转底炉处理冶金固废的节能研究与应用

转底炉处理冶金固废的节能研究与应用

摘要：随着我国的飞速发展，各行各业都在不断进步。钢铁行业对冶金固废，特别是含铁含锌尘泥的处置需求激增，转底炉已经成为业内公认的含铁含锌尘泥

处置最佳工艺。但是，转底炉还存在能耗高、能源成本占比过大的问题，需要不

断优化能耗指标，提高能源利用率。本文结合转底炉的常规工艺流程，分析转底

炉能耗高的主要环节，并进行工艺和设备创新，在生产实践中实现转底炉的节能

应用。

关键词：转底炉；固废处理；能耗；节能

引言

我国冶金行业固体废弃物多为钢铁工业生产过程中产生的钢渣、矿渣、铁渣等。据了解，“十三五”期间，我国冶金渣年产生量为4亿吨以上，冶金渣综合

利用率平均达到65%，其中高炉水渣、铁合金渣和含铁尘泥利用情况较好，几乎

均已得到充分有效利用，高炉渣的综合利用率达到90%以上。而钢渣因其自身的

稳定性不良、易磨性差、活性较低等原因，2019年钢渣利用率不足30%。未得到

回收利用的冶金固体废弃物经过长期贮存、堆放，逐渐失去活性，增加了再利用

的难度。

1 冶金固废的大宗利用现状

传统大宗冶金固废主要利用渠道是用于水泥、混凝土或道路工程等行

业. 钢渣、赤泥、铜渣和部分铁合金渣利用率低的主要因素在于其存在有害组分、胶凝活性低、成分波动大等资源禀赋差的特性，也存在固废分布集中、产品

市场受限等其他因素，从而很难实现在水泥和混凝土等领域的大量应用. 典型

冶金渣的大宗利用现状如下.

1.1 钢渣的特点及大宗利用现状

钢渣种类多样，除了转炉炼钢过程排放的转炉钢渣，其他还有电炉炼钢过程排放的电炉钢渣、不锈钢冶炼过程排放的不锈钢钢渣，也有企业把铁水预处理、精炼等炼钢相关工艺排放的预处理渣、精炼渣、铸余渣等也算作钢渣. 部分钢铁厂将这些废渣全部排放到渣场处理，不同的废渣被混合，大大增加了钢渣的利用难度。

在我国，目前约90%的粗钢采用转炉炼钢工艺生产，钢渣中转炉钢渣对应占比接近90%. 钢渣处理主要经过热态钢渣冷却和冷渣破碎磁选工艺，以实现回收10%～15%具有经济价值的铁质组分，同时剩余85%左右难以利用的钢渣尾渣. 通常所说的钢渣即是指这部分磁选后的转炉钢渣尾渣.

1.2赤泥的特点及大宗利用现状

我国赤泥以拜耳法赤泥为主，其组分以氧化硅、氧化铁、氧化铝、氧化钠和氧化钙为主，还含有Cr、Cd、Mn、Pb或As等重金属元素. 其中，赤泥中氧化钠质量分数在7%～16%，pH值为9.7～12.8.赤泥的高碱性是其形成危害和难以资源化利用的主要原因. 赤泥碱性物质分为可溶性碱和化学结合碱. 可溶性碱包括NaOH、Na2CO3、NaAl(OH)4等，通过水洗仅能去除部分可溶性碱，仍有部分残留在赤泥难溶固相表面并随赤泥堆存. 结合碱多存在于赤泥难溶固相中，如方钠石（Na8Al6Si6O24·(OH)2(H2O)2）、钙石（Na6Ca2Al6Si6O24(CO3)2 2H2O）等，这类含水矿物并不稳定，存在一定的溶解平衡，从而导致赤泥仍然具有碱性但难以通过水洗直接去除.在硅酸盐水泥中，一方面游离的Na+会在毛细力作用下向外迁移，另一方面硅酸盐水泥中大量的Ca2+进一步取代硅酸盐中的Na+，加剧了Na+的溶出和返碱，这导致赤泥建材产品广泛存在返碱防霜问题，因而产品中不能大量掺入赤泥. 此外，水泥混凝土及制品中大量的Na+还会进一步与骨料中的SiO2发生碱骨料反应，生成水化凝胶而使得体积膨胀，材料结构被破坏，导致建筑产品开裂、耐久性能恶化. 因此，赤泥在普通水泥混凝土类建筑材料中难以大量利用。

1.3铜渣的特点及大宗利用现状

现阶段，铜渣主要消耗方向是回收有价金属，代替砂石，制备水泥和其他建

筑材料等，其他大宗利用方向还不多见. 铜渣中铜利用率低于12%，铁利用率低

于1%.铜渣化学组成中含有质量分数35%～45%的全Fe和约40%的SiO2，1.2%～

4.6%的金属Cu，还存在Pb、Zn、Ni等重金属元素. 铜渣的化学组成决定了其矿

物组成以铁橄榄石为主，缺少胶凝活性，这一特点制约了其在水泥混合材或混凝

土掺合料中的利用. 铜渣本身硬度较大，适合作为砂石骨料；但是为了提取其

中质量分数0.8%～5%的铜元素，通常将其先粉磨至250目后进行浮选，这使得最

终形成的浮选尾渣因太细而难以作为砂石骨料，也不能大规模用于道路工程。

2转底炉节能技术研究及实践

2.1高温球团余热回收

外喷淋圆筒冷却主要以蒸发方式形成水蒸气降温，冷却效果不佳，球团温度

一般在180℃左右，而且水蒸气直接排入大气形成白色污染，设备长期被水侵蚀，损坏严重，高温球团的热量无法回收，造成能源浪费。

2.2转底炉富氧燃烧

目前，转底炉燃烧系统面临煤气热值低、炉温难以保证的技术问题。转底炉

富氧燃烧技术使用低热值煤气进行燃烧，也能保证较高的燃烧温度，可以解决该

问题。其采用变压吸附制氧法，工艺成熟、投资低，运行维护简单。氧气从助燃

风机进风口与空气一起被吸入风机，形成的富氧空气经风机加压后送入炉内。中

国宝武钢铁集团某项目引进转底炉富氧燃烧技术，采用真空变压吸附制氧，降低

了制氧成本，具有经济可行性，氧气成本约为0.3元/m3，燃烧系统燃气可以单

独使用转炉煤气，煤气使用量约为7800m3/h，预热助燃空气量减少6500m3/h，

整个燃烧系统运行成本可节约600元/h，年节约能源成本约400万元。

2.3转底炉燃烧控制技术

转底炉直接还原含铁球团是一个复杂的物理化学过程，金属铁的还原程度与

温度、气氛和炉底转速密切相关。中国宝武钢铁集团自主研发的转底炉控制专家

系统、燃烧模型和物料跟踪模块可实现炉内气氛及反应过程的精准控制，从而大