【技术文献】 利用停产高炉改建熔融钢渣协同处理尘泥、冶金渣固危废新思路
利用停产高炉改建熔融钢渣协同处理
尘泥、冶金渣固危废新思路
廖辉明
（湖南建鑫冶金科技有限公司）
樊 波
（中冶京诚工程技术有限公司）
摘要：钢铁厂大量含锌高炉布袋瓦斯灰、烧结机头灰和炼钢污泥以及含磷含铁钢渣亟待妥善处理，湖南建鑫公司创新地提出了一种新的利用钢厂高温熔融钢渣的半高炉协同处理尘泥、冶金渣等固废危废回收铁和有色金属专利技术，实现了钢铁、有色化工、煤矸石固危废整体解决，是一项开创性的不需要石灰白云石也可不用硅石酸性熔剂降碱的钢渣变水渣的一种非高炉炼铁新工艺，可在炼钢工区就近处理，更适合利用停拆高炉改建成专门处理钢渣固废熔炼炉。
关键词：停产高炉；熔融钢渣；尘泥；冶金渣；固危废；协同处理
来源：利用停产高炉改建熔融钢渣协同处理尘泥、冶金渣固危废新思路
1 钢铁工业尘泥、冶金渣处理现状
钢铁厂内部每天产生大量的含有容易循环富集的钾钠锌等有害元素的高炉布袋瓦斯灰、烧结机头灰和炼钢污泥得不到处理，每天产出更大的转炉钢渣含有害元素磷，同样不便在烧结生产环节消纳利用。湖南建鑫冶金科技有限公司研究开发了利用钢厂高炉贮铁式主沟熔池渣铁、转炉熔融钢渣等高温熔体协同处理钢厂及有色化工尘泥、冶金渣固废危废分离回收铁和有色金属整体解决方案的两项专利技术，发表了《含锌瓦斯灰、除尘灰、污泥及冶金渣等固废协同处理整体解决方案探讨》、《利用钢厂高温熔融钢渣协同处理钢铁及有色化工尘泥、冶金渣等固废危废新技术》两篇文章，引起了业内同行的关注。其中，熔融钢渣的液态下采用高温处理炉处理，如何实施是大家关心的问题，本文结合现有大钢厂拆小建大，将停产废弃的高炉改建成处理熔融钢渣与钢厂及有色化工固废危废的类似半截高炉熔炼炉，进行熔融钢渣协同处理含铁含有色金属等固废危废，分离回收铁和有色金属专利技术，不失为一条新的更便捷的治理固废环保的工艺路线。
处理含铁含锌尘泥固废，国内主要有物理分选法、回转窑及转底炉法（固态直接还原），国内引进的太钢OxyCup竖炉法（液态）和宝钢Corex、山东墨龙HIsmelt熔融还原法（熔融态）也能处理部分尘泥固废，德国DK公司利用闲置的小高炉和小烧结机，对各种高炉含锌瓦斯灰、转炉除尘灰、轧钢铁皮以及电池等固废进行处理，相当于过去韶钢的小高炉处理含锌废料。但不便大量循环利用的含磷有害元素的转炉钢渣的处理大多采用热泼、热闷等冷态处理方式，未见有新的比较经济方便的钢渣固废处理方法出现。
1.1 HIsmelt熔融还原法工艺
HIsmelt熔融还原法是澳大利亚力拓公司开发的一项旨在只使用煤粉和矿粉，无烧结、无球团、无炼焦的完全替代现有炼铁工艺的一种熔融还原非高炉炼铁工艺。该工艺从顶部向熔池喷入1200℃高温热空气，类似转炉氧气顶吹，炉内熔渣（FeO）较高，熔渣氧化气氛浓，炉衬寿命受到一定影响。SRV炉也可以考虑兼顾喷入少量粉状固废，经国内改进的工艺流程见图1。
图1
1.2 钢渣熔融态下处理的研究现状
目前，转炉钢渣大多采用冷泼或热闷处理，冷却后处理，分选铁困难，制成钢渣水泥，安定性差。近年，在钢渣熔融热态下处理已引起了业内较大关注，形成了不同的处理思路和工艺路线。
