彭 程 1， 龙红明 2，3， 范春龙 2， 丁 龙2， 钱立新2， 吴正怡1， 叶程康2
（1.宝武集团环境资源科技有限公司，上海 201900； 2.安徽工业大学冶金工程学院，安徽 马鞍山 243032； 3.冶金工程与资源综合利用安徽省重点实验室，安徽 马鞍山 243002）
摘 要：钢铁流程协同利用有机固废具有天然优势，高温条件和完善的污染物治理体系有利于有机固废无害化处置，不会对环境造成二次污染。有机固废作为燃料替代化石能源，既降低了钢铁生产成本，又减少了 CO2 排放，实现变废为宝。钢铁流程协同利用有机固废具有绿色发展、保护生态环境等多重效益，符合钢铁企业的发展需求。总结了钢铁流程处置有机固废的研究进展，概述了有机固废在铁矿烧结、高炉炼铁、转底炉以及电弧炉炼钢等钢铁生产工序中的利用现状和所面临的技术瓶颈。结合转底炉工艺在固废处置领域的优势和特色，提出了以转底炉为中心的多炉窑集成有机固废处理新技术，包括有机固废热裂解系统、转底炉系统、氢等离子体熔融热解炉系统和烟气污染物控制系统。利用热解气化炉对有机固废进行热解，得到可燃气和热解碳。可燃气用以替代天然气为转底炉提供能源。热解碳可替代焦粉、煤粉与铁锌尘泥制备含碳球团，在转底炉冶炼条件下得到有价金属粉尘和金属化球团，有价金属粉尘富集后通过火法-湿法联合工艺得到高附加值的锌锭、铅锭、铟锭等金属，金属化球团则通过氢等离子体熔融热解炉生产铁水。整套工艺的烟气在转底炉烟气处理系统中集中减排实现污染物超低排放，为钢铁流程协同处理城市有机固废提供新思路。
关键词：炉窑；有机固废；转底炉；协同处理；碳减排
有机固体废弃物是人类生存和发展的必然产物。有机固废主要来源于废弃的工业产品和生活垃圾，具体包括废弃塑料制品、橡胶制品、纺织品、脂质和农作物秸秆等。中国每年产生的有机固体废弃物约为 60 亿~100 亿 t，其产生量位居全球首位[1]。有机固废的堆存不仅会占用大量的土地资源，其中含有的重金属、有机污染物等多种有害物质还会通过土壤、水源和空气等介质扩散，对生物体和环境产生危害。
有机固废中的有机质具有能量高、转化性强的特点，是优质含能原料。在新时代国家生态文明建设过程中，有机固废的资源化处理利用也是建设绿色家园、深化污染防治攻坚战的重要任务。
有机固废种类繁多且成分复杂，在实际处置过程中采用的技术路线差异性较大。现有技术处置有机固废具有针对性和专一性，无法协同处置多种有机固废，且处理过程中会形成废水、废液和废渣等新的环保问题，因此，有机固废处理技术仍需要进行深入研究。钢铁行业是中国的支柱产业，中国钢铁产量长期位居世界首位。钢铁生产涉及的主要化学反应为氧化铁的还原，该过程对于高温条件和还原性气氛具有极高的依赖性。目前焦炭和煤粉等化石能源是钢铁生产主要能源和还原剂，然而在国家“双碳”战略背景下，钢铁行业的化石能源使用将面临前所未有的压力。国家“十四五规划”中提出，开展大宗固废综合利用，是提高资源利用效率的重要领域，有助于推动“碳达峰”“碳中和”目标的实现[2-4]。有机固废作为典型的固体废弃物，其特点与钢铁生产的需求具有良好的适配性，利用钢铁生产流程处理有机固废，既能降低企业的生产成本，又可以处置固体废弃物，具有减少污染、保护生态环境等多重效益，符合钢铁企业的发展需求[5-6]。本文概述了钢铁流程协同利用有机固废技术路线的优势，总结了钢铁窑炉处置有机固废的研究进展，并提出了以转底炉为中心的多炉窑集成低碳固废处理新技术，旨在为中国有机固废资源化利用提供新思路。
