典型的处置钢铁企业含锌固废工艺的能效分析

金永龙 刘思远 秦国旗 杨 鲲 王 倩 孙宇佳

(1. 河钢集团有限公司钢研总院，2. 唐钢国际工程技术有限公司， 3. 河钢集团有限公司舞钢公司)

钢铁厂含锌固废，同时含有大量的铁素资源，是企业固废综合利用、实现“固废不出厂”的重要环节。目前，国内外处置钢铁含锌固废的工艺路径主要包括基于高炉或竖炉等熔融系统的锌回收和铁渣分离的生产工艺、基于回转窑或转底炉等固态还原系统的锌和铁分离回收工艺，各工艺都有其自身优势，就能源利用和能效来说，也存在较大的差异[1-6]。文章就国内外规模化生产的各工艺能源结构和能效进行研究和分析。

1 基于融态还原的锌和铁分离工艺

典型的工艺包括德国DK公司的高炉、从德国引进的太钢Oxycup竖炉和国内唐山鹤兴的烟气磁化分离熔融炉等[7-8]。其中位于德国杜塞尔多夫的DK公司，是专业处置含锌固废的循环利用公司，收集来自欧盟、加拿大、澳大利亚等地区和国家的含锌固废，配加部分轧钢铁皮等高含铁物料，通过60 m2烧结机造块，然后利用两座专门的高炉(工作容积为580 m3和460 m3)进行还原后将铁、渣和锌分离。高炉铁水主要成分为[Si]2.5%～3.0%，[Mn]0.5%～1.0%，[P]0.012%，[S]0.04%，[C]3.5%～4.2%，经脱硫处理后到铸造车间铸成高品质铸铁，出售到欧盟地区。而锌蒸气随着高炉炉顶煤气进入除尘系统，通过湿法除尘将细颗粒的高含锌粉尘收集，含锌65%～68%，TFe<1.5%，年处理量9 000 t，作为副产品外售。

该工艺主要能耗集中在烧结和高炉工序，其中烧结原料包括高炉除尘灰等含碳物料，以及各种回收的粉尘、轧钢铁皮等，这些回收物都不利于形成烧结粘结相，烧结成品率偏低。综合考虑烧结过程、烟气脱硫和热烟气循环等，烧结能耗和国内烧结厂相比差距不大[9]。而对于高炉来说，入炉焦比630 kg/t，油比70 kg/t，燃料比约700 kg/t，明显偏高。主要原因为：(1)提高锌的回收率是该高炉的重要目标。为了促使高炉内还原生成的锌蒸气能够随着煤气流上升并从炉顶排出，采用的是大风量、边缘和中心同时发展的特殊操作模式，风量达1 600～2 400 m3/t；(2)大量的硅、锰和锌的还原需要消耗大量的碳，根据入炉锌负荷、铁水成分等估算，大约需要碳30～35 kg，折合焦比增加约40 kg/t；(3)通过高炉热平衡和能源折标分析，高炉燃料输入的总热量约为20.8 GJ/t(折合约710 kgce/t)，比普通生产制钢生铁高炉(12.5～13.5 GJ/t；440 kgce/t)高60%左右，主要原因为：和普通高炉(燃料比490 kg/t，煤比170～190 kg/t)相比，该高炉的高燃料比、高风量导致高炉煤气增加约700 m3/t，煤气流速大，炉顶温度比普通高炉(约200 ℃)高，估算煤气需要多带出物理热约0.7 GJ/t；硅、锌、锰直接还原吸热，大约耗热0.8～0.9 GJ/t；还原耗碳增加焦比40 kg/t，约1.25GJ/t；高炉煤气中CO为30%左右，CO2为13%左右，CO利用率仅30%左右，煤气热值比普通高炉煤气高25%左右，高炉煤气化学能约8 GJ/t(普通高炉4.4 GJ/t)；高炉铁水物理热约为总量的6%，渣物理热约为总量的3%，合计约1.9 GJ/t。高炉系统总的碳素能源消耗，考虑煤气回收(约25%用于热风炉)，高炉过程实际碳素能源消耗约为14.8 GJ/t，折合506 kgce/t；加上水电风气及热风炉燃烧，估算工序能耗约为590 kgce/t；除了脱锌、硅还原、锌排出等耗碳、耗热(约6.3 GJ/t)，可比工序能耗比普通高炉偏高约1.5 GJ/t(折合51.2 kgce/t)。因此，进一步降低能耗是DK高炉需要努力的方向，首先要利用好铁水物理热(如直接到炼钢)和高炉煤气化学能，DK公司的高炉煤气，主要用于高炉热风炉烧炉、烧结点火和自发电厂发电；其次，高炉操作制度还需要进一步优化，如在确保锌蒸气排出前提下，通过气流分布优化，改善煤气利用率，从而降低燃料比；改善燃料结构，充分利用高炉喷煤技术，在确保煤气量前提下，取消喷吹重油、降低焦比，达到大幅度降低工序能耗的目的，以目前通用的高炉喷吹重油和煤粉与焦炭置换比(分别为1.2和0.8)、不同燃料的折标系数计算，如果70 kg/t重油由焦炭取代、再喷吹150 kg/t煤粉的条件下，燃料比744 kg/t，约下降30 kgce/t；如果燃料比降到700 kg/t(煤比不变)，煤气量和目前喷吹重油的操作相差不大，下降约40 kgce/t；而喷吹煤比达到150 kg/t，在技术上是十分成熟的。