湖南建鑫冶金科技公司：采用炼铁冶炼原理，鼓风烧炉增加热量、加硅降低渣碱度、加碳还原回收铁、连续处理液态钢渣，已在小型模拟炉小试，并申请专利。利用停产高炉改建成类似没有炉身的专门用于环保治理的熔融钢渣和固危废还原挥发熔炼炉，是最便捷易行的办法之一。
首钢技术研究院：做了较多的实验室试验，据说初步方案是采用鼓风、加硅降碱、加碳还原铁，炉型类似有嘴的茶壶，对熔融钢渣进行在线处理。
东北大学：在电炉里试验，通过加减料调温调碱、加碳还原剂来处理熔融钢渣，回收铁、富磷相、调质提高熔渣品质接近水泥熟料。按炉处理间断作业。
宝钢 BSR法：预先在渣盘内加入含碳团块，在炉下转炉出渣兑入钢渣后，滚筒法钢渣粒化再磁选分选。此方法现场烟尘大，加入团块熔渣降温粘稠后，给钢渣粒化处理增加了难度。
北京科技大学：在转炉出渣时，加入硅质河沙改质，将R２从3.0高碱降至1.6，以降低熔渣熔点，改进熔渣品质。此改质处理后采用冷态磁选铁粉处理方法。
中冶建筑研究总院：在电极炉内进行焦炭还原调质试验，去除铁质杂质，立足于水泥建材，目的是产出不含铁的高质量水泥孰料。
某研究院：曾计划在江西某钢厂采用铁水罐形式在炉下接渣，移出炉下在渣跨加入镍矿等物料，利用钢渣余热还原铁和镍，再倾倒，倒入渣盘，外运倒出分选处理。此工艺铁水罐频繁进出转炉炉下作业，处理炉采用非固定式方法，工程产业化和生产组织难度较大。
2 利用钢厂高温熔融钢渣协同处理钢铁及有色化工尘泥、冶金渣等固危废新思路
湖南建鑫公司有色冶金、炼钢炼铁技术人员共同研究，创新地提出了一种新的利用钢厂转炉高温熔融钢渣的类似半个高炉的含碳压块(或球团)熔融钢渣还原挥发熔炼炉处理新工艺（已申请发明专利201810527784.1）。还原挥发熔炼炉处理新工艺是以炼铁高炉、OxyCup及HIsmelt工艺方法，结合高温熔融钢渣处理需要形成的技术集成，半高炉处理新工艺采用半截高炉炉型的熔炼炉体，从处理炉侧面加入液态熔融钢渣；同时，从上部向炉内加入含碳含铁自还原压块(或球团)、含铁块状物（如渣钢、废钢、含铁块矿等），以及焦炭、块煤、熔剂，下部采用炼铁高炉的下半截炉缸炉腹的出铁、出渣、鼓风、鼓氧，喷入煤粉含铁粉料或废油燃烧，为钢渣处理炉提供热量；烟气系统采用有色行业有色渣鼓风熔炼烟化挥发法的喷入三次风高温煤气二次燃烧，加热高温煤气直接预热预还原含碳压块等含铁料，并采用余热锅炉回收高温烟气热量；通过使用低价的固体废料、煤矸石、高灰分块煤和半焦炭以及废钢，以获得低的综合生产成本。通过利用高温熔融钢渣温度高、数量大的优势，使用难还原难处理的低价特殊复杂矿（如高铁铅锌矿等），进一步协同处理有色化工行业不易处理的含铁含有色金属除尘灰污泥、冶金渣、废油（及油泥渣）等危险废物，城市垃圾焚烧飞灰等固废危废，以求得更好的经济效益，实现钢铁、有色化工、煤矸石等大量固废危废得到整体解决。由于熔融钢渣的高碱性和各种固体废料煤矸石等物料的脉石大多高酸性，两者酸碱互补。因此，利用高碱熔融钢渣协同处理钢铁及有色化工固废危废，实际上也是一项不需要石灰白云石钙镁碱性熔剂，也可以不使用硅石等硅铝酸性熔剂、含铁钢渣变成无铁水渣的一种非高炉炼铁新工艺。
2.1 熔融钢渣协同处理含铁固废危废原理
