引言

在物料利用方面，來(lái)自鋼鐵生產(chǎn)工序的固廢是一種有價(jià)二次資源。在歐盟，為了實(shí)現(xiàn)物料回收、循環(huán)經(jīng)濟(jì)，業(yè)內(nèi)一直在開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)用以處理這些固廢。通過(guò)提升副產(chǎn)品回收效率，減少對(duì)一次資源（原材料和能源）的需求，縮減填埋規(guī)模，最大的收益就是節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。本文回顧了歐盟鋼鐵工業(yè)處理和利用固廢的現(xiàn)狀，重點(diǎn)關(guān)注了粉塵和污泥，并對(duì)歐盟現(xiàn)有大型固廢處理技術(shù)進(jìn)行了介紹。另外，對(duì)有關(guān)固廢利用的泛歐洲研究項(xiàng)目也進(jìn)行了描述。最后，在物料靈活性和成分等方面，對(duì)現(xiàn)有的固廢處理工藝進(jìn)行了對(duì)比評(píng)估。

歐洲鋼鐵工業(yè)

粉塵和污泥的工業(yè)處理技術(shù)

歐盟鋼鐵工業(yè)固廢處理技術(shù)進(jìn)展（上）

本文對(duì)奧鋼聯(lián)鋼鐵公司和瑞典鋼鐵公司（SSAB）在粉塵和污泥方面的工業(yè)處理技術(shù)進(jìn)行了介紹，這兩家企業(yè)不僅在固廢處理和利用方面做了很多努力，而且在歐盟鋼鐵工業(yè)的資源利用程度最高。另一方面，對(duì)歐盟現(xiàn)行工業(yè)規(guī)模處理的技術(shù)進(jìn)行了闡述，同時(shí)介紹了歐盟正在全面開(kāi)發(fā)的、尚未實(shí)際應(yīng)用的回收技術(shù)。

表1 總結(jié)了奧鋼聯(lián)鋼鐵公司林茨廠所實(shí)施的固廢利用情況。2017 年該廠通過(guò)高爐-轉(zhuǎn)爐工藝路線生產(chǎn)了580 萬(wàn)噸粗鋼。根據(jù)操作要求，該廠采用位于美國(guó)科珀斯克里斯蒂的奧鋼聯(lián)MIDREX^？ 工廠生產(chǎn)的熱壓塊（HBI）來(lái)生產(chǎn)鐵水，綜合考慮所有現(xiàn)場(chǎng)和場(chǎng)外的固廢利用方式，奧鋼聯(lián)鋼鐵公司在2017財(cái)年的資源利用程度為89.3%。

SSAB 公司在瑞典、芬蘭和美國(guó)都設(shè)有鋼鐵廠，2017年的粗鋼總產(chǎn)量為880 萬(wàn)噸，其中美國(guó)鋼鐵廠通過(guò)廢鋼回收利用，實(shí)現(xiàn)粗鋼產(chǎn)量240 萬(wàn)噸；在瑞典和芬蘭的分廠共有20%的粗鋼采用廢鋼生產(chǎn)。表2 總結(jié)了SSAB 公司的固廢利用情況。約95%的礦石煉鋼所產(chǎn)固廢和91%的廢鋼煉鋼所產(chǎn)固廢分別在內(nèi)部和外部得到利用。

01

OxyCup 豎爐

德國(guó)蒂森克虜伯與庫(kù)特納公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了OxyCup^？熔融還原工藝，這是一種基于自還原含碳?jí)簤K生產(chǎn)鐵水的豎爐技術(shù)。一座示范工廠建于德國(guó)杜伊斯堡的蒂森克虜伯歐洲鋼鐵公司。含碳?jí)簤K含有焦粉、黏合劑（約10wt%水泥）、冶金副產(chǎn)物，如來(lái)自高爐和轉(zhuǎn)爐煤氣的粉塵和污泥、油膩軋鋼氧化鐵皮污泥以及來(lái)自生鐵脫硫階段的磁性固廢。為了使自還原含碳?jí)簤K硬化，在冷黏結(jié)壓塊處理之后儲(chǔ)存5天。

OxyCup^？ 工廠的中心部位是一座圓頂豎爐。爐缸直徑2.6m，軸高8.8m（從風(fēng)口帶到頂部），工作容積為65m3。自還原含碳?jí)簤K與焦炭和添加劑（熔劑）一道裝入豎爐。每生產(chǎn)1t 鐵水需要170-200kg 焦炭。為了產(chǎn)生還原氣體，注入最大溫度650℃、壓力400mbar 的熱風(fēng)，穿過(guò)8 個(gè)風(fēng)口的總流速約為30000m3/h。風(fēng)口帶附近的碳轉(zhuǎn)變?yōu)橐谎趸肌囟冉咏畲笾?200 ℃。此外，通過(guò)風(fēng)口注入了3500m3/h 純氧。鐵氧化物的直接還原始于900℃，在1400℃全部完成，20min 后形成海綿鐵，隨后在爐缸中熔化。最終產(chǎn)物是碳含量約4wt%的鐵水，而爐渣則通過(guò)爐底的出鐵口連續(xù)離開(kāi)熔爐，流向后續(xù)的虹吸系統(tǒng)。鐵水和爐渣因密度差而分離，最終被轉(zhuǎn)移到魚(yú)雷罐中。