1 钢铁流程协同利用有机固废的优势
1.1 工艺优势
钢铁流程中炉窑温度高，有机固废中的有毒有害成分会彻底分解，极大程度上降低了对环境的二次污染。同时，钢铁流程中各高温炉窑配备了完善的烟气处理系统和先进的烟气污染物减排技术，对污染物监控较为全面，协同处理有机固废具有更广泛的适用性和包容性。钢铁流程能够有效地利用有机固废可燃、能量高等特点，可作为含能原料替代化石燃料，减少化石能源的使用，降低 CO2 排放，促进“碳达峰”“碳中和”目标的实现。
1.2 成本优势
利用现有钢铁流程中的高温炉窑作为有机固废处置设备，钢铁流程通过技术改造实现城市有机固废协同处理，能够减少新建专用焚烧厂的资金投入和运营成本。有机固废作为成本较低的燃料替代化石能源，可减轻钢铁工业对焦炭、煤粉等价格昂贵的化石燃料的依赖，降低钢铁工业生产成本。
钢铁炉窑协同处置周边地区的有机固废，承担部分城市消纳功能，不仅能促进城市绿色发展，钢铁工业与城市和谐共生，还有利于钢铁产业转型升级，具有较高的经济效益和社会效益[7]。因此，有机固废通过钢铁流程协同利用是实现钢铁工业与城市协调发展的一个有利选择，具有广阔的应用前景。
2 钢铁炉窑协同处置有机固废研究进展
2.1 烧结工序协同处置有机固废
铁矿烧结是钢铁生产过程中主要的炼铁原料生产工艺，不同成分的铁矿粉和熔剂在高温条件下转变为成分均一、性能稳定的烧结矿。烧结工序协同处置有机固废时对产品质量的影响相对较小，并且烧结工序污染物排放受到重点监控，具有完善的污染治理设施，可以对有机固废处置过程的二次污染进行协同控制[8]。
烧结工序能够处理城市有机固废以及含油污泥等工业有机固废[9-10]。如图 1 所示，有机生活垃圾、农作物秸秆、含油污泥等有机固废在经过干燥、破碎等预处理后，可以替代一部分烧结过程所需要消耗的焦炭和煤粉，目前已有研究人员进行相关试验探索。叶恒棣等[11]使用工业废布热解渣替代部分焦粉进行烧结。随着工业废布热解渣掺混比的不断增加，烧结速度逐渐加快，热解渣的添加提升了烧结混合料的制粒效果，改善了料层透气性。但烧结矿的成品率、转鼓系数和利用系数均有所下降，这是烧结速度加快，料层中高温反应不能充分进行导致的，同时热量快速释放致使终点温度逐渐下降。以 10%工业废布热解渣替代烧结料中 7%焦粉是最优燃料制度，在降低燃料消耗的同时，烧结矿质量几乎不变。HAN 等[12]利用在 500 ℃下炭化的生活垃圾替代焦粉进行烧结，当替代比为 20%时，烧结矿的转鼓强度指数和抗碎强度指数分别为 62.58%和 60.93%，略低于未替代的转鼓强度指数和抗碎强度指数。500 ℃下炭化的生活垃圾提高了烧结速度，但对烧结过程中液相的形成几乎没有帮助。烧结矿质量在替代率高于 20%时开始恶化，因此替代比为 20%最为合适。农作物秸秆经水热炭化处理可制备生物质炭，由于生物质中的硫和氮含量通常比化石燃料低很多，因此在烧结过程中使用生物质炭可以有效降低 SO2 和 NOx 的排放。二噁英和多环芳烃是2 种常见的有机污染物，均为致癌物质，在铁矿烧结过程中大量产生。使用生物质炭烧结过程中的二噁英排放量低于使用焦炭的烧结过程，但略高于使用无烟煤的烧结过程[13]。甘敏等[14]使用果核类生物质炭在烧结过程中替代焦粉，当替代比例超过 40%后，烧结速度加快，烧结矿质量大幅度恶化，果核炭替代焦粉的适宜配比为 40%；并且发现 CO2、SOx、NOx 的排放分别减少 23.05%、42.77%、30.99%，具有明显减排效果。