作为转炉炼钢产生的大量高温熔融含铁钢渣，对炼钢专业来说，它就是炼钢的弃渣，而要对炼钢钢渣的铁进行回收，它就是炼铁冶炼专业的铁的还原问题，因此，在转炉钢渣的热态处理研究上就产生了一个空白。通常，转炉排出的高温熔融含铁钢渣都是采用渣罐外排拉走冷却后，由钢厂的附属单位进行破碎磁选加工处理。若要对含铁钢渣真正科学有效再深度进行研究处理，就需要用炼铁冶炼的C还原金属氧化物等方法去处理，将钢渣降碱改质成为普通炉渣。在钢渣未凝固前，在高温液态下，从源头就开始去解决钢厂钢渣处理问题，显然是最合理的。
转炉熔融钢渣具有高温高钙高镁高氧化铁夹带铁的特点，在高温液态下在线进行处理是最好的时机，采用类似炼铁高炉冶炼的氧化物碳热还原法原理进行处理，把钢渣的碱度降下来、把氧化铁还原出来，就可以分离回收其中的铁、磷，并使含铁难磨的高碱度钢渣变成易磨有利加工成水泥细粉的低碱度普通炉渣。钢渣碱度在2.8～3.2以上，钢渣夹带铁珠非常严重，转炉出钢，渣中夹带金属铁一般在7～10%以上，这部分金属铁，只要加入含硅等酸性成分的含铁废料、高硅铁矿石，包括含硅铝成分高的焦炭、块煤以及煤矸石，以及由钢厂内各种除尘灰、转炉污泥等制成的含碳含铁含锌压块，或者直接加入硅石，将熔渣碱度降低，渣的熔点和粘度大幅降低，金属铁就可以从渣中分离出来，另一方面，钢渣中还含有20%以上的氧化亚铁和三氧化二铁，在熔渣碱度降低，流动性大幅提高的同时，只要加入足够碳还原剂(还含氢还原剂)，就可以将铁等金属氧化物还原，从而得到铁水，钢渣中的金属铁得到回收，而高碱度钢渣改质降碱变成了类似高炉的炉渣，冲成水渣，成为易加工的水泥原料。这些高炉不用的高硅高铝含铁低的废料、难选铁矿石、低质燃料正是高碱度钢渣降碱处理所需要的中和酸性料。
除钢厂内部固废外，有色化工行业也有大量不易处理的含铁含锌铅铜锡等金属元素的固废，甚至危废，比如硫酸渣、铅渣、铜渣及锌浸出渣、各种含重金属电镀及酸洗污泥，以及垃圾焚烧飞灰等，这些粉状、泥状及块状固废、危废，如能利用转炉倒出的高温熔融钢渣这一载体，协同处理，将不仅能够回收其中的含铁元素，还能顺利回收这些固危废中的易挥发或不挥发的铅锌铜锡金银等有色金属，有效解除有色化工固废危废难处理之苦，回收到价值较高的有色金属，具有显著的环保和经济效益。不仅如此，在煤炭行业，还有大量的含碳煤矸石废渣，是低值的块煤，可以替代部分块煤。这些选矿成本很高的不适合高炉炼铁使用的高硅高铝原燃料，恰恰是钢渣处理炉降碱度所需要的酸性原燃料，也为这些难以再分选的高硅高铝废弃料找到了一条出路。煤矸石除含碳外，其主要成分是SiO2和Al2O3酸性成分，既是燃料还原剂又是硅铝酸性熔剂，将“钢铁”+“有色化工”+“煤炭”三大行业固废结合起来，进行“三固废危废”协同处理，那将更能降低处理成本，取得更大的协同效果，做到既技术上可行，又能在经济上获得突出的效益，以达到节能减排经济环保、治理污染有益社会更优更全面的综合效果。
利用转炉倒出的大量的1600℃的高温熔融钢渣这个载体，在一个特别设计的类似半个炼铁高炉的高温熔炼处理炉，进行钢厂及有色化工固废危废的熔融还原挥发处理，不失为一个好方法，起到了量大的高温熔融钢渣“以大带小”协同处理量小的有色固废危废的效果，其“熔融钢渣”+“有色固废”协同处理的综合效果远超目前普遍存在的钢铁行业的“冷态钢渣处理”和有色化工行业的“有色固废分散委托处理”的各自单独处理的效果。