度比普通高爐(約200 ℃)高，估算煤氣需要多帶出物理熱約0.7 GJ/t；硅、鋅、錳直接還原吸熱，大約耗熱0.8～0.9 GJ/t；還原耗碳增加焦比40 kg/t，約1.25GJ/t；高爐煤氣中CO為30%左右，CO2為13%左右，CO利用率僅30%左右，煤氣熱值比普通高爐煤氣高25%左右，高爐煤氣化學能約8 GJ/t(普通高爐4.4 GJ/t)；高爐鐵水物理熱約為總量的6%，渣物理熱約為總量的3%，合計約1.9 GJ/t。高爐系統(tǒng)總的碳素能源消耗，考慮煤氣回收(約25%用于熱風爐)，高爐過程實際碳素能源消耗約為14.8 GJ/t，折合506 kgce/t；加上水電風氣及熱風爐燃燒，估算工序能耗約為590 kgce/t；除了脫鋅、硅還原、鋅排出等耗碳、耗熱(約6.3 GJ/t)，可比工序能耗比普通高爐偏高約1.5 GJ/t(折合51.2 kgce/t)。因此，進一步降低能耗是DK高爐需要努力的方向，首先要利用好鐵水物理熱(如直接到煉鋼)和高爐煤氣化學能，DK公司的高爐煤氣，主要用于高爐熱風爐燒爐、燒結(jié)點火和自發(fā)電廠發(fā)電；其次，高爐操作制度還需要進一步優(yōu)化，如在確保鋅蒸氣排出前提下，通過氣流分布優(yōu)化，改善煤氣利用率，從而降低燃料比；改善燃料結(jié)構(gòu)，充分利用高爐噴煤技術(shù)，在確保煤氣量前提下，取消噴吹重油、降低焦比，達到大幅度降低工序能耗的目的，以目前通用的高爐噴吹重油和煤粉與焦炭置換比(分別為1.2和0.8)、不同燃料的折標系數(shù)計算，如果70 kg/t重油由焦炭取代、再噴吹150 kg/t煤粉的條件下，燃料比744 kg/t，約下降30 kgce/t；如果燃料比降到700 kg/t(煤比不變)，煤氣量和目前噴吹重油的操作相差不大，下降約40 kgce/t；而噴吹煤比達到150 kg/t，在技術(shù)上是十分成熟的。

2 轉(zhuǎn)底爐工藝

近十幾年，國內(nèi)利用轉(zhuǎn)底爐工藝處置鋼鐵企業(yè)含鋅固廢的發(fā)展勢頭較好[10-12]。一方面是國內(nèi)高爐采取所謂“經(jīng)濟爐料”的操作模式，很多企業(yè)采用了鋅含量較高、價格相對便宜的鐵礦，同時電爐、轉(zhuǎn)爐廢鋼采用了各類鍍鋅或含鋅的廢鋼，導致了高爐鋅負荷的大幅提升，寶鋼大型高爐入爐鋅負荷從150 g/t提高到200 g/t，而有的企業(yè)高爐入爐鋅負荷已經(jīng)超過公斤級，嚴重影響高爐順行和長壽。另一方面，國內(nèi)轉(zhuǎn)底爐技術(shù)有所突破，如轉(zhuǎn)底爐需要塊狀料，從造球轉(zhuǎn)變?yōu)閴呵?，使入爐粉料下降，還原穩(wěn)定性提高，還原后成品球質(zhì)量改善，粉化率降低；如鍋爐余熱回收、布袋除塵等技術(shù)逐漸完善，滿足了轉(zhuǎn)底爐煙氣含鋅高的特殊要求；如轉(zhuǎn)底爐工序較長，濕料需要烘干，耗費額外能源，干濕混合技術(shù)逐漸取代濕料烘干技術(shù)，降低能源消耗。

