转底炉技术在钢铁冶金工程中的应用

郭明军，张亚魁

含锌粉尘在钢铁企业不断循坏利用，形成碱金属富集，在高炉中会因锌在炉内挥发、富集，在炉身上部形成结瘤，影响高炉的正常操作，缩短炉衬寿命。因此，高炉对入炉原料锌含量有限制，很难对钢铁联合企业所有粉尘全部回收使用。我国钢铁工业粉尘资源综合利用水平低和废弃物回收利用技术落后，粉尘污染物的排放对人体生理健康和自然环境都有很大的破坏。转底炉技术在冶金工程中的成功的应用，有效解决了含锌粉尘的处理问题，并实现资源回收再利用，通过实践生产检验，转底炉技术金属化率可实现70%以上，脱锌率80%以上。

1 转底炉技术介绍

1.1 工艺技术背景

我国钢铁工业向自然环境排放了大量的废气、废水和粉尘等污染物，其中粉尘污染物排放尤为突出。由于资源综合利用水平低和废弃物回收利用技术落后，我国钢铁企业产生的各种粉尘数量巨大，约为粗钢的10%左右，按照2013 年我国钢铁产量7.5 亿吨计算，粉尘年排放量超过7500 万吨。

钢铁企业粉尘污染物的排放给人的生理健康和自然环境都有很大的破坏，钢铁企业排放的粉尘是PM2.5 元凶之一，粉尘中、锌、铅、铬等有毒性元素随呼吸系统进入人体，溶解后可侵入血液而引起中毒，也可与组织接触而引起局部刺激或化学性损伤。冶炼过程中粉尘逸出时对现场操作人员健康将会产生极大危害，粉尘弥漫在空气中将严重影响人类社会活动，目前多数钢铁厂采用堆填的方式对尘泥进行处理，随时间延长，其堆放空间逐年减少，堆积费用逐年提高，不但浪费了资源而且经过风吹雨打，粉尘中的铅、锌、镉和铬等有害元素浸出进入地下水和生物链中对人和动植物有危害，环境污染也日益严重。

钢铁企业粉尘污染物的排放不仅造成自然环境破坏，同时流失大量具有较高经济价值的金属原料。以宝钢为例，宝钢年产各类粉尘和污泥超80 余万吨，其中有20 余万吨尘泥含锌大于1%，并含有约50%的铁以及碳等元素。如果这些含锌粉尘直接返回冶炼工序重新利用，在高炉中会因锌在炉内挥发、富集，在炉身上部形成结瘤，影响高炉的正常操作，缩短炉衬寿命。因此，高炉对入炉原料锌含量有限制，很难对钢铁联合企业所有粉尘全部回收使用。

自1976 年，美国环保机构（EPA）制定法律，将含锌铅的钢铁企业除尘灰划归K061 类物质（有毒的固体废物），要求钢铁厂对其进行化处理，否则须密封堆放在指定场地，但堆放致使费用逐年升高，继美国之后，西方各国，日本，甚至韩国都制定了类似法律，对钢铁企业锌铅粉尘处理工艺的研究成为冶金界的热点之一。我国也正在制定和出台新的环保法规和废物回收法规，将钢铁厂粉尘特别是含锌铅粉尘划为有害物质，禁止向外界环境直接排放，并要求钢铁厂对其粉尘进行处理，对其中的锌等有价元素进行回收利用或钝化处理。

如何高效利用钢铁厂含锌铅粉尘并提高其综合附加值，减少环境污染，已成为冶金企业共同追求的目标。

1.2 含锌粉尘的处理方法

含锌粉尘处置的关键是脱除锌等碱金属制约其返回高炉生产利用的有害元素。含锌含铁粉尘脱锌的方式比较多，主要工艺分为火法湿法脱锌工艺。湿法脱锌工艺技术经过国内外市场实际生产检验，因脱锌率低、生产成本高、设备维护成本高以及二次污染等问题，未广泛采用；火法脱锌工艺技术经过不断发展完善逐渐得到国内外钢铁企业认可，目前较为流行的火法冶炼主要是隧道窑、回转窑和转底炉三种工艺。

