一、研究的背景與問題
鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟基礎(chǔ)支柱產(chǎn)業(yè)，但其生產(chǎn)流程碳污多污染物固廢排放量巨大，新時期綠色發(fā)展對碳污治理及消納社會廢棄物提出了新的要求。鋼鐵流程的高爐渣、鋼渣等普通固廢大多已作為建筑材料資源化利用，而有機固廢、含鋅塵泥、高鹽固廢等復(fù)雜固廢雖然有價元素比較豐富，但由于同時賦存了有機物、重金屬等毒害物質(zhì)，無法在鋼鐵流程直接循環(huán)利用，其資源化處置仍然是行業(yè)的難點和痛點。在該項目之前，我國鋼鐵流程復(fù)雜固廢處置整體技術(shù)落后，存在資源化水平低、能耗高、產(chǎn)品附加值低等問題，主要表現(xiàn)為：
1、有機固廢資源化水平低：鋼鐵企業(yè)的有機固廢目前大多送往廠外，作為市政危廢采用回轉(zhuǎn)窯焚燒-填埋法處理，能耗水平高，能源回收率低，填埋占用寶貴的土地資源，鄰避效應(yīng)嚴重，同時還存在二噁英污染的風(fēng)險。
2、含鋅固廢處置能耗和成本偏高：轉(zhuǎn)底爐處置含鋅固廢雖然有一定基礎(chǔ)，但存在投資大、占地較大和能耗高的問題，制約了其大規(guī)模推廣；回轉(zhuǎn)窯法有適應(yīng)性廣、投資少的特點，但回轉(zhuǎn)窯法處置含鋅固廢存在易結(jié)圈，產(chǎn)品品質(zhì)低，難以穩(wěn)定生產(chǎn)，生產(chǎn)區(qū)域環(huán)境差，熱渣的熱能被浪費等問題。
3、高鹽固/液廢物處置技術(shù)較為粗放：多金屬高鹽固/液廢物常伴生多種有毒元素，尤其是還含有毒性強、易遷移的鉈。目前高鹽固廢的處置方式主要有高溫焙燒法和水洗法，其中高溫焙燒法無法實現(xiàn)鹽的資源化利用，水洗法雖可回收部分鹽產(chǎn)品，但現(xiàn)有技術(shù)存在鹽產(chǎn)品雜質(zhì)含量高、資源回收率低、運行過程設(shè)備故障率高等問題。此外，現(xiàn)有處置手段均未考慮鉈的有效管控。
4、鋼鐵流程消納固廢效率較低：鋼鐵企業(yè)工藝流程及資源條件存在差異，固廢協(xié)同處置對鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量、污染排放、能耗水平影響規(guī)律不清楚，導(dǎo)致處置成本偏高、效率偏低，鋼鐵流程規(guī)?；{社會危廢技術(shù)仍然缺失。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
1、總體思路
基于鋼鐵流程物質(zhì)流、能量流分析，提出了耦合冶金工藝質(zhì)能流、復(fù)雜固廢組分定向分離循環(huán)利用、降低處置成本和能耗、提高資源化治理水平的總體思路，通過基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、核心裝備研制和工藝系統(tǒng)集成，實現(xiàn)冶金復(fù)雜固廢有價組分質(zhì)能循環(huán)利用技術(shù)及裝備的重大突破（圖1）。
2、技術(shù)方案
（1）鋼鐵流程有機固廢熱解-焚燒技術(shù)
提出了有機固廢控氧控溫?zé)峤?焚燒法制備冶金燃料或還原劑的理論方法，不追求灼減率，最大程度去除揮發(fā)分，保留部分固定碳在熱解渣中的有價元素進入冶金冶金流程。打破常規(guī)有機固廢處置固有理念，打通了冶金流程消納部分社會廢棄物的技術(shù)途徑（圖2）。
圖1 解決問題的總體思路
