转底炉处理含锌尘泥技术发展动态和最新进展
转底炉处理含锌尘泥技术发展动态和最新进展
刘文权 张盟 员晓
一、转底炉的发展历程
转底炉（ Rotary Hearth Furnace，简称RHF）工艺是一种煤基快速直接还原技术，其主体设备由改进环形加热炉发展而来的。该工艺思想最早由Midrex公司前身美国Ross公司提出，并于1964年开始进行规模试验，1978年美国Inmetco公司在宾州埃尔伍德市建成第一座处理5.6万t电炉钢粉尘能力的具有商业意义转底炉起至今已经有42年发展历史。在转底炉发展过程中美国、德国、日本等国家都相继投入力量开发研究，先后建立起工业化生产厂。目前该技术已经日趋成熟并表现出较好的商业发展潜力。转底炉属非高炉炼铁技术范畴，目前转底炉已实现工业化生产工艺有Inmetco、Fastmet、IDP、COMET、DryIron和ITmk3（第三代炼铁法）等。
我国自上世纪90年代起对转底炉技术进行跟踪研究，先后在山西翼城、河南舞阳、河南巩义、辽宁鞍山等地建立试验装置，并进行了初步的实验，获得了经验与技术的积累。近几年在消化吸收国外转底炉技术发展的基础上，先后有多家企业投资建设转底炉装置，另有多家钢铁企业规划或筹建转底炉，转底炉工艺逐渐成为直接还原铁领域的一个建设热点。
二、国内外转底炉发展现状
（一）转底炉工艺概况
1．Inmetco转底炉工艺
Inmetco转底炉工艺由International Metal Reclamation Company公司开发，并在美国建成世界上第一座具有生产规模的转底炉，可从不锈钢粉尘中回收Zn、Ni、Cr等金属。该工艺首先将原料、燃料送入造球系统，造好的球团由加料溜槽加入转底炉内，球团在炉内1250~1300℃高温下还原成直接还原铁，通过螺旋卸料机排出炉外。
2．Fastmet工艺
Fastmet工艺由美国Midrex公司与日本神户制钢合作开发，用以处理钢厂内部的含铁粉尘和铁屑等，球团在1250~1300℃温度下被加热还原，其工艺流程与Inmetco工艺基本相似。由于Fastmet工艺产品中含有脉石、煤灰分等杂质，金属化率也依赖于原料含铁品位，故在此基础上将埋弧电炉（EIF）设置在转底炉后处理直接还原铁，形成了Fastmelt工艺。
3．IDP（Iron Dynamics Process）
1996年组建，动力铁公司（Iron Dynamics Inc）拥有目前世界上最大炼铁转底炉，年产50万吨铁水，炉外径50米，炉床宽7米，以天然气为燃料。1998年11月21日建成投产。铁精矿为原料，煤作为还原剂，经造球、干燥后将干球加入转底炉，以天然气为燃料进行还原，然后用密闭罐运往埋弧电炉熔分。获得铁水和渣，热料温度900℃。投产后遇到一系列问题，从1999年到2000年4次停炉改造，2004年重新生产。
4．COMET工艺
COMET工艺于1996年由卢森堡CRM研究中心开发，1996年11月在100kg/h试验炉试验。特点：不造球，铁矿粉和煤粉分层铺在转底炉上，已得到较好小试验结果，还有待工业试验证实。
5．ITmk3工艺（第三代煤基直接还原工艺）
ITmk3工艺由神户制钢和美国Midrex公司联合开发，既可以还原铁矿石，又可以处理冶金厂产生的粉尘，以及其它含铁、铬、锌等冶金废弃物等。该工艺以粉矿、含铁粉尘和喷吹煤粉为原料，使用造/压球机等设备制成球团或团块，在1350~1450℃的加热条件下完成还原、渗碳及熔融反应，并对排出的渣、铁进行分离。
6．DRyIron工艺
