劉長正

(寶武集團環境資源科技有限公司轉底爐事業部，上海201900)

摘要：鋼鐵行業對冶金固廢，特別是含鐵含鋅塵泥的處置需求激增，轉底爐已經成為業內公認的含鐵含鋅塵泥處置最佳工藝。但是，轉底爐還存在能耗高、能源成本占比過大的問題，需要不斷優化能耗指標，提高能源利用率。本文結合轉底爐的常規工藝流程，分析轉底爐能耗高的主要環節，并進行工藝和設備創新，在生產實踐中實現轉底爐的節能應用。

關鍵詞：轉底爐；固廢處理；能耗；節能

鋼鐵生產過程中會產生大量固體廢棄物，鋼鐵企業含鐵塵泥產生量約為噸鋼的10%^[1],其中，鋅、鉛、鈉、鉀等元素含量較高的粉塵占鋼鐵企業粉塵量的25% ~ 30%^[2]，這些廢棄物是可以利用的二次資源，它們主要是高爐除塵灰或泥、轉爐除塵灰或泥、部分軋鋼污泥等。傳統做法是將這些塵泥回收后直接返回燒結加以利用，導致鋅、鉛等有害元素在系統中不斷循環富集，隨著煉鋼高鋅廢鋼比例不斷增加，含鐵塵泥物料的含鋅量逐漸上升，導致高爐鋅負荷超標，影響煉鐵生產的順利運行和設備壽命。隨著環保要求的日趨嚴格，委外處置日益困難。因此，鋼鐵企業普遍尋求各種消化與處理含鐵含鋅塵泥的方案，如回轉窯、轉底爐等。經過多年發展，轉底爐工藝可實現含鐵含鋅塵泥的循環利用,取得良好的環境效益和社會效益, 逐漸獲得認可。轉底爐工藝原料適應性強，操作靈活, 引起冶金界高度重視。

目前，轉底爐處理含鐵含鋅塵泥的工藝日趨成熟，中國寶武鋼鐵集團（下屬馬鋼集團、寶鋼湛江鋼鐵有限公司、上海基地和武漢基地）、山東鋼鐵集團、河北鋼鐵集團等均有建成投產的轉底爐，未來幾年，各大長流程鋼鐵企業均會建設轉底爐生產線，轉底爐替代能耗高的回轉窯是大勢所趨。業界認為，轉底爐能耗比回轉窯低，但能耗占運行成本的比例仍較大， 碳達峰碳中和背景下如何降低能耗是轉底爐未來的研究方向，目前，轉底爐節能降耗的研究仍較少。本文結合轉底爐處理冶金固廢的常規工藝流程，分析高能耗環節并提出解決方案，論述中國寶武鋼鐵集團在轉底爐節能方面的研究和實踐，并展望碳達峰碳中和背景下未來轉底爐節能降耗、降低成本的新途徑。

1鋼鐵企業塵泥利用現狀

鋼鐵企業典型的含鐵塵泥主要包括原料粉塵、燒結粉塵、高爐除塵灰（泥）、轉爐除塵灰（泥）、電爐粉塵等，根據塵泥的成分及性質，返回不同工序利用，主要方式有3種：冷壓塊做煉鋼原料、混勻后返燒結配料、資源化利用^[3]。鉛、鋅、鉀、鈉含量較高的含鐵塵泥一般返生產利用，或者外銷進行再加工, 回收有價金屬。隨著環保壓力日益增加，外銷越來越困難，國內鋼鐵企業只能尋求內部消納，開始推行固廢不出廠，積極探索含鐵含鋅塵泥的資源化利用途徑。

鋼鐵企業內部資源化利用途徑主要是脫除鉛、鋅等有害元素，再內部循環，回收資源，為鋅循環尋找開路。

國內含鐵含鋅塵泥處理以回轉窯和轉底爐為主, 回轉窯工藝存在易結圈、能耗高、環保不達標等問題, 逐步退出。目前，轉底爐工藝逐步興起，該工藝對含鐵含鋅塵泥、粘結劑以及還原劑（焦粉或者煤粉）進行配料，然后混勻進行壓球或造球，生球在烘干后通過布料裝置均勻布至爐內，爐內采用煤氣燃燒加熱，爐內溫度控制在1 000 ~ 1 350 ℃此溫度下鐵氧化物被逐步還原，鋅氧化物還原成鋅蒸氣，被煙氣帶走, 在后續煙氣降溫過程中被收塵裝置收集，獲得含氧化鋅的副產品，實現鋅與鐵元素分離。

