COSRED提鋅提鐵工藝在鋼鐵廠含鋅粉塵處理中的應(yīng)用前景

付邦豪，周 強，李建濤，唐 恩，汪 朋，陳泉鋒

（武漢科思瑞迪科技有限公司，武漢 430223）

鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的各類粉塵、污泥，如燒結(jié)除塵灰、高爐瓦斯灰或泥、轉(zhuǎn)爐除塵灰或泥、電爐除塵灰、氧化鐵皮等，這些除塵灰通常含有大量的有價元素，如Fe、Zn 等。一直以來，這些含鐵粉塵大部分直接返回?zé)Y(jié)加以利用，然而，隨著鋅元素在爐料中不斷循環(huán)富集，其會對高爐的生產(chǎn)順行和長壽帶來嚴重的不利影響，因此，通常需要先將這些粉塵中的鋅提取出來。目前，用于處理鋼鐵廠含鋅粉塵的工藝主要為轉(zhuǎn)底爐工藝和回轉(zhuǎn)窯工藝，但是這兩種工藝均存在明顯的不足[1-6]。

1 鋼鐵廠含鋅粉塵的傳統(tǒng)處理工藝概述

轉(zhuǎn)底爐工藝處理含鋅粉塵，可以獲得較高脫鋅率的金屬化球團，而且收集的粗鋅粉中ZnO 含量較高（≥50%）。但是，轉(zhuǎn)底爐工藝存在比較突出的不足之處：單條生產(chǎn)線的年處理量不高，目前，單臺套設(shè)備的最大年處理量通常不超過20 萬t；由于其工藝特點，產(chǎn)品的金屬化率不高（70%～75%），且品位和強度均較低，不宜直接作為煉鐵和煉鋼的爐料使用；由于本身固有的缺點，轉(zhuǎn)底爐工藝生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)爐底板結(jié)、耐火磚脫落等生產(chǎn)事故；產(chǎn)品的冷卻方式給環(huán)境帶來污染[7-8]。

與轉(zhuǎn)底爐工藝相比，回轉(zhuǎn)窯工藝不需要造球，脫鋅后的產(chǎn)品作為燒結(jié)原料再利用，并綜合回收了有價元素鋅。但是，該工藝也存在不足：單條生產(chǎn)線的年處理量較低，目前，單臺套設(shè)備的最大年處理量通常不超過20 萬t；生產(chǎn)過程中，窯內(nèi)極易“結(jié)圈”，“結(jié)圈”后的處理難度很大，勞動強度很高，不僅降低了設(shè)備作業(yè)率，而且推高了生產(chǎn)成本；由于采用煤粉作為燃料和還原劑，煙氣中的粉塵含量較高，從煙塵中收集的粗鋅粉品位較低，產(chǎn)品附加值不高；由于產(chǎn)品的金屬化率不高且不穩(wěn)定，脫鋅后的產(chǎn)品含太多粉末，只能作為燒結(jié)原料返回?zé)Y(jié)工序；產(chǎn)品的冷卻方式給環(huán)境帶來污染[9-10]。

2 COSRED 提鋅提鐵工藝分析

針對轉(zhuǎn)底爐工藝和回轉(zhuǎn)窯工藝的不足之處，COSRED 提鋅提鐵工藝給出了一種新的解決方案，可以在處理好含鋅粉塵固廢的同時，實現(xiàn)鋅元素和鐵元素的高效回收，最大程度地使粉塵固廢中的有價成分得到經(jīng)濟合理的回收利用，這對于減少鋼鐵企業(yè)污染物的排放和促進我國鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的意義。

2.1 COSRED 提鋅提鐵工藝基本流程

COSRED 提鋅提鐵工藝是武漢科思瑞迪科技有限公司開發(fā)的、已經(jīng)獲得國家授權(quán)的發(fā)明專利，該工藝在COREX 工藝和FINEX 工藝的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了三大技術(shù)創(chuàng)新：用移動床提鋅爐替代氣基還原爐和氣基流化床；生產(chǎn)中可以不需要富氧；提鐵爐煤氣自產(chǎn)自用。由于這三大技術(shù)創(chuàng)新，該工藝不僅具有流程短、環(huán)保好的突出優(yōu)勢，而且具有成本低、投資省和質(zhì)量優(yōu)等綜合優(yōu)勢。COSRED提鋅提鐵工藝基本流程如圖1所示。

