一、项目背景

钢铁工业是国民经济的基础产业，但其生产流程碳污多污染物固废排放量大，新时期绿色发展对碳污治理及消纳社会废弃物提出了新的要求。钢铁流程的高炉渣等普通固废大多已作为建筑材料资源化利用，但每年产生量达5000~6000万吨的有机固废、含锌尘泥等复杂固废，其资源化处置仍然是行业的难点和痛点，上述复杂固废有价元素比较丰富，但由于同时赋存了有机物、重金属等毒害物质，无法在钢铁流程直接循环利用。

在本项目之前，钢铁流程有机固废主要是外运后采用回转窑焚烧填埋法处置，含锌尘泥处置主要有转底炉法和回转窑法。存在资源利用率低、作业率低、处置能耗及运行成本高的问题、二次污染严重等问题，制约了钢铁工业高质量发展。因此，研发资源利用率高、能耗和成本低的钢铁流程资源化处置复杂固废并消纳部分社会废弃物技术意义重大。

二、研发思路及历程

通过对冶金流程物质流、能量流及固废中赋存的物质、能源、毒害属性特征的分析，提出复杂固废组分定向分离，物质、能源属性高效利用，毒害属性转变为资源属性充分利用的质能循环利用整体技术路线。明确了基础理论研究、工艺技术研发、核心装备研制的整体研发思路。

从2012年开始，中冶长天牵头，联合中南大学、宝钢股份等单位从实验室研究、中试研究到示范工程建设，开展产学研攻关，实现了冶金复杂固废有价组分质能循环利用技术及装备的重大突破。同时，本项目得到了国家级、省部级科研项目及中冶集团重大科技专项的支持。

图1 整体技术路线

图2 整体研发思路

三、创新点及相关技术内容

3.1 创新点

3.1.1 有机固废高值化制备冶金原（燃）料技术

针对冶金流程及社会有机固废焚烧处置资源化利用率低、能耗高、环境差的难题，开展了基于冶金流程循环利用的有机固废碳、氢、铁分离热力学研究，提出了控温控氧热解焚烧耦合的碳、氢、铁分离方法，最大程度去除挥发分，保留部分固定碳在热解渣中的有价元素进入冶金冶金流程。通过分别对富铁含油尘泥和富碳杂物类固废组分分离动力学条件，温度、气氛对铁、碳、热解气及结圈影响规律的研究，并开展了热解工业试验，确定了富铁有机固废（有机尘泥）低结圈、富碳有机固废（类社会有机危废）高残碳的热解理想升温曲线和最优工艺制度，以及“控温热解+高温焚烧+活性炭吸附”的二噁英迁移和无害化分解方案，固相渣中二噁英残留较低，气相中二噁英分解去除，二噁英总体风险可控。

建立了有机固废热解焚烧-控氧冷却工艺流程，开发的富铁/富碳有机固废控温控氧热解-焚烧技术，处置能耗降低48.7%，有机热解渣中残碳、铁及余热余能返回冶金流程，颠覆了有机危废焚烧-填埋处置的传统方法，为冶金流程资源化消纳社会废弃物奠定了技术基础。

图3 有机固废控温控氧热解焚烧原理

图4 二噁英在控温热解-焚烧过程中迁移规律

图5 冶金与市政有机固废协同热解-焚烧-干式冷却重整-循环利用工艺

3.1.2有机/含锌尘泥回转窑法铁锌低成本高效分离技术

针对传统回转窑法处置固废易结圈、作业率低、回收产品品质差，转底炉处置能耗及处置成本高的问题，通过开展基于冶金流程循环利用的含锌尘泥锌、铁组分还原分离机理研究，确定了回转窑法铁锌高效分离、低结圈、金属化铁防再氧化的复合球团与控温控氧还原工艺方法。开发了含锌尘泥与有机渣强化还原复合球团制备工艺，确定了含锌尘泥复合球团锌、铁组分高效还原与抑制结圈的原料成分、粒度及理想温度场和气氛场分布曲线。

建立了适应不同金属化率要求的高效还原脱锌、控氧冷却及余热利用工艺流程，研发的复合球团-控温控氧回转窑法铁锌高效分离技术，实现了含锌尘泥及有机固废协同治理，还原脱锌渣金属化率和脱锌率大幅提升，能耗、结圈率及成本大幅下降的目标。

图6 有机/含锌尘泥扰动制粒-多场耦合回转窑还原-干式冷却-循环利用工艺

3.1.3 钢铁流程消纳复杂固废循环利用工艺技术

针对钢铁流程与不同固废适配优选路径不明的问题，以“价值最大化”为处置目标，制定了冶金烧结、高炉、转炉消纳复杂固废最优性价比技术路线，多路径协同处置整体方案实现了复杂固废铁、碳资源梯级循环高值化利用，其中烧结工序适应性强，是性价比优选路径之一。

图7 钢铁流程消纳复杂固废工艺路线

开发了钢铁流程资源化消纳富碳有机热解渣及富铁脱锌还原渣工艺，明确了富铁渣在烧结原料中掺混比例为1%、10%热解碳替代7%煤焦碳的最佳工艺参数，掺混热解渣后烧结混合料中大颗粒粒度的原料比例明显增加，制粒效果和料层透气性均得到提升；