隧道窑在国内属于被淘汰的工艺类型，高污染高能耗，特别是国内的厂家普遍设备简陋，预热回收设备落后甚至没有预热利用设备，规模小，产量普遍低于3 万t/a。

回转窑工艺相对成熟，流程简单，也达到一定规模，回转窑烟尘量大，低锌粉尘难以在烟尘中富集，处理高锌低铁的物料较为实用。

回转窑最大的问题是结圈无法解决，物料在窑中随窑体转动而滚动运动，挥发的锌及粉末、煤灰粘在一起很容易形成“结圈”，这是回转窑最致命也是难以克服的缺陷，精确控制炉温是非常困难的事，因此生产作业率普遍不高，经常性停炉清理结圈。

回转窑反应时间长，炉料在窑内停留时间达8h ～14h；由于设备的限制，单位机组的产量不可能做大，目前的典型能力是5 万t/a 左右。

其它小高炉、富氧竖炉等工艺目前在世界范围内应用不多，无法从根本上克服含填充床料柱的高炉工艺对含锌原料的不适应性，焦炭消耗大大增加。

转底炉工艺技术直接还原是近几十年发展起来的处理含锌、铁粉尘处理新工艺技术，其核心技术来源于轧钢用的环形加热炉。在我国虽还处于起步阶段，但却拥有广阔的市场前景和巨大的经济效益。各种粉尘在一定比例加入粘合剂内配碳后成球，均匀布入转底炉的炉底，炉底载着成球匀速转动。在炉内各温度区域内，根据工艺技术要求在炉膛两侧安装烧嘴燃烧煤气，为物料升温和还原反应提供热量。在物料还原区通过调节燃烧烧嘴的煤气用气量和空气用气量控制炉内温度及还原气氛，用以达到最佳的还原氛围。铁氧化物被碳材逐渐被还原成金属。为了实现快速还原，还原区必须提供高温条件，其炉温可达到1300℃。物料在炉内的还原时间一般为15min ～25min。尘泥中的锌挥发后进入烟气收集系统，经布袋除尘器收集的粉尘含氧化锌的纯度约50%，是很好的提锌原料。

转底炉直接还原采用的是内配碳工艺，还原反应界面大，还原温度高，还原速度快，更重要的是转底炉具有炉料与炉底相对静止不动的特点，可以避免回转窑还原过程中出现的结瘤问题，很好地满足粉尘还原特点的要求。转底炉处理规模单台设备可达20 万吨/年，不论是处理规模还是工艺能耗都远优于回转窑和隧道窑等工艺。设备的作业率和产品的金属化率可轻松实现80%以上，脱锌率90%以上，而这都是回转窑工艺难以做到的。

转底炉技术作为含锌粉尘脱锌技术，近几年在国内外钢铁冶金企业得到广泛使用，新日铁、神户制钢、浦项、马钢、日钢、沙钢等相继新增完善处理含锌含铁粉尘的转底炉项目投产，取得了环保、经济两方面较好的成果，是钢铁厂处理含锌含铁粉尘、回收铁元素和金属锌元素的新途径。

1.3 转底炉技术的特点

转底炉的环保效益是与其工艺特点分不开的，主要特点是高温快速还原。首先是把含金属氧化物的粉尘和废弃物还原成金属；其次是高温下许多有害元素和物质能够挥发或分解，能燃烧的用作燃料；第三是本身是封闭系统，微负压操作，过程中基本无排放，最终的固体产物和经过净化的烟气均符合环保要求，而且烟气余热得到充分利用。其它特点如下：

（1）转底炉以钢铁厂有害且具有利用价值的粉尘为原料进行处理，减少粉尘的排放或者堆放，回收有价值的元素，减轻环境污染的同时，还可以为钢铁企业提供不菲的经济效益，这是转底炉对环保的最大贡献。

（2）转底炉工艺属于采用直接还原工艺，用非焦煤生产直接还原铁或金属铁，它将取消焦炉和烧结生产中的污染排放，取消炼焦、烧结工序，工艺本身最大程度的减少粉尘和有害烟气的排放。直接还原工艺是国家明确鼓励支持的冶金新技术，并且对于处理钢铁厂尘泥具有较大的优势，是发展循环经济的可行的手段。