2轉底爐工藝流程簡介

轉底爐的常規工藝流程如圖1所示。具體來說，各種粉塵干灰直接進入配料間料倉，烘干機烘干后的含鐵含鋅塵泥（含水6%左右）進入料倉，將原料、還原劑、粘結劑按比例配料，經過混合、壓球、篩分，將大于8 mm的含碳球團均勻地布到轉底爐環形爐床上，轉底爐爐內溫度控制在1 000?1 350 °C, 在20 ~ 30 min內，含碳球團被還原成金屬化球團，同時氧化鋅被還原為鋅，鋅揮發進入煙氣中，經過余熱鍋爐進行余熱回收，余熱鍋爐出來的煙氣溫度降至小于200 °C其由袋式除塵器凈化后外排，氧化鋅在袋式除塵器中逐級回收^[4]。 

還原后的金屬化球團經高溫出料螺旋從轉底爐排出，進入圓筒冷卻機。冷卻后，成品球團溫度降至小于200°C,篩分后合格成品球（粒徑不小于5 mm ）供高爐使用，篩下成品粉料（粒徑小于5 mm ）供燒結使用。

3轉底爐工藝的高能耗環節

3.1原料處理

從原料來看，除粉塵干灰外，轉底爐工藝還要處理鋼鐵企業的含鐵含鋅污泥，主要處理的污泥為氧氣轉爐煙氣回收法（OG）污泥、高爐瓦斯污泥等。

這些污泥含水率通常為25% ~ 35%, 現有流程均采用圓筒烘干機烘干。烘干機熱源通常為煙氣發生爐，通過發生爐發生的700 °C左右高溫煙氣對污泥進行烘干，一般采用高爐煤氣或者轉爐煤氣作為燃料，需要耗費大量能源，單臺轉底爐污泥烘干煙氣發生爐需要耗費的轉爐煤氣高達5 200 Nm³/h。

3.2轉底爐球團烘干

生球烘干是物料進入轉底爐進行還原之前的一道關鍵工序，生球干燥優劣直接關系到轉底爐爐內還原氣氛控制、成品產量、粉化率、金屬化率等關鍵指標。日照鋼鐵控蘇團轉底爐曾經采用不烘干直接入爐模式，事實證明，不烘干對轉底爐的生產指標影響很大，轉底爐爐溫不穩定，容易導致分化，造成爐底板結，最終導致轉底爐產品噸球能耗偏大。生球烘干跟污泥烘干一樣,采用烘干機（鏈篦機或網帶烘干機）, 利用煙氣發生爐的高溫煙氣烘干，但漏風較大，同樣需要耗費大量能源，單臺轉底爐生球烘干煙氣發生爐需要耗費的轉爐煤氣高達5 200 Nm³/h。

3.3 轉底爐本體

因球團只能布1 ~ 3層，轉底爐爐膛空間利用嚴重不足，同時，轉底爐需要通過燒嘴燃燒來實現輻射加熱。因此，轉底爐系統用能主要集中在轉底爐本體燃燒加熱上。另外，如果煤氣熱值不穩定，導致爐溫不穩定，將造成煤氣耗量增加，因此國內常通過提升助燃空氣和煤氣溫度來保證燃燒溫度。

3.4煙氣系統

轉底爐的能量利用率低、能耗高，根據轉底爐熱平衡測算，煙氣帶走的熱量接近50%^[5]為了提高能量利用率，要對這部分熱量進行充分利用。國內主要的轉底爐工藝均對空氣、煤氣進行預熱，以提高熱效率。轉底爐出口煙氣溫度一般為1 100 °C左右，日照鋼鐵控股集團轉底爐工藝通過換熱器對助燃風和煤氣進行預熱，回收熱能。助燃空氣預熱器可以將助燃空氣加熱，使其保持在450 - 480 °C,煤氣預熱器將發生爐煤氣加熱，使其保持在250 ~ 280 °C ^[5-6]。例如，江蘇沙鋼集團、馬鋼集團均采用助燃空氣預熱器加鍋爐的形式，但經常發生換熱器堵塞，導致空氣預熱溫度只有200 ~ 300°C^[7]， 影響爐溫，反而導致鍋爐燃燒耗費更多煤氣。盡管國內各家均采用余熱回收方案, 但最終結果均不太理想，設備故障率高，回收效率低, 甚至經常導致排放煙氣溫度過高，熱量損失多。