爐頂煤氣溫度約為230-300℃，采用洗滌器進(jìn)行處理，而來(lái)自含碳?jí)簤K的鋅和堿等成分經(jīng)過(guò)揮發(fā)，富集于濾餅中，隨后進(jìn)行外部處理。在杜伊斯堡的蒂森克虜伯工廠，每年生產(chǎn)鐵水約16.5 萬(wàn)噸，產(chǎn)生固廢17.6 萬(wàn)噸，鐵水生產(chǎn)率約為35-65t/h，爐渣生產(chǎn)率約為15-30t/h。每天共計(jì)回收500t含鐵粉塵和污泥。此外，在歐盟地區(qū)以外也有OxyCup^？工廠，這是由原新日鐵住金公司和JFE 鋼鐵公司設(shè)立的，均采用了廢鋼熔化技術(shù)，日均鐵水產(chǎn)量分別為1350t 和2400t。

02

DK 工藝

德國(guó)DKRecycling&Roheisen股份有限公司開(kāi)發(fā)了一種名為“DK”的工藝，用以回收富鋅冶金固廢（平均鋅含量為3wt%，最高為10wt%）生產(chǎn)生鐵。DK工藝是基于傳統(tǒng)鋼鐵廠的概念（包含燒結(jié)廠和高爐煉鐵廠）而建立的，此外，還采用了一種鋅精礦生產(chǎn)專用物料。該工藝在原材料的質(zhì)量上不同于傳統(tǒng)的煉鐵工藝，采用了不同的預(yù)處理方式。DK工藝采用的物料是來(lái)自高爐和轉(zhuǎn)爐的粉塵和污泥、軋鋼氧化鐵皮以及其他富鐵固廢。DK工藝的含鐵廢物年均回收量為34-46萬(wàn)噸，最大回收能力可達(dá)50萬(wàn)噸。利用這些固廢可生產(chǎn)不同等級(jí)的生鐵，2017年的總產(chǎn)量為25.9萬(wàn)噸。物料處理始于燒結(jié)階段（燒結(jié)生產(chǎn)率約為64t/h）。副產(chǎn)物與石灰石和焦粉混合，放入帶式燒結(jié)機(jī)。燒結(jié)尾氣采用靜電除塵器及洗滌系統(tǒng)（注入石灰乳和褐煤焦粉用以去除二氧化硫、二噁英和呋喃），袋式過(guò)濾器從凈化氣體中分離出固體殘?jiān)?/p>

燒結(jié)礦與作為還原劑的外購(gòu)焦炭一起投入高爐生產(chǎn)生鐵。每生產(chǎn)1t生鐵約需要700-720kg還原劑，不過(guò)，還需要輔助還原劑用于部分替代焦炭，如重油。DK 工藝擁有兩座高爐（3 號(hào)高爐的工作容積為580m3，爐缸直徑5.5m；4 號(hào)高爐的工作容積為460m3，爐缸直徑4.5m），日均鐵水總產(chǎn)量為1500t。通常，一座高爐在運(yùn)行，另一座處于備用狀態(tài)。高爐生產(chǎn)的鐵水在澆鑄機(jī)中形成8-10kg的生鐵塊（DK工藝的第一種產(chǎn)品），隨即出售給全球的鑄造廠。含有氧化鋅的高爐煤氣分兩步凈化：粗粒級(jí)除塵器和細(xì)粒級(jí)洗滌器。高爐渣在渣坑中冷卻至室溫。這一冷卻步驟產(chǎn)生了一種類(lèi)似天然石料的產(chǎn)物，可用于建筑行業(yè)。

 如前所述，DK工藝使用的原材料鋅含量很高，相當(dāng)于向高爐的每噸鐵水中投入38kg鋅。這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高爐工藝每噸鐵水0.02-0.2kg鋅的水平。來(lái)自高爐煤氣凈化第二步驟的污泥在濃縮機(jī)中被收集回收，作為鋅精礦（鋅含量為65wt%-68wt%）出售于鋅工業(yè)，這就是DK工藝的第二種產(chǎn)品。DK工藝的經(jīng)濟(jì)效益就是縮減了填埋規(guī)模，同時(shí)通過(guò)向鑄造工業(yè)出售生鐵，向鋅工業(yè)出售鋅精礦，從而盈利。經(jīng)過(guò)DK工藝之后，僅有1%的回收冶金副產(chǎn)物需要進(jìn)行填埋處理，這一部分主要是源自燒結(jié)尾氣處理后的固體殘?jiān)Ｉ鲜鰢婌F吸收器和褐煤焦炭加料系統(tǒng)去除了重金屬和來(lái)自尾氣的二噁英和呋喃等有機(jī)化合物。