市政污泥等含有机类污泥可以作为烧结原料，配水后通过喷嘴均匀混入烧结配料中协同处置，利用铁矿烧结处理市政污泥已经取得了良好的经济效益[15]。城市污泥中的有机质质量分数相对比较高，达60%~80%，有机质成分主要包括糖类、蛋白质以及各种微生物、病毒、虫卵、细菌等。污泥热值为 11.33MJ/kg，挥发分质量分数为 53.35%，固定碳质量分数为 10.5%。王婕研究了城市污泥与铁矿石混合烧结[16]，一方面可以实现污泥中热值的有效利用，另一方面烧结工序的高温环境有利于有害组元的脱除。但随着城市污泥配加量的增加，烧结矿碱度下降，烧结矿中铁橄榄石和硅酸盐矿物含量增多，导致烧结矿的产量、质量指标均呈下降趋势。根据试验结果分析，铁矿烧结中城市污泥配加量为 3%较为合适。王小青利用烧结工序处置污水处理厂污泥[17]，试验表明适当添加污水处理厂污泥改善了烧结混合料的粒度分布和烧结矿强度，烧结混合料的透气性和烧结矿的冶金性能得到提高，随着污泥的逐渐增加，当污泥配比达到 4%以上，烧结料层的透气性开始逐渐变差，烧结矿的冶金性能也有所下降。试验结果表明，烧结工序中添加污泥配比为 4%时较为合适，烧结矿中铁酸钙和复合铁酸钙的结晶度高，烧结矿中的硫和磷元素含量最佳，烧结矿的质量无明显变化。
烧结工序适宜协同处置炭化后的农作物秸秆、市政污泥等有机固废，少量加入有利于提升烧结矿性能，减少污染物排放。不宜处置废塑料等挥发分高的有机固废，有机固废在烧结过程的加入受其挥发分含量影响，如果加入的有机固废挥发分含量较高，将会导致烧结速度加快，影响烧结原料在烧结过程熔融结块，多余的热量会被挥发分带走致使烧结原料中的热量不足，挥发分进入烟气中也会增加烟气净化成本[18]。
2.2 高炉工序协同处置有机固废
高炉炼铁是目前钢铁工业生产铁水的主要工艺。品位高的铁矿石、烧结矿以及球团矿是高炉炼铁的原料，焦炭和煤粉在高炉炼铁中作为还原剂和燃料。在高炉冶炼过程中，炼铁原料从高炉上方进入高炉，铁矿和焦炭交叉分布，形成高炉料柱。在高炉风口鼓入热风和煤粉，燃料在风口燃烧和气化，产生的还原气体在高炉内自下而上运动，在高温条件下将铁氧化物还原形成铁水。炼铁高炉耗能大，在不影响高炉正常运行与铁水品质的前提下，可将有机固废经过干燥、破碎、造粒等预处理后，代替煤粉作为燃料与还原剂[19]，在高炉风口区通过喷吹进入高炉[20]，具体技术路线如图 2 所示。
由农作物秸秆制备得到的生物质炭在热值、燃烧特性、灰分、硫含量方面均满足高炉喷吹燃料的要求，而灰熔融性不足可通过与煤粉混合使用得以改善。如果高炉中使用生物质炭替代 10%的烟煤进行喷吹，每生产 l t 铁水,则可以减排 CO2约 25 kg[21-23]。稻壳、甘蔗渣、咖啡壳、桉树皮等生物质固废同样能作为高炉喷吹煤粉的替代燃料，试验发现在高炉中的燃烧效果较好，有利于减少高炉喷吹的碳排放[24]。
在高炉中喷吹煤粉、花生壳混合燃料能降低着火点、改善可磨性和燃烧效率[25-27]。生物质炭替代煤粉进行高炉喷吹，可以降低焦渣比，提高生铁质量，能够大幅度降低污染物的排放，减少 22%~32%二氧化碳排放[28]。生物质作为高炉炼铁煤粉的替代原料是可行的，能有效减少 CO2 排放和二次污染物，对工业生产的节能减排有深远意义[29]。但目前制备生物质炭燃料成本还较高，未来有待进一步改进。
