欧洲钢铁工业粉尘和污泥的工业处理技术

引言：在物料利用方面，来自钢铁生产工序的固废是一种有价二次资源。在欧盟，为了实现物料回收、循环经济，业内一直在开发相关技术用以处理这些固废。通过提升副产品回收效率，减少对一次资源（原材料和能源）的需求，缩减填埋规模，最大的收益就是节省经济成本，实现钢铁工业可持续发展。本文回顾了欧盟钢铁工业处理和利用固废的现状，重点关注了粉尘和污泥，并对欧盟现有大型固废处理技术进行了介绍。另外，对有关固废利用的泛欧洲研究项目也进行了描述。最后，在物料灵活性和成分等方面，对现有的固废处理工艺进行了对比评估。

欧洲钢铁工业

粉尘和污泥的工业处理技术

欧盟钢铁工业固废处理技术进展（上）

本文对奥钢联钢铁公司和瑞典钢铁公司（SSAB）在粉尘和污泥方面的工业处理技术进行了介绍，这两家企业不仅在固废处理和利用方面做了很多努力，而且在欧盟钢铁工业的资源利用程度最高。另一方面，对欧盟现行工业规模处理的技术进行了阐述，同时介绍了欧盟正在全面开发的、尚未实际应用的回收技术。

表1 总结了奥钢联钢铁公司林茨厂所实施的固废利用情况。2017 年该厂通过高炉-转炉工艺路线生产了580万吨粗钢。根据操作要求，该厂采用位于美国科珀斯克里斯蒂的奥钢联MIDREX®工厂生产的热压块（HBI）来生产铁水，综合考虑所有现场和场外的固废利用方式，奥钢联钢铁公司在2017财年的资源利用程度为89.3%。

SSAB 公司在瑞典、芬兰和美国都设有钢铁厂，2017年的粗钢总产量为880万吨，其中美国钢铁厂通过废钢回收利用，实现粗钢产量240万吨；在瑞典和芬兰的分厂共有20%的粗钢采用废钢生产。表2 总结了SSAB 公司的固废利用情况。约95%的矿石炼钢所产固废和91%的废钢炼钢所产固废分别在内部和外部得到利用。

01OxyCup® 竖炉

德国蒂森克虏伯与库特纳公司联合开发了OxyCup®熔融还原工艺，这是一种基于自还原含碳压块生产铁水的竖炉技术。一座示范工厂建于德国杜伊斯堡的蒂森克虏伯欧洲钢铁公司。含碳压块含有焦粉、黏合剂（约10wt%水泥）、冶金副产物，如来自高炉和转炉煤气的粉尘和污泥、油腻轧钢氧化铁皮污泥以及来自生铁脱硫阶段的磁性固废。为了使自还原含碳压块硬化，在冷黏结压块处理之后储存5天。

OxyCup®工厂的中心部位是一座圆顶竖炉。炉缸直径2.6m，轴高8.8m（从风口带到顶部），工作容积为65m³。自还原含碳压块与焦炭和添加剂（熔剂）一道装入竖炉。每生产1t 铁水需要170-200kg 焦炭。为了产生还原气体，注入最大温度650℃、压力400mbar 的热风，穿过8 个风口的总流速约为30000m³/h。风口带附近的碳转变为一氧化碳。温度接近最大值2200℃。此外，通过风口注入了3500m³/h 纯氧。铁氧化物的直接还原始于900℃，在1400℃全部完成，20min 后形成海绵铁，随后在炉缸中熔化。最终产物是碳含量约4wt%的铁水，而炉渣则通过炉底的出铁口连续离开熔炉，流向后续的虹吸系统。铁水和炉渣因密度差而分离，最终被转移到鱼雷罐中。

炉顶煤气温度约为230-300℃，采用洗涤器进行处理，而来自含碳压块的锌和碱等成分经过挥发，富集于滤饼中，随后进行外部处理。在杜伊斯堡的蒂森克虏伯工厂，每年生产铁水约16.5 万吨，产生固废17.6 万吨，铁水生产率约为35-65t/h，炉渣生产率约为15-30t/h。每天共计回收500t含铁粉尘和污泥。此外，在欧盟地区以外也有OxyCup®工厂，这是由原新日铁住金公司和JFE 钢铁公司设立的，均采用了废钢熔化技术，日均铁水产量分别为1350t 和2400t。

02DK 工艺

德国DKRecycling&Roheisen股份有限公司开发了一种名为“DK”的工艺，用以回收富锌冶金固废（平均锌含量为3wt%，最高为10wt%）生产生铁。DK工艺是基于传统钢铁厂的概念（包含烧结厂和高炉炼铁厂）而建立的，此外，还采用了一种锌精矿生产专用物料。该工艺在原材料的质量上不同于传统的炼铁工艺，采用了不同的预处理方式。DK工艺采用的物料是来自高炉和转炉的粉尘和污泥、轧钢氧化铁皮以及其他富铁固废。DK工艺的含铁废物年均回收量为34-46万吨，最大回收能力可达50万吨。利用这些固废可生产不同等级的生铁，2017年的总产量为25.9万吨。物料处理始于烧结阶段（烧结生产率约为64t/h）。副产物与石灰石和焦粉混合，放入带式烧结机。烧结尾气采用静电除尘器及洗涤系统（注入石灰乳和褐煤焦粉用以去除二氧化硫、二噁英和呋喃），袋式过滤器从净化气体中分离出固体残渣。