轉(zhuǎn)底爐能源消耗和利用的環(huán)節(jié)主要包括：

(1)原料加工和處理環(huán)節(jié)。粉料經(jīng)過強混、壓球和烘干，然后到轉(zhuǎn)底爐布料，需要烘干用的煤氣、電耗和水等資源和能源；

(2)還原過程。轉(zhuǎn)底爐爐膛溫度是還原和脫鋅的關(guān)鍵，為了達到預熱、還原等需要的溫度，尤其是為了保證高溫段溫度，必須使用部分高熱值煤氣，如湛江鋼鐵原設計僅使用轉(zhuǎn)爐煤氣，實際生產(chǎn)中配加了部分焦爐煤氣，對燃料結(jié)構(gòu)的要求比較高，這是其能量消耗的關(guān)鍵；

(3)出料系統(tǒng)能量損失。轉(zhuǎn)底爐還原后的所謂“DRI”需要從1 100～1 200 ℃冷卻到200 ℃以下，需要采用類似冷卻筒等冷卻裝置，成品球物理熱損失占總熱量的10%左右；

(4)煙氣余熱回收和粉塵收集。轉(zhuǎn)底爐煙氣通過余熱鍋爐回收熱量，使其熱效率得到一定程度的改善。

目前比較先進的轉(zhuǎn)底爐設計和實際消耗能源指標見表1。設計總能耗約在380～430 kgce/t之間，實際生產(chǎn)比設計值要高50 kgce/t左右；其中由煤氣或天然氣帶入的能耗約在210～260 kgce/t之間，約占總能耗的59%；而固體碳是鋅還原所必須的，配加量為配料總量的10%～12%，還原劑的碳素消耗折合約為150 kgce/t，約占總能源消耗的37%；其余為風水電氣等消耗。目前煙氣回收主要靠余熱鍋爐，按回收蒸汽折算回收量約90～120 kgce/t之間，約占總熱量的25%，這是轉(zhuǎn)底爐工藝能效競爭力的關(guān)鍵。