废塑料在高炉喷吹中作为燃料和还原剂[30]，喷吹后在高炉风口区迅速燃烧分解生成 H2 和 CO，促进铁矿石还原。废塑料在高炉喷吹之前要先进行预处理，如挑选分类、清洗、干燥、粉碎、造粒等,与煤粉混合后在高炉风口区随热风一起喷入高炉[31]。废塑料的着火点不高，在高炉中更易于燃烧，能降低混合燃料着火点，起到助燃作用。废塑料在焚烧炉中的能源利用率只有 30%～40%，而在高炉中的能源利用率高达 80%以上，其中约 50%发挥还原作用。邢相栋等[32]通过试验研究发现，废塑料和兰炭相比具有较低的燃烧特征温度和较大的燃烧速率，随着废塑料配加量增多，废塑料、兰炭混合燃料的着火温度和燃尽温度越来越低，这说明添加废塑料促进兰炭燃烧，高炉喷吹配加废塑料可以增大兰炭的综合燃烧特性指数和可燃性指数。宁晓钧等[33]以塑料软管(PVC)为原料制备的水热炭 HTC-1 的工业分析结果近似于烟煤[34] ,和无烟煤(YJ)混合后能有效改善其燃烧性能和反应性能。废塑料水热炭 HTC-1 和无烟煤都具有强爆炸性，混合使用时配比应低于 40%以保证高炉喷吹的安全性。然而，高炉喷吹废塑料依然面临着废塑料软化温度较低，会出现喷枪管壁黏结、结焦甚至堵枪等问题[35]。
高炉喷吹废橡胶以废轮胎为主。轮胎主要由碳氢化合物组成，是优质的燃料和还原剂[36]。废轮胎喷吹入炉后燃烧释放热量，废轮胎的热值与高炉混合喷吹煤粉相差无几，但氢含量远高于煤粉，产生的氢气在高炉上方还原铁氧化物。废轮胎破碎后与煤粉混合喷入能够有效提高煤粉的燃尽率和高炉冶炼经济指标、改善铁矿石的还原性、减少二氧化碳的排放[37]。高炉喷吹废轮胎颗粒稳定且可靠，与高炉喷吹废塑料相比，价格合理、成分稳定、性价比更高[38]。但废轮胎中硫元素含量较高，混合喷吹时应合理控制废轮胎使用量[39]。
高炉适宜协同处置废塑料、废橡胶等易进行造粒制粉处理的有机固废，以便于使用高炉喷枪喷吹入炉。对于市政污泥等黏性高、不易预处理为粉末颗粒状的有机固废不建议利用高炉协同处置，因为黏性高会堵塞枪口，不满足高炉喷吹条件，无法使用高炉喷枪喷吹入炉。有机固废在喷吹进入高炉之前，必须进行干燥、破碎、造粒或制粉等预处理，不然会堵塞风口，导致燃烧效率低下。对于钾、钠含量较高的生物质炭，易导致高炉结瘤，影响高炉顺行和高炉寿命，建议脱除后使用。
高炉协同处置有机固废能减轻对化石能源的依赖，降低炼铁成本，具有巨大的环境效益[40]。高炉中高温和还原气氛均有利于抑制有机固废燃烧过程中多环芳香族碳氢化合物等有毒气体的生成，二噁英等有机剧毒物质排放量仅为焚烧炉的 0.1%～1.0%。
2.3 其他炉窑协同处置有机固废
带式焙烧机是球团生产的主要设备，一般通过天然气进行加热，球团矿的干燥、预热、焙烧、冷却工艺过程可在一台机器上完成[41]。带式焙烧机适宜处置生物质类有机固废，不宜处置城市污泥等热值较低的有机固废。生物质在带式焙烧机中可替代天然气使用，生物质在热解过程中会产生 CO、H2 和 CH4等高热值可燃性气体，在燃烧的同时还能发挥还原性的作用。随着生物质添加量从 10%增加到 30%，铁回收率急剧上升，铁品位在生物质添加量为 20%时达到顶峰。在焙烧温度为 800 ℃、焙烧时间为 7.5 min、生物质添加量为 20%的最佳条件下，可获得 TFe 品位为 71.07%、铁回收率为 94.17%的铁精矿[42]。