通過分別對富鐵含油塵泥和富碳雜物類固廢組分分離動力學(xué)條件，溫度、氣氛對鐵、碳、熱解氣及結(jié)圈影響規(guī)律的研究，確定了不同循環(huán)利用途徑的有機固廢熱解理想升溫曲線，并開展了熱解工業(yè)試驗，確定了富鐵有機固廢高值化低結(jié)圈最優(yōu)熱解工藝制度。
圖2 冶金與市政有機危廢協(xié)同熱解-焚燒新工藝
圖3 有機危廢控溫控氧熱解焚燒原理
建立了適宜的熱解制度，確保固相微量二噁英揮發(fā)進入氣相，并在冶金爐窯或配備二燃室在1100℃/2s的環(huán)境下使二噁英充分分解；廢氣的處理可以使用傳統(tǒng)急冷加組合式去除工藝，更推薦用脫酸與活性炭法多污染物協(xié)同治理法，殘留二噁英在解析塔中無害化分解。固相渣中二噁英殘留較低，氣相中二噁英分解去除，二噁英總體風(fēng)險可控。
圖4 二噁英在控溫?zé)峤?焚燒過程中遷移規(guī)律
開發(fā)了首套高效低成本的非接觸式低氧間冷及余熱回收一體化裝備，研究了螺旋管式高效換熱裝置、魚鱗片式熱煙氣密封裝置等系列裝備。該裝置在國內(nèi)有機固廢處置工程中首次實現(xiàn)了窯渣干式冷卻及余熱回收，能適應(yīng)燒結(jié)處置預(yù)處理窯渣的技術(shù)要求。
圖5 寶鋼股份有機固廢工程干式冷卻裝備
（2）高鋅固廢回轉(zhuǎn)窯法資源化循環(huán)利用技術(shù)
開發(fā)了基于冶金流程循環(huán)利用的含鋅塵泥鋅、鐵組分高效還原分離方法，查明了鋅鐵組分還原分離的反應(yīng)歷程、鋅鐵組分還原反應(yīng)優(yōu)勢溫度-氣氛區(qū)域、鋅揮發(fā)及低液相生成的優(yōu)勢渣系組成；在優(yōu)勢渣系-溫度-氣氛的協(xié)同作用下，鋅組分還原為金屬鋅并揮發(fā)至氣相、鐵組分還原為金屬鐵保留在渣中，殘?zhí)紖⑴c鋅和鐵礦物的還原反應(yīng)。
研究了制粒行為對含鋅塵泥還原的影響規(guī)律、含鋅含碳（有機高碳熱解渣）復(fù)合球團還原動力學(xué)，復(fù)合球團不但能強化還原氣-固界面?zhèn)髻|(zhì)提高還原效率，還能減少煙塵量提高鋅粉品位、減少窯內(nèi)結(jié)圈、提高脫鋅渣金屬化率。開發(fā)了大比重差散狀物料復(fù)合球團擾動造球技術(shù)及裝備，為有機固廢與含鋅塵泥協(xié)同處置奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。確定了鋅鐵還原分離適宜的反應(yīng)條件，研究了干燥-預(yù)熱-還原過程含鋅塵泥復(fù)合球團強度變化行為，確定了含鋅塵泥復(fù)合球團鋅、鐵組分高效還原理想溫度場分布。
圖6 大比重差散狀物料復(fù)合球團擾動造球技術(shù)及裝備
查明了空氣冷卻和水淬冷卻時高熱窯渣中金屬鐵的再氧化機制，脫鋅渣中微區(qū)的高溫、強氧化氣氛環(huán)境加劇了金屬鐵再氧化反應(yīng)，低氧或氮氣干式冷卻可防止金屬鐵的再氧化。
研究了進風(fēng)方法對回轉(zhuǎn)窯溫度場、氧位場影響規(guī)律，建立了分布式進風(fēng)多場可控回轉(zhuǎn)窯技術(shù)原理。研發(fā)了回轉(zhuǎn)窯熱電偶修正紅外熱成像儀技術(shù)，開發(fā)了窯身風(fēng)流分配裝置、窯身防結(jié)瘤噴風(fēng)嘴、近柔體復(fù)雜工況高效動靜密封裝置，研制了多場可控回轉(zhuǎn)窯裝備系統(tǒng)。
圖7 分布式進風(fēng)多場可控回轉(zhuǎn)窯技術(shù)原理
研制了高效非接觸式耦合換熱裝置、物料均流均熱裝置、高溫防磨降磨裝置等，開發(fā)了多段分級干法冷卻裝置及余熱回收系統(tǒng)，形成了高溫還原性球團冷卻及余熱回收一體化技術(shù)與裝備。實現(xiàn)了高溫還原物料的干法冷卻，回收了物料顯熱，產(chǎn)品金屬化率提升13%，窯渣抗壓強度提升10倍以上。
