胡啟晨¹ 郝良元¹ 高艷甲¹

（河鋼集團(tuán)有限公司）

摘要：鋼鐵企業(yè)冶煉一噸鋼材需要消耗1.7-1.9t的礦石和熔劑，0.5-0.7t的燃料，產(chǎn)生400-500kg的高爐渣和鋼渣，約200kg的粉塵和塵泥等固體廢物。固廢中含鐵粉塵約占90%，含碳粉塵約18%，同時(shí)含有鐵、碳瓦斯灰約占15%。固廢粉塵中富集了對高爐冶煉有危害的K、Na、Zn、Cl等元素，其合理經(jīng)濟(jì)的使用成為制約鋼鐵企業(yè)生存的重要因素。本文根據(jù)不同種類固廢物理性質(zhì)、化學(xué)成分差異，結(jié)合鋼鐵廠實(shí)際應(yīng)用情況提出了合理的資源化應(yīng)用方式，能夠進(jìn)一步降低高爐冶煉危害，提高資源化利用效率。

關(guān)鍵詞：鋼鐵企業(yè)；固廢；資源；合理化；除塵灰

0  引言

把鋼鐵企業(yè)除鋼鐵產(chǎn)品以外的冶煉產(chǎn)物統(tǒng)稱為固廢的說法是不準(zhǔn)確的，其中高爐渣和轉(zhuǎn)爐鋼渣屬于鋼鐵的副產(chǎn)品。對于鋼鐵流程內(nèi)產(chǎn)生的粉塵、塵泥、廢舊耐火材料等均可稱為固體廢物，有些含鐵、含碳粉塵還可以在企業(yè)內(nèi)再次循環(huán)使用，實(shí)現(xiàn)固廢資源化再利用。國家對固體廢物有明確的規(guī)定，是指在人類一切活動過程中產(chǎn)生的，且對使用者來說已不再有使用價(jià)值而被丟棄的固態(tài)或半固態(tài)物質(zhì)，或生產(chǎn)建設(shè)、日常生活和其他活動中產(chǎn)生污染環(huán)境的固態(tài)或半固態(tài)廢棄物。根據(jù)固體廢物的來源可分為工礦業(yè)固體廢物、危險(xiǎn)廢物以及城市垃圾三類。伴隨生產(chǎn)工藝技術(shù)的進(jìn)步,鋼鐵企業(yè)不再具備使用價(jià)值而被丟棄的固態(tài)或半固態(tài)物質(zhì)，僅剩余很小一部分，但如何合理使用，并提高其利用價(jià)值將是今后開展工作的主要方向。本文從鋼鐵流程固廢的產(chǎn)生工序、物理性質(zhì)、化學(xué)組成等方面探討其合理利用的方式。

1  鋼鐵企業(yè)固廢整體情況

我國的鋼鐵多以長流程為主，涵蓋焦化、燒結(jié)（球團(tuán)）、高爐、轉(zhuǎn)爐等主要工序，具有流程長、污染物生成量高，固廢產(chǎn)生量大等特點(diǎn)。2018年我國的粗鋼產(chǎn)量為9.963億噸，占全球粗鋼產(chǎn)量的53.3%。意味著全球鋼鐵企業(yè)近一半的鋼鐵產(chǎn)品、副產(chǎn)物和固體廢棄物都會產(chǎn)生在中國。冶煉一噸鋼材大約需要消耗1.7-1.9t的礦石和熔劑，0.5-0.7t的燃料，產(chǎn)生約400-500kg的高爐渣和鋼渣等副產(chǎn)物，約200kg的粉塵和塵泥，其中含鐵粉塵約90%，含碳粉塵約18%，高爐含鐵、含碳瓦斯灰約占15%左右。

2  鋼鐵企業(yè)各工序固廢及應(yīng)用情況

2.1  煉焦工序的除塵灰和環(huán)境灰

粉狀配合煤經(jīng)過長時(shí)間的高溫結(jié)焦過程才能被制備成焦炭，從焦?fàn)t碳化室推出的紅焦溫度在1000℃左右，需要經(jīng)過冷卻熄焦才能儲運(yùn)。傳統(tǒng)水熄焦方式需要消耗大量的水資源，導(dǎo)致大量熱量無法回收利用，造成能源損失的同時(shí)會產(chǎn)生大量含塵和有害物質(zhì)的蒸汽，污染環(huán)境，腐蝕金屬結(jié)構(gòu)。尤其是焦化廢水處理難度大，環(huán)境污染嚴(yán)重，很多企業(yè)逐漸替代為干熄焦的方式。干熄焦是用低溫惰性氣體為熱載體，在干熄塔內(nèi)將高溫紅焦冷卻至250℃以下排出。吸收焦炭熱量后的循環(huán)熱氣導(dǎo)入廢熱鍋爐回收熱量，產(chǎn)生的蒸汽可以回收發(fā)電。與濕熄焦相比，在密閉系統(tǒng)內(nèi)完成熄焦過程可基本消除酚、HCN、H₂S、NH₃的排放，減少焦塵排放，節(jié)省熄焦用水。干熄焦除塵灰的粒度分布見表1所示。

