彭 程 ¹， 龍紅明 ^2，3， 范春龍 ²， 丁 龍²， 錢立新²， 吳正怡¹， 葉程康²

（1.寶武集團(tuán)環(huán)境資源科技有限公司，上海 201900； 2.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032； 3.冶金工程與資源綜合利用安徽省重點實驗室，安徽 馬鞍山 243002）

摘 要：鋼鐵流程協(xié)同利用有機固廢具有天然優(yōu)勢，高溫條件和完善的污染物治理體系有利于有機固廢無害化處置，不會對環(huán)境造成二次污染。有機固廢作為燃料替代化石能源，既降低了鋼鐵生產(chǎn)成本，又減少了 CO₂ 排放，實現(xiàn)變廢為寶。鋼鐵流程協(xié)同利用有機固廢具有綠色發(fā)展、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等多重效益，符合鋼鐵企業(yè)的發(fā)展需求。總結(jié)了鋼鐵流程處置有機固廢的研究進(jìn)展，概述了有機固廢在鐵礦燒結(jié)、高爐煉鐵、轉(zhuǎn)底爐以及電弧爐煉鋼等鋼鐵生產(chǎn)工序中的利用現(xiàn)狀和所面臨的技術(shù)瓶頸。結(jié)合轉(zhuǎn)底爐工藝在固廢處置領(lǐng)域的優(yōu)勢和特色，提出了以轉(zhuǎn)底爐為中心的多爐窯集成有機固廢處理新技術(shù)，包括有機固廢熱裂解系統(tǒng)、轉(zhuǎn)底爐系統(tǒng)、氫等離子體熔融熱解爐系統(tǒng)和煙氣污染物控制系統(tǒng)。利用熱解氣化爐對有機固廢進(jìn)行熱解，得到可燃?xì)夂蜔峤馓肌？扇細(xì)庥靡蕴娲烊粴鉃檗D(zhuǎn)底爐提供能源。熱解碳可替代焦粉、煤粉與鐵鋅塵泥制備含碳球團(tuán)，在轉(zhuǎn)底爐冶煉條件下得到有價金屬粉塵和金屬化球團(tuán)，有價金屬粉塵富集后通過火法-濕法聯(lián)合工藝得到高附加值的鋅錠、鉛錠、銦錠等金屬，金屬化球團(tuán)則通過氫等離子體熔融熱解爐生產(chǎn)鐵水。整套工藝的煙氣在轉(zhuǎn)底爐煙氣處理系統(tǒng)中集中減排實現(xiàn)污染物超低排放，為鋼鐵流程協(xié)同處理城市有機固廢提供新思路。

關(guān)鍵詞：爐窯；有機固廢；轉(zhuǎn)底爐；協(xié)同處理；碳減排

有機固體廢棄物是人類生存和發(fā)展的必然產(chǎn)物。有機固廢主要來源于廢棄的工業(yè)產(chǎn)品和生活垃圾，具體包括廢棄塑料制品、橡膠制品、紡織品、脂質(zhì)和農(nóng)作物秸稈等。中國每年產(chǎn)生的有機固體廢棄物約為 60 億~100 億 t，其產(chǎn)生量位居全球首位^[1]。有機固廢的堆存不僅會占用大量的土地資源，其中含有的重金屬、有機污染物等多種有害物質(zhì)還會通過土壤、水源和空氣等介質(zhì)擴散，對生物體和環(huán)境產(chǎn)生危害。

有機固廢中的有機質(zhì)具有能量高、轉(zhuǎn)化性強的特點，是優(yōu)質(zhì)含能原料。在新時代國家生態(tài)文明建設(shè)過程中，有機固廢的資源化處理利用也是建設(shè)綠色家園、深化污染防治攻堅戰(zhàn)的重要任務(wù)。

有機固廢種類繁多且成分復(fù)雜，在實際處置過程中采用的技術(shù)路線差異性較大。現(xiàn)有技術(shù)處置有機固廢具有針對性和專一性，無法協(xié)同處置多種有機固廢，且處理過程中會形成廢水、廢液和廢渣等新的環(huán)保問題，因此，有機固廢處理技術(shù)仍需要進(jìn)行深入研究。鋼鐵行業(yè)是中國的支柱產(chǎn)業(yè)，中國鋼鐵產(chǎn)量長期位居世界首位。鋼鐵生產(chǎn)涉及的主要化學(xué)反應(yīng)為氧化鐵的還原，該過程對于高溫條件和還原性氣氛具有極高的依賴性。目前焦炭和煤粉等化石能源是鋼鐵生產(chǎn)主要能源和還原劑，然而在國家“雙碳”戰(zhàn)略背景下，鋼鐵行業(yè)的化石能源使用將面臨前所未有的壓力。國家“十四五規(guī)劃”中提出，開展大宗固廢綜合利用，是提高資源利用效率的重要領(lǐng)域，有助于推動“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的實現(xiàn)^[2-4]。有機固廢作為典型的固體廢棄物，其特點與鋼鐵生產(chǎn)的需求具有良好的適配性，利用鋼鐵生產(chǎn)流程處理有機固廢，既能降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，又可以處置固體廢棄物，具有減少污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等多重效益，符合鋼鐵企業(yè)的發(fā)展需求^[5-6]。本文概述了鋼鐵流程協(xié)同利用有機固廢技術(shù)路線的優(yōu)勢，總結(jié)了鋼鐵窯爐處置有機固廢的研究進(jìn)展，并提出了以轉(zhuǎn)底爐為中心的多爐窯集成低碳固廢處理新技術(shù)，旨在為中國有機固廢資源化利用提供新思路。