2 转底炉工艺

近十几年，国内利用转底炉工艺处置钢铁企业含锌固废的发展势头较好[10-12]。一方面是国内高炉采取所谓“经济炉料”的操作模式，很多企业采用了锌含量较高、价格相对便宜的铁矿，同时电炉、转炉废钢采用了各类镀锌或含锌的废钢，导致了高炉锌负荷的大幅提升，宝钢大型高炉入炉锌负荷从150 g/t提高到200 g/t，而有的企业高炉入炉锌负荷已经超过公斤级，严重影响高炉顺行和长寿。另一方面，国内转底炉技术有所突破，如转底炉需要块状料，从造球转变为压球，使入炉粉料下降，还原稳定性提高，还原后成品球质量改善，粉化率降低；如锅炉余热回收、布袋除尘等技术逐渐完善，满足了转底炉烟气含锌高的特殊要求；如转底炉工序较长，湿料需要烘干，耗费额外能源，干湿混合技术逐渐取代湿料烘干技术，降低能源消耗。

转底炉能源消耗和利用的环节主要包括：

(1)原料加工和处理环节。粉料经过强混、压球和烘干，然后到转底炉布料，需要烘干用的煤气、电耗和水等资源和能源；

(2)还原过程。转底炉炉膛温度是还原和脱锌的关键，为了达到预热、还原等需要的温度，尤其是为了保证高温段温度，必须使用部分高热值煤气，如湛江钢铁原设计仅使用转炉煤气，实际生产中配加了部分焦炉煤气，对燃料结构的要求比较高，这是其能量消耗的关键；

(3)出料系统能量损失。转底炉还原后的所谓“DRI”需要从1 100～1 200 ℃冷却到200 ℃以下，需要采用类似冷却筒等冷却装置，成品球物理热损失占总热量的10%左右；

(4)烟气余热回收和粉尘收集。转底炉烟气通过余热锅炉回收热量，使其热效率得到一定程度的改善。

目前比较先进的转底炉设计和实际消耗能源指标见表1。设计总能耗约在380～430 kgce/t之间，实际生产比设计值要高50 kgce/t左右；其中由煤气或天然气带入的能耗约在210～260 kgce/t之间，约占总能耗的59%；而固体碳是锌还原所必须的，配加量为配料总量的10%～12%，还原剂的碳素消耗折合约为150 kgce/t，约占总能源消耗的37%；其余为风水电气等消耗。目前烟气回收主要靠余热锅炉，按回收蒸汽折算回收量约90～120 kgce/t之间，约占总热量的25%，这是转底炉工艺能效竞争力的关键。