3.5球團冷卻

轉底爐金屬化球團從爐內排出后，其溫度為1 100 °C左右。高溫球團出來后，目前國內常用外部噴淋式圓筒冷卻機將其冷卻至小于200 °C,大量的水通過噴淋蒸發吸收熱量，蒸汽排入大氣，熱量不回收,造成水資源的大量浪費，每小時損失水量超過10 t, 金屬化球團所攜帶的熱焙全部通過蒸汽排入大氣。同時，圓筒冷卻機需要通入大量氮氣進行密封，防止球團再氧化，造成大量氮氣排放。

4轉底爐節能技術研究及實踐

針對傳統轉底爐工藝存在的能源消耗及回收問題, 中國寶武鋼鐵集團在生產實踐中不斷提高自主集成能力，積極研究轉底爐節能新技術，開發新裝備，減少耗能環節，加強余熱回收，使得轉底爐系統能耗大幅下降。

4.1低能耗原料預處理

4.1.1流態化原料烘干技術

針對圓筒烘干機能耗較高，投資大，污泥烘干能力有限的問題，中國寶武鋼鐵集團上海轉底爐項目與廠家聯合開發了流態化烘干機，該烘干機能實現污泥快速打散、懸浮與烘干，可實現大產能、高效率、降能耗的目的，兩種設備的參數對比如表1所示。與圓筒烘干機相比，流態化烘干機熱效率提高15% ~ 25%, 占地面積小，物料在懸浮狀態下快速烘干，停留時間短（2 ~ 5s）,產量高，熱耗及電耗低。

4.1.2原料水分中和技術

大多數轉底爐原料中，既有干粉，也有含水率較高的污泥，而干粉原料又需要配加水分進行混合壓球，因此可以考慮通過干料和濕料混合調節水分，避免濕料烘干后再次加入水分。這樣可以節約大量烘干能源。寶武集團中南鋼鐵有限公司轉底爐就采用膠帶輸送機將微波碳熱還原轉爐干法除塵（LT）灰與含水35%的OG污泥轉運至干濕攪拌混合機，LT灰與OG污泥在干濕攪拌混合機內攪拌混合，得到水分≤ 6% 的混合料，直接配料壓球，節約大量能源。

4.2高溫球團余熱回收

外噴淋圓筒冷卻主要以蒸發方式形成水蒸氣降溫, 冷卻效果不佳，球團溫度一般在180 °C左右，而且水蒸氣直接入大氣形成白色污染，設備長期被水侵蝕，損壞嚴重，高溫球團的熱量無法回收，造成能源浪費。

寶鋼湛江鋼鐵有限公司自行開發了采用管束換熱方式的冷卻介質內循環式冷卻機，整個圓筒由換熱膜式壁組成，傳動裝置帶動冷卻筒體旋轉的同時帶動筒體內部的高溫物料自進料端向出料端移動，冷卻筒體在轉動過程中將熱量傳遞給膜式壁結構內的冷卻介質，冷卻介質受熱升溫后進入鍋爐系統。成品球團冷卻效果更好，與外部噴淋式圓筒冷卻機相比，其冷卻溫度由150 ~ 190 °C下降到小于100 °C成品直接還原鐵(DRI)的冷卻溫度下降近100 °C, 一次性投資節省313.15萬元，年節省工業水32.2萬元，年節省檢修費用5.5萬元，年可回收熱能9.23 × 10⁴ GJ。密封用氮氣耗量也大幅降低，從一期的800Nm³/h降低為 350 Nm³/h,年節約氮氣 3.375×10⁶ Nm³。

4.3轉底爐富氧燃燒

目前，轉底爐燃燒系統面臨煤氣熱值低、爐溫難以保證的技術問題。轉底爐富氧燃燒技術使用低熱值煤氣進行燃燒，也能保證較高的燃燒溫度，可以解決該問題。其采用變壓吸附制氧法，工藝成熟、投資低, 運行維護簡單。氧氣從助燃風機進風口與空氣一起被吸入風機，形成的富氧空氣經風機加壓后送入爐內。

中國寶武鋼鐵集團某項目引進轉底爐富氧燃燒技術，采用真空變壓吸附制氧，降低了制氧成本，具有經濟可行性，氧氣成本約為0.3元/m³ ,燃燒系統燃氣可以單獨使用轉爐煤氣，煤氣使用量約為7 800m³/h,預熱助燃空氣量減少6 500m³/h,整個燃燒系統運行成本可節約600元/h,年節約能源成本約400萬元。

