罗 磊，郭灵巧

(重庆赛迪热工环保工程技术有限公司，重庆 401122)

1 概 述

众所周知，我国传统的工业制造生产模式通常为：原料采集→生产制造→用户使用→产品废弃，该模式是一个单向的开环系统，以往人们更加关注制造最终产品本身，比如：质量、使用以及经济性，常常忽视对制造生产过程中产生各种废弃物的处理。近年来，随着工业制造生产技术的不断发展和社会生活水平的不断提高，人们的环保意识逐渐增强，如何对工业生产制造过程中产生的废弃物加以回收利用是传统单向开环系统生产模式面临的重大难题。

进入21世纪，为了推动国民经济高质量发展，党和国家提出绿色制造生产模式，在原有的生产模式中增加“资源回收”环节，通过回收废弃物进行资源化利用，将有价物质再次返回到“原料采集”或“生产制造”环节，形成闭式循环系统，这也是一种全新的绿色制造生产模式。

钢铁行业作为我国的传统大型制造业，在整个国民经济中具有举足轻重的作用，我国粗钢产量已连续多年位居世界第一。据统计，2020年我国粗钢产量达10.53亿t，首次突破10亿t大关，占全球总产量的56.49%[1]。

钢铁行业是资源和能源密集型行业，生产过程中除消耗大量资源、能源外，同时产生大量可循环利用的固体废弃物。其中，含铁含锌尘泥(通常为高炉重力灰、高炉布袋灰、炼钢除尘灰等)是钢铁企业产生的成分复杂、难以直接回收利用的固体废弃物。通过多年来对国内钢铁企业固体废弃物的分类统计，整个含铁含锌尘泥固体废弃物的发生量一般约为企业钢产量的3.5%。大致测算我国每年钢铁企业生产过程中产生的含铁含锌尘泥固废量约为10.53亿t×3.5%=0.37亿t，这些含铁含锌尘泥虽然作为固体废弃物，但其中含有大量的铁、碳、锌等有价元素。

面对如此多的尘泥固废若不进行有效的处理和综合利用，只是依靠原有的简单填埋或堆存的处理方式，需要占用大量土地、填满沟溪、淤塞河道、污染地下水并造成环境污染，必将导致尘满为患，直接影响钢铁工业可持续发展。随着工业的发展和环境保护要求的提高，钢铁企业固废尘泥的资源化处理问题已成为钢铁工业实现可持续发展的重要课题，其资源化利用已摆上各钢铁企业节能降耗和环境保护的工作日程，也是推行绿色制造的必由之路。

2 含铁含锌尘泥利用

长期以来，钢铁企业通常将高炉重力灰、高炉布袋灰和炼钢除尘灰等含铁含锌尘泥固废返回烧结直接利用，烧结矿再进入高炉进行循环，导致尘泥中的锌元素和碱金属等对高炉冶炼有害的元素在炉内富集，会导致侵蚀炉体耐材、影响炉料透气性、堵塞煤气管路等问题，严重影响高炉顺行。

1)锌元素的危害

自然界中锌元素一般以闪锌矿(ZnS)、铁酸盐或硅酸盐的形式存在，在高炉高温高压冶炼过程中，锌的硫化物先转化为硫酸锌和氧化锌，在高炉内大于1 000 ℃的高温区氧化锌被焦炭还原为单质锌，由于其沸点低(907 ℃)，被还原出来的单质锌经气化后混入高炉煤气。一部分锌蒸气在高炉煤气上升过程中随煤气进入气体收集系统，但易在管道中冷凝黏结，堵塞管路系统；另一部分会再次被氧化成ZnO在炉上部低温阶段形成固态，并随入炉原料再次下降还原，形成高炉内部的锌素小循环，严重影响高炉内的原料组成，并造成能源和物料的循环消耗。

锌蒸气在高炉内部循环飘逸，沉积到高炉的炉壁上，会与高炉炉衬耐材和炉内原料发生反应，易生成低熔点化合物而在高炉内部形成炉瘤。当锌在高炉内部严重富集时，整个炉料间空间变小，透气性变差，炉料下降不畅，高炉无法正常生产，发生崩料、滑料等生产事故，对高炉的顺行和技术指标产生很大影响，影响高炉产量。在高炉生产中，锌的循环除高炉内部的小循环外，还存在于烧结-高炉生产环节间的大循环中，由含铁含锌泥尘配入烧结矿的锌也会加剧高炉锌循环富集，产生极其恶劣的结果。