1 鋼鐵流程協(xié)同利用有機固廢的優(yōu)勢

1.1 工藝優(yōu)勢

鋼鐵流程中爐窯溫度高，有機固廢中的有毒有害成分會徹底分解，極大程度上降低了對環(huán)境的二次污染。同時，鋼鐵流程中各高溫爐窯配備了完善的煙氣處理系統(tǒng)和先進(jìn)的煙氣污染物減排技術(shù)，對污染物監(jiān)控較為全面，協(xié)同處理有機固廢具有更廣泛的適用性和包容性。鋼鐵流程能夠有效地利用有機固廢可燃、能量高等特點，可作為含能原料替代化石燃料，減少化石能源的使用，降低 CO₂ 排放，促進(jìn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的實現(xiàn)。

1.2 成本優(yōu)勢

利用現(xiàn)有鋼鐵流程中的高溫爐窯作為有機固廢處置設(shè)備，鋼鐵流程通過技術(shù)改造實現(xiàn)城市有機固廢協(xié)同處理，能夠減少新建專用焚燒廠的資金投入和運營成本。有機固廢作為成本較低的燃料替代化石能源，可減輕鋼鐵工業(yè)對焦炭、煤粉等價格昂貴的化石燃料的依賴，降低鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)成本。

鋼鐵爐窯協(xié)同處置周邊地區(qū)的有機固廢，承擔(dān)部分城市消納功能，不僅能促進(jìn)城市綠色發(fā)展，鋼鐵工業(yè)與城市和諧共生，還有利于鋼鐵產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，具有較高的經(jīng)濟效益和社會效益^[7]。因此，有機固廢通過鋼鐵流程協(xié)同利用是實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)與城市協(xié)調(diào)發(fā)展的一個有利選擇，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 鋼鐵爐窯協(xié)同處置有機固廢研究進(jìn)展

2.1 燒結(jié)工序協(xié)同處置有機固廢

鐵礦燒結(jié)是鋼鐵生產(chǎn)過程中主要的煉鐵原料生產(chǎn)工藝，不同成分的鐵礦粉和熔劑在高溫條件下轉(zhuǎn)變?yōu)槌煞志弧⑿阅芊€(wěn)定的燒結(jié)礦。燒結(jié)工序協(xié)同處置有機固廢時對產(chǎn)品質(zhì)量的影響相對較小，并且燒結(jié)工序污染物排放受到重點監(jiān)控，具有完善的污染治理設(shè)施，可以對有機固廢處置過程的二次污染進(jìn)行協(xié)同控制^[8]。

燒結(jié)工序能夠處理城市有機固廢以及含油污泥等工業(yè)有機固廢^[9-10]。如圖 1 所示，有機生活垃圾、農(nóng)作物秸稈、含油污泥等有機固廢在經(jīng)過干燥、破碎等預(yù)處理后，可以替代一部分燒結(jié)過程所需要消耗的焦炭和煤粉，目前已有研究人員進(jìn)行相關(guān)試驗探索。葉恒棣等[11]使用工業(yè)廢布熱解渣替代部分焦粉進(jìn)行燒結(jié)。隨著工業(yè)廢布熱解渣摻混比的不斷增加，燒結(jié)速度逐漸加快，熱解渣的添加提升了燒結(jié)混合料的制粒效果，改善了料層透氣性。但燒結(jié)礦的成品率、轉(zhuǎn)鼓系數(shù)和利用系數(shù)均有所下降，這是燒結(jié)速度加快，料層中高溫反應(yīng)不能充分進(jìn)行導(dǎo)致的，同時熱量快速釋放致使終點溫度逐漸下降。以 10%工業(yè)廢布熱解渣替代燒結(jié)料中 7%焦粉是最優(yōu)燃料制度，在降低燃料消耗的同時，燒結(jié)礦質(zhì)量幾乎不變。HAN 等^[12]利用在 500 ℃下炭化的生活垃圾替代焦粉進(jìn)行燒結(jié)，當(dāng)替代比為 20%時，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強度指數(shù)和抗碎強度指數(shù)分別為 62.58%和 60.93%，略低于未替代的轉(zhuǎn)鼓強度指數(shù)和抗碎強度指數(shù)。500 ℃下炭化的生活垃圾提高了燒結(jié)速度，但對燒結(jié)過程中液相的形成幾乎沒有幫助。燒結(jié)礦質(zhì)量在替代率高于 20%時開始惡化，因此替代比為 20%最為合適。農(nóng)作物秸稈經(jīng)水熱炭化處理可制備生物質(zhì)炭，由于生物質(zhì)中的硫和氮含量通常比化石燃料低很多，因此在燒結(jié)過程中使用生物質(zhì)炭可以有效降低 SO₂ 和 NO_x 的排放。二噁英和多環(huán)芳烴是2 種常見的有機污染物，均為致癌物質(zhì)，在鐵礦燒結(jié)過程中大量產(chǎn)生。使用生物質(zhì)炭燒結(jié)過程中的二噁英排放量低于使用焦炭的燒結(jié)過程，但略高于使用無煙煤的燒結(jié)過程^[13]。甘敏等^[14]使用果核類生物質(zhì)炭在燒結(jié)過程中替代焦粉，當(dāng)替代比例超過 40%后，燒結(jié)速度加快，燒結(jié)礦質(zhì)量大幅度惡化，果核炭替代焦粉的適宜配比為 40%；并且發(fā)現(xiàn) CO₂、SO_x、NO_x 的排放分別減少 23.05%、42.77%、30.99%，具有明顯減排效果。

