鞠豪  謝其湘  徐文婷

(湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司  湘潭 411101)

摘要：回轉窯技術是當前處理鋼鐵含鋅塵泥的主流工藝之一，本文綜述了傳統回轉窯技術處置鋼鐵廠含鋅塵泥的工藝原理和新型回轉窯技術的改進升級內容以及未來發展方向。新型回轉窯技術在打破原料組分含量限制、緩解回轉窯體結圈問題、提高處置能力等方面有明顯的改善，更加符合鋼鐵企業對含鋅塵泥資源利用的需求。

關鍵詞：鋼鐵含鋅塵泥，回轉窯，資源化利用

0  引言

隨著鋼業行業“固廢不出廠”模式的大勢所趨，含鋅固廢的資源化利用已經成為鋼鐵企業可持續發展面臨的重要問題。因鋅具有易還原、沸點低等特性，鋼鐵企業含鋅塵泥的循環利用易造成鋅在高爐內富集，導致耐材膨脹、破壞磚襯、產生結瘤，給高爐冶煉及爐況造成不利影響^[1]。

目前鋼鐵企業對含鋅塵泥主要采用廠內長期堆存、外委或自建處理設施等方式進行處理。外委單位一般是鋼鐵廠周邊的固廢加工利用企業，而自建處理設施通常是部分鋼鐵企業自建轉底爐和回轉窯來對含鋅塵泥進行處置，其中回轉窯工藝因設備簡單、脫鋅率高、投資小等因素目前應用最廣泛^[2,3]，但該工藝也存在能耗較高，固廢資源化利用水平相對較低，處置含鐵量較高的塵泥窯體易結圈等問題，新型回轉窯工藝針對以上問題做了進一步的升級改進，更加符合鋼鐵企業對含鋅固廢資源利用的需求。

1  鋼鐵行業回轉窯技術現狀

1.1  傳統回轉窯技術工藝流程

鋼鐵行業傳統回轉窯工藝流程主要為：原料+煤粉或焦粉→配料→回轉窯→沉降室→表面式冷卻器→布袋除塵→煙氣脫硫等工序，含鋅塵泥配加燃料（一般是焦粉或煤粉）后，經過混合，送入回轉窯中進行還原焙燒。在回轉窯內燃料燃燒提供熱量并兼做還原劑，燃料中的碳將含鋅塵泥中的鐵氧化物還原為金屬鐵，鋅氧化物還原為金屬鋅。金屬鋅在高溫下氣化進入煙氣后再次被氧化成為次氧化鋅粉，煙氣從回轉窯窯尾排出后經過降溫，再由布袋除塵器收集次氧化鋅粉。經過還原后的鐵渣從回轉窯窯頭排出，冷卻后破碎磁選，富鐵料可返回燒結作為原料使用，其余尾渣外賣至水泥和建材市場使用^[4,5]。具體工藝流程如圖1所示。

圖1  傳統回轉窯工藝流程圖^[6]

1.2  傳統回轉窯技術特點

回轉窯處理鋼鐵含鋅塵泥技術目前在國內應用比較廣泛，其能夠實現含鋅塵泥的資源化回收利用，且具有工藝成熟、投資低、建設靈活、脫鋅率較高、人工成本低等特點，被諸多鋼鐵企業采用。目前國內如馬鋼、武鋼、漣鋼、酒鋼、包鋼、昆鋼等均已建設回轉窯生產線^[3,4]。投資建設方面來說，相較于轉底爐工藝，相同處置能力投資金額是轉底爐工藝的60%，據資料顯示，年處理量為20萬t的回轉窯生產線，其總投資為6000萬元，運行成本亦較低，目前國內有80多條回轉窯脫鋅生產線^[2]。金永龍等^[7]研究可研分析，年處置固廢20萬t的回轉窯的總投資同比轉底爐低15%-20%。

該工藝的主要產品為次氧化鋅粉和含鐵渣，據資料記載，該工藝中ZnO的脫出率達到約80%，其中次氧化鋅的鋅質量分數達30％—40％，可直接對外銷售給鋅冶煉廠使用，是回轉窯工藝的主要收益來源。而鐵渣往往因鐵含量和金屬化率偏低，一般鐵質量分數為30％—55％、金屬化率為50％左右，往往需要進一步處理，導致產品收益較低^[8]。

