欧冶炉处置含锌废弃物工业试验分析对比

李维浩

（新疆八一钢铁股份有限公司炼铁厂）

1 引言

八钢每年产生的固体废弃物中含锌粉尘、污泥等数量较大，其中无锌和低锌的粉尘、污泥等基本都二次循环利用。对含锌较高的高炉煤气布袋灰、转炉二次粉尘、污泥等的尘泥无法进行有效利用。如将锌含量较高的尘泥返回烧结利用，将会造成锌在高炉和烧结工序之间循环富集，对高炉稳定顺行和长寿会带来负面影响，故高炉操作和生产组织要求锌负荷控制在0.2kg/tHM以内。对厂内产生的锌含量小于1%尘泥基本能做到返回烧结循环利用，但锌含量较高尘泥基本都露天堆储，不仅占用场地，而且污染环境。尘泥中含有较高的铁和碳未得到回收，造成资源浪费。

自八钢欧冶炉投产后，就如何利用欧冶炉所特有装备及工艺条件，处理厂内产生的工业废弃物进行了多方面探索和研究。其中对利用欧冶炉处置含锌尘泥多种工艺路线进行分析研究，并通过相应的工业试验进行了验证。对欧冶炉处置含锌尘泥的三种工艺路线的工业试验进行分析，以寻求对系统影响最小、利益最大化的操作途径和生产组织模式。

2 欧冶炉处置含锌废弃物的机理分析

近几年，针对欧冶炉冶炼工艺技术八钢公司和国内多家高校进行了联合研究。研究认为锌元素在欧冶炉不同区域的反应机理有所不同。

2.1 锌元素在欧冶炉内主要的化学反应

2.2 锌元素在欧冶炉内不同区域的主要反应

2.2.1 气化炉拱顶区域ZnO被CO还原为Zn

气化炉内拱顶环境条件：温度1050℃，压力为330kPa，煤气中CO和CO2含量分别为60%和10%。

根据（1）式计算欧冶炉气化炉拱顶区域ZnO临界还原温度，见表1。

表1 欧冶炉气化炉拱顶区域ZnO临界还原温度

在欧冶炉气化炉拱顶区域ZnO临界还原温度低于环境温度，ZnO易被还原为金属Zn，并以蒸汽形态存在。

2.2.2 气化炉移动床区域ZnO被C还原为Zn

气化炉内移动床环境条件：移动床料面温度约650℃，压力最大约为560kPa，煤气中CO含量最大约为80%。根据（2）式计算气化炉移动床ZnO最高临界还原温度，见表2。

表2 气化炉移动床ZnO最高临界还原温度

在气化炉移动床ZnO最高临界还原温度为851.35℃，进入移动床内部也可被还原。

2.2.3 在还原竖炉内部区域Zn被氧化为ZnO

还原竖炉环境条件：煤气温度800～350℃（见图1），压力最大约为330kPa，煤气中CO含量44.08%～65.51%，CO2含量33.95%～13.57%（表3）。

表3 欧冶炉还原煤气和顶煤气主要化学成分 %

图1还原竖炉内煤气(a)和炉料(b)的温度场分布(℃)分布示意图

因ZnO+CO=Zn+CO2是可逆反应，当温度低于800℃时，Zn元素被氧化为ZnO。在欧冶炉还原竖炉内Zn元素被氧化为ZnO。

2.2.4 欧冶炉内锌元素还原、氧化和循环富集机理

（1）根据（1）式和（2）式，当 Zn的化合物进入气化炉后，拱顶区域1050℃高温及还原气氛将ZnO还原成Zn，并以Zn蒸汽形式随同还原煤气进入气化炉发生煤气管道。

（2）含有Zn蒸汽的还原煤气流经热旋风除尘器后流向分为两部分：80%还原煤气经围管进入还原竖炉；20%的还原煤气进入冷煤气填料洗涤器。

（3）进入还原竖炉的还原煤气中Zn蒸汽，随着煤气温度降低被煤气中CO2氧化为ZnO，并附着在还原竖炉内下降的炉料上，随同DRI炉料返回气化炉拱顶，形成Zn元素循环富集过程。