市政污泥等含有機類污泥可以作為燒結(jié)原料，配水后通過噴嘴均勻混入燒結(jié)配料中協(xié)同處置，利用鐵礦燒結(jié)處理市政污泥已經(jīng)取得了良好的經(jīng)濟效益^[15]。城市污泥中的有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對比較高，達(dá)60%~80%，有機質(zhì)成分主要包括糖類、蛋白質(zhì)以及各種微生物、病毒、蟲卵、細(xì)菌等。污泥熱值為 11.33MJ/kg，揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 53.35%，固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10.5%。王婕研究了城市污泥與鐵礦石混合燒結(jié)^[16]，一方面可以實現(xiàn)污泥中熱值的有效利用，另一方面燒結(jié)工序的高溫環(huán)境有利于有害組元的脫除。但隨著城市污泥配加量的增加，燒結(jié)礦堿度下降，燒結(jié)礦中鐵橄欖石和硅酸鹽礦物含量增多，導(dǎo)致燒結(jié)礦的產(chǎn)量、質(zhì)量指標(biāo)均呈下降趨勢。根據(jù)試驗結(jié)果分析，鐵礦燒結(jié)中城市污泥配加量為 3%較為合適。王小青利用燒結(jié)工序處置污水處理廠污泥^[17]，試驗表明適當(dāng)添加污水處理廠污泥改善了燒結(jié)混合料的粒度分布和燒結(jié)礦強度，燒結(jié)混合料的透氣性和燒結(jié)礦的冶金性能得到提高，隨著污泥的逐漸增加，當(dāng)污泥配比達(dá)到 4%以上，燒結(jié)料層的透氣性開始逐漸變差，燒結(jié)礦的冶金性能也有所下降。試驗結(jié)果表明，燒結(jié)工序中添加污泥配比為 4%時較為合適，燒結(jié)礦中鐵酸鈣和復(fù)合鐵酸鈣的結(jié)晶度高，燒結(jié)礦中的硫和磷元素含量最佳，燒結(jié)礦的質(zhì)量無明顯變化。

燒結(jié)工序適宜協(xié)同處置炭化后的農(nóng)作物秸稈、市政污泥等有機固廢，少量加入有利于提升燒結(jié)礦性能，減少污染物排放。不宜處置廢塑料等揮發(fā)分高的有機固廢，有機固廢在燒結(jié)過程的加入受其揮發(fā)分含量影響，如果加入的有機固廢揮發(fā)分含量較高，將會導(dǎo)致燒結(jié)速度加快，影響燒結(jié)原料在燒結(jié)過程熔融結(jié)塊，多余的熱量會被揮發(fā)分帶走致使燒結(jié)原料中的熱量不足，揮發(fā)分進(jìn)入煙氣中也會增加煙氣凈化成本^[18]。

2.2 高爐工序協(xié)同處置有機固廢

高爐煉鐵是目前鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)鐵水的主要工藝。品位高的鐵礦石、燒結(jié)礦以及球團(tuán)礦是高爐煉鐵的原料，焦炭和煤粉在高爐煉鐵中作為還原劑和燃料。在高爐冶煉過程中，煉鐵原料從高爐上方進(jìn)入高爐，鐵礦和焦炭交叉分布，形成高爐料柱。在高爐風(fēng)口鼓入熱風(fēng)和煤粉，燃料在風(fēng)口燃燒和氣化，產(chǎn)生的還原氣體在高爐內(nèi)自下而上運動，在高溫條件下將鐵氧化物還原形成鐵水。煉鐵高爐耗能大，在不影響高爐正常運行與鐵水品質(zhì)的前提下，可將有機固廢經(jīng)過干燥、破碎、造粒等預(yù)處理后，代替煤粉作為燃料與還原劑^[19]，在高爐風(fēng)口區(qū)通過噴吹進(jìn)入高爐^[20]，具體技術(shù)路線如圖 2 所示。

由農(nóng)作物秸稈制備得到的生物質(zhì)炭在熱值、燃燒特性、灰分、硫含量方面均滿足高爐噴吹燃料的要求，而灰熔融性不足可通過與煤粉混合使用得以改善。如果高爐中使用生物質(zhì)炭替代 10%的煙煤進(jìn)行噴吹，每生產(chǎn) l t 鐵水,則可以減排 CO₂約 25 kg^[21-23]。稻殼、甘蔗渣、咖啡殼、桉樹皮等生物質(zhì)固廢同樣能作為高爐噴吹煤粉的替代燃料，試驗發(fā)現(xiàn)在高爐中的燃燒效果較好，有利于減少高爐噴吹的碳排放^[24]。

在高爐中噴吹煤粉、花生殼混合燃料能降低著火點、改善可磨性和燃燒效率^[25-27]。生物質(zhì)炭替代煤粉進(jìn)行高爐噴吹，可以降低焦渣比，提高生鐵質(zhì)量，能夠大幅度降低污染物的排放，減少 22%~32%二氧化碳排放^[28]。生物質(zhì)作為高爐煉鐵煤粉的替代原料是可行的，能有效減少 CO₂ 排放和二次污染物，對工業(yè)生產(chǎn)的節(jié)能減排有深遠(yuǎn)意義^[29]。但目前制備生物質(zhì)炭燃料成本還較高，未來有待進(jìn)一步改進(jìn)。