烧结矿与作为还原剂的外购焦炭一起投入高炉生产生铁。每生产1t生铁约需要700-720kg还原剂，不过，还需要辅助还原剂用于部分替代焦炭，如重油。DK 工艺拥有两座高炉（3 号高炉的工作容积为580m³，炉缸直径5.5m；4 号高炉的工作容积为460m³，炉缸直径4.5m），日均铁水总产量为1500t。通常，一座高炉在运行，另一座处于备用状态。高炉生产的铁水在浇铸机中形成8-10kg的生铁块（DK工艺的第一种产品），随即出售给全球的铸造厂。含有氧化锌的高炉煤气分两步净化：粗粒级除尘器和细粒级洗涤器。高炉渣在渣坑中冷却至室温。这一冷却步骤产生了一种类似天然石料的产物，可用于建筑行业。

如前所述，DK工艺使用的原材料锌含量很高，相当于向高炉的每吨铁水中投入38kg锌。这是远远高于高炉工艺每吨铁水0.02-0.2kg锌的水平。来自高炉煤气净化第二步骤的污泥在浓缩机中被收集回收，作为锌精矿（锌含量为65wt%-68wt%）出售于锌工业，这就是DK工艺的第二种产品。DK工艺的经济效益就是缩减了填埋规模，同时通过向铸造工业出售生铁，向锌工业出售锌精矿，从而盈利。经过DK工艺之后，仅有1%的回收冶金副产物需要进行填埋处理，这一部分主要是源自烧结尾气处理后的固体残渣。上述喷雾吸收器和褐煤焦炭加料系统去除了重金属和来自尾气的二噁英和呋喃等有机化合物。

03Befesa Waelz （百菲萨 威尔兹）工艺

西班牙百菲萨股份有限公司是一家全球知名企业，致力于钢铁和镀锌行业的副产品回收以及铝或含铝固废的回收。历经数十年，Waelz技术一直用于高含量锌（大于20wt%）金属残渣的处理。2006年百菲萨公司从位于德国杜伊斯堡的BUSBerzeliusUmwelt ServiceGmbH接管了Waelz技术。百菲萨处理的主要部分就是所谓的“SDHLWaelz”工艺，以发明者Saage、Dittrich、Hasche、Langbein的姓名首字母命名，同时也是对Waelz工艺的进一步改良，能耗更低、减少了熔剂用量和二氧化碳排放量。该固废处理工艺可以分为：分段运输、原料的制备和装料、Waelz窑炉内火法冶金工艺、尾气处理。

在SDHLWaelz工艺中，将钢铁厂粉尘、各种含锌固废以及焦炭和炉渣进行混合并粒化成微颗粒。将钢铁厂固废与既定量的还原剂和造渣剂进行混合，以确保稳定操作、Waelz氧化物的锌产出量高，从而获得良好的炉渣质量。火法冶金工艺在Waelz管式炉中进行，炉长通常为40-65m，直径约为3-4.5m。由于轻微倾斜和移动（每分钟1.2转），连续装料的微颗粒穿过窑炉，停留时间为4-6h。穿过窑炉的气相与固体散料的当前方向相反。

向炉内装料后，物料被加热，通过逆流式热炉煤气蒸发水分，炉内中间区域，金属化合物的还原始于1100-1200℃。含有还原剂碳的投料混合物与氧气反应，形成二氧化碳，随即与剩余的固体碳发生反应，形成一氧化碳。一氧化碳同时还原锌化合物（主要是氧化锌）和铅及铁的氧化物。由于工艺条件即金属化合物的高温和足够高的蒸汽压力，锌、铅、氯化物和碱从固态有选择性地蒸发至气相，而铁仍然留在固态床上。气相中，金属锌蒸气再次被氧化，形成氧化锌。基于逆流原理，由于炉内气氛存在足量的氧气，这一过程很容易发生。

由于向炉底床注入了空气，大多数被还原的铁又被氧化（FeO）。来自放热铁氧化反应的能量用于加热空气以及还原区的吸热化学过程。富含煤气的粗大金属氧化物留在炉内的前侧（进料口区域），并被运往产品回收净化的多级废气处理。煤气被冷却，Waelz氧化物存放在过滤器中，然后输送到筒仓中进行中间储存。在随后的净化步骤中，二噁英、呋喃、水银和镉通过吸收（干基吸附系统）后去除，净化后的尾气最终通过烟囱向大气排放。根据SDHLWaelz工艺物料平衡的桑基图（基于每吨生铁的投料量）显示，Waelz氧化物和Waelz炉渣由外部公司作为可售产品进行利用。

为了在锌工业有效利用Waelz氧化物产品，就必须降低卤族元素含量，同时提升锌含量，Waelz氧化物经过二级或三级逆流洗涤器处理。这可以去除多于90%的卤族元素和碱。在最终洗涤的Waelz氧化物中，锌含量为70wt%。Waelz炉渣可以用作填埋场的道路建造材料。Waelz工艺的一大缺点就是铁被束缚在炉渣中，不能被回收和进一步利用。BefesaWaelz炉的年产能为95.5万吨。2015年处理了580253t粗钢粉尘，其中，出售了199534tWaelz氧化物，相当于134134t锌。此外，还处理了93870t不锈钢粉尘。