圖1 COSRED 提鋅提鐵工藝基本流程

COSRED 提鋅提鐵工藝主要包括以下基本環(huán)節(jié)：含鋅含鐵固廢原料和粘結(jié)劑經(jīng)過混勻、壓塊和烘干后，與還原劑及脫硫劑混合形成混合料，混合料通過運輸裝置運至提鋅爐的頂部；在提鋅爐的頂部通過布料裝置將混合料裝入提鋅爐中的脫鋅室，混合料在脫鋅室的下行過程中經(jīng)過預(yù)熱段、脫鋅段后完成脫鋅任務(wù)；提鋅爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐和布袋除塵器等設(shè)施，不僅將高溫?zé)煔獾臒崃炕厥眨a(chǎn)生蒸汽，也通過回收得到了粗鋅粉；脫鋅完成后，將混合料冷卻至650 ～700 ℃，通過提鋅爐的排料裝置排出爐外，經(jīng)過熱篩得到脫鋅率大于90%的脫鋅球團；提鋅工序排出的650 ～700 ℃的高溫脫鋅球團在熱態(tài)下裝入提鐵爐，同時配入還原劑煤塊和造渣劑石灰石，并向提鐵爐內(nèi)鼓入1 000 ～1 150 ℃的熱風(fēng)；物料在提鐵爐內(nèi)進行高溫熔煉，最終實現(xiàn)渣鐵分離，獲得 1 400 ～1 500 ℃的鐵水和熔融爐渣；在提鐵爐中提煉的鐵水排出提鐵爐后，利用現(xiàn)有鑄鐵設(shè)備將其進一步鑄成生鐵塊，作為轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼的優(yōu)質(zhì)爐料，熔渣排出提鐵爐后，先經(jīng)過水淬處理，再利用現(xiàn)有礦渣磨粉設(shè)施進一步磨細成粉，外銷作為水泥廠的原料；提鐵爐熔煉過程中產(chǎn)生的高溫煤氣經(jīng)過余熱回收和凈化處理后，作為提鋅爐和熱風(fēng)爐的燃料，向提鋅爐和熱風(fēng)爐提供熱量；提鋅爐煙氣和提鐵爐煤氣的余熱回收所獲得的蒸汽送往蒸汽輪機進行發(fā)電。

2.2 COSRED 提鋅提鐵工藝特點

COSRED 提鋅提鐵工藝主要具有12 個技術(shù)特點。

2.2.1 物流運輸順暢便捷

本方案工藝流程短，物料運輸順暢便捷。

2.2.2 產(chǎn)能規(guī)模靈活

通過提鋅爐脫鋅室的模塊化設(shè)計和模塊數(shù)量組合，實現(xiàn)不同的生產(chǎn)規(guī)模，單條生產(chǎn)線的最大年固廢處理規(guī)模可保持在100 ～120 萬t。

2.2.3 原燃料適應(yīng)范圍廣

本工藝可以處理各類含鐵原料，還原劑可以采用煤炭、蘭炭、焦炭、石油焦或木炭中的任何一種或幾種。

2.2.4 煤氣利用效率高

提鋅爐使用的燃氣采用提鐵爐自產(chǎn)的煤氣，提鐵工序中熱風(fēng)爐的燃燒煤氣也是提鐵爐自產(chǎn)的煤氣，煤氣利用效率高。

2.2.5 產(chǎn)品質(zhì)量好

提鋅爐的脫鋅時間和脫鋅溫度靈活可控，產(chǎn)品脫鋅率和脫氧率能夠得到充分保證，最終通過提鐵爐的處理，可提煉出優(yōu)質(zhì)的鑄鐵塊。

2.2.6 產(chǎn)品形式多

提鋅爐得到的脫鋅球團可以采用冷排料或熱排料工藝，可與提鐵爐直接銜接進行提鐵作業(yè)；可以采用冷壓塊或熱壓塊工藝，便于脫鋅球團產(chǎn)品的儲存和運輸。

2.2.7 生產(chǎn)穩(wěn)定順行

提鋅爐物料運行順暢，脫鋅率和脫氧率高，生產(chǎn)穩(wěn)定順行；提鐵爐能夠穩(wěn)定地實現(xiàn)脫鋅球團的提鐵、熔分和造氣三大功能。

2.2.8 操作簡單便捷

本工藝控制簡單，自動化程度高，生產(chǎn)操作簡便可靠。

2.2.9 節(jié)能降耗效果好

高溫煤氣和煙氣余熱充分回收利用，提鐵爐產(chǎn)生的煤氣自產(chǎn)自用，提鋅爐生產(chǎn)的高溫脫鋅球團在熱態(tài)下裝入提鐵爐，生產(chǎn)過程節(jié)能降耗效果好。

2.2.10 環(huán)境友好

原燃料不需要燒結(jié)工序和焦化工序，氮氧化物、二氧化硫及粉塵均達標排放，而且二氧化碳和污染物排放總量相比高爐工藝均實現(xiàn)大幅度降低；環(huán)境除塵灰作為原料返回配料系統(tǒng)再次利用，工藝過程無工業(yè)廢水和二次固體廢棄物產(chǎn)生。