2)碱金属元素的危害

碱金属元素通常以硅铝酸盐和硅酸盐的形式存在于原料中，通常熔点较低(约1 000 ℃)，在随高炉原料进入高温区后，部分形成高炉渣排出，大部分则被原料中的焦炭还原成单质K、Na元素。K、Na元素的沸点分别为774和883 ℃，在高炉高温高压环境中以气态存在，还原出来后直接混入高炉煤气，其中部分碱金属元素蒸汽与CO2反应生成碳酸盐。在高炉上部随着炉温的降低，K、Na的碳酸盐化合物形式进行富集和固态化。

碱金属元素存在于高炉中会降低炉内矿石的还原软化温度，使矿石尚未得到充分还原就开始产生熔化滴落现象，增加高炉下部的直接还原能量消耗；碱金属化合物会强化原料焦炭的气化反应效应，使其反应后强度急剧降低从而产生粉化，造成高炉内部料柱透气性变差，炉料下降不畅；碱金属化合物易在高炉内部形成粘接，炉墙结瘤，并与耐火材料发生反应，形成低熔点化合物，并与耐材中Al2O3发生反应形成白榴石(K/Na(AlSi2O6))，造成体积膨胀，使耐材剥落，缩短高炉运行寿命。

针对含锌含铁尘泥直接返高炉而产生对生产不利的问题，已经是钢铁企业用户亟待解决的难题，国内高校及工程科研院所也积极研究切实可行的脱锌工艺。

3 转底炉工艺原理

转底炉是一种针对钢铁企业含铁含锌尘泥进行脱锌处理的成熟工艺，以钢铁企业含铁含锌固废尘泥为原料，配入适量黏结剂经混合后制粒成球(粒径6～20 mm)。生球经烘干脱水后布置于转底炉炉底，通常铺设1～2层球的料层厚度。转底炉内主要通过辐射传热方式将含碳球团加热，当转底炉转动时生球被加热到1 250～1 300 ℃，含碳球团中的锌氧化物、铁氧化物在高温下被其中的碳素还原。经还原后的单质锌(沸点907 ℃)经蒸发并随烟气一起排出，通过冷却系统时被氧化成细小的固体粉末而沉积在布袋除尘器内并回收，可作为次氧化锌粉产品外售作为有色行业冶炼的原料。生球中的铁氧化物被碳素还原变为单质铁，生球被还原为金属化球团送高炉作为原料利用。

转底炉内主要发生的化学反应如下：

ZnO(s) + C(s)=Zn(g) + CO(g)△H=237.57kJ/mol3Fe2O3(s) + C(s)=2Fe3O4(s) + CO(g)△H=129.2kJ/molFe3O4(s) + C(s)=3FeO(s) + CO(g)△H=191.72kJ/molFeO(s) + C(s)=Fe(s) + CO(g)△H=161.5kJ/mol

转底炉工艺作为煤基直接还原工艺，是一种十分成熟的工艺流程。其工艺设备结合了原料精准配料、混料制粒成球、转底炉高温焙烧、烟气余热利用及粉尘高效捕集、金属化球团的冷却及输贮等主要系统。

钢铁企业含铁含锌尘泥的转底炉处理工艺历史久远，自1978年在美国建设成功第一条生产规模的商业运行处理设施以来，先后在日本、韩国、中国台湾地区及中国内地等已有多条运行线投用，用于处理钢铁企业生产过程中产生的含铁含锌尘泥。转底炉以其工艺流程成熟稳定、设备运行稳定可靠、原料适应性广等优点逐渐得到行业内专家学者的认可。

某公司从2008年开始，利用自身60余年的钢铁行业设计经验和工程背景，组建多专业协同的研发团队开展转底炉工艺系统研究。从最初的理论研究开始，开展转底炉内含碳球团的反应机理研究，开展广泛的实验室测试，并自建年处理能力5 000 t的转底炉中试基地，最终掌握转底炉核心工艺，并拓展形成具备独立自主知识产权的转底炉工艺系统。

经过7年的研究积累，自2015年开始，至今已陆续在国内外建设唐山燕山钢铁、宝武湛江基地、宝武宝山基地、宝武青山基地、首钢京唐等13座转底炉处理含铁含锌尘泥固废生产线。转底炉工艺通过稳定的生产工艺指标在国内也越来越多的得到钢铁企业用户的认可，采用该工艺可以实现对含铁含锌尘泥中的铁、锌、碳元素的综合回收，实现固废的资源化利用，在解决企业含铁含锌尘泥固废资源化利用的同时，还能创造一定的经济价值，通过实践证明，该工艺整体具有良好的经济效益和环境效益。

表1为自2015年以来，某公司承建转底炉项目情况。

表1 转底炉项目情况

4 铁素资源的经济性

进入21世纪以来，大宗原料资源作为制造生产的第一要素越来越得到企业的重视，各种生产原料资源的价格也水涨船高，无形中增加了企业的生产成本。钢铁行业生产的第一资源要素就是铁素，2020年由于新冠疫情影响，铁素原料价格单边上行，屡创新高，截至2020年12月底，62%澳粉港口现货价格指数为1 116元/t，全年涨幅61.5%，导致钢铁企业生产成本大幅增加。面对新冠疫情的全球大变局，未来各种资源的紧缺将成为常态，各项资源的价格仍然具有上涨空间，所以应该对大宗资源的合理使用提前布局。