廢塑料在高爐噴吹中作為燃料和還原劑^[30]，噴吹后在高爐風(fēng)口區(qū)迅速燃燒分解生成 H2 和 CO，促進(jìn)鐵礦石還原。廢塑料在高爐噴吹之前要先進(jìn)行預(yù)處理，如挑選分類、清洗、干燥、粉碎、造粒等,與煤粉混合后在高爐風(fēng)口區(qū)隨熱風(fēng)一起噴入高爐^[31]。廢塑料的著火點不高，在高爐中更易于燃燒，能降低混合燃料著火點，起到助燃作用。廢塑料在焚燒爐中的能源利用率只有 30%～40%，而在高爐中的能源利用率高達(dá) 80%以上，其中約 50%發(fā)揮還原作用。邢相棟等^[32]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，廢塑料和蘭炭相比具有較低的燃燒特征溫度和較大的燃燒速率，隨著廢塑料配加量增多，廢塑料、蘭炭混合燃料的著火溫度和燃盡溫度越來越低，這說明添加廢塑料促進(jìn)蘭炭燃燒，高爐噴吹配加廢塑料可以增大蘭炭的綜合燃燒特性指數(shù)和可燃性指數(shù)。寧曉鈞等^[33]以塑料軟管(PVC)為原料制備的水熱炭 HTC-1 的工業(yè)分析結(jié)果近似于煙煤^[34] ,和無煙煤(YJ)混合后能有效改善其燃燒性能和反應(yīng)性能。廢塑料水熱炭 HTC-1 和無煙煤都具有強爆炸性，混合使用時配比應(yīng)低于 40%以保證高爐噴吹的安全性。然而，高爐噴吹廢塑料依然面臨著廢塑料軟化溫度較低，會出現(xiàn)噴槍管壁黏結(jié)、結(jié)焦甚至堵槍等問題^[35]。

高爐噴吹廢橡膠以廢輪胎為主。輪胎主要由碳?xì)浠衔锝M成，是優(yōu)質(zhì)的燃料和還原劑^[36]。廢輪胎噴吹入爐后燃燒釋放熱量，廢輪胎的熱值與高爐混合噴吹煤粉相差無幾，但氫含量遠(yuǎn)高于煤粉，產(chǎn)生的氫氣在高爐上方還原鐵氧化物。廢輪胎破碎后與煤粉混合噴入能夠有效提高煤粉的燃盡率和高爐冶煉經(jīng)濟指標(biāo)、改善鐵礦石的還原性、減少二氧化碳的排放^[37]。高爐噴吹廢輪胎顆粒穩(wěn)定且可靠，與高爐噴吹廢塑料相比，價格合理、成分穩(wěn)定、性價比更高^[38]。但廢輪胎中硫元素含量較高，混合噴吹時應(yīng)合理控制廢輪胎使用量^[39]。

高爐適宜協(xié)同處置廢塑料、廢橡膠等易進(jìn)行造粒制粉處理的有機固廢，以便于使用高爐噴槍噴吹入爐。對于市政污泥等黏性高、不易預(yù)處理為粉末顆粒狀的有機固廢不建議利用高爐協(xié)同處置，因為黏性高會堵塞槍口，不滿足高爐噴吹條件，無法使用高爐噴槍噴吹入爐。有機固廢在噴吹進(jìn)入高爐之前，必須進(jìn)行干燥、破碎、造粒或制粉等預(yù)處理，不然會堵塞風(fēng)口，導(dǎo)致燃燒效率低下。對于鉀、鈉含量較高的生物質(zhì)炭，易導(dǎo)致高爐結(jié)瘤，影響高爐順行和高爐壽命，建議脫除后使用。

高爐協(xié)同處置有機固廢能減輕對化石能源的依賴，降低煉鐵成本，具有巨大的環(huán)境效益^[40]。高爐中高溫和還原氣氛均有利于抑制有機固廢燃燒過程中多環(huán)芳香族碳?xì)浠衔锏扔卸練怏w的生成，二噁英等有機劇毒物質(zhì)排放量僅為焚燒爐的 0.1%～1.0%。

2.3 其他爐窯協(xié)同處置有機固廢

帶式焙燒機是球團(tuán)生產(chǎn)的主要設(shè)備，一般通過天然氣進(jìn)行加熱，球團(tuán)礦的干燥、預(yù)熱、焙燒、冷卻工藝過程可在一臺機器上完成^[41]。帶式焙燒機適宜處置生物質(zhì)類有機固廢，不宜處置城市污泥等熱值較低的有機固廢。生物質(zhì)在帶式焙燒機中可替代天然氣使用，生物質(zhì)在熱解過程中會產(chǎn)生 CO、H₂ 和 CH₄等高熱值可燃性氣體，在燃燒的同時還能發(fā)揮還原性的作用。隨著生物質(zhì)添加量從 10%增加到 30%，鐵回收率急劇上升，鐵品位在生物質(zhì)添加量為 20%時達(dá)到頂峰。在焙燒溫度為 800 ℃、焙燒時間為 7.5 min、生物質(zhì)添加量為 20%的最佳條件下，可獲得 TFe 品位為 71.07%、鐵回收率為 94.17%的鐵精礦^[42]。

回轉(zhuǎn)窯協(xié)同處置技術(shù)具有處置量大、能徹底分解有毒有害物質(zhì)且無二次污染產(chǎn)生的特點，目前已被用來處置生活垃圾、污泥等廢棄物^[43]。回轉(zhuǎn)窯適合協(xié)同處置可燃性有機固廢，在不影響正常生產(chǎn)的情況下，加入經(jīng)預(yù)處理后符合入窯要求的有機固廢，如廢塑料、廢橡膠有機生活垃圾等，替代部分燃料進(jìn)行燃燒，可減少煤粉的使用量，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益^[44]。含油污泥是油田及石油化工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種高揮發(fā)性、高黏度的有機危險廢物，如不加處理將其隨意排放，會對環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。