表1 比较先进的转底炉设计和实际消耗能源指标 kgce/t

3 回转窑

回转窑还原脱锌机理和转底炉相似，都是固态还原脱锌，主要区别是可以不用造粒，省去了造粒和生球烘干等环节。目前国内用于处置含锌固废的回转窑数量并不在少数，但大多数都不属于钢铁企业，主要用于处置社会其它高含锌固废和钢铁企业高含锌固废。其中钢铁企业高含锌固废最多的是高炉除尘灰，目的是利用其中“廉价”的碳；而电炉除尘灰含锌高、波动大，而且属于“危废”，也是处置的重点，目的是收取高额的危废处置费[13-15]。因此，这些回转窑企业主要目的是回收锌，主要盈利点在于次氧化锌产品；而剩余含铁部分被称之为“窑渣”，经细磨磁选后分离，部分高含铁的物料作为副产品外卖，剩余“渣”交给水泥企业或者弃置堆存。该类回转窑装备简单、环保欠缺、能耗偏高，投资很低，造成了社会对回转窑处置含锌固废的印象不佳，在大型钢铁企业内推广受到限制。目前，南钢、本钢、舞钢、邯钢等企业有正在运行的回转窑，其中南钢、邯钢和舞钢的回转窑建有脱硫等环保设施，装备水平有所提高，现场环境改善较大，而且操作观念从高锌原料转变到处置钢铁企业内部的含锌固废，以脱除锌、最大限度回收含铁物料为目的。因而南钢、舞钢等企业回转窑本着服务钢铁主业的出发点，入炉锌含量已经不再作为限制的主要条件，为此操作制度也得到修正，在确保脱锌率为90%的条件下，操作制度合理调整，配料的前提是含铁物料能够在钢铁流程内全部再利用，不造成二次污染。鉴于回转窑工艺比转底炉短，不需要造块工序，只要原料处理系统无组织排放得到有效控制，充分利用固废含有的碳素，用焦粉作为补充还原剂和补热剂。烟气系统使用先进的环保装置，加强余热回收，回转窑也可以成为社会认可的处置钢铁企业含锌固废的优选方案。回转窑A和B实际运行的数据见表2，其中回转窑A为传统型，以回收高含锌固废的次氧化锌为主要目的，大约10年前投运，次氧化锌作为主要产品，“窑渣”处理后富铁部分回钢铁主流程；回转窑B为改进型，2年前设计投产的以钢铁企业回用高含铁物料为目的的改进型回转窑；优化设计的回转窑包含余热回收、烟气脱硫等环保达标设计，以富铁物料回收作为主要目的，次氧化锌作为副产品外售。回转窑A和B运营理念不同，操作思路差异很大，导致能耗相差很大。通过各类回转窑比较，技术人员优化设计了改进的环保型回转窑，原料处理满足严格的排放要求，回转窑装备充分考虑环保和节能，提高还原度和锌的回收率，烟气处理选择性的采用脱硫(或脱硝)模式，经可研分析，年处置固废20万t的回转窑的总投资同比转底炉低15%～20%，而由于没有压块或造块、烘干，运行成本可更低一些，亦有利于实现较低的能耗。

表2 回转窑运行和设计指标

4 结论

根据以上分析，不管是高炉，还是转底炉或回转窑，都能实现固废中锌的有效脱除，但都有其特殊性，如还原剂和燃料结构，同时操作过程都还有优化的余地。

(1)针对高炉工艺最大的优势在于渣铁分离，能提供液态的铁水；但增加煤比、控制焦比是降低工序能耗的重要技术手段；通过操作优化，在满足锌还原和排出的特殊要求下，脱锌高炉工序能耗进一步降低，提高其竞争力。但小型的烧结和高炉搭配，会增加企业环保压力。

(2)随着转底炉脱锌的技术进步和工艺成熟，在能耗和环保等方面都具备优势，但离不开高热值煤气对炉膛温度和脱锌率的保障，而焦粉(或煤粉)是固体碳还原脱锌的必要条件。

(3)回转窑工艺流程简单，不需要高热值煤气和优质的焦炭作为还原剂和热源，仅需焦粉(或煤粉)作为还原剂和补热剂，具备能源结构的优势。重点是要转变操作观念，以回收富含铁的二次资源作为钢铁企业建设含锌固废处置装备为出发点，脱锌率的选择以满足富含铁物料的全部回收利用为标准，进一步降低能耗。