环保行业有句名言：“世上没有固废，所有固废都是放错地方的资源”，前文提到的含铁含锌尘泥虽然是钢铁生产过程中排放的固废，但其实尘泥里面含有大量的铁、碳、锌等有价元素。

表2为国内钢铁企业产生含锌含铁尘泥固废的典型化学成分。

表2 国内钢铁企业产生含锌含铁尘泥固废的典型化学成分 %

通过多年来对该部分固废尘泥的持续跟踪，上述含铁含锌尘泥配料后通常全铁含量约40%，现阶段国内多数钢铁企业仍然以低价外卖的形式进行简单处置，由于属于固废，价格通常在10～50元/t，以每年处置20万t含铁含锌尘泥计算，每年外售收益大致为

20万t×50元/t=1 000万元/年

其中含有铁素为

20万t×40%=8万t

同理，如果这8万t铁素需要以铁矿原料资源的形式外购重新进入生产制造环节，以2021年4月河北地区品位66%的铁精粉售价1 255元/t进行采购，8万t铁素需采购铁精粉的数量为

8万t÷66%=12.12万t

花费费用为

12.12万t×1255元/t=1.52亿元

通过上面的粗略计算，每年外售处置20万t含铁含锌尘泥，收入1 000万，同量的铁素资源采购需重新花费1.52亿元，每年的经济损失为1.4亿元，如此大的价格差异严重影响钢铁企业经济效益。含铁含锌尘泥由于含有锌、碱金属等对高炉冶炼有害的元素无法直接简单回用，通过转底炉工艺资源化处置后能够脱除锌及碱金属，产品金属化球团可以作为优质原料资源直接返回高炉生产，实现固废中有价资源的回收利用，实现绿色生产。

5 转底炉工艺生产成本

转底炉采用煤基高温快速直接还原工艺，以钢铁企业生产过程中排放的含铁含锌尘泥作为原料，利用尘泥中的碳元素作为还原剂，生产金属化球团，表3为某转底炉项目原料及产品情况。

表3 转底炉项目原料及产品情况

转底炉工艺在生产过程中需要消耗水、电、风、气等能源介质，通常生产成本由以下几部分组成。

(1)支出项：原料成本(根据钢铁企业针对尘泥固废的内部定价机制确定)；

次氧化锌粉可作为有色行业冶炼原料直接外售。

(2)支出项：能源成本(包括：转炉煤气、电、水、压缩空气、氮气等)；

(3)支出项：制造成本(包括：设备折旧、维修费用、工人工资、辅料等)；

(4)收入项：外售盈利(包括：蒸汽回收、次氧化锌粉外售、筛下粉外售)。

表4为某转底炉项目2021年4月最新生产成本情况。

表4 转底炉生产支出及收入项数据表 元/t产品

按照表4统计数据，计算转底炉金属化球团产品生产成本如下：

115+410+460-390=595 元/t

根据实际生产统计，通过转底炉工艺处置后的金属化球团产品(全铁TFe：69%，其中单质铁MFe：51%)对标2021年4月河北地区的球团矿(全铁TFe：62%)售价为1 550元/t，取两者价格相等，那么每吨转底炉金属化球团产品利润为

1 550-595=955 元/t

以年处理能力为20万t转底炉生产线统计，工程建设投资约2.4亿元，每年金属化球团产品约10万t(原料中的碳、氧、锌元素作为烧损失去)，经济效益约为1亿元，投资回报十分可观。由于转底炉产品已经是还原的金属化球团，含有大量金属单质铁，作为原料资源加入到高炉冶炼时，能够减少还原焦炭用量，同时增加铁水产量，对高炉生产有益。

依据多年来的实际生产实践，转底炉工艺不仅能够解决企业处理含铁含锌尘泥固废，还具有良好的经济效益，值得在钢铁企业中进行推广。

6 结 语

转底炉脱锌工艺技术自20世纪70年代以来经过40余年的发展已日趋成熟可靠，并在海内外建成投运数十套工程业绩。通过转底炉固废处置工艺能够将尘泥固废中的有价元素进行资源化回收利用，在国家环保政策要求日益严格的背景下，解决企业生产环保难题的同时并具有可观的经济效益。通过将固体废弃物返回生产制造环节，将传统制造的单向开式系统变为能够回收生产废弃物的闭式循环系统，提倡“固废不出厂”，实现绿色制造，助力企业的环保绿色健康发展。