馬蒸釗^[45]提出在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)含油污泥熱固載體熱解的技術(shù)路線，改變了傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度分布和傳熱方式，將其用于含油污泥熱解過程，可以提高含油污泥熱解油產(chǎn)率，提升熱解油燃料等特性。回轉(zhuǎn)窯還可以作為廢輪胎、生物質(zhì)等有機固廢的熱解爐窯^[46]，熱解法是在無氧或缺氧的條件下升溫加熱，有機成分在高溫下開始裂解，最終產(chǎn)物為熱解氣、熱解油和熱解碳。由于熱解過程在缺氧甚至無氧的氣氛下完成，輪胎中含有的硫、氮等有害元素沒有被氧化為 SO_x、NO_x，減少了有害氣體的排放。回轉(zhuǎn)窯相對于高爐等鋼鐵主業(yè)設(shè)備，處置有機固廢時對鋼鐵品質(zhì)影響較小，對有害成分的承受限度較高，幾乎適用于所有有機固廢。

有機固廢不僅可以用于燒結(jié)、球團(tuán)以及高爐等煉鐵環(huán)節(jié)，也可以在煉鋼爐窯中發(fā)揮重要作用。煉鋼爐窯適宜處置廢塑料、廢輪胎等高熱值有機固廢，不宜處置城市污泥等成分復(fù)雜的有機固廢，會影響煉鋼產(chǎn)品品質(zhì)。楊祝英等^[47]將冶金焦和廢塑料共混，制備為煉鋼電爐中的新型還原劑。當(dāng)廢塑料的添加量從 0 增加到 40%，廢塑料提供的氫促進(jìn)了低溫至中高溫下的流動性和高溫下的氣體形成，H₂使 FeO 的轉(zhuǎn)化率顯著提高，反應(yīng)速度顯著提高，并且廢氣中的 CO₂ 排放量有所減少。焦炭和高密度聚乙烯對金屬鐵的滲碳有良好的協(xié)同效應(yīng)，還存在著有利于金屬鐵脫硫的的協(xié)同作用，金屬的滲碳程度和硫的去除有所改善。煉鋼轉(zhuǎn)爐中高溫可使有機物充分分解，轉(zhuǎn)爐在協(xié)同處置有機固廢過程中有機固廢可作為原料和燃料參與工業(yè)反應(yīng)^[48-49]。包向軍等^[50]將廢塑料與含油鐵鱗混合，熱壓成型制造出轉(zhuǎn)爐煉鋼造渣劑，廢塑料在加熱過程中向鐵磷滲透，兩者緊密結(jié)合，有助于解決鐵磷粉狀等問題。廢塑料氧化鐵皮合成造渣劑在轉(zhuǎn)爐內(nèi)高溫分解生成 FeO，有利于石灰的熔化速度。同時，新生成的 FeO 具有更高的活性，促進(jìn)石灰及鐵水中的硅、磷等元素反應(yīng)，加快化渣速度和脫磷反應(yīng)，降低轉(zhuǎn)爐吹煉時間，提高轉(zhuǎn)爐煉鋼效率。廢塑料氧化鐵皮合成造渣劑可以提升煉鋼爐中的造渣速度，降低石灰的使用量，減少生產(chǎn)成本。中南大學(xué)^[51] 提出將廢輪胎制為粉末后注入轉(zhuǎn)爐汽化冷卻劑中，利用轉(zhuǎn)爐內(nèi)的高溫廢熱使輪胎熱解產(chǎn)生 CO、CO₂、H₂、CH₄、H₂O 等氣態(tài)產(chǎn)物后進(jìn)行氣體回收。京唐公司^[52]通過控制轉(zhuǎn)爐爐溫、氧槍、氧氣流量、槍位、供氧制度、過程倒?fàn)t等措施，在 300 t 轉(zhuǎn)爐上進(jìn)行含油有機固廢焚燒，代替焦炭烘爐，實現(xiàn)了含油固廢廠內(nèi)高效循環(huán)處理，取得了良好的效果，使含油有機固廢處理得更環(huán)保。

長流程工藝是中國鋼鐵的主要生產(chǎn)模式，其中煉鐵原料制備和高爐煉鐵是耗能的主要工序。通過燒結(jié)機、帶式焙燒機和回轉(zhuǎn)窯制備燒結(jié)礦和球團(tuán)礦等含鐵原料，生產(chǎn)過程以焦炭、煤粉和燃?xì)獾葹闊嵩础?/p>

高爐煉鐵時在爐頂加入焦炭作為鐵礦石冶煉的還原劑和熱源，同時還需要在高爐下部風(fēng)口位置噴吹煤粉、重油等燃料。有機固廢具有可燃性，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源為鋼鐵工業(yè)爐窯提供能源，能大量減少煤粉和焦粉的使用。除作為燃料外，有機固廢還可以充當(dāng)還原劑，還原鐵氧化物。將有機固廢加入現(xiàn)有的鋼鐵生產(chǎn)流程中，在不影響工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量、質(zhì)量和污染排放的前提下，可以實現(xiàn)有機固廢高效利用。不僅解決了有機固廢大量堆存所帶來的困擾，還節(jié)省了日益枯竭的化石能源，降低了鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)成本，減少了 CO₂ 的排放。此外，鋼鐵工業(yè)爐窯污染物治理體系完善，在處理有機固廢時可以實現(xiàn)煙氣超低排放。

