熔融热解工艺在钢铁行业固废处理上的应用

钢铁企业生产过程中产生大量固体废弃物（以 下简称固废），一般情况下，每生产1t钢要产生高炉水渣、钢渣、含铁尘泥等各类固废约650KG，根据生产工艺及产品的不同，还同时产生电炉灰、含油污泥、废石棉等危险废物。钢铁生产中的固废处理一直是钢铁行业企业关注的重点问题。随着环保要求的提高，传统的粗放处理模式将逐渐被取缔，委托外部企业处理不仅需要支付一定的处理费用，同时多数外部企业的处理产线水平低，环保不达标，往往形成二次污染。

钢铁企业固废一般富含金属、含碳等生产过程中必须的元素，随着技术进步，将钢铁企业固废中的不同资源进行回收利用，不仅能够节约资源、降低排放，而且能够带来较好的经济效益。

钢铁行业企业固废利用的现状

1.炉渣利用

钢铁生产过程中产生的高炉渣、钢渣等主要用于生产矿渣微粉、水泥熟料、混凝土添加剂和砖块等，其主要资源化利用新技术有高炉渣生产微晶玻璃、热态高炉渣制备矿渣棉、高炉渣生产硅肥以及高炉渣修复海洋生态环境等，高炉渣综合利用率在95%以上。钢渣主要用于筑路、工程回填料、厂内循环利用及用于水泥或建材，钢渣综合利用率约为30%。

2.尘泥利用

钢铁企业含铁尘泥发生量约为100~130KG， 主要在钢铁厂内部返生产利用。尘泥产生的工序不同，主要包括原料粉尘、烧结粉尘、瓦斯灰、转炉尘泥、电炉粉尘和轧钢氧化铁皮等，根据不同工序段产生尘泥的成分及性质，返回不同工序利用，主要包括以下３类：1）尘泥压块返炼钢。尘泥压块返炼钢， 直接回收利用尘泥中的铁、CaO资源，此部分约占尘泥发生总质量的30%，要求尘泥中含铁、CaO较高，含硫较低，主要包括高炉炉前除尘灰、氧化铁皮和热轧污泥等。2)均质化返烧结配料。均质化返烧结配料，利用尘泥中的铁、碳、CaO等资源，约占尘泥发生总质量的40%，要求尘泥中锌含量较低， 主要包括低锌的高炉瓦斯灰、烧结除尘灰、原料除尘灰和转炉尘泥等。3)含锌粉尘资源化利用。随着钢铁生产过程废钢比的提高，钢铁粉尘中的锌含量逐渐升高，锌在高炉冶炼过程中会在高炉炉内或高炉-烧结之间循环富集，影响高炉顺行和高炉寿命。

目前，高炉对入炉锌负荷进行了严格的控制，为了降低高炉入炉锌负荷，部分高锌粉尘进行单独处理，回收其中的铁和锌，主要包括电炉粉尘、锌含量高的转炉粉尘及高炉瓦斯灰(泥），约占尘泥发生总质量的30%。部分企业由于没有单独的高锌粉尘处理设施，此部分粉尘也返回烧结系统。高锌粉尘处理目前采用最多的为转底炉工艺，将含铁尘泥、黏结剂以及焦粉或混匀后进行压球或造球，烘干得到冷态球团，通过布料装置加入至炉内，转底炉采用煤气加热，炉内温度为1300°C，加热过程中铁氧化物被逐步还原成直接还原铁，锌氧化物还原成锌蒸气随烟气带走，在后续烟气降温过程中被氧化收集，形成氧化锌产品。转底炉还原时间约为30min，产品金属化率为70%，TFe质量分数为60~65%，锌回收率为85%，氧化锌粉中ZnO质量分数在40%以上。转底炉产品主要指标见表１。