2.2.11 降低CO2的排放

本工藝可采用富氫氣體作為還原氣和燃料氣，從而進一步降低CO2的排放量。

2.2.12 綜合優(yōu)勢明顯

本工藝技術(shù)先進，裝備可靠，環(huán)保效果好，生產(chǎn)成本低，投資回收期短。

2.3 COSRED 提鋅提鐵工藝的主要技術(shù)經(jīng)濟指標

某項目年處理38 萬t 粉塵固廢，其主要技術(shù)經(jīng)濟指標如表1、表2 所示。

表1 年處理38 萬t 粉塵固廢的主要技術(shù)經(jīng)濟指標（提鋅工序）

表2 年處理38 萬t 粉塵固廢的主要技術(shù)經(jīng)濟指標（提鐵工序）

2.4 COSRED 提鋅提鐵工藝的能源消耗

經(jīng)合計，消耗項減去回收項，本項目年處理38萬t 粉塵固廢的工序能源消耗為483.31 kgce/t（以提煉制備1 t 鑄鐵塊為基準），相關(guān)能源介質(zhì)的消耗情況如表3、表4 所示。

表3 年處理38 萬t 粉塵固廢的工序能耗（消耗項）

表4 年處理38 萬t 粉塵固廢的工序能耗（回收項）

COSRED 提鋅提鐵工藝提煉生產(chǎn)每噸鑄鐵塊的能源消耗為483.31 kgce/t，與傳統(tǒng)的“燒結(jié)—焦化—高爐”長流程煉鐵工藝的先進工序能耗指標（540 kgce/t）相比，降低了10.5%，達到了國際領(lǐng)先水平。

2.5 COSRED 提鋅提鐵工藝的經(jīng)濟效益

本項目年處理38 萬t 粉塵固廢的生產(chǎn)成本測算結(jié)果如表5 至表8 所示。經(jīng)測算，在考慮固廢混合料的成本價和所有回收效益（包括蒸汽發(fā)電、提鐵爐渣微粉、提鐵爐盈余煤氣、提鋅爐煤焦細粉和粗鋅粉的經(jīng)濟效益）的情況下，采用COSRED 提鋅提鐵工藝從含鋅含鐵粉塵固廢中提煉制備每噸鑄鐵塊的生產(chǎn)加工成本為1 354.38 元/t-P（不含稅，先對原料消耗、動力消耗和其他消耗求和，然后扣除回收項）；相應(yīng)地，處理每噸粉塵固廢的加工成本為788 元/t-P （不含稅）。

表5 提煉加工每噸鑄鐵塊的生產(chǎn)成本（不含稅） 測算（原料消耗）

表6 提煉加工每噸鑄鐵塊的生產(chǎn)成本（不含稅） 測算（動力消耗）

表7 提煉加工每噸鑄鐵塊的生產(chǎn)成本（不含稅） 測算（其他消耗）

表8 提煉加工每噸鑄鐵塊的生產(chǎn)成本（不含稅） 測算（回收項）

從含鋅含鐵粉塵固廢中提煉制備的鑄鐵塊可替代優(yōu)質(zhì)廢鋼，作為煉鋼的優(yōu)質(zhì)爐料。優(yōu)質(zhì)廢鋼的不含稅采購價為3 800 元/t，那么，COSRED 提鋅提鐵工藝制備每噸鑄鐵塊的不含稅凈效益為2 446 元。在不考慮財務(wù)成本的情況下，年處理38 萬t 粉塵固廢的工程項目的投資回收期僅為12 個月。通過上述分析可以看出，采用COSRED 提鋅提鐵工藝處理含鋅粉塵，能夠為企業(yè)帶來很高的經(jīng)濟效益。

3 結(jié)語

COSRED 提鋅提鐵工藝是國家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵發(fā)展的非高爐新技術(shù)，該工藝不僅彌補了現(xiàn)有轉(zhuǎn)底爐工藝和回轉(zhuǎn)窯工藝存在的不足之處，而且能夠高效、徹底地實現(xiàn)粉塵固廢的資源化綜合回收利用，符合循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展目標，有利于促進鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。COSRED 提鋅提鐵工藝具有規(guī)模靈活可調(diào)、流程短、操作簡單、能耗低、環(huán)境友好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢，處理含鋅粉塵后所得到的粗鋅粉、鑄鐵塊、蒸汽和礦渣微粉四種產(chǎn)品能夠帶來很高的經(jīng)濟效益，而且徹底解決了鋼鐵公司內(nèi)部含鋅粉塵固廢的環(huán)保難題和處理痛點，對于減少鋼鐵企業(yè)污染物的排放和促進鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。