圖8 多段分級干法冷卻及余熱回收系統(tǒng)
（3）多金屬高鹽固/液廢物協(xié)同資源化治理技術(shù)
研究了鐵、鈣、鈉及洗水pH值對鉈浸出的影響規(guī)律，發(fā)明了酸性高鹽廢水調(diào)質(zhì)浸洗高鹽固廢抑制/強化分段選擇性析鉈技術(shù)。開發(fā)了硫化耦合鐵錳強化吸附深度除鉈技術(shù)和鈉鹽循環(huán)沉淀回收鉈技術(shù)和弱還原焙燒強化鉈跨相遷移技術(shù)，實現(xiàn)鐵-鹽-鉈定向分離。攻克了傳統(tǒng)處置過程鉈與鹽、金屬分離不徹底，造成全流程涉鉈污染的難題。
圖9 多金屬高鹽固-液廢物協(xié)同資源化技術(shù)路線
通過研究蒸發(fā)過程副產(chǎn)物富集規(guī)律，研發(fā)了鈣調(diào)質(zhì)誘導(dǎo)鉀石膏法沉硫酸根耦合兩級負壓富集氨氮技術(shù)，開發(fā)了鉀鈉比調(diào)控聯(lián)合逆流蒸發(fā)回收高純氯化鉀技術(shù)，發(fā)明了基于母液硒賦存特征的酸性廢水協(xié)同資源回收方法，實現(xiàn)“硫酸根、氨、鉀、鈉、硒”的定向資源化及母液零排放。攻克了傳統(tǒng)蒸發(fā)過程污染物在鉀側(cè)富集致鹽產(chǎn)品質(zhì)量低、蒸發(fā)母液消納的難題。
圖10 順流蒸發(fā)和逆流蒸發(fā)對比
開發(fā)了臥式連續(xù)高鹽固/液廢物協(xié)同浸鹽分離設(shè)備，發(fā)明了多資源異步分離逆流蒸發(fā)結(jié)晶裝備，構(gòu)建了多金屬高鹽固/液廢物“多級酸浸分離-高鹽水調(diào)質(zhì)凈化-多組分異步分離”強魯棒性資源回收裝備系統(tǒng)。解決了工藝與設(shè)備不匹配，導(dǎo)致作業(yè)率低的難題。
圖11 臥式連續(xù)浸鹽分離設(shè)備結(jié)構(gòu)圖
（4）鋼鐵流程消納復(fù)雜固廢循環(huán)利用工藝技術(shù)
以“價值最大化”為處置目標，制定了冶金爐窯消納復(fù)雜固廢預(yù)處理渣的最優(yōu)性價比工藝路線，多路徑協(xié)同處置整體方案實現(xiàn)了復(fù)雜固廢鐵、碳資源梯級循環(huán)高值化利用。
圖12 鋼鐵流程消納復(fù)雜固廢工藝路線
開發(fā)了鋼鐵流程資源化消納富碳有機熱解渣工藝，摻混熱解渣后燒結(jié)混合料中大顆粒粒度的原料比例明顯增加，制粒效果和料層透氣性均得到提升。制定了富鐵脫鋅渣、熱解渣、高鹽固廢水洗底渣作為煉鐵、煉鋼原料進入冶金流程的產(chǎn)品標準和工藝制度，研究了窯渣與燒結(jié)原料共礦化機理及固廢摻混及對排放的影響。
開發(fā)了熱解氣、廢氣與冶金流程協(xié)同技術(shù)，構(gòu)建了熱解氣與富氫燒結(jié)耦合噴吹、在其它冶金爐窯焚燒或配套二燃室焚燒的不同處置技術(shù)路線，制定了焚燒煙氣多工序多污染物協(xié)同深度凈化及SO2高值化利用整體解決方案。
圖13 熱解氣、廢氣與冶金流程協(xié)同技術(shù)路線
三、主要創(chuàng)新性成果
項目完成單位自2012年開始，提出基于冶金流程質(zhì)能耦合固廢組分定向分離循環(huán)利用總體思路，通過產(chǎn)學(xué)研合作，取得如下創(chuàng)新成果：
1、首創(chuàng)了有機固廢高值化制備冶金原（燃）料技術(shù)。打破了“焚燒+安全填埋”處置有機固廢的傳統(tǒng)理念，開發(fā)了有機復(fù)雜固廢梯級控溫控氧熱解焚燒法制備冶金原（燃）料技術(shù)，開創(chuàng)了鋼鐵流程規(guī)?；{社會工業(yè)有機危廢的工業(yè)實踐。