转底炉生产的金属化球团产品主要进入高炉或炼钢工序，但由于转底炉金属化球团中硫含量较高、 铁含量较低、金属化率较低以及杂质含量较高，质量远低于炼钢用直接还原铁的标准；根据钢铁企业尘泥发生数据，对于年产钢600万t规模的钢厂，高锌粉尘发生量约为20万t，配套一座年产15万t金属化球团的转底炉，残锌质量分数为0.6%左右，此15万t金属化球团进入高炉，将带来900t/a的锌负荷，换算成吨原料约为90kg/t，根据高炉炼铁设计规范，高炉原燃料总入炉锌负荷建议控制在150g/t，而 仅此部分直接还原铁带入的锌占锌负荷入炉要求的60%，这不是高炉的理想原料。

3.危废及部分其他固废处理

其他部分低价固废主要为金属含量低的固废， 一般在厂内堆存或委托外部企业处理。生产过程中产生的危险废物，如废石棉、废布袋、含铬污泥、有机废物、油漆桶等，大部分委托有资质的企业处理。

二、钢铁行业企业固废的熔融热解处理

１、熔融处理的固废种类

熔融热解处理过程将有机固废的热解和金属氧化物的还原以及金属与炉渣熔融相结合，在固废处理领域有应用先例，熔融热解过程中有机固废彻底分解，金属氧化物最终形成铁水和炉渣。熔融处理的废物类型主要包括含铁废物、含碳废物、含熔剂废物及部分有机废物，主要有渣钢、含铁尘泥（包括烧结、炼铁、炼钢及轧钢系统收集的除尘灰泥和连铸氧化铁皮等）、转炉渣、劣质金属化球团、劣质废钢等一 般固废及纳入危废管理的废石棉、废布袋、部分含油废物和有机废物等。部分物料进入熔融炉前需进行预处理，根据不同固废的类型采用不同工艺，粉尘、 污泥等粉料经过配料、混合、造球，干燥之后进行预还原成为具有一定强度的金属化球团或直接添加黏结剂压球固结，形成一定强度后进行熔融处理。钢渣等经过破碎后直接加入熔融炉。

２、含锌粉尘的转底炉－熔融炉两步法处理

熔融处理工艺的主要理念为专用熔融炉将钢铁企业固废及粉尘等进行熔融处理，将金属和渣分离， 得到铁水和熔渣。固废处理系统和主生产系统分开，钢铁企业主系统为规模化、大型化生产，需要稳定的工艺条件，熔融处理采用一套单独系统熔融处理固废，避免固废中有害元素对钢铁企业生产主系统的影响。转底炉-熔融炉联合处理工艺将尘泥在转底炉中预还原造块，并回收锌，转底炉产品再进入熔融炉进行二次熔炼得到铁水，熔融炉可同时处理钢铁企业其他固废，转底炉预还原速度快，适用于尘 泥压块直接还原，熔融炉高温，操作灵活，熔炼彻底， 渣铁有效分离，有害物质彻底分解。转底炉产品进入熔融炉熔炼成铁水，回收转底炉金属化球团中剩余的锌，且可同时利用部分劣质废钢，熔融炉产出煤气可作为转底炉燃料，并可发挥熔融炉高温熔融的特点消纳部分其他固废及城市废物。

３、熔融处理的工艺及系统组成

熔融热解设施主要包括配料及上料系统、熔融热解炉本体系统、铁水及炉渣处理系统、余热锅炉系统和烟气净化系统。熔融热解炉采用竖式熔炼炉， 炉内为逆流反应，各种固废原料、焦炭及部分熔剂由炉顶加入，由于不同固废的形状及块度差别较大，熔融炉采用料篮加料，根据生产配料要求，分批次进行加料。装料按先重物料、后轻物料的顺序进行，即先装金属料，后装焦炭和辅料。熔融热解炉本体包括装料区、还原熔炼区及炉底炉缸，装料区用于接受炉 料，并保证不同物料的均匀，同时煤气自装料区抽出。炉料在还原熔炼区被上行煤气逐渐加热，风口设置在熔炼区下部，预热后由风口鼓入700℃左右的热风，燃烧下行至风口的焦炭提供熔融所需热量并产生煤气，焦炭在炉内起着骨架作用，煤气上升过程中将热量带给炉料并进行部分间接还原，炉料在炉内被还原熔炼成铁水及炉渣，渣铁由铁口排出。熔融热解炉为水冷耐材结构，炉身上部采用高铝质浇铸料，炉身下部为刚玉质浇铸料；炉底为耐火混凝土及碳素捣打料，碳素捣打料以上为铝-碳化硅-碳砖。炉体外部及炉底设水冷。渣铁在炉前撇渣器内进行分离，铁水流至设置在炉前的保温炉内，集中后定期由铁水罐车运走。炉渣在炉前直接水淬粒化，脱水后定期外运。顶部煤气进入燃烧室，在燃烧室内燃烧成烟气，燃烧室设SNCR脱硝，燃烧室烟气出口温度为1000℃左右，经余热锅炉及换热器回收蒸汽并预热鼓风。预热器出口烟气再进入脱硫装置脱硫，然后进入布袋除尘器除尘，经引风机、烟囱排入大气。