但是回轉窯技術處理含鋅含鐵塵泥也存在爐料易在窯內粘結造成結圈、設備作業率低、產品質量不穩定、工作環境較差、二次污染等問題。

1.3  傳統回轉窯技術的局限和問題

1.3.1  原料要求高

回轉窯技術一般適合于高鋅低鐵塵泥，對原料的含鋅量及含鐵量有要求，一般要求混合料含鋅量＞6%，含鐵量＜30%，這是考慮了回轉窯的經濟性，有時需添加酸性紅泥以提高鋅含量^[6,9,10]。回轉窯法比較適合處理電爐除塵灰、高爐除塵灰，得到的次氧化鋅產品品位較高，并且可實現無需配碳處理。但對于鋼鐵廠內其他含鐵塵泥的利用，如轉爐一次、二次除塵灰、轉爐OG泥等存在一定的局限性，往往需進行配碳配料使用，且得到的次氧化鋅產品品位較低，經濟性差。且回轉窯法也不適合處理燒結機機頭除塵灰，主要是由于燒結機機頭除塵灰中氯元素含量太高，可達到40%，會對回轉窯生產造成嚴重影響^[11]。

1.3.2  能源消耗高

通常燃料采用煤粉或焦粉與原料混合，據研究表明，為保證原料的充分還原以及燃料提供的熱量，混料過程中煤粉或焦粉的加入量占比最大約30%^[9]。側面也導致鐵渣中往往殘硫較高，進而影響了窯渣二次利用的經濟性。

1.3.3  窯體結圈

窯體結圈是指回轉窯內的物料在窯內壁上發生大面積的粘結并且連接成環狀。研究表明導致結圈最主要的原因是煤灰的堆積和物料中各種氧化物反應形成的低熔點化合物在窯中高溫的作用下形成了液相，結圈物的最主要的化學成分是鐵和鐵的氧化物以及CaO、SiO₂、Al₂O₃等^[10]；尤其是FeO形成的硅酸鹽液相和滲碳后形成的金屬鐵液相會迅速地惡化窯內工況。同時鋼鐵廠產生的粉塵粒度都比較細，50μm以下的粉塵占大多數^[9]，因原料粒徑小，熔點也偏低，易出現軟融現象，粉料過多也容易造成黏結。鋼鐵企業典型除塵灰粒度分布如下表所示。

表1 鋼鐵企業典型除塵灰粒度分布^[9]

結圈的危害主要有以下幾個方面^{[9，12,13,14]}：1窯體結圈后，往往導致窯壁上的耐材松動甚至脫落。高溫下結圈物與耐材發生化學反應，導致耐材由于受到化學侵蝕而損壞。2回轉窯內結圈會導致窯體截面積變小，嚴重阻礙物料和煙氣的流動，降低生產能力與產品質量，嚴重時結圈物將回轉窯完全堵死，需頻繁停窯停產處理，極大地影響了生產效率和效益。3結圈嚴重時無法正常生產，必須停窯進處理，處理完成后需重新開窯點火、升溫。若頻繁發生此現象將會造成能源大量浪費。

為保證設備穩定運行，需要嚴格控制塵泥含鐵量。進而也說明回轉窯工藝無法處理含鐵量高的塵泥。

1.3.4有害蒸汽的產生和煙塵外溢

由于回轉窯采用焦粉或煤粉為燃料，燃料中含有一定量的硫化物，然而現有回轉窯生產線的煙氣多數未經過處理，直接排入大氣中，煙氣中的SO₂對周邊環境造成污染。

另外，窯渣從回轉窯窯頭排出，直接落到水淬渣池。因熱窯渣的溫度高達900℃以上，遇水會產生大量白蒸汽，原料中摻入焦粉或煤粉，從而導致白蒸汽中含有硫化物，對周圍環境易造成污染。同時因粉料直徑過小，易造成揚塵，窯頭一般采用半密封罩除塵^[11]，存在一定的煙氣外溢，窯尾部位也存在不同程度的冒塵現象。

2  新型回轉窯技術

2.1新型回轉窯技術工藝流程

新型回轉窯工藝流程主要為：強力混合機→造球機→回轉窯（還原）→沉降室或余熱鍋爐→表面式冷卻器→布袋除塵器→濕法脫酸系統等工序，相對于傳統回轉窯技術，新型回轉窯技術在工藝流程上主要新增原料強混+造球工藝，一定程度上參考了轉底爐的部分工藝，將粉料進行造球處理，以球團的形式進入窯體。既可以抑制傳統粉料進入窯體的揚塵，減少粉料進入煙氣中，從而提高次氧化鋅的品位。新型回轉窯工藝流程如圖2所示。