表1 邯鋼某焦化廠的干熄焦除塵灰粒級分析

干熄焦除塵灰的粒級分布呈正態(tài)分布, 粒級分布主要集中在 0.1mm～0.5mm，占75 % 以上。而燒結(jié)用焦粉最優(yōu)粒度應(yīng)在1mm左右，將干熄焦除塵灰用于燒結(jié)會使燒結(jié)煙氣攜帶大量干熄焦除塵灰逸出，嚴(yán)重污染環(huán)境，造成干熄焦除塵灰損失。

干熄焦除塵灰的組成性質(zhì)與無煙煤非常相似，都具有固定碳含量高、揮發(fā)分低及含硫量低等特點(diǎn)，適用于高爐噴吹。目前干熄焦灰多用于燒結(jié)固體燃料，因粒度太細(xì)，燃燒過快，部分被抽入大煙道，造成燒結(jié)固體燃耗升高。干熄焦灰作為焦化廠固廢，價(jià)格低廉，每噸不足100元，比噴吹煤粉噸價(jià)低300-350元，適于作為高爐噴吹煤燃料使用。國內(nèi)已有多家鋼企將其作為噴吹燃料使用，將配加量控制在10%以內(nèi)，可產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2  燒結(jié)（球團(tuán)）工序電除塵灰和環(huán)境灰

燒結(jié)（球團(tuán)）工序作為人工造塊礦環(huán)節(jié)不可或缺，從料場到皮帶通廊，卸料點(diǎn)的環(huán)境灰含有較高鐵元素，可通過管道氣力輸送或罐車倒運(yùn)至灰倉直接進(jìn)行混合配料。燒結(jié)機(jī)尾灰、成品篩灰中的鐵元素含量超過40%，可直接配加到混合料中。燒結(jié)機(jī)頭電場灰含有較高的堿金屬元素，無法通過燒結(jié)內(nèi)循環(huán)進(jìn)行使用。燒結(jié)工序除塵灰元素分析如表2所示。

表2某企業(yè)燒結(jié)除塵灰元素分析 %

如表2所示機(jī)頭灰含有30%以上的K元素，3%左右的Na元素，屬于堿金屬含量高的資源。通常燒結(jié)機(jī)頭灰堿金屬含量與原燃料堿金屬負(fù)荷有很大關(guān)系。堿金屬在高爐內(nèi)會循環(huán)富集，造成爐墻粘結(jié)，加速焦炭劣化，影響高爐壽命等弊端，要嚴(yán)格限制堿金屬入爐負(fù)荷。尤其是以地方礦為主，堿金屬含量高的地區(qū)，機(jī)頭灰需經(jīng)過脫除堿金屬工藝的轉(zhuǎn)底爐、回轉(zhuǎn)窯后才能使用，不然會造成高爐指標(biāo)差，冷卻器損壞嚴(yán)重，大中修周期縮短等現(xiàn)象。伴隨更加嚴(yán)峻的環(huán)保形勢，鋼鐵企業(yè)固廢不允許出廠，有條件的鋼鐵企業(yè)須考慮處理高堿金屬除塵灰的裝備和工藝。

2.3  高爐工序除塵灰

高爐為煉鐵廠的核心工作單元，從礦槽開始一直到出鐵場的環(huán)境灰，高爐煤氣凈化系統(tǒng)的重力灰和布袋灰，每噸鐵產(chǎn)生量在20kg左右。高爐布袋灰中K、Na、Zn元素含量較高，Zn元素與堿金屬一樣屬于低熔點(diǎn)金屬，會在高爐內(nèi)循環(huán)富集，應(yīng)嚴(yán)格限制入爐負(fù)荷。伴隨輕薄料等廢鋼材料的使用，轉(zhuǎn)爐灰使用較多的企業(yè)，其高爐鋅負(fù)荷明顯增大，爐身上部易出現(xiàn)爐墻結(jié)厚等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了高爐經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。某企業(yè)高爐除塵灰元素分析如表3所示。

表3 某企業(yè)高爐除塵灰元素分析  單位：%0

高爐出鐵場除塵灰包含渣鐵溝、鐵口、擺動溝等位置的除塵灰，以煙塵為主，鐵元素含量較高，如表3所示，鐵元素含量超過60%。重力灰和布袋灰中含有30%左右的鐵元素，還含有30%左右碳元素，碳元素主要來自于未燃煤粉、未燃焦粉等燃料。布袋灰金屬Zn、K、Na含量較高，不建議再次配加到高爐中使用。目前通常利用回轉(zhuǎn)窯去除布袋灰含鋅元素，因含有碳燃料，補(bǔ)充少量熱量即可，且成本較低。

