【技术文献】转底炉技术及其在含铁尘泥处理中的应用

         转底炉技术及其在含铁尘泥处理中的应用

李博1，毛艳丽1， 王博蔚2， 曲余玲1， 景馨1， 富琳1

摘要： 钢铁企业产生大量含铁尘泥，且锌、碱金属含量较高，不利于回收利用，转底炉技术有效地解决了该问题， 使尘泥中的有价金属得到了很好的回收。概述了Inmetco、Fastmet、Fastmelt 和Itmk3 等处理含铁粉尘的转底炉工艺，并详细介绍了国内外转底炉处理含铁粉尘的应用情况，指出了转底炉技术存在的问题，展望了转底炉处理含铁尘泥的未来发展方向。

关键词： 转底炉； 含铁粉尘； 金属化率

钢铁企业尘泥总量一般为钢产量的8%～12%，锌、钠、钾等元素含量较高的粉尘约占钢铁厂粉尘量的25%～30%，这些锌、钠、钾元素含量高的粉尘如直接返回烧结，将会造成锌、钠、钾元素的富集进而影响高炉顺行和寿命。转底炉技术有效地解决了该问题，它将尘泥配料后直接还原，生成直接还原铁，并将锌、钠、钾等元素以粉尘的形式回收，使尘泥中的有价金属得到了很好的回收，目前已在国内外多家钢厂应用，宝钢湛江钢铁、莱芜钢铁、日照钢铁等国内钢厂均有建成投产的转底炉，日本新日铁、韩国浦项等国外钢厂也投产若干座转底炉。本文对处理含铁尘泥的各种转底炉工艺和国内外钢厂的应用情况进行介绍。

1 转底炉工艺概况及特点比较

转底炉（RHF）是转底式加热炉（Rotary HearthFurnace）的简称，是指通过炉底转动将坯料送进的加热炉。最早的转底炉是用于轧钢的环形加热炉，近十余年来移植为冶炼设备， 既可以用于铁精矿

的煤基直接还原，又可以处理钢铁厂的含铁尘泥［1-2］。目前已工业化应用的转底炉工艺主要有：Inmetco、Fastmet、Fastmelt、ITmk3 和DRyIron 工艺等。

1.1 转底炉工艺概况

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1 250~1 300 ℃高温下还原成直接还原铁，通过螺旋卸料机排出炉外［3-4］。

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1 250~1 300 ℃温度下被加热还原，其工艺流程与Inmetco 工艺基本相似［5］。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品位，所以在此基础上，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。

ITmk3 工艺（第三代煤基直接还原工艺）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、锌的冶金废弃物等。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1 160~1 300 ℃下完成还原反应[7-8]。

近年来， 国内高校及相关科研机构也开发出了拥有自主知识产权的转底炉专利技术， 其中北京科技大学、北京神雾集团、钢铁研究总院、中冶赛迪等已分别与国内钢铁企业合作， 建设并投产了多条转底炉生产线。

1.2 转底炉工艺特点比较

Inmetco 转底炉工艺还原温度范围略小于Fastmet 工艺和Fastmelt 工艺， 但基本工艺流程相似，只在烧嘴形式、温度分布等方面有区别。ITmk3工艺还原温度高于前面几种工艺， 能使金属在球团还原时进一步熔化，并实现渣铁分离，在短时间内生产出成分如生铁的高纯度粒铁产品， 且生产出的产品质量高于前述几种工艺。DRyIron 工艺其特征是用压块代替造球，简化了工艺流程，含锌粉尘压块在炉内的停留时间短， 并且克服了煤基还原时带来的粉化、脉石含量高、硫高等缺点。

2 国内外钢厂转底炉工艺应用现状

转底炉工艺以其成本低、原燃料灵活、生产节奏适应性强、环境友好等优点，受到了国内外钢铁企业的青睐。转底炉工艺最先在美国兴起，并在日本发扬光大，近年来，引起了我国的广泛关注，国内钢厂通过技术引进等手段， 已投产若干座转底炉，并取得了良好的效果。

2.1 国外钢厂转底炉工艺应用情况

国外钢厂共投产13 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，上文提到的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t/a 以上。