4、典型熔融处理工艺的技术指标

600万t钢铁企业的熔融固废处理工艺流程及物料平衡如图１所示，单位为万t/a。整套系统年处理高锌粉尘20万t、金属废料或劣质废钢10万t和渣钢6万t，同时消纳废油桶、废石棉等危废1万t， 年消耗焦炭9.5万t和熔剂1.0万t，年产铁水24万t、 富氧化锌粉尘（ZnO质量分数为50%）1.6万t和水渣8.5万t。整套系统与生产主系统完全分开， 直接利用固废产出铁水及富氧化锌产品。根据上述主要消耗，主要原燃料按市场价格计算，生成每吨铁水的熔融过程（燃料、辅料及能源介质）扣除回收后 成本约为400元/t，系统铁水成本低于同期高炉铁水，若考虑固废委托外部企业处理的费用，则熔融的 经济效益更为显著。根据测算，某600万t钢厂建设一套熔融热解系统投资约为2亿元（不包括转底炉， 转底炉DRI按铁含量对比高炉原料计算价格），投资回收期约为4年。熔融热解炉可作为钢厂固废处理的最后一道工序，对不易处理、其他工序无法消纳的固废进行处理，对钢铁企业固废不出厂起到关键作用。

三、城市固废及危废的协同处理

钢铁生产过程中具有高温、熔融的特点，能够为固废分解及利用提供有效的温度环境，而部分固废可提供冶炼过程中的金属资源或造渣剂或替代部分燃料，具备很好的消纳城市废弃物的条件。2014年，国家发布的《关于促进生产过程协同资源化处理城市及产业废弃物工作的意见》，鼓励电厂、冶金厂及水泥厂协同处理城市废弃物。钢厂努力承担部分城市功能，不仅能促进城市绿色发展，且有利于加快钢铁产业转型升级，实现钢厂与城市共同发展。

熔融热解炉可协同处理的城市固废类型如下:1)含金属废物，如汽车拆解后的切割渣、家电拆解的残渣、机械加工行业的含油铁屑和有色冶炼过程中的尾渣尾矿，可回收其中的金属资源等；2)有机废物及高分子废物，包括废轮胎、废塑料、废橡胶、皮革及白色污染物，有机物在炉内热解，并燃烧提供熔融过程所需热量或金属还原的所需还原剂；3)难处理的无机物，包括废石棉、焚烧残渣、焚烧飞灰和含铬污泥等，熔融热解炉内温度为2000℃，难处理无机物在熔融炉内熔融进行造渣，有害物质分解，铬等有害元素进入铁水形成合金，熔融炉渣为玻璃态，作为建筑材料利用。

四、主要结论

（1）熔融热解处理工序可作为钢厂固废处理的最后工序，固废彻底分解，形成铁水及炉渣，能够实现资源分类回收，固废不出厂。

（2）熔融热解处理以含铁、含碳的固废为原料， 加工成本较低，具有很好的经济效益。

（3）熔融热解系统在处理钢铁固废的同时，可协同处理社会固废，实现钢厂与城市共同发展，具有很好的社会效益。