DRyIron工艺是由美国MR&E公司与罗杰钢公司（RSC）联合开发的煤基直接还原工艺，可以用来处理回收钢铁厂含锌粉尘。该工艺在原料准备阶段的特点是将焦粉（或煤粉）与铁矿粉（或者含铁固废）混合后直接压制成块，不使用粘结剂，并在转底炉单层装料，一般在1160~1300℃下完成还原反应。
（二）国外钢厂转底炉工艺应用情况
国外钢厂共投产14座转底炉用于处理含铁尘泥，分别位于美国、日本、韩国等地，各钢厂转底炉使用工艺及主要技术指标见表1。其中使用Inmetco工艺的转底炉3座，使用Fastmet工艺6座，使用DryIron工艺4座，ITmk3示范装置1座。但上文提及Fastmelt工艺和ITmk3工艺并未应用于含铁尘泥的处理。美国Inmetco公司、神户钢铁公司加古川厂和新日铁光厂的转底炉产能较小，其余几座转底炉产能均能达到14万吨/年以上。
表1 转底炉使用工艺及主要技术指标
1．美国Inmetco公司
美国Inmetco公司转底炉建于1978年，采用的是自主研发Inmetco工艺，用于处理不锈钢粉尘以及含锌电池，产能9万t/a。该转底炉直径16.7m，炉底宽4.3m，炉底面积146m2，转速15~20r/min，还原温度1250~1300℃，金属化率为96%。
2．神户钢铁公司
神户钢铁公司加古川厂转底炉建于2001年，采用Fastmet工艺，用于处理钢铁厂含铁、含锌粉尘，产能为1.4万t/a。该转底炉直径为8.5m，炉底宽1.25m，还原温度为1300~1350℃，还原时间为12min，DRI（直接还原铁）或HBI（热压块铁）金属化率85%~92%，镍品位95%~100%，脱锌率超过90%，回收粉尘中锌含量为44.70%。
号称第三代先进炼铁工艺的日本神户制钢的ITmk3粒铁转底炉，2004年神户制钢与美国几家公司合作在明尼苏达州建设示范装置，原计划第1号商业生产设备于2006年开始生产，由于遇到1450℃环境下进行的含碳球团还原和渣铁分离过程温度很高、转底炉耐材及铺底料的问题未解决好、粒铁产品S含量高、在转底炉内生成粒状固态生铁需要的冷凝段过长、生产效率太低等工程化难题，至今未能商业化生产。计划在Northshore Mining Co.公司建设的直径50～60m、年产50万吨粒铁的ITMK3转底炉示范厂至今未见生产情况的报道。
3．新日铁公司
新日铁公司目前建有8座转底炉，广畑厂4座，光厂1座，君津厂3座，分别采用Fastmet工艺、DryIron工艺和Inmetco工艺。
新日铁广畑厂分别于2000年、2005年和2008年建成3座转底炉，采用Fastmet工艺，用于处理钢铁厂含铁、含锌废弃物，产能均为19万t/a，其中3号转底炉由新日铁工程与神钢的合资专业公司建设。该转底炉直径21.5m，炉底宽2.8m，转速3.75r/min，设备作业率可达90%以上。当炉子的生产率为10kg/（m2·h）时，DRI金属化率达91.9%，脱锌率为94.0%，其中14万t金属化球团供该厂转炉炼钢，转底炉布袋过滤器回收的粉尘含锌量约为63.4%（其中78.9%是ZnO），铁含量小于1%，可作为炼锌厂原料。此后在2011年又建成产能为22万/a的4号转底炉。
新日铁光厂转底炉建于2001年，采用DryIron工艺，用于处理不锈钢生产过程中产生的固体废弃物（电炉粉尘、酸洗沉渣和轧钢氧化铁皮等），回收铁、锌、镍、铬等成分，产能为2.8万t/a。该转底炉直径为15m，还原温度为1300℃，还原时间为15min，作业率为80%左右，DRI的金属化率为70%～80%，DRI产品用于电炉和AOD炉。