表1 富铁渣对烧结矿质量的影响规律

表2 富碳渣对烧结矿质量的影响规律

开发了热解气、废气与冶金流程协同技术，构建了热解气与富氢烧结耦合喷吹、在其它冶金炉窑焚烧或配套二燃室焚烧的不同处置技术路线，制定了焚烧烟气多工序多污染物协同深度净化及SO₂高值化利用整体解决方案。

图8 热解气、废气与冶金流程协同技术路线

建立了含锌、有机等多源固废协同预处置、钢铁流程循环利用生态化整体技术路线，基本实现了冶金流程复杂固废组分全量资源化利用，并消纳部分社会废弃物的生态化目标。

图9 钢铁流程生态化消纳复杂固废的整体技术路线

3.1.4 典型复杂固废有价组分高效分离回收利用核心装备

针对传统回转窑窑内温度、氧位难控制，常规水冷却环境差，余热无法回收的难题，基于理想脱锌还原温度场、气氛场要求，研究了进风方法对回转窑温度场、氧位场影响规律，首创性研制了集风流分配、防结瘤喷风嘴、近柔体高效密封装置，热电偶、热成像及数字算法相结合、多维测温于一体的流场、温度场、气氛场可控的回转窑装备，实现了窑内温度、气氛的协同控制，减少了窑内结圈几率，提高了热解和还原效率。

图10 分布式进风多场可控回转窑技术原理

图11 分布式进风多场可控回转窑装备

研制了国内首套有机固废高温热解渣非接触式低氧间冷和含铁渣多段分级干法冷却装置，形成了复杂固废高温预处理渣干式冷却及余热回收一体化技术与装备。有机固废残碳热能利用率明显提升，含铁渣金属化率提升13%，抗压强度提升10倍以上，适应了烧结消纳固废预处理渣的技术要求。

图12 多段分级干法冷却及余热回收系统

3.2 技术先进性

本项目攻克了低碳、低耗、高值化协同的钢铁流程资源化处置复杂固废并消纳部分社会废弃物的技术瓶颈，获授权专利35件，出版专著1部，发布标准1项，在国内外文献查新及第三方机构客观公正检测报告的基础上，经过专家组评价，整体技术居国际领先水平。主要技术指标对比如下表3和表4所示。

表3 有机固废处置技术指标对比表

表4 含锌尘泥处置技术指标对比表

对比可知，本项目基本实现了资源全量化循环利用。热解焚烧技术处置有机固废能耗仅为144.8kgce/t，以废弃活性炭、有机树脂为原料时热解渣含碳量最高可达47.32%，有机固废能源回收率达到68.3%；采用多场可控回转窑处置含锌尘泥时，脱锌渣金属化率最高达到88%，锌残留量小于0.3%，次氧化锌品位53.93%，脱锌产品质量大幅提升；机头灰钾、钠、铊回收率大幅提高，显著降低了新水消耗量（减少80%），运行成本大幅下降；核心装备完全自主设计和研制，作业率高达92%；残渣无需填埋处置，烟气与冶金工序协同净化达到超低排放，实现了环境友好。

四、推广应用与经济社会效益

2020年11月，本项目成果在宝山钢铁股份有限公司应用，建成了与烧结工序耦合协同处置工业有机危废生产线，其中钢铁流程有机固废2万吨/年、市政危废2万吨/年。在国际上首次实现了有机固废热处置中窑渣干式冷却及余热回收，是国内外第一条大规模协同消纳社会废弃物的冶金流程生产线。相比传统有机固废处置技术运行成本降低约66.7%，节能增效产生的经济效益分别约为7500万元/年。

2020年12月，本项目成果在山东钢铁集团永锋临港有限公司应用，首创性建成了与烧结工序“固-固”、“气-气”协同耦合处置含锌尘泥15万吨/年的有机/含锌固废协同高效还原处置线，能耗及渣含锌率大幅下降。相比传统回转窑处置工艺，能耗降低36.1%，节能增效产生的经济效益分别约为和6800万元/年。

2020年12月，本项目成果在湖南诚钰环保科技有限公司应用，在国际上首次在含锌尘泥处置工程中应用了多场可控多点进风的回转窑装置，产品质量大幅提升，还原渣高值化循环利用，与转底炉技术对比，投资与运行成本大幅下降。相比转底炉处置工艺，能耗10.2%。

图13 宝钢股份4万t/a有机固废协同处置示范线

图14 永锋临港15万t/a高锌粉尘/有机固废复合造粒协同处置示范线

图15 湖南诚钰环保科技有限公司多场可控回转窑含锌尘泥处置工程

除此之外，本项目成果还先后在宝武八钢、长江钢铁、山西晋钢、湖南金业等国内多家钢铁及有色冶金和环保企业得到应用，取得了良好的反响。项目成果的应用为完成单位和应用单位均带来了显著的经济效益，完成单位近三年技术服务与装备销售累计合同额超8亿元。宝钢和永锋钢铁采用该技术后，运行成本分别降低66.7%和36.1%。

本项目为解决钢铁企业碳污协同治理、资源高效循环利用奠定了技术基础，其广泛推广应用后，有望减少我国铁矿石进口量~3000万吨/年，为钢铁工业绿色可持续发展、钢企与城市共融共生做出积极贡献。我国钢铁市场保有量大，国内钢铁产业环保升级及资源循环利用水平提升将为本技术成果提供广阔的应用前景。

供稿 | 中冶长天国际工程有限责任公司

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