回转窑协同处置技术具有处置量大、能彻底分解有毒有害物质且无二次污染产生的特点，目前已被用来处置生活垃圾、污泥等废弃物[43]。回转窑适合协同处置可燃性有机固废，在不影响正常生产的情况下，加入经预处理后符合入窑要求的有机固废，如废塑料、废橡胶有机生活垃圾等，替代部分燃料进行燃烧，可减少煤粉的使用量，降低生产成本，提高经济效益[44]。含油污泥是油田及石油化工生产过程中产生的一种高挥发性、高黏度的有机危险废物，如不加处理将其随意排放，会对环境造成严重的危害。
马蒸钊[45]提出在回转窑内含油污泥热固载体热解的技术路线，改变了传统回转窑内温度分布和传热方式，将其用于含油污泥热解过程，可以提高含油污泥热解油产率，提升热解油燃料等特性。回转窑还可以作为废轮胎、生物质等有机固废的热解炉窑[46]，热解法是在无氧或缺氧的条件下升温加热，有机成分在高温下开始裂解，最终产物为热解气、热解油和热解碳。由于热解过程在缺氧甚至无氧的气氛下完成，轮胎中含有的硫、氮等有害元素没有被氧化为 SOx、NOx，减少了有害气体的排放。回转窑相对于高炉等钢铁主业设备，处置有机固废时对钢铁品质影响较小，对有害成分的承受限度较高，几乎适用于所有有机固废。
有机固废不仅可以用于烧结、球团以及高炉等炼铁环节，也可以在炼钢炉窑中发挥重要作用。炼钢炉窑适宜处置废塑料、废轮胎等高热值有机固废，不宜处置城市污泥等成分复杂的有机固废，会影响炼钢产品品质。杨祝英等[47]将冶金焦和废塑料共混，制备为炼钢电炉中的新型还原剂。当废塑料的添加量从 0 增加到 40%，废塑料提供的氢促进了低温至中高温下的流动性和高温下的气体形成，H2使 FeO 的转化率显著提高，反应速度显著提高，并且废气中的 CO2 排放量有所减少。焦炭和高密度聚乙烯对金属铁的渗碳有良好的协同效应，还存在着有利于金属铁脱硫的的协同作用，金属的渗碳程度和硫的去除有所改善。炼钢转炉中高温可使有机物充分分解，转炉在协同处置有机固废过程中有机固废可作为原料和燃料参与工业反应[48-49]。包向军等[50]将废塑料与含油铁鳞混合，热压成型制造出转炉炼钢造渣剂，废塑料在加热过程中向铁磷渗透，两者紧密结合，有助于解决铁磷粉状等问题。废塑料氧化铁皮合成造渣剂在转炉内高温分解生成 FeO，有利于石灰的熔化速度。同时，新生成的 FeO 具有更高的活性，促进石灰及铁水中的硅、磷等元素反应，加快化渣速度和脱磷反应，降低转炉吹炼时间，提高转炉炼钢效率。废塑料氧化铁皮合成造渣剂可以提升炼钢炉中的造渣速度，降低石灰的使用量，减少生产成本。中南大学[51] 提出将废轮胎制为粉末后注入转炉汽化冷却剂中，利用转炉内的高温废热使轮胎热解产生 CO、CO2、H2、CH4、H2O 等气态产物后进行气体回收。京唐公司[52]通过控制转炉炉温、氧枪、氧气流量、枪位、供氧制度、过程倒炉等措施，在 300 t 转炉上进行含油有机固废焚烧，代替焦炭烘炉，实现了含油固废厂内高效循环处理，取得了良好的效果，使含油有机固废处理得更环保。
长流程工艺是中国钢铁的主要生产模式，其中炼铁原料制备和高炉炼铁是耗能的主要工序。通过烧结机、带式焙烧机和回转窑制备烧结矿和球团矿等含铁原料，生产过程以焦炭、煤粉和燃气等为热源。
高炉炼铁时在炉顶加入焦炭作为铁矿石冶炼的还原剂和热源，同时还需要在高炉下部风口位置喷吹煤粉、重油等燃料。有机固废具有可燃性，可以代替传统化石能源为钢铁工业炉窑提供能源，能大量减少煤粉和焦粉的使用。除作为燃料外，有机固废还可以充当还原剂，还原铁氧化物。将有机固废加入现有的钢铁生产流程中，在不影响工业生产产量、质量和污染排放的前提下，可以实现有机固废高效利用。不仅解决了有机固废大量堆存所带来的困扰，还节省了日益枯竭的化石能源，降低了钢铁企业的生产成本，减少了 CO2 的排放。此外，钢铁工业炉窑污染物治理体系完善，在处理有机固废时可以实现烟气超低排放。
