刘 梅

(重庆赛迪热工环保工程技术有限公司，重庆 401122)

我国作为钢铁大国，粗钢产量已连续多年位列世界第一。根据国家统计局发布的数据，2020年我国粗钢产量为10.65亿t[1]。按照钢铁企业在生产中会产生约占粗钢产量的8%～12%的各类含铁尘泥推算，我国钢铁企业每年产生的各类含铁尘泥约为0.85～1.28亿t，其中仍含有较高的铁素，具有良好的回收价值，但含铁尘泥中大约有30%～40%的含锌尘泥因含有较高的锌、钾、钠等有害元素，难以直接返回烧结-高炉系统回收利用，一般只能堆存填埋或外售转移处理，极易引发二次污染、环保风险难以得到有效管控。特别是随着2019年新《固废法》的颁布实施，明确要求强化工业固体废物产生者的责任，要求其建立、健全全过程的污染环境防治责任制度。2021年3月，发改委联合多部门发布了《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》，明确提出“在钢铁冶金行业推广‘固废不出厂’，加强全量化利用”[2-4]。因此，对钢铁企业而言，实现含锌含铁尘泥厂内100%循环利用已是势在必行。

针对含锌含铁尘泥的脱锌处置，火法工艺是目前最为成熟的技术路线，主要分转底炉工艺与回转窑工艺两种。两种工艺的基本原理均属直接还原炼铁过程，即在高温炉窑内，物料中的内配碳将尘泥中的锌氧化物和铁氧化物还原，锌气化后进入烟气系统中二次氧化后被净化捕集得到次氧化锌粉，铁则以氧化亚铁和单质铁的混合态形式残存于尾料中。尽管两者的技术原理基本相同，但由于所采用的核心高温设备不同，导致两者在实际工程应用中存在一些差异，企业在选择时需结合自身特点和实际情况选择。

1 转底炉工艺与回转窑工艺对比

转底炉工艺是一种非焦煤炼铁新技术，主要用于处理含锌含铁尘泥及特殊铁矿资源[5]。该工艺思想最初来源于Midland Ross公司、国民钢铁公司和Hanna矿联合开发的Heat-fast工艺[6]，近二十年来在日本和中国发展比较迅速，在处理钢铁企业含锌含铁尘泥方面发挥了重要作用。通过将含锌含铁尘泥与黏结剂按比例配料混合均匀后进行造块处理，得到的生球经烘干后布置于转底炉内，球团在转底炉内随炉底转动的同时完成加热还原，还原出的锌被蒸发随烟气一起排出，经冷却系统时被氧化成细小的次氧化锌粉固体颗粒而后在除尘器内被过滤收集，球团内的铁氧化物则被还原为单质金属铁，排出转底炉经冷却筛分后进仓存储。转底炉工艺的主要设备设施包括仓储配料、混合成球、筛分烘干、还原焙烧、烟气处理以及配套公辅等，其生产得到的产品包括金属化球团、次氧化锌粉及蒸汽，金属化球团一般作为高炉或转炉冶炼的原料，次氧化锌粉可外卖，蒸汽并入全厂蒸汽管网。

回转窑工艺是以回转窑为高温反应器完成还原焙烧过程，目前已发展出多种类型，包括威尔兹法Waelz、SDR法、 川崎法、SL/RN法等。其基本工艺流程是将含锌含铁尘泥与燃料(如煤、焦粉或含碳粉尘)、石灰等经配料混合后直接送入回转窑内，在窑内燃料燃烧提供热量的同时还兼做还原剂，确保尘泥中的金属氧化物能够发生还原反应，还原后的锌挥发进入烟气并被二次氧化，再经冷却后净化回收得到次氧化锌粉[7]，还原后的含铁窑渣则经水淬冷却、破碎磁选富集后进一步得到富铁料，可作为烧结原料使用，剩余的无价尾渣一般送道路等建材行业使用。

目前，转底炉工艺及回转窑工艺在国内均有处置钢铁企业含锌含铁尘泥的工程实例，两种工艺各有千秋。本文拟从以下几个方面对转底炉工艺及回转窑工艺进行对比。

1.1 工艺流程

图1、图2为典型转底炉及回转窑工程的工艺流程图。由图1～图2可以看出，二者的主要差异在于原料处理和成品处理两道工序上。转底炉工艺在完成配料、混匀工序后还需将原料进行成型干燥处理，而后再送入转底炉内高温还原焙烧。因此，所得到的含铁产品为粒状，且采用专用冷却设备处理，操作可控、环境友好，产品可作为人造富铁块矿直接送高炉使用。

图1 转底炉工艺流程

图2 回转窑工艺流程

回转窑工艺在完成配料、混匀工序后通常直接以粉态送入回转窑内依次进行干燥脱水及还原焙烧。因此，所得到的含铁产品仍是粉状，出窑的尾渣直接进行水淬处理，生产作业环境差难以有效管控，极易引发二次污染。而且受限于回转窑本身抑制结圈的需要，入炉尘泥铁品位较低，从而导致尾渣铁品位也偏低，需经选矿富集提铁后才能作为铁矿粉二次使用，而选矿后剩余的尾渣基本无价值，难以得到有效处理。

