一、研究的背景與問題
1、研究背景
現(xiàn)階段，我國鋼鐵工業(yè)以“高爐－轉(zhuǎn)爐”長流程為主，每生產(chǎn)1噸鋼大約產(chǎn)生0.6噸固廢、2～5kg危廢，固廢產(chǎn)生量較大、品類較多、綜合利用難度較大。固廢全量資源化利用是鋼鐵企業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的目標，傳統(tǒng)方式主要是委托社會企業(yè)進行綜合利用或合規(guī)處置；隨著鋼鐵企業(yè)環(huán)保升級，利用冶金爐窯在廠內(nèi)協(xié)同處理固廢是鋼鐵行業(yè)固廢資源利用技術(shù)創(chuàng)新的方向，是鋼鐵企業(yè)踐行社會責(zé)任、減輕社會處理處置壓力、減少固廢車輛物流量和降低固廢出廠后的過程環(huán)保風(fēng)險的有效措施之一。
中國寶武堅持綠色發(fā)展道路，按照“高于標準、優(yōu)于城區(qū)、融入城市”的原則，做好“三治四化”，固廢治理方面，從源頭減量、返生產(chǎn)利用、產(chǎn)品化認證、協(xié)同處置、規(guī)范化貯存等推進，實現(xiàn)“固廢不出廠”。2021年，國家發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部等十部委聯(lián)合發(fā)文《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》，提出在鋼鐵冶金行業(yè)推廣“固廢不出廠”。
湛江鋼鐵是中國寶武、寶鋼股份的綠色制造基地，設(shè)計產(chǎn)能1250萬噸，共有三座高爐系統(tǒng)，分別于2015年、2016年、2022年投產(chǎn)，生產(chǎn)工序包括原料、球團、燒結(jié)、焦化、高爐、石灰窯、轉(zhuǎn)爐、連鑄、熱軋、厚板、冷軋等，屬于典型長流程鋼廠。湛江鋼鐵已實現(xiàn)全工序超低排放改造，是廣東省首家涉爐窯類A級企業(yè)。
湛江鋼鐵致力于打造世界最高效率的綠色碳鋼制造基地，規(guī)劃與建設(shè)期，在寶鋼股份數(shù)十年運行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，在廠內(nèi)建設(shè)了8大固廢加工中心，引入了滾筒法渣處理、帶壓熱燜渣處理、礦渣微粉加工、轉(zhuǎn)底爐脫鋅、含鐵固廢均質(zhì)化混勻、工業(yè)垃圾分選、無價污泥干化、廢酸再生等資源綜合利用設(shè)施，將高爐水渣、鋼渣等7種大宗固廢在廠內(nèi)進行加工、分選、產(chǎn)品化認證后作為建材副產(chǎn)品外銷；將OG泥、高爐二次灰等4種含鋅含鐵塵泥在廠內(nèi)脫鋅后加工成金屬化球團返高爐利用；將高爐重力除塵灰、氧化鐵泥等一般含鐵塵泥及水處理污泥共計31種混勻后按一定配比穩(wěn)定返燒結(jié)利用。
到2016年，湛江鋼鐵已完成占比產(chǎn)生量97%的固廢利用，有3%比例出廠委托專業(yè)單位進行焚燒或填埋，對比全量利用、固廢不出廠的追求，還有一定的差距。一方面由于湛江鋼鐵地處粵西地區(qū)，周邊配套有資質(zhì)的社會處置單位少，委外處理或處置的運距較長，過程環(huán)保風(fēng)險較大；一方面社會配套的有資質(zhì)單位的處理能力與社會發(fā)生量之間存在一定的不匹配，廣東省政府主管部門支持湛江鋼鐵探索開展利用冶金工業(yè)窯爐協(xié)同處理固廢。在這樣的背景下，湛江鋼鐵啟動了利用冶金爐窯協(xié)同處理廠內(nèi)固廢的關(guān)鍵技術(shù)的理論研究和工業(yè)試驗，目標是盡最大可能探索廠內(nèi)協(xié)同處理、追求一個長流程鋼廠的固廢全量利用。
圖1 湛江鋼鐵固廢利用及處理方向
2、技術(shù)難點
追求固廢全量利用，利用冶金爐窯協(xié)同處理固廢，可以減少出廠委外固廢的處理量或處置量，這些品類的固廢具有以下特點：品類較多、產(chǎn)生量相對較少、有一定的雜質(zhì)，在利用冶金爐窯協(xié)同利用方面存在的技術(shù)難點：可參考的外部經(jīng)驗較少、預(yù)處理難度較大。
本項目對已實現(xiàn)綜合利用的固廢品類進行了分析，重點針對冷軋硅鋼產(chǎn)生的含鉻廢液、廢乳化液、冶煉工序煙氣凈化產(chǎn)生的半干法脫硫灰、全廠廢包裝物等固廢、危廢。具體如下：