2、發(fā)明了有機/含鋅塵泥復(fù)合制粒回轉(zhuǎn)窯法鐵鋅低成本高效分離技術(shù)。研究了含鋅塵泥鋅鐵組分還原行為及粘結(jié)機制，發(fā)明了大比重差散狀物料擾動成球-鋅鐵低溫快速還原-窯渣干式冷卻技術(shù)，研制了多場協(xié)同可控多點進風(fēng)回轉(zhuǎn)窯裝置、多段分級干法冷卻裝置及余熱回收系統(tǒng)。氧化鋅品位可達54%，脫鋅渣鋅含量降至0.3%以下，金屬化率大幅提升。
3、開發(fā)了多金屬高鹽固/液廢物協(xié)同資源化治理關(guān)鍵技術(shù)及裝備。首創(chuàng)了多金屬高鹽固/液廢物鐵-鹽-鉈定向分離及鐵/鉈資源回收技術(shù)，開發(fā)了鈣鈉調(diào)質(zhì)誘導(dǎo)鹽水多組分梯級回收及母液零排技術(shù)，研制了鹽分連續(xù)浸提及多資源異步分離蒸發(fā)結(jié)晶裝備系統(tǒng)，突破了鐵、鉈、鉀、鈉、硒穩(wěn)定高值利用技術(shù)瓶頸。
4、開發(fā)了鋼鐵流程典型復(fù)雜固廢資源化循環(huán)利用工藝技術(shù)。研究了鋼鐵流程氣液固多相協(xié)同資源化消納固廢工藝流程，確定了多尺度約束條件下分離后富碳渣、富鐵渣、高鹽固廢水洗渣循環(huán)利用最佳摻用比例，實現(xiàn)了“以廢代碳”、“以廢代鐵”的固廢生態(tài)化處置。
該項目熱解焚燒技術(shù)處置有機固廢能耗僅為144.8kgce/t，以廢棄活性炭、有機樹脂為原料時熱解渣含碳量最高可達47.32%，有機固廢能源回收率達到68.3%；采用多場可控回轉(zhuǎn)窯處置含鋅塵泥時，脫鋅渣金屬化率最高達到88%，鋅殘留量小于0.3%，次氧化鋅品位53.93%，脫鋅產(chǎn)品質(zhì)量大幅提升；機頭灰鉀、鈉、鉈回收率大幅提高，顯著降低了新水消耗量（減少80%）。
表1 成果已達到的主要技術(shù)指標
四、應(yīng)用情況與效果
2020年11月，本項目成果在寶山鋼鐵股份有限公司應(yīng)用，建成了與燒結(jié)工序耦合協(xié)同處置工業(yè)有機危廢生產(chǎn)線，其中鋼鐵流程有機固廢2萬噸/年、市政危廢2萬噸/年。在國際上首次實現(xiàn)了有機固廢熱處置中窯渣干式冷卻及余熱回收，是國內(nèi)外第一條大規(guī)模協(xié)同消納社會廢棄物的冶金流程生產(chǎn)線。2020年12月，本項目成果在山東鋼鐵集團永鋒臨港有限公司應(yīng)用，首創(chuàng)性建成了與燒結(jié)工序“固-固”、“氣-氣”協(xié)同耦合處置含鋅塵泥15萬噸/年的有機/含鋅固廢協(xié)同高效還原處置線，能耗及渣含鋅率大幅下降。2020年12月，本項目成果在湖南誠鈺環(huán)?？萍加邢薰緫?yīng)用，在國際上首次在含鋅塵泥處置工程中應(yīng)用了多場可控多點進風(fēng)的回轉(zhuǎn)窯裝置，產(chǎn)品質(zhì)量大幅提升，還原渣高值化循環(huán)利用，與轉(zhuǎn)底爐技術(shù)對比，投資與運行成本大幅下降。2021年7月，本項目成果在安陽鋼鐵股份有限公司應(yīng)用，建成了2 萬t/a機頭灰及2.5萬m3/a活性炭法制酸廢水綜合處置項目，實現(xiàn)了高鹽固廢和高鹽廢水的資源化處置，回收了包括鐵、鉀、鈉、硒、鉈等多金屬產(chǎn)品，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。
除了上述企業(yè)之外，本項目成果還應(yīng)用于八一鋼鐵、湛江鋼鐵、太原鋼鐵等國內(nèi)多家知名鋼企，在行業(yè)內(nèi)取得了良好的反響。