钢铁炉窑现阶段烟气处理系统主要针对 SO2、NOx、颗粒物等无机污染物，二噁英等有机剧毒物质减排尚未全面普及，但已有相关技术研究和小规模应用的例子。二噁英减排技术可分为源头控制、过程减排和末端治理[53-54]。源头控制是控制原料中敏感元素配入量，张玉才等[55]将烧结原料中铜质量分数由0.04%降低到 0.02%，烟气中二噁英排放浓度（以 TEQ 计）由 0.69 ng/m3降低到 0.55 ng/m3，氯质量分数由 0.06%降低到 0.04%，烟气中二噁英排放浓度（以 TEQ 计）由 0.82 ng/m3降低到 0.55 ng/m3。过程减排添加抑制剂用于抑制二噁英生成，龙红明等[56-57]研究发现，在烧结原料中加入微量尿素能减少烧结过程中二噁英的产生，尿素分解产生的 NH3 也可以起到脱硫作用。末端治理主要使用活性炭等吸附剂进行二噁英吸附。未来钢铁炉窑烟气处理还应在二噁英等有机剧毒物质减排方面着重研究，不断完善烟气处理系统。
3 以转底炉为中心的多炉窑集成低碳固废处理新技术
3.1 转底炉协同处置有机固废
转底炉工艺是非高炉炼铁工艺的一种，属于煤基直接还原炼铁工艺，其工艺流程如图 3 所示。转底炉使用煤粉作为还原剂，直接还原铁氧化物。钢铁厂内的各类含铁锌尘泥按一定配比混合均匀后压球，干燥后送入转底炉，在炉内高温还原气氛下，球团内部的碳元素将铁锌还原，锌变成蒸气后进入烟气系统经氧化以氧化锌形式被回收，直接还原铁冷却后送至高炉、转炉和电炉使用[58]。
有机固废可用于含碳球团的制备。安徽工业大学孟庆民等[59]将精矿粉、煤粉和废塑料按一定配比混匀后放入烘箱内加热，热压成块后焙烧还原。与未添加废塑料的含碳球团相比，废塑料的添加促进了还原过程中铁的渗透，还能有效提升球团的强度。在球团原料中加入适当的废塑料制备含碳球团，能提升球团强度，解决还原剂来源受限的问题，还能降低生产能耗[60]。董剑豪等[61]将 PE 塑料和无烟煤粉混匀后在惰性气氛下进行热处理，制备出一种新型的混合还原剂，并通过对比无烟煤和 PE-无烟煤混合还原剂对氧化球团的还原效果，发现还原剂添加 PE 塑料后有效降低了含碳球团的还原难度，促进了还原反应，提高了含碳球团的还原速率，球团金属化率无显著变化。废塑料在高温下发生分解气化，增大了球团内部孔隙率，改善了还原气体的扩散条件，缩短了还原时间，降低了还原温度，提高了还原效率[62]。但添加废塑料的含碳球团可能会因发生恶性膨胀导致球团强度降低。
转底炉直接还原工艺已开发生物质还原剂[63]，例如竹炭、木炭、秸秆纤维等生物质原料能够制备出替代煤粉的生物质还原剂[64-65]，其中秸秆纤维被认为是比化石燃料更好的还原剂[66]。生物质经热处理、预处理后得到生物质炭、木质素、纤维素等，可与铁矿粉制备生物质铁矿球团。生物质铁矿球团冶炼过程相关反应过程见式（1）~式（3）。使用生物质还原剂还原含碳球团，球团的金属化率、抗压强度以及体积收缩率等方面无明显差异，甚至比传统还原剂具有更好的效果。李大伟等[67]以玉米、小麦、水稻等作物秸秆为原料，经过汽曝、水洗、机械分梳提取后，气流粉碎和有机糖提纯得到清洁、可再生的秸秆纤维还原剂。易凌云等[68]研究发现，生物质炭用于铁精矿球团还原能有效缓解还原过程中球团间的黏结现象，采用球团表面覆层与配加生物质炭复合作用的方式，克服了表面覆层时还原速度慢的缺点，避免了黏结抑制偏弱的不良效果。