2.1.1 美国Inmetco 公司

美国Inmetco 公司转底炉建于1978 年， 采用的是自主研发的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16.7 m，炉底宽4.3 m，炉底面积146 m2，转速15~20 r/min，还原温度1 250~1 300 ℃，金属化率为96%。

2.1.2 神户钢铁公司

神户钢铁公司加古川厂转底炉建于2001 年，采用的是Fastmet 工艺， 用于处理钢铁厂的含铁、含锌粉尘，产能为1.4 万t/a。该转底炉直径为8.5 m，炉底宽1.25 m，还原温度为1 300~1 350 ℃，还原时间为12 min，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%［9］。

2.1.3 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，分别采用了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21.5 m，炉底宽2.8 m，转速3.75 r/min，设备作业率可达90%以上。当炉子的生产率为10 kg/（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15 m，还原温度为1 300 ℃，还原时间为15 min，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[10]。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10~20 min和15~30 min， 生球处理能力分别为22 t/h 和17 t/h。该转底炉直径为24 m，炉底宽为4 m，炉膛面积为230 m2， 冶炼温度为1 250~1 300 ℃，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10 MPa[11]。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。

2.1.4 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27 m，生产的DRI 还原度大于80%，锌回收率大于90%，耐压性大于100 kg/块。

2.1.5 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 万t/a，总投资1 300 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。

2.2 国内转底炉工艺应用现状

国内钢厂共投产7 座转底炉用于处理含铁尘泥，2 座在建。各钢厂转底炉及主要技术指标见表2。

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。

2.2.1 马鞍山钢铁公司

马鞍山钢铁公司引进新日铁DryIron 工艺，于2009 年7 月建成投产1 座产能为20 万t/a 的转底炉，用于处理高锌尘泥，该转底炉核心技术和设备由日本新日铁工程公司提供， 马钢设计院负责国内的配套，之后，马钢设计院与日本新日铁公司合资成立马鞍山中日资源再生工程技术有限公司。该转底炉直径为20.5 m，炉底宽为4.9 m，作业率平均为80%（最高可达95%）， 成品球能耗为248.57~297.43 kgce/t，系统脱锌率达85%以上，排碱率达60%， 烟尘浓度低于50 mg/m3， 回收含锌55%的粗锌粉为0.3 万t/a， 生产金属化率大于80%的金属化球团14 万t/a[12-13]。

2.2.2 日照钢铁公司

日照钢铁公司采用钢铁研究总院的“冷固结成型+转底炉直接还原”技术，建成2条20万t/a 的转底炉生产线，于2010年5月投产，其产品金属化球团产量为14 万t/a，可作为转炉炼钢的冷却剂原料，副产品粗锌粉尘外售作为炼锌的原料。该转底炉直径为21 m，炉底宽为5 m，炉膛内高为1.5 m，炉底面积为330 m2，烧嘴数31 个，助燃空气预热器可以将助燃空气加热至450～480 ℃， 煤气预热器将发生炉煤气加热至250～280 ℃，炉子作业率达到90%， 所生产的直接还原铁金属化率平均在75%~85%，可日产400～500 t 合格金属化球团，生产运行成本控制在800~900 元/t[14-16]。

2.2.3 莱芜钢铁公司

山东莱芜钢铁公司与北京科技大学投资2 亿元合作开发出转底炉直接还原处理钢铁厂含锌尘泥成套工艺，产能为32 万t/a，于2010 年11 月投产，用以处理烧结灰、高炉除尘灰、转炉灰、电炉除尘灰、轧钢污泥、转炉污泥等，可年产金属化球团20 万t、锌灰0.2 万t，生产的金属化球团供高炉或转炉使用， 转底炉二次除尘灰经湿法富集锌后作为炼锌原料。该转底炉直径为34.5 m，炉底宽为5 m，生产的金属化球团金属化率大于60%，TFe 品位大于55%，脱锌率大于93%，粗锌品位为41.36%，粗锌产量为2 000 t/a，脱钾、钠率大于85%，综合能耗为227.86 kgce/t DIR[17]。