2.4  轉(zhuǎn)爐除塵灰

轉(zhuǎn)爐分為一次除塵和二次除塵，有的鋼企會增加三次除塵，主要配加到燒結(jié)混合料中循環(huán)使用。根據(jù)轉(zhuǎn)爐除塵方式，除塵灰有濕法污泥和干法除塵灰。轉(zhuǎn)爐除塵灰元素含量波動大，與所煉鋼種有密切關(guān)系，一般堿金屬元素含量較高，尤其是使用輕薄料作為廢鋼的轉(zhuǎn)爐除塵灰Zn含量更高。某企業(yè)轉(zhuǎn)爐除塵灰元素分析如表4所示：

表4 某企業(yè)轉(zhuǎn)爐除塵灰元素分析       單位：%

轉(zhuǎn)爐除塵灰中的鐵元素以三氧化二鐵為主，粒度較細(xì)，細(xì)灰中100目細(xì)灰占比高達(dá)70%，是制備鐵系顏料的理想原料。

2.5  軋鋼污泥和氧化鐵皮

軋鋼工序按照處理方式分為熱軋和冷軋工藝，在軋鋼之前需要進(jìn)行各種坯型的連鑄工藝，連鑄軋鋼工序的固廢包括氧化鐵皮、生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢油、廢油桶、含油廢棄物等含油廢物以及生產(chǎn)過程的污水。氧化鐵皮主要成分為FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄。氧化鐵皮可分為一次氧化鐵皮、二次氧化鐵皮、三次氧化鐵皮和紅色氧化鐵皮。含鐵品位很高，可以應(yīng)用到燒結(jié)配礦工序進(jìn)行資源化利用。廢油及含油物料已列入國家危廢品目錄，按照危廢處置。

3   典型固廢資源化處置工藝

3.1  轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝

轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝是較成熟的處理含鋅固廢粉塵的工藝，通過壓球機(jī)把混合料冷壓成球團(tuán)然后烘干，再進(jìn)入轉(zhuǎn)底爐中進(jìn)行還原，可以生產(chǎn)出金屬化球團(tuán)。

圖1 轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝流程圖

轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝投資較高，球團(tuán)干燥、預(yù)熱和還原都在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)依次完成，最高溫度在高溫二區(qū)可達(dá)1400℃。最突出的問題是粉化的球團(tuán)在爐底板熔化粘結(jié)，粘結(jié)到一定厚度無法正常出料，必須人工清料處理，生產(chǎn)難度較大，直接還原的球團(tuán)金屬化率80%左右。

3.2  回轉(zhuǎn)窯處理含鋅粉塵工藝

回轉(zhuǎn)窯高溫煅燒工藝應(yīng)用比較廣泛，具有工藝簡單、投資低等優(yōu)點(diǎn)。在處理鋼鐵企業(yè)含鋅粉塵方面，工藝也比較成熟。為了提高氧化鋅產(chǎn)品的效率，要求使用含鋅5%以上的粉塵，可生產(chǎn)出含氧化鋅50-70%的產(chǎn)品。處理過的含鐵物料可在燒結(jié)配料中繼續(xù)使用。高爐布袋灰中含有30%左右的碳，使用較少燃料即可使其煅燒，經(jīng)濟(jì)性占很大優(yōu)勢。粉狀物料與無煙煤粉混合，加水造球后送到窯尾，進(jìn)入烘干段和預(yù)熱段逐漸升溫，經(jīng)過中溫段，最后在高溫段850-1100℃進(jìn)行還原反應(yīng)，置換出鋅金屬，以鋅蒸汽形式揮發(fā)，在引風(fēng)和鼓風(fēng)的雙重作用下，抽入氧化沉降室，在此過程中鋅金屬與氧氣反應(yīng)生成氧化鋅伴隨粉塵沉降收集。反應(yīng)方程式如(1)、（2）所示：

2ZnO(s)+C(s)=2Zn(g)+CO₂                (1)

2Zn(g)+O₂=2ZnO(s)                      (2)

鋅金屬沸點(diǎn)僅907℃，高于此溫度以氣態(tài)形式存在。此工藝可同時(shí)收集到其它低熔點(diǎn)金屬物質(zhì)。國外研究機(jī)構(gòu)也存在不經(jīng)過造球，使用粉狀物料在回轉(zhuǎn)窯筒體內(nèi)直接進(jìn)行還原反應(yīng)的中試產(chǎn)線，此種工藝需要在回轉(zhuǎn)窯長度方向上對溫度精準(zhǔn)控制，同時(shí)能夠把鐵氧化物進(jìn)行直接還原。

4  結(jié)論

鋼鐵企業(yè)的固廢資源可再次資源化利用，其中焦灰最有效的利用方式是直接噴吹到高爐中替代煤粉使用。含鐵粉塵可以循環(huán)到燒結(jié)配礦中再次燒結(jié)使用，含Zn、K、Na高的粉塵容易在高爐內(nèi)循環(huán)富集，最好脫除后再利用。在含鋅粉塵處理工藝上回轉(zhuǎn)窯脫鋅處理工藝投資低、技術(shù)可靠，具有較大優(yōu)勢。