（4）进入冷煤气填料洗涤器Zn蒸汽，经过工艺水洗涤冷却后煤气温度降低，煤气中Zn元素被煤气中CO2氧化为ZnO，经冷煤气填料洗涤器工艺水洗涤。洗涤水中ZnO随煤气洗涤水进入工艺水处理系统，经沉淀后由工艺水处理系统以污泥形式排出。欧冶炉污泥含锌＞8%富集排出，做为含锌资源出售，＜8%含锌污泥循环富集。[1]

3 欧冶炉处置含锌废弃物的三种方式

3.1 高锌烧结工艺处置含锌工业废弃物工业试验

3.1.1 欧冶炉处置高锌烧结矿试验前准备

（1）烧结工序提前生产高锌烧结矿，堆存至新区高炉料场，见表4。

（2）欧冶炉配加高锌烧结矿工业试验前基准期欧冶炉锌平衡计算。其中：烧结矿锌含量0.055%，烧结矿配加量47.67%，原料带入欧冶炉内的锌含量占总入炉锌负荷的83.06%。

表4 欧冶炉用烧结矿化学成分 %

（3）从工业试验前基准期生产数据理论分析得出，吨铁炉内锌元素富集量约0.032kg/t；从欧冶炉排出的锌主要进入煤气洗涤水污泥中，约占锌入炉总量的96.26%。

3.1.2 欧冶炉处置高锌烧结矿工业试验

（1）按计划将含锌烧结矿通过3#圆形仓事故坑上至矿煤槽3A/5A料仓，由矿线配加进还原竖炉。

（2）试验期欧冶炉熔炼率按150t/h控制，高锌烧结矿按50%配加，吨铁锌负荷达到1.062kg/t。

（3）欧冶炉配加高锌烧结矿试验期间锌平衡计算（见表5）

表5 欧冶炉配加高锌烧结矿试验锌平衡计算表

（4）欧冶炉配加含锌烧结矿试验期间，入炉锌元素主要来自原料，占比达到94.80%。其中烧结矿带入的锌占比达92.25%。污泥中锌含量达到

5.806%，占总排出锌量的97.6%。

（5）欧冶炉配加含锌0.12%的烧结矿50%，整体对炉况影响较小，竖炉压差、炉料温度及煤气含尘均在控制范围内。试验期除污泥量有所增加，其它各项指标在控制范围内，炉况运行整体平稳。

3.2 配加冷固球团处置含锌废弃物工业试验

3.2.1 利用冷固球团造块工艺制备含锌污泥球

将钢厂内部各工序产生的含锌废弃物与结合剂按比例进行搅拌混均，利用冷压造球机压制成直径35mm含锌污泥球团作为含锌原料供欧冶炉使用（表 6）。

表6 含锌污泥球化学成分 %

3.2.2 配加含锌污泥球生产试验

（1）将经过冷固造球预处理后的含锌污泥球，用汽车运输至矿煤槽上料口，经皮带输送机输送至矿煤槽料仓。

（2）在配料工序按配料料单配料，每2批煤线料批配加一批含锌污泥球，随同焦炭、沫煤、块煤等燃料，经欧冶炉煤线装料系统装入欧冶炉气化炉。欧冶炉配加4%污泥球生产试验，吨铁配加含锌污泥球量达到36kg/tHM，欧冶炉各项运行指标良好。

（3）在配加含锌污泥球4%生产试验的基础上，将含锌污泥球配加量增加到8%，吨铁配加含锌污泥球量达到72kg/tHM，生产运行状况平稳，气化炉拱顶温度控制在1050±20℃范围内，气化炉压力无明显波动，竖炉顶温控制在220～240℃，竖炉压差维持在40kPa。