（3）转底炉使用较低热值的净化煤气作燃料，并且炉料在炉膛内无相对运动，排出的废烟气中含尘为20mg/m3大大低于国家规定的标准：一类100mg/m3，二类150mg/m3。

（4）生产过程几乎无污水和固体废弃物排放，工艺工程产生的粉尘可以全部重新利用。

转底炉工艺是含碳球团的直接还原，还原剂可直接利用粉尘中的碳，大部分情况下无需单独外配煤粉，减少燃料消耗以及还原过程中燃料中有害元素的挥发。

转底炉生产金属化球团加入高炉，代替烧结矿和球团矿，可降低高炉焦比，相当于可以减少炼焦过程中SO2等有害成分的排放；进入转炉作为冷却剂，可以减少废钢的消耗，节约成本，同时经使用证明还能起到快速化渣及增加渣的流动性。

（5）转底炉工艺比较容易对如原料处理、转运、转底炉出料过程产生的灰尘进行排放控制。

转底炉在一些发达国家（如美国、日本）已列为处理所在地域冶金厂粉尘和废弃物的有效措施，并要求冶金企业无偿提供物料，并给与提供一定处理费用。

2 转底炉技术及在钢铁冶金中的作用

（1）转底炉有效祛除有害碱金属元素。锌是与含铁原料共存的元素，少量的锌主要以铁酸盐ZnO.Fe2O2、硅酸盐2ZnO.SiO2及闪锌矿ZnS 的形式存在。在高炉内锌易还原，且不溶于生铁。在钢铁冶金过程中，含铁粉尘灰收集后统一配送到烧结进行预配料，进行循环利用，但是锌因无法有效排除，不断进行富集，含量越来越高，对高炉设备的使用寿命以及顺行程度带来较大不利影响。锌元素在高温区被CO 还原为气态锌，锌的沸点为907℃，锌蒸气随高炉煤气上升，到达温度较低的区域时冷凝而且氧化，其中一部分附着于粉尘时被煤气带出炉外，另一部分粘附在炉料上，随炉料下降重新带入高炉内，在碱金属联合作用，会使炉缸碳砖侵蚀破损，缩短高炉寿命。锌蒸气渗入炉墙冷却壁缝隙中，氧化后使炉衬体积膨胀受破坏，炉墙结厚、结瘤影响高炉物料正常下行；进入到风口组合砖中，造成风口二套上翘，给正常冶炼带来很大影响。

转底炉技术原料采用钢铁冶金中各种含铁除尘灰在一定比例内配碳后混合成球，进行焙烧，还原。铁氧化物被还原成金属。其炉温可达到1300℃，粉尘中的锌挥发后进入烟气收集系统，经布袋除尘器收集的粉尘含氧化锌的纯度约50%，可作为优质的含锌原料。既做到了有益金属的回收利用，同时也将高炉冶炼有害元素锌进行剔除回收。

（2）典型工艺流程图。（图1）。

图1 典型工艺流程图

（3）工艺流程简介。各种含铁、锌粉尘及粘结剂，通过密闭罐车送至不同的配料仓，经定量给料机按比例配料，送混料、造球和筛分。

合格生球经干燥（生球含水量由～12%降到～1%）后送至转底炉振动布料器，将料均匀布到转底炉（RHF）环形炉床上，利用RHF 炉内约1300℃高温及球团中的碳产生还原反应。在20min ～30min 内，将氧化铁大部分还原成为金属铁；同时将氧化锌还原为锌，锌进入烟气被再氧化成氧化锌粉末，随烟气一并排出。

还原的金属化球团使用高温水冷螺旋从RHF 炉排出，随即进入卧式回转筒，回转筒内通入氮气以防止高温成品球团氧化，回转筒外设有水喷淋系统以热传导方式冷却筒内球团。冷却后成品球团温度从1100℃降低至300℃，再经筛分，合格球团进入成品料仓储存供高炉使用，筛下物返回原料系统或送烧结利用（也可就近设置一压球系统，对成品粉进行压球再利用。）

