胡啟晨¹ 郝良元¹ 高艷甲¹

（河鋼集團有限公司）

摘要：鋼鐵企業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，其合理經濟的使用成為制約鋼鐵企業生存的重要因素。本文根據不同種類固廢物理性質、化學成分差異，結合鋼鐵廠實際應用情況提出了合理的資源化應用方式，能夠進一步降低高爐冶煉危害，提高資源化利用效率。

關鍵詞：鋼鐵企業；固廢；資源；合理化；除塵灰

0  引言

把鋼鐵企業除鋼鐵產品以外的冶煉產物統稱為固廢的說法是不準確的，其中高爐渣和轉爐鋼渣屬于鋼鐵的副產品。對于鋼鐵流程內產生的粉塵、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內再次循環使用，實現固廢資源化再利用。國家對固體廢物有明確的規定，是指在人類一切活動過程中產生的，且對使用者來說已不再有使用價值而被丟棄的固態或半固態物質，或生產建設、日常生活和其他活動中產生污染環境的固態或半固態廢棄物。根據固體廢物的來源可分為工礦業固體廢物、危險廢物以及城市垃圾三類。伴隨生產工藝技術的進步,鋼鐵企業不再具備使用價值而被丟棄的固態或半固態物質，僅剩余很小一部分，但如何合理使用，并提高其利用價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生工序、物理性質、化學組成等方面探討其合理利用的方式。

1  鋼鐵企業固廢整體情況

我國的鋼鐵多以長流程為主，涵蓋焦化、燒結（球團）、高爐、轉爐等主要工序，具有流程長、污染物生成量高，固廢產生量大等特點。2018年我國的粗鋼產量為9.963億噸，占全球粗鋼產量的53.3%。意味著全球鋼鐵企業近一半的鋼鐵產品、副產物和固體廢棄物都會產生在中國。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，產生約400-500kg的高爐渣和鋼渣等副產物，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  鋼鐵企業各工序固廢及應用情況

2.1  煉焦工序的除塵灰和環境灰

粉狀配合煤經過長時間的高溫結焦過程才能被制備成焦炭，從焦爐碳化室推出的紅焦溫度在1000℃左右，需要經過冷卻熄焦才能儲運。傳統水熄焦方式需要消耗大量的水資源，導致大量熱量無法回收利用，造成能源損失的同時會產生大量含塵和有害物質的蒸汽，污染環境，腐蝕金屬結構。尤其是焦化廢水處理難度大，環境污染嚴重，很多企業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，在干熄塔內將高溫紅焦冷卻至250℃以下排出。吸收焦炭熱量后的循環熱氣導入廢熱鍋爐回收熱量，產生的蒸汽可以回收發電。與濕熄焦相比，在密閉系統內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分布, 粒級分布主要集中在 0.1mm～0.5mm，占75 % 以上。而燒結用焦粉最優粒度應在1mm左右，將干熄焦除塵灰用于燒結會使燒結煙氣攜帶大量干熄焦除塵灰逸出，嚴重污染環境，造成干熄焦除塵灰損失。

干熄焦除塵灰的組成性質與無煙煤非常相似，都具有固定碳含量高、揮發分低及含硫量低等特點，適用于高爐噴吹。目前干熄焦灰多用于燒結固體燃料，因粒度太細，燃燒過快，部分被抽入大煙道，造成燒結固體燃耗升高。干熄焦灰作為焦化廠固廢，價格低廉，每噸不足100元，比噴吹煤粉噸價低300-350元，適于作為高爐噴吹煤燃料使用。國內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，可產生較好的經濟效益。