与现今国家鼓励正大力推动的水泥回转窑协同处理固废危废工艺相比，其处理温度更高，能彻底裂解有毒物质和二噁英，钢渣的高碱度CaO能完全吸纳硫等有害元素，同时能有效分离出、并回收铁和有色金属等有用物质，避免水泥回转窑等工业窑炉协同处理存在的建筑水泥重金属可能超标和二次资源的浪费，因而具有很好的社会和经济价值，是一项开创性的利用液态下转炉高温熔融钢渣协同处理尘泥、冶金渣固废危废，既解决了钢厂钢渣处理难问题，又解决了大量固废危同样难处理的一种新的非高炉铁资源回收新工艺。
2.2 转炉熔融钢渣 “三固废”还原挥发协同处理工艺（熔融钢渣MSS碳c金属氧化物o硅s固废协同处理工艺---MSScos工艺）
2.2.1 主要工艺流程
压球或压块：各种含铁尘泥或有色化工固废危废、煤粉煤矸石等含碳燃料或物料、添加剂助剂等配料→混匀加工压块制或块→“三固废”协同：高温熔融钢渣+含铁含铅锌铜锡等预处理物料压块(球团)+煤矸石煤块等+酸性熔剂料→还原挥发熔炼炉处理：高温还原挥发炉协同处理→得到产品：铁水或铁块、有色金属富集物、铅锌铟等有色金属烟灰和高温熔渣(高温熔渣制成水渣磨成超细粉、或回用至转炉、或制矿棉及微晶玻璃等材料)四种产品→再加工、分离、精炼及后续产业化，主要工艺流程示意见图2。
图2
2.2.2 “三固废”协同处理的固废、危废
2.2.2.1 含铁类、锌铅类、含铜锡类：钢厂固废：钢渣、炼钢污泥、炼钢炼铁除尘灰及污泥、脱硫脱磷渣、氧化铁皮、铁粉；有色化工固危废：铅渣锌渣类、高铁（大多含铁高达40%）铜渣锡渣类、氰化提金提银尾渣等有色冶金渣、铅水渣、锌湿法浸出渣、有色冶炼除尘灰、电镀酸洗污泥类、赤泥、选后尾矿，硫酸渣、化工污泥沉渣，垃圾焚烧飞灰；高硅铁矿、高铁铅锌矿、红土镍矿含镍铬铁矿粉等难选难处理复合矿，分类别集中处理。
2.2.2.2 含碳还原剂、燃料类：焦炭、块煤、煤矸石、含碳除尘灰及污泥、废油及油泥渣、废弃含碳可燃有机物料以及需处理的各类可燃物料(油类等物质还含有大量氢还原剂)。
2.2.2.3 酸性熔剂料：硅石、河沙、废玻璃及高硅高铝物料，用于调降碱度。
2.2.3 “三固废”协同处理得到的产品
2.2.3.1 铁水→→中低磷铁水，或铸成铁块的高磷生铁块(磷铁合金)、镍铬生铁块、含铜铁块等产品；或脱磷供炼钢，或直接冶炼含磷、镍铬、铜等元素的防腐耐候钢等钢材。
2.2.3.2 有色金属富集物等副产物→→含金银铜锡等混合金属富集物、含有色金属粗铅等富集物，精炼分离；
2.2.3.3 含铅锌铟等有色金属烟灰→→含铅锌铟等有色金属元素的粉末烟灰收集、分选分离、提级后转入下工序加工→→外销有色冶炼厂湿法浸出等方法分离其中的有用金属（根据不同废料进行分类，分开集中处理，得到不同类别产物）。
2.2.3.4 高温熔渣→→①直接冲成水渣，磨成超细粉，作为水泥混凝土掺合料；②控制好吹炼进程，调整好熔渣成分，控制钢渣去磷后高温熔渣部分直接返回转炉，作为高温渣料替代部分石灰等熔剂料、其余部分空冷成炉渣再加工成水泥细粉、或直接冲成水渣再加工成水泥超细粉；③将熔渣酸度系数调整到矿棉适宜成分，高速吹成矿棉保温材料，或调质后浇筑成微晶玻璃。
2.2.4 年处理36万吨熔融钢渣，协同处理9万吨固废危废(4:1)效益分析