表1 比較先進的轉(zhuǎn)底爐設計和實際消耗能源指標 kgce/t

3 回轉(zhuǎn)窯

回轉(zhuǎn)窯還原脫鋅機理和轉(zhuǎn)底爐相似，都是固態(tài)還原脫鋅，主要區(qū)別是可以不用造粒，省去了造粒和生球烘干等環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)用于處置含鋅固廢的回轉(zhuǎn)窯數(shù)量并不在少數(shù)，但大多數(shù)都不屬于鋼鐵企業(yè)，主要用于處置社會其它高含鋅固廢和鋼鐵企業(yè)高含鋅固廢。其中鋼鐵企業(yè)高含鋅固廢最多的是高爐除塵灰，目的是利用其中“廉價”的碳；而電爐除塵灰含鋅高、波動大，而且屬于“危廢”，也是處置的重點，目的是收取高額的危廢處置費[13-15]。因此，這些回轉(zhuǎn)窯企業(yè)主要目的是回收鋅，主要盈利點在于次氧化鋅產(chǎn)品；而剩余含鐵部分被稱之為“窯渣”，經(jīng)細磨磁選后分離，部分高含鐵的物料作為副產(chǎn)品外賣，剩余“渣”交給水泥企業(yè)或者棄置堆存。該類回轉(zhuǎn)窯裝備簡單、環(huán)保欠缺、能耗偏高，投資很低，造成了社會對回轉(zhuǎn)窯處置含鋅固廢的印象不佳，在大型鋼鐵企業(yè)內(nèi)推廣受到限制。目前，南鋼、本鋼、舞鋼、邯鋼等企業(yè)有正在運行的回轉(zhuǎn)窯，其中南鋼、邯鋼和舞鋼的回轉(zhuǎn)窯建有脫硫等環(huán)保設施，裝備水平有所提高，現(xiàn)場環(huán)境改善較大，而且操作觀念從高鋅原料轉(zhuǎn)變到處置鋼鐵企業(yè)內(nèi)部的含鋅固廢，以脫除鋅、最大限度回收含鐵物料為目的。因而南鋼、舞鋼等企業(yè)回轉(zhuǎn)窯本著服務鋼鐵主業(yè)的出發(fā)點，入爐鋅含量已經(jīng)不再作為限制的主要條件，為此操作制度也得到修正，在確保脫鋅率為90%的條件下，操作制度合理調(diào)整，配料的前提是含鐵物料能夠在鋼鐵流程內(nèi)全部再利用，不造成二次污染。鑒于回轉(zhuǎn)窯工藝比轉(zhuǎn)底爐短，不需要造塊工序，只要原料處理系統(tǒng)無組織排放得到有效控制，充分利用固廢含有的碳素，用焦粉作為補充還原劑和補熱劑。煙氣系統(tǒng)使用先進的環(huán)保裝置，加強余熱回收，回轉(zhuǎn)窯也可以成為社會認可的處置鋼鐵企業(yè)含鋅固廢的優(yōu)選方案?；剞D(zhuǎn)窯A和B實際運行的數(shù)據(jù)見表2，其中回轉(zhuǎn)窯A為傳統(tǒng)型，以回收高含鋅固廢的次氧化鋅為主要目的，大約10年前投運，次氧化鋅作為主要產(chǎn)品，“窯渣”處理后富鐵部分回鋼鐵主流程；回轉(zhuǎn)窯B為改進型，2年前設計投產(chǎn)的以鋼鐵企業(yè)回用高含鐵物料為目的的改進型回轉(zhuǎn)窯；優(yōu)化設計的回轉(zhuǎn)窯包含余熱回收、煙氣脫硫等環(huán)保達標設計，以富鐵物料回收作為主要目的，次氧化鋅作為副產(chǎn)品外售。回轉(zhuǎn)窯A和B運營理念不同，操作思路差異很大，導致能耗相差很大。通過各類回轉(zhuǎn)窯比較，技術(shù)人員優(yōu)化設計了改進的環(huán)保型回轉(zhuǎn)窯，原料處理滿足嚴格的排放要求，回轉(zhuǎn)窯裝備充分考慮環(huán)保和節(jié)能，提高還原度和鋅的回收率，煙氣處理選擇性的采用脫硫(或脫硝)模式，經(jīng)可研分析，年處置固廢20萬t的回轉(zhuǎn)窯的總投資同比轉(zhuǎn)底爐低15%～20%，而由于沒有壓塊或造塊、烘干，運行成本可更低一些，亦有利于實現(xiàn)較低的能耗。

表2 回轉(zhuǎn)窯運行和設計指標

4 結(jié)論

根據(jù)以上分析，不管是高爐，還是轉(zhuǎn)底爐或回轉(zhuǎn)窯，都能實現(xiàn)固廢中鋅的有效脫除，但都有其特殊性，如還原劑和燃料結(jié)構(gòu)，同時操作過程都還有優(yōu)化的余地。

(1)針對高爐工藝最大的優(yōu)勢在于渣鐵分離，能提供液態(tài)的鐵水；但增加煤比、控制焦比是降低工序能耗的重要技術(shù)手段；通過操作優(yōu)化，在滿足鋅還原和排出的特殊要求下，脫鋅高爐工序能耗進一步降低，提高其競爭力。但小型的燒結(jié)和高爐搭配，會增加企業(yè)環(huán)保壓力。

(2)隨著轉(zhuǎn)底爐脫鋅的技術(shù)進步和工藝成熟，在能耗和環(huán)保等方面都具備優(yōu)勢，但離不開高熱值煤氣對爐膛溫度和脫鋅率的保障，而焦粉(或煤粉)是固體碳還原脫鋅的必要條件。

(3)回轉(zhuǎn)窯工藝流程簡單，不需要高熱值煤氣和優(yōu)質(zhì)的焦炭作為還原劑和熱源，僅需焦粉(或煤粉)作為還原劑和補熱劑，具備能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。重點是要轉(zhuǎn)變操作觀念，以回收富含鐵的二次資源作為鋼鐵企業(yè)建設含鋅固廢處置裝備為出發(fā)點，脫鋅率的選擇以滿足富含鐵物料的全部回收利用為標準，進一步降低能耗。