鋼鐵爐窯現(xiàn)階段煙氣處理系統(tǒng)主要針對 SO₂、NO_x、顆粒物等無機污染物，二噁英等有機劇毒物質(zhì)減排尚未全面普及，但已有相關(guān)技術(shù)研究和小規(guī)模應(yīng)用的例子。二噁英減排技術(shù)可分為源頭控制、過程減排和末端治理^[53-54]。源頭控制是控制原料中敏感元素配入量，張玉才等[55]將燒結(jié)原料中銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.04%降低到 0.02%，煙氣中二噁英排放濃度（以 TEQ 計）由 0.69 ng/m³降低到 0.55 ng/m³，氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)由 0.06%降低到 0.04%，煙氣中二噁英排放濃度（以 TEQ 計）由 0.82 ng/m³降低到 0.55 ng/m³。過程減排添加抑制劑用于抑制二噁英生成，龍紅明等^[56-57]研究發(fā)現(xiàn)，在燒結(jié)原料中加入微量尿素能減少燒結(jié)過程中二噁英的產(chǎn)生，尿素分解產(chǎn)生的 NH₃ 也可以起到脫硫作用。末端治理主要使用活性炭等吸附劑進(jìn)行二噁英吸附。未來鋼鐵爐窯煙氣處理還應(yīng)在二噁英等有機劇毒物質(zhì)減排方面著重研究，不斷完善煙氣處理系統(tǒng)。

3 以轉(zhuǎn)底爐為中心的多爐窯集成低碳固廢處理新技術(shù)

3.1 轉(zhuǎn)底爐協(xié)同處置有機固廢

轉(zhuǎn)底爐工藝是非高爐煉鐵工藝的一種，屬于煤基直接還原煉鐵工藝，其工藝流程如圖 3 所示。轉(zhuǎn)底爐使用煤粉作為還原劑，直接還原鐵氧化物。鋼鐵廠內(nèi)的各類含鐵鋅塵泥按一定配比混合均勻后壓球，干燥后送入轉(zhuǎn)底爐，在爐內(nèi)高溫還原氣氛下，球團(tuán)內(nèi)部的碳元素將鐵鋅還原，鋅變成蒸氣后進(jìn)入煙氣系統(tǒng)經(jīng)氧化以氧化鋅形式被回收，直接還原鐵冷卻后送至高爐、轉(zhuǎn)爐和電爐使用^[58]。

有機固廢可用于含碳球團(tuán)的制備。安徽工業(yè)大學(xué)孟慶民等[59]將精礦粉、煤粉和廢塑料按一定配比混勻后放入烘箱內(nèi)加熱，熱壓成塊后焙燒還原。與未添加廢塑料的含碳球團(tuán)相比，廢塑料的添加促進(jìn)了還原過程中鐵的滲透，還能有效提升球團(tuán)的強度。在球團(tuán)原料中加入適當(dāng)?shù)膹U塑料制備含碳球團(tuán)，能提升球團(tuán)強度，解決還原劑來源受限的問題，還能降低生產(chǎn)能耗^[60]。董劍豪等^[61]將 PE 塑料和無煙煤粉混勻后在惰性氣氛下進(jìn)行熱處理，制備出一種新型的混合還原劑，并通過對比無煙煤和 PE-無煙煤混合還原劑對氧化球團(tuán)的還原效果，發(fā)現(xiàn)還原劑添加 PE 塑料后有效降低了含碳球團(tuán)的還原難度，促進(jìn)了還原反應(yīng)，提高了含碳球團(tuán)的還原速率，球團(tuán)金屬化率無顯著變化。廢塑料在高溫下發(fā)生分解氣化，增大了球團(tuán)內(nèi)部孔隙率，改善了還原氣體的擴散條件，縮短了還原時間，降低了還原溫度，提高了還原效率^[62]。但添加廢塑料的含碳球團(tuán)可能會因發(fā)生惡性膨脹導(dǎo)致球團(tuán)強度降低。

轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝已開發(fā)生物質(zhì)還原劑^[63]，例如竹炭、木炭、秸稈纖維等生物質(zhì)原料能夠制備出替代煤粉的生物質(zhì)還原劑^[64-65]，其中秸稈纖維被認(rèn)為是比化石燃料更好的還原劑^[66]。生物質(zhì)經(jīng)熱處理、預(yù)處理后得到生物質(zhì)炭、木質(zhì)素、纖維素等，可與鐵礦粉制備生物質(zhì)鐵礦球團(tuán)。生物質(zhì)鐵礦球團(tuán)冶煉過程相關(guān)反應(yīng)過程見式（1）~式（3）。使用生物質(zhì)還原劑還原含碳球團(tuán)，球團(tuán)的金屬化率、抗壓強度以及體積收縮率等方面無明顯差異，甚至比傳統(tǒng)還原劑具有更好的效果。李大偉等^[67]以玉米、小麥、水稻等作物秸稈為原料，經(jīng)過汽曝、水洗、機械分梳提取后，氣流粉碎和有機糖提純得到清潔、可再生的秸稈纖維還原劑。易凌云等^[68]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭用于鐵精礦球團(tuán)還原能有效緩解還原過程中球團(tuán)間的黏結(jié)現(xiàn)象，采用球團(tuán)表面覆層與配加生物質(zhì)炭復(fù)合作用的方式，克服了表面覆層時還原速度慢的缺點，避免了黏結(jié)抑制偏弱的不良效果。

FeO_x+CO→FeO_x-1+CO₂ （1）

C+CO₂→2CO         （2）

FeO_x+H₂→FeO_x-1+H₂O （3）

3.2 以轉(zhuǎn)底爐為中心的多爐窯集成低碳固廢處理新技術(shù)