经冷却破碎磁选渣钢后，外卖钢渣块和尾渣粉一般在每吨50元左右，液态钢渣中含有25～30%左右的铁，以残钢、金属铁珠和氧化铁存在，在高温液态下，铁珠不需要熔化和还原消耗碳，铁氧化物也只要还原耗热，含碳自还原固废压块反应快速，只需加入廉价的含铁固废及块煤或煤矸石等废料，就可以得到价值2500元以上的铁水（磷高可作磷铁合金）和100元以上的水渣（磨成超细粉价格在300元），经济效益显著，如再配入含铁含有色金属固废危废、废油、废油泥渣等协同处理，则价格较低、甚至不付费或收取产废企业危废处置费（部分危废处置费高达1000～3000元），估算年效益可以达到1亿左右。
3 转炉熔融钢渣协同处理尘泥、冶金渣等固废危废实施方式
湖南建鑫公司技术人员已经在钢厂生产线上，在转炉出渣时，在渣罐内进行了加入含碳尘泥球等物料的降碱度还原回收铁(加C还原剂、燃料和加SiO2酸性熔剂)的原理验证试验，并在一个有一个鼓风口一个排渣铁口的小型模拟试验炉进行了倒入熔融钢渣和加入含碳尘泥球等物料的模拟试验，通过对现场分析研究，将该技术扩大，在钢厂生产线上进行产业化实施，不存在限制环节。该专利技术类似高炉炼铁冶炼，原理与技术路线清晰，期望与有意愿合作的钢厂、设计院及公司共同开发，以便彻底解决钢厂大量含锌尘泥和钢渣处理两大环保难题，可按以下两种方式实施。
3.1 在炼钢厂生产工区建造一座中试试验炉，然后再配套完善或扩大，或利旧拆建
在炼钢工区（一般都双转炉布置）（见图3）转炉出钢跨一端或炉后渣跨合适区域(新建钢厂时进行专门规划)，可以先期设计建设一座处理熔融钢渣数量适中的以还原挥发熔炼炉为主体的中试生产线(类似高炉下半部的炉缸炉腹圆形炉型、也可以是矩形、椭圆形，如矩形炉2.5×3×5，容积37.5M3左右)及相应配套设施，进行项目半产业化，在验证生产数据、优化工艺参数、主体试验成功后再进行工艺改进，第二步再视情况相应配套有关鼓风空气预热、喷煤(也可喷废油)、余热锅炉蒸汽能源回收等节能降耗、降低成本的附属设施，同时，在降低能源消耗、使用低值块煤或煤矸石降低处理成本、以及在政策允许的情况下寻求配入含铁含锌铅铜锡等有色金属固废危废，协同处置产废企业固废危废，扩大收益来源等方面再进行有益尝试，以实现本技术的效益最大化。工艺完善后，根据熔融钢渣处理量，再按需要扩大炉容(矩形炉可以侧向扩大炉容)以提高钢渣处理量，满足所对应的转炉所产钢渣处理的需求。亦可利用或收购钢厂废弃拆下的高炉旧炉壳、冷却壁等设备，在炼钢工区就近选址建造类似半截高炉中试试验炉，进行利旧、改建。
图3
3.2 利用停产废弃高炉改建成半高炉新型处理炉进行熔融钢渣协同处置固危废
通过与目前的高炉炼铁生产系统比较，我们不难发现，熔融钢渣协同处理固废危废新工艺，除所采用的原料和核心的还原挥发熔炼处理炉外，其它公辅系统差别并不大（布袋除尘前增加了余热回收锅炉降温），而处理炉本身就是借鉴炼铁高炉技术应用于液态下熔融钢渣协同处理固危废，若将淘汰下来的停产废弃高炉就地改造（或易地拆建），将炉型改造成适合处理熔融钢渣和钢厂固废的只有炉缸炉腹没有炉身的液态熔融钢渣还原挥发处理炉，那么，可以将原停产高炉的整个系统资产全部盘活利用，将使钢厂原有打水翻渣、冒蒸汽、粉尘污染严重的冷态处理钢渣场，变成先进的处理整个钢铁厂的所有转炉高温熔融钢渣的高炉生产形式的集中处理工厂。高炉生产具有封闭冶炼特点，产生的煤气（或称烟气）便于除尘处理，其环保和清洁性较好。利用停产废弃高炉改建，不仅盘活了停产高炉资产，其环保效果要优于其它方式。