（1）硅鋼Cr6+廢液自動還原難度大，Cr3+廢液廠內(nèi)全量穩(wěn)定固化難度大。
（2）廢乳化液有一定的雜質(zhì)、流動性較差，屬于低熱值難燃油種；含油廢液來源多、有一定的雜質(zhì)、膏狀廢油脂降粘困難，處理難度較大。
（3）脫硫灰中CaSO3含量高、雜質(zhì)品種多，脫硫灰返其他濕法脫硫系統(tǒng)利用存在雜質(zhì)元素影響脫硫效率、利用過程引起吸收塔起泡等風(fēng)險。
（4）廢包裝物返轉(zhuǎn)爐利用存在爆響、鋼水中硫超標等風(fēng)險，同時利用過程可能影響煙氣達標排放，存在安全、環(huán)保和質(zhì)量風(fēng)險。
（5）固廢廠內(nèi)協(xié)同處理量增加后，廠內(nèi)固廢的中轉(zhuǎn)、倉儲、加工、再利用等環(huán)節(jié)變多，特別是根據(jù)國家新固廢法，危廢從產(chǎn)生到利用的全過程要進行詳細記錄和精細管控，如計量偏差大于等于三噸，會有刑法違法風(fēng)險，技術(shù)監(jiān)管難度增大。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
針對以上難題，寶鋼湛江鋼鐵有限公司、寶山鋼鐵股份有限公司、寶武集團環(huán)境資源科技有限公司進行了聯(lián)合攻關(guān)。本項目的主要思路是先對已實現(xiàn)綜合利用的固廢品類的利用情況進行分析；對于尚未實現(xiàn)穩(wěn)定綜合利用的固廢品類，充分利用廠內(nèi)冶金爐窯開展協(xié)同利用的技術(shù)研發(fā)，在不影響產(chǎn)品質(zhì)量、不新增安全隱患、不發(fā)生二次污染的情況下，發(fā)揮已配套環(huán)保設(shè)施的功能狀態(tài)和治理效果，對工業(yè)試驗過程開展針對性的環(huán)境監(jiān)測和評估。
經(jīng)近6年時間，開發(fā)出含鉻廢液還原“解毒”送轉(zhuǎn)底爐處理、廢乳化液預(yù)處理送發(fā)電鍋爐摻燒、球團半干法脫硫灰送發(fā)電石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)利用、廢包裝物預(yù)處理送轉(zhuǎn)爐利用等4項新工藝，闡明Cr在還原解毒--轉(zhuǎn)底爐--高爐流程中形態(tài)變化規(guī)律、廢乳化液降粘及點燃燃盡條件、脫硫灰水合過程比表面積變化、雜質(zhì)元素對脫硫效率的影響等4項新規(guī)律，研制出含鉻廢液自動還原、廢乳化液返發(fā)電鍋爐摻燒、廢油脂降粘、KR自動拔渣等4套新裝置，開發(fā)出基于全生命周期的固廢全程智慧管控新系統(tǒng)。為湛江鋼鐵實現(xiàn)固廢、危廢廠內(nèi)協(xié)同穩(wěn)定利用、固廢全量利用、危廢規(guī)范化管理打下了堅實基礎(chǔ)。
圖2項目難題攻關(guān)思路
三、主要創(chuàng)新成果
1、含鉻廢液還原“解毒”送轉(zhuǎn)底爐處理技術(shù)
硅鋼Cr6+廢液濃度波動大、顏色深，無法自動控制還原劑添加量，無法自動判斷還原終點，自動穩(wěn)定還原難度大。
項目團隊在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，突破高濃度、深色含鉻廢液中Cr6+在線檢測瓶頸，解決還原劑自動添加問題，首創(chuàng)研發(fā)出硅鋼含鉻廢液自動還原裝置，處理后含鉻廢液中Cr6+含量穩(wěn)定低于0.05mg/L(生活飲用水衛(wèi)生標準)。解毒后的Cr3+廢液送轉(zhuǎn)底爐替代工業(yè)水參與混料，Cr3+在轉(zhuǎn)底爐高溫還原環(huán)境被再次還原固化入金屬化球團，最終在高爐實現(xiàn)安全處理。
圖3硅鋼含鉻廢液自動還原設(shè)施
2、廢乳化液送發(fā)電鍋爐摻燒技術(shù)
針對廢乳化液粘度高、流動性差、機械雜質(zhì)多等問題，首次開發(fā)廢乳化液送發(fā)電鍋爐摻燒技術(shù)，闡明低熱值難燃廢乳化液燃燒條件，開發(fā)廢乳化液摻燒專用油槍，集成研發(fā)廢乳化液送發(fā)電鍋爐摻燒系統(tǒng)，實現(xiàn)廢乳化液的穩(wěn)定利用，為鋼鐵企業(yè)廢乳化液的廠內(nèi)利用提供可行路徑。