鋼鐵工業(yè)每年產(chǎn)生大量固廢產(chǎn)物，包括含鐵鋅多金屬塵泥和有機固廢等。目前采用轉(zhuǎn)底爐工藝處理含鐵鋅塵泥，大量消耗焦?fàn)t煤氣、天然氣、焦粉、煤粉等化石能源，碳排放量大。所生產(chǎn)的金屬化球團(tuán)品位低、殘鋅高，直接用于燒結(jié)、小高爐和煉鋼都存在明顯的缺點，并且煙氣中二噁英排放未得到有效治理。有機固廢是鋼鐵生產(chǎn)過程產(chǎn)生的另一類固廢，目前，廢舊除塵布袋、廢油渣、含油污泥等有機固廢產(chǎn)物，需要對外委托專業(yè)固/危廢處理企業(yè)進(jìn)行處理；而其他有機固廢類如廢塑料、各類填料（合成樹脂）、廢襯板、密封帶、廢抑塵網(wǎng)（合成樹脂、橡膠類）、廢編織袋、雜物（膠管、油布手套、濾布、棉紗、廢鋸末）等，這些有機固廢存在著品種多、數(shù)量少、難處理的特點，目前均采用焚燒或填埋等方式處理，存在安全隱患及環(huán)境二次污染的風(fēng)險，沒有做到高效資源化利用。

針對以上問題，作者團(tuán)隊提出以轉(zhuǎn)底爐為中心的多爐窯集成低碳固廢處理新技術(shù)，其工藝流程如圖 4所示，包括有機固廢熱裂解系統(tǒng)、轉(zhuǎn)底爐系統(tǒng)、氫等離子體熔融熱解爐系統(tǒng)和煙氣污染物控制系統(tǒng)。有機固廢熱裂解系統(tǒng)的主體是熱解氣化爐，對工業(yè)有機固廢、城市有機固廢和生物質(zhì)進(jìn)行熱解處理，是本技術(shù)消納有機固廢的第一步。有機固廢作為原料進(jìn)入熱解氣化爐后，在缺氧條件下升溫，分子間會發(fā)生斷裂、氫轉(zhuǎn)移等不可逆的熱化學(xué)循環(huán)過程，有機固廢中的大分子有機物會逐漸裂解為小分子有機物，熱解產(chǎn)物包括熱解氣、熱解油和熱解碳。熱解氣是以 CO、CH₄、H₂ 為主的可燃?xì)猓粺峤庥褪茄鹾扛咔矣袡C成分復(fù)雜的混合物，包括醚、酯、醛、酮、酚、有機酸、醇等種類的含氧有機物；熱解碳的碳含量高，揮發(fā)分含量低，固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá) 80%以上。有機固廢熱裂解系統(tǒng)初步完成了有機固廢的轉(zhuǎn)化，為轉(zhuǎn)底爐系統(tǒng)提供了熱解碳和可燃?xì)猓扇細(xì)庵械母粴錃怏w也能用于氫等離子體熔融熱解爐系統(tǒng)。轉(zhuǎn)底爐通常使用煤粉或焦粉作為還原劑制備含碳球團(tuán)處理鐵鋅塵泥，熱解碳固定碳含量高的特點使其能夠替代焦粉、煤粉作為還原劑，與鐵鋅塵泥制備含碳球團(tuán)。熱解碳在轉(zhuǎn)底爐高溫焙燒下還原鐵氧化物和氧化鋅，含碳球團(tuán)焙燒還原為金屬化球團(tuán)，氧化鋅被還原后隨煙氣經(jīng)過除塵得到富鋅粉塵。富鋅粉塵通過火法-濕法聯(lián)合工藝得到高附加值的鋅錠、鉛錠、銦錠等金屬。有機固廢熱裂解系統(tǒng)產(chǎn)生的可燃?xì)饪梢源娼範(fàn)t煤氣和天然氣為轉(zhuǎn)底爐焙燒提供能源。轉(zhuǎn)底爐所生產(chǎn)的金屬化球團(tuán)不送入高爐或轉(zhuǎn)爐進(jìn)行冶煉，而是通過氫等離子體熔融熱解爐生產(chǎn)鐵水和熔渣。氫等離子體熔融熱解爐的核心機理是利用電弧營造 1 800 ℃以上高溫還原條件，根據(jù)灰渣碳含量與金屬含量進(jìn)行配料，通過加大碳量，延長冶煉時間，實現(xiàn)熔融深度還原。低沸點單質(zhì)金屬充分蒸發(fā)分離并回收，高沸點金屬以金屬相進(jìn)入鐵水與流渣分離。鐵水為鋼鐵企業(yè)所用，熔渣可生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品。氫等離子體熔融熱解爐同時協(xié)同處置部分有機固廢中所含金屬部分，將廢棄金屬重新冶煉。氫等離子體熔融熱解爐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的除塵灰和煙氣處理產(chǎn)生的除塵灰可返回轉(zhuǎn)底爐與熱解碳、鐵鋅塵泥制備含碳球團(tuán)。熱解氣化爐生產(chǎn)的富氫氣體經(jīng)提取后為氫等離子體熔融熱解爐提供綠氫資源，實現(xiàn)碳?xì)漶詈现苯舆€原。氫等離子體熔融熱解爐冶煉過程碳還原產(chǎn)生的煤氣能為轉(zhuǎn)底爐提供能源。除此之外，轉(zhuǎn)底爐余熱產(chǎn)生的蒸汽和熱解氣化爐產(chǎn)生的可燃?xì)馔ㄟ^燃?xì)?蒸汽發(fā)電機，聯(lián)合太陽能等技術(shù)為工藝供應(yīng)綠電。整套工藝的煙氣集中后通過二氧化碳、二噁英和顆粒物的系統(tǒng)協(xié)同控制，實現(xiàn)碳減排和污染物超低排放。