4.4節能烘干工藝

生球烘干是轉底爐系統的重要一環，需要將含水16%的生球烘干成含水≤ 2%的干球。寶武集團中南鋼鐵有限公司和江蘇永鋼集團均將轉底爐主煙氣系統尾氣(150 °C)與生球干燥熱風爐產生的煙氣混合，作為生球烘干的煙氣，充分利用主煙氣系統尾氣熱量, 可大大降低高爐煤氣消耗。

相比鏈篦機、網帶烘干機，中國寶武鋼鐵集團自主研發的超強鋼帶烘干機熱量置換更充分，同樣溫度與流量的工況下，能將溫度由入口的250 °C置換到出口的100°C (甚至更低)，而網帶烘干機置換后， 出口溫度超過110 °C超強鋼帶烘干機采用烘干煙氣分段控制工藝(煙氣兩段烘干),但每段箱體采用單獨風機控制，精準控制溫度曲線，效果良好。同時，優化設備結構，控制漏風率，最終實現烘干煙氣風量降低70 000 m³/h、風機功率降低100 kW的目標，年節約電量75.5 ×l0⁴kW · h,年節能費用為75.3萬元。

4.5煙氣系統效能提升

國內部分轉底爐余熱鍋爐和換熱器配合時出現換熱器粘堵問題，導致煙氣系統出口煙溫高，需要摻入大量冷風將煙氣降溫，再通過收粉布袋回收，導致熱量浪費。同時，換熱器粘堵導致風損大，氣流不暢經常導致風機高速運行，能耗加尢實際并未達到預期的能源回收效果。因此，寶鋼湛江鋼鐵有限公司轉底爐創造性采用全鍋爐形式，提高蒸汽回收量，降低摻冷風量，并將部分要排放的150 °C左右尾氣引入烘干機進行烘干，回收大量能源。例如，對于同樣20萬t/a處理能力的轉底 爐，馬鋼集團轉底爐蒸汽回收量為9t/h^[7]，寶鋼湛江鋼鐵有限公司轉底爐可達25t/h，蒸汽回收量增加1倍多。

4.6轉底爐燃燒控制技術

轉底爐直接還原含鐵球團是一個復雜的物理化學過程，金屬鐵的還原程度與溫度、氣氛和爐底轉速密切相關。中國寶武鋼鐵集團自主研發的轉底爐控制專家系統、燃燒模型和物料跟蹤模塊可實現爐內氣氛及反應過程的精準控制，從而大大降低一次能源的消耗。燃燒控制系統可以實現對轉底爐還原段殘氧和可燃物含量的數據讀取，并根據工藝要求，以曲線圖、 棒線圖、瞬時值的方式顯示，數值穩定、可靠。專用算法可實現節能量的在線計算，可以以瞬時值、曲線值和累計值的方式顯示，燃燒控制系統再輸出控制參數給分散控制系統(DCS),包括空燃比修正值或其他調節空燃比的控制參數，能實現反饋控制。燃燒控制系統具有兩大突出功能。

一是節能量在線估算。燃燒控制系統可以實現節能量的在線估算。節能量就是多余空氣帶走的熱量和剩余燃料損失的熱量之和，計算公式為：

多余空氣帶走的熱量就是空氣過剩系數曲線圖中超出上界的部分，剩余燃料損失的熱量是空氣過剩系數曲線圖中超出下界的部分。二者可以分別用公式：

二是空燃比動態尋優。主要方法是最高爐溫法，具體來說，確定最佳空燃比a,尋找完全燃燒對應的最高爐溫，當轉底爐工況發生變化后，通過調節a值, 獲得對應的爐溫，通過比較找出最大爐溫，其對應的a值為該工況的最佳值，以最佳值作為設定值進行燃燒控制。轉底爐控制專家系統可在線測控計算需要的全部參數，可對爐內氣氛控制的精度做出判斷，可對燃燒優化實現的節能量進行測算。

針對轉底爐工藝存在的能耗問題，諸多鋼鐵企業不斷研究和改進，在新項目中實施節能方案，采用新型節能工藝或設備，轉底爐的能耗大幅降低，如表2所示。成品球工序能耗不統計內含碳，內含碳為粉塵自帶，同類企業計算能耗時一般不統計。

5  結論

隨著社會和科技的進步，充分利用能源、減少 污染物排放成為鋼鐵行業面臨的主要問題之一。轉底爐的能量利用率較低，經過不斷研發和改進，轉底爐能耗目前有了極大的降低，但在碳達峰碳中和的背景下，轉底爐的能耗仍需要不斷降低。因此，未來應全方位考慮能源利用途經，研發、推廣新型轉底爐工藝與設備，同時不斷開發和利用新的綠色能源，向實現碳達峰碳中和的目標邁進。

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