新日铁君津厂在2000年和2002年先后建成2座转底炉，采用Inmetco工艺，用于处理来自高炉和转炉的干粉尘和低水分污泥，产能分别为18万t/a和14万t/a，还原时间分别为10~20min和15~30min，生球处理能力分别为22t/h和17t/h。该转底炉直径为24m，炉底宽为4m，炉膛面积为230m2，冶炼温度为1250~1300℃，DRI金属化率达到75%~85%；脱锌率可达92%，直接还原铁平均强度为10MPa。此后在2008年又建成3号转底炉，采用DRyIron工艺，产能为31万t/a。
4．JFE公司
JFE西日本钢铁福山厂转底炉建于2009年，采用Fastmet工艺，用于处理高炉尘和转炉尘，产能为19万t/a，产品DRI用于高炉，回收的氧化锌出售。该转底炉直径为27m，生产的DRI还原度大于80%，锌回收率大于90%，耐压性大于100kg/块。
5．韩国浦项
韩国浦项与日本新日铁合作，分别在浦项厂和光阳厂各建成1座转底炉，采用DryIron工艺，用于处理含锌尘泥和轧钢铁鳞，每座转底炉可生产HBI（或DRI）14.0万t/a，总投资1300亿韩元，出资比例为7∶3。浦项厂转底炉从2008年8月开始建设，于2009年9月建成，生产的HBI大部分出口到新日铁；而光阳厂转底炉从2009年1月开始建设，于2009年底建成，生产的DRI则全部被浦项公司利用。浦项通过回收利用炼钢过程中产生的副产品增加铁水产量和公司利润，同时，通过将转底炉项目与联合国清洁发展机制项目（CDM）相结合，以确保获得二氧化碳排放权。
（三）国内转底炉工艺应用现状
国内钢厂共投产11座转底炉用于处理含铁尘泥，4座在建。国内各钢厂转底炉投产或在建见表2。
表2 国内转底炉投产或在建一览表
四、转底炉的应用前景除马钢直接引进新日铁DryIron工艺外，其他几家钢厂均是采用国内高校或者科研机构成套技术。国内钢厂转底炉投产时间较晚，技术也较为成熟，建成转底炉产能均在20万t/a以上。
对冶金尘泥而言，大多数钢铁企业在冶炼中提取出所需金属元素以后，其它的具有回收利用价值的金属元素一般都进入尘泥中。据统计，世界上已利用的64种有色金属中有35种是作为副产品回收而得。部分有色金属通过冶金尘泥综合利用和回收创造的产值占总产值的比重一般在25%左右。据专家估计，对现有的冶金尘泥全部进行综合利用和金属元素回收，可使铜、锌等有色金属产量净增20%～30%。故对冶金尘泥进行回收利用的潜在价值巨大。
转底炉技术在处理钢铁厂高锌含铁尘泥等固废方面显示出优越性和市场应用潜力，适合于国内推广。目前，在中国、日本、韩国和美国已有较多工业化应用。
五、转底炉产业化和市场前景
转底炉直接还原技术在处理冶金尘泥等固体废弃物资源方面，具有工艺简单、技术先进、原料适应性强、作业率高、资源回收率高、投资省等优点，与其他工艺相比，技术优势和成本效益优势明显，是钢铁行业发展循环经济、加强资源综合利用的重点支撑技术之一。加大对该技术的研发和产业化示范力度，加速市场普及和推广进程，对钢铁行业提高资源综合利用水平、提高行业增长质量和效益、实现可持续发展具有重要意义。
预计在“十四五”期间，转底炉直接还原冶炼技术在在冶金尘泥处理市场的推广率将达到30%，尘泥处理量达到1620万t，新建生产线至少50条，相关工程投资额将达到150亿元。
参考文献（略）
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