圖2  新型回轉窯工藝流程圖^[15]

2.2  新型回轉窯與傳統回轉窯的對比與改進

2.2.1擴寬原料適用范圍

新型回轉窯工藝增設原料強混、造球預處理工藝，將原料以球團形式加入到回轉窯，與傳統粉料入窯相比，球團在窯體內翻滾可以大幅減少揚塵，煙塵中粉塵含量降低，從而減少了高溫煙管堵塞的現象，同時也減少了次氧化鋅粉的雜質，提高了鋅品位。此外，因球團在窯體內受熱更加均勻充分，原料中低熔點的物質在球體內部集中反應，反應更加穩定，減少窯體內局部過熱，避免了含鐵原料與耐火材料的直接接觸軟化熔融而發生反應粘結，減少了耐火材料的侵蝕及回轉窯結圈現象。采用強混造球預處理后，能夠提高原料中允許加入的鐵含量，進而提高了窯渣的鐵品位，改善副產品窯渣的經濟性。傳統回轉窯將原料混料后，含鐵量一般在30%左右，新型回轉窯混料含鐵量則能夠達到40%左右。

沈維民等^[15]研究，通過強混、造球工藝將粉料制成3-8mm的小球，并通過反復試驗，確定該工藝不需要添加黏結劑，也不需要額外干燥，制成的生球可直接進入回轉窯內。研究表明，若入窯原料的鐵品位達到43％，窯渣的鐵品位可高達62％以上，這使得回收窯渣中的鐵成為可能。

2.2.2降低能耗

燃料可利用鋼鐵廠內的高爐煤氣和其他低熱值氣體，對回轉窯進行供熱，原料中的碳元素僅作為還原劑，可以大幅減少所需含碳量。同時也可減少向窯體內的鼓風量，間接地提高了窯渣的金屬化率，為含鐵渣的利用創造條件。

2.2.3緩解窯體結圈

以往傳統回轉窯中的空氣全部從窯頭鼓入，這會使窯頭部分區域成為高溫區，甚至局部過熱，容易造成回轉窯結圈。新型回轉窯采用多噴孔回轉窯技術，將窯體進風方式改進為窯頭部分進風+窯體中部進風，這種方式可以降低窯頭局部高溫，同時窯體內高溫區的長度得到延長，有效緩解窯體結圈現象，提高設備的生產效率，減少檢修時間和設備維護成本。例如湖南誠鈺環保回轉窯改造項目是國內首臺采用多噴孔進風的回轉窯，改造后生產規模提升10%-20%^[15]。

2.2.4惰性氣氛干式出窯渣及余熱利用

通常高熱的窯渣從回轉窯窯頭直接排入水淬池冷卻，會激起濃厚的白蒸汽，造成出渣口工作環境極差，同時有部分硫化物會揮發出來，造成周邊環境污染。且窯渣的熱能被完全浪費。目前窯渣的冷卻采用圓筒冷卻機等間接冷卻的方式^[9]，通過惰性氣體保護窯渣中的金屬化鐵不被氧化，可提高窯渣的金屬化率；而采用合理的余熱利用工藝可以實現對窯渣中余熱的充分利用，例如用凈水進行換熱，出水可作為鍋爐給水、預熱水及廠內其他使用。

2.2.5回轉窯煙氣協同處置

回轉窯煙氣一般需配套脫硫設備設施，但單獨建設脫硫設施成本較高，因煙氣處理的污染物較為單一，為降低排放量節約成本，含鋅塵泥處置項目可充分利用周邊大型爐窯處置設計的余量，以燒結工序為核心，將回轉窯煙氣接入燒結工序煙氣處理系統中一并處理，實現煙氣協同處置^[16]。