图4
通过图4高炉炼铁工艺与MSScos固废协同处理工艺对比，我们可以发现，两者只是使用的物料不同而已，前者主要是固态的焦炭和矿石，后者主要是液态熔融钢渣和少量的含碳球团以及块煤燃料。烟气系统也只是因为烟气温度偏高而增加了一个余热回收的锅炉而已。因此，能够利用停产废弃高炉进行改建将是最好的选择。
3.2.1 高炉炉型的改造
高炉炼铁有下部的出铁出渣、鼓风和上部的装料和煤气（烟气）引出系统（见图5），高炉的核心就是高炉本体、炉型（见图6），半高炉的熔融钢渣处理炉炉型相当于，在现有高炉基础上，将炉身去除掉，只保留炉腹和炉缸以下部分，作为高温熔融钢渣的接收容器和处理熔池，侧向增加熔融钢渣接渣口，将固废危废压球、含铁物料以及其它各种燃料或熔剂料等物料加入预热段，去除炉身后的半高炉炉型示意图见图7。
图5
图6
图7
3.2.2 高炉炉前出铁场平台、水冲渣及附属设施和热风炉、送风系统可以利用
高炉本体的关键部位：炉腹和炉缸保留，那么处理炉的鼓风送风系统及出铁出渣、水冲渣系统、出铁场平台等现有设施都得到了利用，热风炉加热鼓风也可以得到利用。由于占主导的熔融钢渣已经是液态，只需改用小风机鼓风。
3.2.3 处理炉烟气系统增设余热回收装置，提高能源利用效率
原高炉炉身去掉后，炉顶装料设施、炉顶的煤气（或称烟气）收集系统可一同改造下移，在常规高炉布袋除尘前增加余热锅炉等回收热量降温设施，对高温烟气进行换热余热回收。
3.2.4 熔融钢渣的渣罐转运与管理
在炼钢工区内可就近将转炉出炉的高温熔融钢渣即时倒入钢渣处理炉内，但是在转炉工区处理，往往场地和空间受到较大限制。在利用与转炉有一定距离的停产高炉或易地拆建的高炉改建成集中处理钢铁厂各个转炉产生的液态钢渣，那么，快速将转炉出炉的高温熔融钢渣通过渣罐等转运至钢渣处理炉，以确保钢渣能顺利倒入处理炉就显得非常重要。通过合理组织、快速调运快速倒渣，采取渣面投撒保温剂、减少渣罐散热损失等一些有针对性保温措施，应该能够实现熔融钢渣的入炉目的。
4 结语
长期以来，钢铁厂转炉排出的钢渣都是采用冷态处理方式，已不适应越来越严格的环保要求，堆积如山的钢渣，甚至已成为制约钢厂生产的一个头痛问题。改变由来已久已成习惯的热泼、热闷降温后再处理的冷态处理方法，在熔融态下在转炉出渣时就开始进行一整套的加碳加硅、鼓风吹炼、还原回收铁、钢渣降碱、钢渣变成普通水渣应是一条值得探讨研究的钢渣处理工艺技术路线。结合各个钢厂不同的规模和工艺布局，可采用在炼钢工区就近处理，大型钢厂亦可根据自身实际，可以利用拆小改大的停产废弃高炉改建成只有下部炉腹炉缸的半高炉专门处理钢渣、尘泥、冶金渣以及其它固废危废高温熔炼炉，以发挥集中处置的优势。从投入产出比和协同处理效果来看，本专利技术应该比当前钢渣热泼热闷降温冷态处理、尘泥固废危废转底炉处理、回转窑处理（包括水泥回转窑协同处理）三种方式单独处理具有一定的优势，期望此技术能为钢铁及有色化工的各种尘泥、钢渣、有色冶金渣等固废危废处理提供一个好的解决方案，使废弃物料的碳氢能源得到利用，这些含铁含有色金属的固废危废变“废”为“宝”，为钢厂打造花园式绿色工厂创造条件。