03

Befesa Waelz （百菲薩 威爾茲）工藝

西班牙百菲薩股份有限公司是一家全球知名企業(yè)，致力于鋼鐵和鍍鋅行業(yè)的副產(chǎn)品回收以及鋁或含鋁固廢的回收。歷經(jīng)數(shù)十年，Waelz技術(shù)一直用于高含量鋅（大于20wt%）金屬殘?jiān)奶幚怼?006年百菲薩公司從位于德國(guó)杜伊斯堡的BUSBerzeliusUmwelt  ServiceGmbH接管了Waelz技術(shù)。百菲薩處理的主要部分就是所謂的“SDHLWaelz”工藝，以發(fā)明者Saage、Dittrich、Hasche、Langbein的姓名首字母命名，同時(shí)也是對(duì)Waelz工藝的進(jìn)一步改良，能耗更低、減少了熔劑用量和二氧化碳排放量。該固廢處理工藝可以分為：分段運(yùn)輸、原料的制備和裝料、Waelz窯爐內(nèi)火法冶金工藝、尾氣處理。

在SDHLWaelz工藝中，將鋼鐵廠粉塵、各種含鋅固廢以及焦炭和爐渣進(jìn)行混合并粒化成微顆粒。將鋼鐵廠固廢與既定量的還原劑和造渣劑進(jìn)行混合，以確保穩(wěn)定操作、Waelz氧化物的鋅產(chǎn)出量高，從而獲得良好的爐渣質(zhì)量。火法冶金工藝在Waelz管式爐中進(jìn)行，爐長(zhǎng)通常為40-65m，直徑約為3-4.5m。由于輕微傾斜和移動(dòng)（每分鐘1.2轉(zhuǎn)），連續(xù)裝料的微顆粒穿過(guò)窯爐，停留時(shí)間為4-6h。穿過(guò)窯爐的氣相與固體散料的當(dāng)前方向相反。

向爐內(nèi)裝料后，物料被加熱，通過(guò)逆流式熱爐煤氣蒸發(fā)水分，爐內(nèi)中間區(qū)域，金屬化合物的還原始于1100-1200℃。含有還原劑碳的投料混合物與氧氣反應(yīng)，形成二氧化碳，隨即與剩余的固體碳發(fā)生反應(yīng)，形成一氧化碳。一氧化碳同時(shí)還原鋅化合物（主要是氧化鋅）和鉛及鐵的氧化物。由于工藝條件即金屬化合物的高溫和足夠高的蒸汽壓力，鋅、鉛、氯化物和堿從固態(tài)有選擇性地蒸發(fā)至氣相，而鐵仍然留在固態(tài)床上。氣相中，金屬鋅蒸氣再次被氧化，形成氧化鋅。基于逆流原理，由于爐內(nèi)氣氛存在足量的氧氣，這一過(guò)程很容易發(fā)生。

由于向爐底床注入了空氣，大多數(shù)被還原的鐵又被氧化（FeO）。來(lái)自放熱鐵氧化反應(yīng)的能量用于加熱空氣以及還原區(qū)的吸熱化學(xué)過(guò)程。富含煤氣的粗大金屬氧化物留在爐內(nèi)的前側(cè)（進(jìn)料口區(qū)域），并被運(yùn)往產(chǎn)品回收凈化的多級(jí)廢氣處理。煤氣被冷卻，Waelz氧化物存放在過(guò)濾器中，然后輸送到筒倉(cāng)中進(jìn)行中間儲(chǔ)存。在隨后的凈化步驟中，二噁英、呋喃、水銀和鎘通過(guò)吸收（干基吸附系統(tǒng)）后去除，凈化后的尾氣最終通過(guò)煙囪向大氣排放。根據(jù)SDHLWaelz工藝物料平衡的桑基圖（基于每噸生鐵的投料量）顯示，Waelz氧化物和Waelz爐渣由外部公司作為可售產(chǎn)品進(jìn)行利用。

為了在鋅工業(yè)有效利用Waelz氧化物產(chǎn)品，就必須降低鹵族元素含量，同時(shí)提升鋅含量，Waelz氧化物經(jīng)過(guò)二級(jí)或三級(jí)逆流洗滌器處理。這可以去除多于90%的鹵族元素和堿。在最終洗滌的Waelz氧化物中，鋅含量為70wt%。Waelz爐渣可以用作填埋場(chǎng)的道路建造材料。Waelz工藝的一大缺點(diǎn)就是鐵被束縛在爐渣中，不能被回收和進(jìn)一步利用。BefesaWaelz爐的年產(chǎn)能為95.5萬(wàn)噸。2015年處理了580253t粗鋼粉塵，其中，出售了199534tWaelz氧化物，相當(dāng)于134134t鋅。此外，還處理了93870t不銹鋼粉塵。