3  新型回轉窯技術發展方向

（1）協同處置鋼鐵廠及城市固廢

現有回轉窯技術主要處置鋼鐵廠內含鋅塵泥，原料來源相對比較單一，然而回轉窯擁有1050—1200℃的高溫還原環境，未來在協同處置其它類型固廢方面有較大的潛力。比如可協同處置塑料、橡膠、保溫棉等一般有機固廢，以及含油污泥等有機危廢，利用有機危廢中的揮發性碳提供熱源。固定碳作為還原劑，還可節約化石燃料的使用量并降低碳排放量。采用提鐵減鋅回轉窯還原含鉻廢物，還能實現對含鉻廢物的解毒^[8]。此外，在打造無廢城市方面可以形成助力，例如寶鋼對閑置的石灰回轉窯進行改造，使之轉型成為4000t/d協同處置工業及城市廢棄物的水泥熟料生產線。可處理城市污泥、工業無價污泥10萬t/a( 含水率按 80%計) ，各類有毒有害廢棄物 5 萬t/a，礦渣、粉煤灰、脫硫石膏等工業廢棄物18.7萬 t/a^[17]。因此，未來通過回轉窯生產線實現多源固廢的協同處置，能夠助力實現“固廢不出廠”的目標。

4  結語

鋼鐵行業新型回轉窯技術在擴寬原料的適用范圍、降低能源消耗、改善窯體結圈問題等方面有較大的改進，更加符合鋼鐵企業的使用需求，降低了鋼鐵企業的固廢處置成本，未來應用前景廣闊，是助力鋼鐵行業實現“固廢不出廠”的重要手段。

參考文獻

[1]  時越,金永龍,李寶成.鋼鐵含鋅固廢處置工藝[J].河北冶金,2019, (S1): 77-79. DOI:10.13630/j.cnki.13-1172.2019.S119.

[2]  吳瑞琴,王梅菊. 關于鋼鐵廠含鋅塵泥綜合利用的探討[J].新疆鋼鐵,2021,(01): 6-8.

[3]  王鐘建,李巖,唐境言等.鋼鐵產業塵泥資源化回收利用現狀與進展[J].江西冶金,2023,43(02):87-94.DOI:10.19864/j.cnki.jxye.2023.02.001.

[4]  田釋龍,張輝,曹遠棟等.鋼鐵塵泥的處理回收技術現狀[J].云南冶金,2023,52(02):70-75.

[5]  鐘高輝,王文祥,陳露等.鋼鐵行業含鋅煙塵回收利用技術研究進展[J].云南冶金,2022,51(03):96-101.

[6]  劉梅.兩種冶金含鋅含鐵塵泥處理工藝的對比[J].工業加熱,2022,51(12):23-26.

[7]  金永龍,劉思遠,秦國旗等.典型的處置鋼鐵企業含鋅固廢工藝的能效分析[J].冶金能源,2022,41(03):18-22.

[8]  李強,陳鐵軍,李奇勇等.鋼鐵行業含鋅冶金塵泥資源化利用現狀與研究進展[J].中國冶金,2023,33(07):1-9+39.DOI:10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230043.

[9]  郭新穎.回轉窯處理含鋅塵泥技術現狀及改進方向[J].工業加熱,2023,52(04):41-44.

[10]  王天才.回轉窯處理鋼鐵含鋅粉塵關鍵技術探析[J].中國資源綜合利用,2019,37(07):181-184.

[11]  王德勝,黃彩云.回轉窯法處理含鋅冶金塵泥潔凈生產工藝研究[J].天津冶金,2022,(04):79-81+86.

[12]  殷磊明.煅燒含鋅粉塵回轉窯結圈的研究[D].安徽工業大學,2017.

[13]  范曉慧,甘敏,袁禮順等.氧化球團鏈篦機—回轉窯結圈機理的研究[J].鋼鐵,2008,(03):15-20.DOI:10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.2008.03.020.

[14]  馬福輝,楊曉源,寧加明等.昆鋼球團回轉窯結圈研究與預防[J].燒結球團,2006,(05):19-22.DOI:10.13403/j.sjqt.2006.05.005.

[15]  沈維民,葉恒棣,張志波等.鋼鐵工業含鋅塵泥回轉窯處置技術的應用進展[J/OL].燒結球團,1-8[2024-02-21].https://doi.org/10.13403/j.sjqt.2024.01.002.

[16]  葉恒棣 鋼鐵燒結煙氣全流程減排技術［Ｍ］北京：冶金工業出版社，2019

[17]  夏盛,童敏,封羽濤.鋼廠協同處置城市固體廢棄物的實踐與探索[J].廣州化工,2017,45(18):138-140.