2.2  燒結（球團）工序電除塵灰和環境灰

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

表2某企業燒結除塵灰元素分析 %

如表2所示機頭灰含有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。通常燒結機頭灰堿金屬含量與原燃料堿金屬負荷有很大關系。堿金屬在高爐內會循環富集，造成爐墻粘結，加速焦炭劣化，影響高爐壽命等弊端，要嚴格限制堿金屬入爐負荷。尤其是以地方礦為主，堿金屬含量高的地區，機頭灰需經過脫除堿金屬工藝的轉底爐、回轉窯后才能使用，不然會造成高爐指標差，冷卻器損壞嚴重，大中修周期縮短等現象。伴隨更加嚴峻的環保形勢，鋼鐵企業固廢不允許出廠，有條件的鋼鐵企業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境灰，高爐煤氣凈化系統的重力灰和布袋灰，每噸鐵產生量在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金屬，會在高爐內循環富集，應嚴格限制入爐負荷。伴隨輕薄料等廢鋼材料的使用，轉爐灰使用較多的企業，其高爐鋅負荷明顯增大，爐身上部易出現爐墻結厚等現象，嚴重影響了高爐經濟技術指標。某企業高爐除塵灰元素分析如表3所示。

表3 某企業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。目前通常利用回轉窯去除布袋灰含鋅元素，因含有碳燃料，補充少量熱量即可，且成本較低。

2.4  轉爐除塵灰

轉爐分為一次除塵和二次除塵，有的鋼企會增加三次除塵，主要配加到燒結混合料中循環使用。根據轉爐除塵方式，除塵灰有濕法污泥和干法除塵灰。轉爐除塵灰元素含量波動大，與所煉鋼種有密切關系，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爐除塵灰Zn含量更高。某企業轉爐除塵灰元素分析如表4所示：

表4 某企業轉爐除塵灰元素分析       單位：%

轉爐除塵灰中的鐵元素以三氧化二鐵為主，粒度較細，細灰中100目細灰占比高達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、生產過程中產生的廢油、廢油桶、含油廢棄物等含油廢物以及生產過程的污水。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，可以應用到燒結配礦工序進行資源化利用。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  轉底爐直接還原工藝

轉底爐直接還原工藝是較成熟的處理含鋅固廢粉塵的工藝，通過壓球機把混合料冷壓成球團然后烘干，再進入轉底爐中進行還原，可以生產出金屬化球團。

圖1 轉底爐直接還原工藝流程圖

轉底爐直接還原工藝投資較高，球團干燥、預熱和還原都在轉底爐內依次完成，最高溫度在高溫二區可達1400℃。最突出的問題是粉化的球團在爐底板熔化粘結，粘結到一定厚度無法正常出料，必須人工清料處理，生產難度較大，直接還原的球團金屬化率80%左右。

3.2  回轉窯處理含鋅粉塵工藝

回轉窯高溫煅燒工藝應用比較廣泛，具有工藝簡單、投資低等優點。在處理鋼鐵企業含鋅粉塵方面，工藝也比較成熟。為了提高氧化鋅產品的效率，要求使用含鋅5%以上的粉塵，可生產出含氧化鋅50-70%的產品。處理過的含鐵物料可在燒結配料中繼續使用。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，經濟性占很大優勢。粉狀物料與無煙煤粉混合，加水造球后送到窯尾，進入烘干段和預熱段逐漸升溫，經過中溫段，最后在高溫段850-1100℃進行還原反應，置換出鋅金屬，以鋅蒸汽形式揮發，在引風和鼓風的雙重作用下，抽入氧化沉降室，在此過程中鋅金屬與氧氣反應生成氧化鋅伴隨粉塵沉降收集。反應方程式如(1)、（2）所示：

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

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

鋅金屬沸點僅907℃，高于此溫度以氣態形式存在。此工藝可同時收集到其它低熔點金屬物質。國外研究機構也存在不經過造球，使用粉狀物料在回轉窯筒體內直接進行還原反應的中試產線，此種工藝需要在回轉窯長度方向上對溫度精準控制，同時能夠把鐵氧化物進行直接還原。

4  結論

鋼鐵企業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。含鐵粉塵可以循環到燒結配礦中再次燒結使用，含Zn、K、Na高的粉塵容易在高爐內循環富集，最好脫除后再利用。在含鋅粉塵處理工藝上回轉窯脫鋅處理工藝投資低、技術可靠，具有較大優勢。