在此基礎(chǔ)上，項目團隊開發(fā)了廢油脂復(fù)合降粘、含油廢液調(diào)質(zhì)加熱降粘技術(shù)，將含油廢液粘度降低至60cp以下，通過廢乳化液系統(tǒng)返發(fā)電鍋爐摻燒。
3.半干法脫硫灰送石灰石-石膏法煙氣脫硫系統(tǒng)利用技術(shù)
半干法脫硫灰含大量堿性成分，可以返濕法脫硫系統(tǒng)代替脫硫劑使用，但副產(chǎn)物脫硫灰成分復(fù)雜、性質(zhì)不穩(wěn)定，利用難度大，已成為行業(yè)難題。項目團隊通過揭示脫硫灰水合特性，雜質(zhì)元素對脫硫效率的影響，控制漿液比、增加脫硫廢水排放量，調(diào)整系統(tǒng)運行參數(shù)，首次實現(xiàn)球團脫硫灰代石灰石粉脫硫劑≧50%高配比穩(wěn)定工業(yè)化利用，為半干法脫硫灰規(guī)?；锰峁┛尚新窂?。
4.廢包裝物返轉(zhuǎn)爐利用技術(shù)
針對廢包裝物返轉(zhuǎn)爐利用過程的潛在風(fēng)險，項目團隊經(jīng)過研究，將廢包裝物分類、清除殘液、壓扁后隨廢鋼料槽返轉(zhuǎn)爐利用。并開發(fā)出廢包裝物預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐硫平衡控制技術(shù)，實現(xiàn)廠內(nèi)廢包裝物全量返轉(zhuǎn)爐利用，杜絕了利用過程的安全、環(huán)保及質(zhì)量風(fēng)險，并形成萬噸級社會廢包裝物的協(xié)同利用能力。
5.基于全生命周期的智慧固廢管控技術(shù)
固廢廠內(nèi)協(xié)同處理量增加后，廠內(nèi)固廢的中轉(zhuǎn)、倉儲、加工、再利用等環(huán)節(jié)變多，特別是根據(jù)國家新固廢法，危廢從產(chǎn)生到利用的全過程要進行詳細記錄和精細管控，如計量偏差大于等于三噸，會有刑法違法風(fēng)險，技術(shù)監(jiān)管難度增大。
項目團隊基于全生命周期管理理論，開發(fā)出固廢全程信息化技術(shù)監(jiān)管，利用廠區(qū)5G內(nèi)部專網(wǎng)，實現(xiàn)危廢的二維碼追溯、自動派車、全過程監(jiān)控等功能，提高環(huán)保合規(guī)性管理，做到了從“出生”到“再生”全流程管控。系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等技術(shù)，生成可視化統(tǒng)計表，使產(chǎn)生、收集、貯存、運輸、利用、處理信息無縫對接，使產(chǎn)廢方、運輸方、倉儲方、處理方及管理人員更好的掌握固廢產(chǎn)量及質(zhì)量情況，保證了處理計劃完成率穩(wěn)定高于95%。
圖4危廢全生命周期管理系統(tǒng)
四、應(yīng)用情況與效果
項目申請發(fā)明專利26項，授權(quán)發(fā)明專利6項，申請實用新型專利3項，已授權(quán)2項，認定企業(yè)技術(shù)秘密23項，形成“源頭減量--協(xié)同利用--智慧管控”三位一體的固廢處理利用的創(chuàng)新性技術(shù)體系，其推廣應(yīng)用對推動“綠色鋼廠”、“無廢城市”具有重要示范作用。
項目成果已在寶鋼湛江鋼鐵有限公司全面應(yīng)用，并輻射中國寶武各主要生產(chǎn)基地。2019年湛江鋼鐵行業(yè)率先實現(xiàn)“固廢不出廠”率100%，2020年湛江鋼鐵行業(yè)率先實現(xiàn)危廢廠內(nèi)協(xié)同處理率100%，2021年中國寶武寶鋼股份寶山基地、青山基地和梅山基地等生產(chǎn)基地“固廢不出廠”率均達到100%。
項目成果獲得國家主管部門的認可和推廣，作為“十三五”工業(yè)資源綜合利用典型案例宣傳，并在“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見中，首次提出在鋼鐵冶金行業(yè)推廣“固廢不出廠”。
本技術(shù)的推廣，可大幅減少鋼鐵企業(yè)出廠委托社會的固廢處理或處置量，減少車輛物流，降低環(huán)境風(fēng)險；條件好的鋼鐵企業(yè)可以消納城市固廢，對共建無廢城市，促進鋼鐵與城市共融合、保持行業(yè)可持續(xù)發(fā)展、實現(xiàn)人與自然和諧共生等方面具有重要意義。