3.3 以轉(zhuǎn)底爐為中心的多爐窯集成低碳固廢處理新技術(shù)的特點

熱解氣化爐適用于所有有機固廢，提升了鋼鐵流程處置有機固廢的普適性，熱解產(chǎn)物可以替代化石燃料，降低鋼鐵工業(yè)對化石能源的依賴，減少碳排放，加快“碳達(dá)峰”“碳中和”的實現(xiàn)。轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)的金屬化球團(tuán)金屬化率并不高，品位低、殘鋅高、強度偏低，直接在高爐中使用會因物料性質(zhì)的差異不利于高爐順行，并且還原后的金屬化球團(tuán)在高爐中再次冶煉，經(jīng)濟效益低。氫等離子體熔融熱解爐有效解決了這些問題。相比單一的碳熱還原，碳?xì)漶詈现苯舆€原工藝還原速度大幅提升，高溫冶煉下實現(xiàn)熔融深度還原，有利于提升鐵金屬化率，殘留的鋅會蒸發(fā)分離回收，金屬化球團(tuán)強度偏低不會影響正常冶煉。煙氣集中處理有利于污染物監(jiān)控，煙氣處理系統(tǒng)在對煙氣中的 SO₂、NO_x和顆粒物減排的同時引入二噁英治理系統(tǒng)，研究不同有機固廢熱解、不同鋼鐵塵泥還原和熔分條件下二噁英的形成釋放特性，明確原料條件和工藝參數(shù)對二噁英合成的影響規(guī)律，開發(fā)過程抑制+末端治理（包括催化降解和吸附）協(xié)同脫除二噁英的關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建污染物過程和末端全流程治理新體系。

以轉(zhuǎn)底爐為中心的多爐窯集成低碳固廢處理新技術(shù)相較于傳統(tǒng)的有機固廢處理工藝、轉(zhuǎn)底爐處理鐵鋅塵泥工藝能耗更低、CO₂ 排放量更少、經(jīng)濟效益更高。雖然熱解氣化爐和氫等離子體熔融熱解爐比有機固廢焚燒、金屬化球團(tuán)進(jìn)入高爐和轉(zhuǎn)爐冶煉電能消耗更大，但是依靠熱解可燃?xì)狻⒄羝l(fā)電和太陽能發(fā)電能夠?qū)崿F(xiàn)電能自給自足，也省去了焚燒和金屬化球團(tuán)冶煉的能耗。熱解碳替代煤粉、焦粉成為鐵鋅塵泥的還原劑，大幅度減少了化石能源的使用，降低了 CO₂ 的排放量，新技術(shù)在煙氣處理系統(tǒng)還引入了CO₂ 減排技術(shù)，為實現(xiàn) CO₂ 超低排放提供了技術(shù)支持。以轉(zhuǎn)底爐為中心的多爐窯集成低碳固廢處理新技術(shù)的使用，節(jié)省了有機固廢焚燒的投入和運行成本，減少了化石能源的使用，降低了生產(chǎn)成本，得到了鐵水、鋅錠等高附加值產(chǎn)品，省略了金屬化球團(tuán)在高爐中冶煉的生產(chǎn)成本，具有更好的經(jīng)濟效益。但是目前沒有大規(guī)模使用，還停留在實驗室研究階段，需要等到產(chǎn)業(yè)正式落地，生產(chǎn)一段時間后得到準(zhǔn)確的能耗、CO₂排放量、經(jīng)濟效益核算等數(shù)據(jù)，預(yù)計不久后可以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

以轉(zhuǎn)底爐為中心的多爐窯集成低碳固廢處理新技術(shù)對各爐窯之間的匹配性要求較高，如何高效地利用好各爐窯的產(chǎn)物尤為關(guān)鍵，需要做到高度協(xié)同。熱解氣化爐產(chǎn)生的熱解油成分復(fù)雜，能否利用現(xiàn)有技術(shù)分離提取尚未可知。今后的工作還要在有機固廢生產(chǎn)的低品位碳?xì)溥€原劑的使用比例、對球團(tuán)的強度、還原效率的影響、可燃熱解氣分離使用等方面做規(guī)模性驗證，完善相關(guān)爐窯關(guān)鍵技術(shù)。通過以上“碳?xì)漶詈线€原”新工藝的實施，為推進(jìn)鋼鐵工業(yè)綠色低碳發(fā)展提供了技術(shù)支持。

4 結(jié)論與展望

1）鋼鐵流程協(xié)同處置有機固廢具有天然優(yōu)勢。在鋼鐵冶煉過程中高溫條件有利于抑制有機固廢燃燒過程中多環(huán)芳香族碳?xì)浠衔锏扔卸練怏w的生成，同時鋼鐵工業(yè)爐窯污染物治理體系完善，在處理有機固廢時可以實現(xiàn)煙氣超低排放，完成有機固廢無害化處置。

2）有機固廢協(xié)同處置技術(shù)是其大宗量和高效化利用的發(fā)展方向。有機固廢是一種優(yōu)質(zhì)的含能固廢，利用工業(yè)爐窯進(jìn)行協(xié)同處置消納可以實現(xiàn)其高效清潔利用。有機固廢具有可燃性和還原性，符合鋼鐵生產(chǎn)的需求，可以替代鋼鐵冶煉過程所需的化石能源。當(dāng)前有機固廢已在燒結(jié)機、高爐等鋼鐵爐窯進(jìn)行應(yīng)用，減少了焦炭、煤粉等化石燃料的用量，在降低生產(chǎn)成本的同時，也成為鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的一大助力。

3）以轉(zhuǎn)底爐為中心的多爐窯集成低碳固廢處理新技術(shù)是處置有機固廢的有效途徑。該技術(shù)對于有機固廢具有較強的適用性，通過熱解氣化處理，將有機固廢轉(zhuǎn)化成熱解氣、熱解碳等產(chǎn)物，可為轉(zhuǎn)底爐和氫等離子體熔融熱解爐提供所需的原材料。圍繞轉(zhuǎn)底爐建設(shè)的多爐窯之間形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)了高資源化利用、低污染物排放、綠色低碳冶金。

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