1.2 原料适应性

回转窑一般适合处理锌含量≥8%，含铁≤30%的高锌低铁尘泥。例如电炉除尘灰和富集后的高炉瓦斯灰，其产品的经济性也主要体现在锌元素的富集回收上。有研究表明[8]，回转窑内耐材层结圈主要是由燃料中灰分与尘泥中各类氧化物高温下形成低熔点液相粘黏引起的，尤其是FeO形成的硅酸盐液相和渗碳后形成的金属铁液相会迅速地恶化窑内工况。因此，为抑制结圈现象，避免影响生产顺行，必须严格控制铁含量。另一方面，由于回转窑工艺需额外添加大量的无烟煤或焦粉作为还原剂和发热剂，导致铁渣中往往残硫较高，进一步降低了窑渣二次利用的经济性，一旦原料中锌含量偏低时，所生产的次氧化锌粉品位和产量难以充分保证，此时回转窑工艺的经济性将无法得以体现。

转底炉对于原料的实用性则更为广泛，对于原料中铁、锌基本无限制。因此，铁、锌的回收均可带来良好的经济性。而目前国内钢铁企业多为长流程冶炼工艺，且废钢用量偏低，因此含锌尘泥的综合平均锌含量一般均低于5%，从原料适应性上讲，转底炉工艺更佳。

1.3 产品价值

如前文所述，由于二者成品工序的差异，导致回转窑是以脱锌生产次氧化锌粉为主，获取富铁料为辅，而转底炉则是以脱锌生产高含铁金属化球团为主，获取次氧化锌粉为辅。因此，两者产品的经济性差异显著。

转底炉工艺除可获得次氧化锌粉的收益外，所生产的金属化球团产品全铁含量可达到60%以上，能够直供高炉使用，特别是在铁矿资源紧缺的时候，经济性良好。2021年上半年，转底炉金属化球团售价达1 100～1 600元/t，而回转窑工艺产生的铁渣经磁选后才能得到铁精粉，需经烧结造块后使用，剩下的尾渣附加值低，一般只能外售或填埋，其产品收益高度依赖于次氧化锌粉。

1.4 烟气处理

转底炉工艺使用燃料主要为厂内的转炉煤气、焦炉煤气等自产煤气，产生的烟气一般无需脱硫即可达标排放。回转窑由于大量使用煤粉或焦粉作为燃料，其中的硫将进入烟气后必须经过脱硫治理方可达标，脱硫副产物还需另行委托第三方处理，增加生产负担。

1.5 设备作业率及性能指标

转底炉本身是通过沿炉子内外环一周布置的烧嘴燃烧煤气来确保提供高温条件的，通过调节空煤气流量，可实现炉内温度及气氛的动态实时调整，操作灵活便捷，各项技术指标良好，金属化率可达65%～75%，脱锌率可达到85%～90%。另外，由于球团在炉内是静态停留的，且球团与炉底耐材层之间铺有保护层，不存在与炉底耐材接触侵蚀问题，维护检修方便，系统年作业率可达90%以上。

回转窑工艺中，物料是以粉态在窑内不停地翻滚前进，逐渐从低温度迁移至高温段，炉内温度场难以有效监测、操作调节困难，滞后性大，物料极易与耐材形成低熔点化合物，发生局部软化熔融，逐渐形成炉内结圈结瘤，直至被迫停炉，特别是铁氧化物甚至是单质铁形成的致密层，质地坚硬处理起来十分困难。诸多因素导致回转窑整体技术指标相对偏低，一般产品金属化率40%～60%，脱锌率60%～80%，系统年作业率50%～70%，需经常性停炉检修。

1.6 产能规模

转底炉炉内温度可达1 200～1 300 ℃，还原动力学条件良好，反应速度快，一般仅需20～30 min即可完成还原过程。因而生产周期短，单体处理规模可达10～30万t/年。回转窑受限于结构形式和结圈问题的困扰，还原温度一般在1 000 ℃左右，只能靠延长停留时间来提高还原效果，一般生产周期长达4～6 h，严重制约了其单机产能的发挥。目前常见回转窑线处理规模一般约为5～15万t/年，尽管国内部分回转窑线名义设计处理能力可达20万t级以上，但受低作业率的影响，实际年处理能力一般都难以达到。

1.7 厂容厂貌

在转底炉工艺中，还原后的高温金属化球团是由排料机直接送入专有的封闭式冷却设备，生产操作可控，现场环境良好。而在回转窑工艺中，回转窑出来的热态窑渣多是直接落入下方水池进行水淬冷却，操作难以把控，现场环境较差。图3分别是转底炉线和回转窑线热态物料冷却环节现场情况。由于回转窑窑渣冷却为开放性环境，产生的粉尘具有高含湿性，而窑渣倒运过程中也不可避免地会带来水滴四溅的问题，环保措施难以有效发挥作用。

图3 转底炉线与回转窑线热态物料冷却环节现场情况

1.8 其 他

在投资方面，由于回转窑规模较小，工艺流程较短，因此一般其投资要优于转底炉，同等处理规模下，视技术装备配置的高低，其投资大约为转底炉的50%～70%。

在低碳发展方面，转底炉基本无需额外配碳，仅利用尘泥中的自含碳即可提供足够的还原剂，而维持炉内高温所需的热量则是通过厂内自产煤气燃烧提供，且由于单体处理规模较大，因此能耗一般在150 kgce/t金属化球团；回转窑由于所需热源全部来自外配燃料，且单体处理规模较小，因此能耗可达300 kgce/t窑渣。

2 小 结

以上对比情况汇总如表1所示。从表1中可以看到，作为当前最为成熟的两种处理含锌含铁尘泥技术，转底炉及回转窑在不同原料结构及企业需求的情况下均能满足使用。钢铁企业可结合自身原料结构、除尘工艺、投资概算以及节能环保发展等实际情况，综合评估后选择适合于企业自身要求的技术路线。

表1 转底炉与回转窑处理冶金含锌含铁尘泥技术比较

续表