从RHF 炉出来的烟气先通过余热蒸汽锅炉进行余热回收，再由袋式除尘器净化后外排，氧化锌在余热回收过程中和袋式除尘器逐级回收。

3 转底炉技术实际应用效果

3.1 燕山钢铁主要设施包括

（1）原料处理系统

（2）转底炉系统

（3）成品炉冷却及运输系统

（4）高温烟气及余热回收系统

（5）氧化锌系统

（6）相关公用设施我公司转底炉项目投用施工后，实现了高炉布袋灰、重力除尘灰、矿槽除尘灰、炼钢除尘灰、烧结除尘灰等粉尘灰综合循环利用，入炉锌负荷由0.521（kg/t.fe）降低到0.2（kg/t.fe）左右，炉况顺行程度得到明显改善。金属化球团金属化率70%～80%，可作为电炉及高炉冶炼，转炉冷料使用。收集锌粉外卖，实现粉尘灰绿色循环使用。

3.2 设计基本原则

（1）贯彻国家的产业政策、资源综合利用、循环经济、环境保护、生产安全与工业卫生等各项方针政策。建设创新型、实用具有较强的市场竞争能力的转底炉粉尘处理生产线。

（2）转底炉制直接还原铁创新型生产设施，配套技术应用可靠的成熟技术，保证全流程新工艺的实施，减少技术风险。

（3）设计中应采用国家、行业和地方的有效标准、规程、规范，坚决贯彻有关环保、安全、劳动卫生及消防等国家及地方有关法规。钢铁工业设计的主要法律、法规和标准见相关内容。

（4）系统要在“先进、经济、实用、可靠”的原则下达到国内先进水平。

（5）项目生产技术和设备实现自主开发，转底炉和氧化锌加收均采用国产技术和设备，降低工程投资。

3.3 项目实际效果

转底炉项目投用施工后，实现了高炉布袋灰、重力除尘灰、矿槽除尘灰、炼钢除尘灰、烧结除尘灰等粉尘灰综合循环利用，入炉锌负荷由0.521（kg/t.fe）降低到0.2（kg/t.fe）左右，炉况顺行程度得到明显改善。金属化球团金属化率70%～80%，可作为电炉及高炉冶炼，转炉冷料使用。收集锌粉外卖，实现粉尘灰绿色循环使用。

将固废再生利用业务作为一项多元产业发展。通过对固废资源集中整合，构建内部固废利用产业化发展平台，设计新的理想业务模式，这样既有利于固废资源的集中管理，优化固废的处置利用，又能支撑燕钢对落实固废处理末端管理，降低因处置不当或失控后出现二次污染。

推进燕钢内部小循环、燕钢与固废利用平台中循环、以及与社会之间大循环的协调发展，实现一次资源的利用效率最大化，二次资源的回用价值最大化，三次资源的综合利用效益最大化，使钢铁主业与固废、其他副产品利用业务协调发展，实现系统最优、社会和经济效益整体最优。

4 转底炉技术完善改进

4.1 配料改进

通过不断摸索各种除尘灰配料特性，目前已经高炉重力除尘灰等颗粒粒径较大的除尘灰进行常规使用。目前正在不断改善配料提高金属化含铁品位，增加后续工艺使用量，降低工艺能耗。

4.2 转底炉工艺流程改进

根据项目实际生产情况，不断摸索、完善生产工艺，通过我公司自主研发除尘灰水洗工艺，降低除尘灰中氯离子含量，减少因氯离子腐蚀对余热锅炉管束的腐蚀，延长设备使用寿命。洗灰废水通过浓水蒸发结晶技术，实现污水零排放，副产品盐类外卖处理。

完善富氧燃烧系统，在原燃烧系统上增加富氧管道，有效提高燃气燃烧温度，降低燃料消耗以及对热值的需求。

5 结论

燕山钢铁工程含铁粉尘及污泥综合处理系统通过采用转底炉直接还原工艺，在转底炉内对含锌球团进行脱锌和锌粉回收，同时产出直接还原球团作为电炉、高炉优质原料，实现铁、锌、碳的综合回收和利用。有效解决了锌等碱金属循环富集对钢铁生产的影响，实现了固废循环利用绿色冶金。