3.3煤制气工序配加含锌工业废弃物工业试验

欧冶炉在使用前两种方式处置含锌废弃物生产试验时，因欧冶炉污泥锌含量小于8%时不能作为含锌资源进行销售，必须重复进行循环富集。欧冶炉排出的污泥粒度组成和杂物含量均符合煤制气原料进厂标准，故将欧冶炉排出锌含量小于8%的污泥，经欧冶炉煤制气系统配加至原煤中，随同原煤经煤制气制粉系统磨制后，由喷吹系统经气化炉拱顶喷嘴，喷入气化炉拱顶进行循环利用，可简化欧冶炉处置含锌废弃物工艺流程，并大幅度降低处置生产成本。

煤制气工序配加含锌污泥生产试验：（1）根据欧冶炉煤制气每班需要的含锌污泥用量，由汽车拉运至煤制气储煤坑，并按兰炭沫∶污泥=5∶1混合，利用储煤坑行车抓斗进行搅拌均匀。搅拌混匀控制标准按无大块污泥团，不造成料斗粘结为原则，将混合好的污泥兰炭沫装入储料仓。按喷吹煤粉挥发分控制标准进行计算配加量，形成煤制气配料料单，利用煤制气储料仓下的称量皮带按比例配加。

（2）初期污泥配加量按吨铁15kg/tHM进行控制，经煤粉制备系统研磨成喷吹煤粉后，通过煤制气喷吹系统由载送氮气，经喷吹管道输送至欧冶炉拱顶氧煤烧嘴，在欧冶炉拱顶空间内进行热解和燃烧。其中欧冶炉污泥中的Fe、C等有益物质被有效利用，欧冶炉污泥中ZnO被还原为Zn蒸汽，随同气化炉还原煤气进入系统进行循环富集。

（3）通过对欧冶炉污泥锌含量变化跟踪，在欧冶炉污泥循环利用过程中，污泥中锌元素含量呈上升趋势，符合理论测算预期值。

4 欧冶炉处置含锌废弃物三种方式对比

对欧冶炉处置含锌废弃物三种方式对比分析，利用冷固球团造块工艺处置含锌废弃物能力最大，对内外部环境和欧冶炉操作影响最少，并具有可与含油废弃物一并处理的优势；利用高锌烧结矿工艺处置含锌废弃物能力一般，对烧结生产组织和高炉操作有负面影响。使用煤制气工序配加污泥工艺处置方式成本最低，但对高锌废弃物粒度和杂物控制有一定要求，并且配加量受煤粉制备和喷吹能力限制。通过欧冶炉处置含锌废弃物工业试验三种方式对比（见表7），使用煤制气配加含锌污泥喷吹工艺和使用冷固造球配加含锌废弃物工艺具有可操作性，并对外部生产及环境系统影响最少。

表7 欧冶炉处置含锌工业废弃物三种方式对比表

5 结语

（1）通过欧冶炉处置含锌废弃物的机理分析，锌元素在欧冶炉内具备循环富集条件，并以主要污泥方式排出，占比达到入炉锌含量的96%以上。

（2）通过欧冶炉处置含锌废弃物工业试验分析，其三种工艺方式均能满足处置含锌废弃物生产过程控制和生产组织需要。通过资源化处理，含锌固体废弃物中含铁、含碳资源得到回收利用。

（3）通过欧冶炉处置含锌废弃物三种工艺路线对比，欧冶炉配加含锌污泥球处置工艺及生产组织方式，优于欧冶炉配加高锌烧结矿处置工艺。使用煤制气配加含锌污泥处置工艺，可省略含锌污泥在处置前的固结造块过程，可降低处置费用，并对外部系统环境影响最少。

（4）通过欧冶炉处置含锌废弃物的理论分析和生产实践，锌元素在欧冶炉系统内部会产生循环富集，并导致竖炉粘结频次增加，对炉体耐材使用寿命会造成负面影响，因此还需要深入研究。