2.2.4 沙钢集团

江苏沙钢集团与北京神雾集团投资3 亿元联合开发出具有完全自主知识产权的“蓄热式转底炉处理含锌尘泥、综合回收铁/锌”的成套工艺技术和装备，建设了1 座30万t/a 的蓄热式转底炉，于2011 年12 月投产。该转底炉直径为45 m，炉底宽为5 m， 转速为20~30 min/r， 金属化率在72%~96%之间，作业率达到82.5%，脱锌率在94%~97%之间，锌元素平均回收率达到95%，回收ZnO 平均锌含量在62%以上（最高可达70%），成品球能耗为208.3 kgce/t。该转底炉技术不仅能回收高纯度ZnO、金属铁，还能回收过热蒸汽，每年处理含铁污泥、除尘灰等冶金固废37万t，可生产30万t 金属化球团，并回收ZnO1.5万t，蒸汽16万t，减排二氧化碳3.12万t，生产运行成本为776.41 元/t[18]。

2.2.5 宝钢集团

宝钢湛江钢铁有限公司采用中冶赛迪转底炉固废处理成套技术， 建成1 座产能20万t/a 转底炉，并于2016 年6月热试成功。该项目投资约2亿元，可生产成品金属球约14万t/a， 粗锌粉约1万t/a，脱锌率大于85%，金属化率大于75%，预期年收益达5 000 余万元， 可实现宝钢湛江钢铁厂含铁粉尘100%回收利用。之后，宝钢集团同中冶赛迪合作一个固废处置、资源综合利用项目，在上海本部拟建2×20 万t/a 转底炉， 并按照两期分步实施建设，一期建设一条生产线，预留1 条生产线二期建设。一期工程除转底炉本体及相应公辅设施外，还包括两期共用的原料接收、配料、混合系统、成品存储、原料除尘以及二期的部分土建设施。

2.2.6 燕山钢铁公司

河北钢铁集团燕山钢铁有限公司采用中冶赛迪集团自主研发的转底炉固废处理成套技术建成一座产能20 万t/a 的转底炉，用以处理各种高炉、转炉除尘灰，并于2015年6月热试成功，该转底炉脱锌率大于85%，金属化率大于75%，每年可获得约14万t 金属化球团、0.5万t ZnO 粉尘、13万t蒸汽。

3 转底炉存在的技术问题

转底炉技术虽然发展迅速，技术日趋成熟，但由于工艺本身的局限性，仍存在如下的技术问题：

（1） 转底炉主要依靠辐射传热，且炉底料层较薄，所以普遍存在能耗高、生产率低、生产规模小的问题。

（2） 转底炉装置机械设备复杂，设备故障率高，运行维护费用较高。

（3） 转底炉处理的冶金尘泥中含有锌、铅、钾、钠等物质，由于这些物质熔点较低，导致转底炉烟气成分复杂，处理与回收利用困难。

（4） 转底炉生产原料成分复杂、开停炉频繁，致使耐材侵蚀速度快，制约了连续生产[19-20]。

4 转底炉处理含铁尘泥的未来展望

随着环保标准收紧， 钢铁厂环保压力大幅增加，对钢铁厂含铁粉尘的综合利用有着重大意义。Inmetco 和Fastmet 工艺生产的DRI 质量较差，不适合国内引进， 后续开发的Fastmelt 工艺能耗较高，也不符合我国国情。国内科研人员通过对现有技术研究，进一步优化主体系统和改进配套技术，提出了具有自主知识产权的研究成果。今后，我国应该坚持以经济效益为中心，以高效、优质、低耗、环保、安全为目标发展转底炉技术， 在国家支持下，产学研相结合，对转底炉工艺的共性、关键技术难题开展技术攻关， 对在转底炉运行条件下生成粒铁的必要条件和充分条件开展基础研究，利用现有条件开展工业规模顺行生产条件的探索试验。

5 结语

转底炉技术最早发源于美国，发展于日本，技术日趋成熟后被国内钢厂引进。目前已工业化应用的转底炉工艺主要有Inmetco、Fastmet、Fastmelt、ITmk3 和DRyIron 工艺等， 国内高校及科研机构在这些工艺的基础上开发出了具有独立知识产权的成套技术，并已投产应用于国内部分钢厂。由于工艺本身存在着局限性， 转底炉仍存在着一些技术问题， 但其在资源利用和环保方面的杰出表现，必然推动该技术的进一步发展与完善。

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