FeOx+CO→FeOx-1+CO2 （1）
C+CO2→2CO （2）
FeOx+H2→FeOx-1+H2O （3）
3.2 以转底炉为中心的多炉窑集成低碳固废处理新技术
钢铁工业每年产生大量固废产物，包括含铁锌多金属尘泥和有机固废等。目前采用转底炉工艺处理含铁锌尘泥，大量消耗焦炉煤气、天然气、焦粉、煤粉等化石能源，碳排放量大。所生产的金属化球团品位低、残锌高，直接用于烧结、小高炉和炼钢都存在明显的缺点，并且烟气中二噁英排放未得到有效治理。有机固废是钢铁生产过程产生的另一类固废，目前，废旧除尘布袋、废油渣、含油污泥等有机固废产物，需要对外委托专业固/危废处理企业进行处理；而其他有机固废类如废塑料、各类填料（合成树脂）、废衬板、密封带、废抑尘网（合成树脂、橡胶类）、废编织袋、杂物（胶管、油布手套、滤布、棉纱、废锯末）等，这些有机固废存在着品种多、数量少、难处理的特点，目前均采用焚烧或填埋等方式处理，存在安全隐患及环境二次污染的风险，没有做到高效资源化利用。
针对以上问题，作者团队提出以转底炉为中心的多炉窑集成低碳固废处理新技术，其工艺流程如图 4所示，包括有机固废热裂解系统、转底炉系统、氢等离子体熔融热解炉系统和烟气污染物控制系统。有机固废热裂解系统的主体是热解气化炉，对工业有机固废、城市有机固废和生物质进行热解处理，是本技术消纳有机固废的第一步。有机固废作为原料进入热解气化炉后，在缺氧条件下升温，分子间会发生断裂、氢转移等不可逆的热化学循环过程，有机固废中的大分子有机物会逐渐裂解为小分子有机物，热解产物包括热解气、热解油和热解碳。热解气是以 CO、CH4、H2 为主的可燃气；热解油是氧含量高且有机成分复杂的混合物，包括醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇等种类的含氧有机物；热解碳的碳含量高，挥发分含量低，固定碳质量分数高达 80%以上。有机固废热裂解系统初步完成了有机固废的转化，为转底炉系统提供了热解碳和可燃气，可燃气中的富氢气体也能用于氢等离子体熔融热解炉系统。转底炉通常使用煤粉或焦粉作为还原剂制备含碳球团处理铁锌尘泥，热解碳固定碳含量高的特点使其能够替代焦粉、煤粉作为还原剂，与铁锌尘泥制备含碳球团。热解碳在转底炉高温焙烧下还原铁氧化物和氧化锌，含碳球团焙烧还原为金属化球团，氧化锌被还原后随烟气经过除尘得到富锌粉尘。富锌粉尘通过火法-湿法联合工艺得到高附加值的锌锭、铅锭、铟锭等金属。有机固废热裂解系统产生的可燃气可以代替焦炉煤气和天然气为转底炉焙烧提供能源。转底炉所生产的金属化球团不送入高炉或转炉进行冶炼，而是通过氢等离子体熔融热解炉生产铁水和熔渣。氢等离子体熔融热解炉的核心机理是利用电弧营造 1 800 ℃以上高温还原条件，根据灰渣碳含量与金属含量进行配料，通过加大碳量，延长冶炼时间，实现熔融深度还原。低沸点单质金属充分蒸发分离并回收，高沸点金属以金属相进入铁水与流渣分离。铁水为钢铁企业所用，熔渣可生产高附加值产品。氢等离子体熔融热解炉同时协同处置部分有机固废中所含金属部分，将废弃金属重新冶炼。氢等离子体熔融热解炉生产过程中产生的除尘灰和烟气处理产生的除尘灰可返回转底炉与热解碳、铁锌尘泥制备含碳球团。热解气化炉生产的富氢气体经提取后为氢等离子体熔融热解炉提供绿氢资源，实现碳氢耦合直接还原。氢等离子体熔融热解炉冶炼过程碳还原产生的煤气能为转底炉提供能源。除此之外，转底炉余热产生的蒸汽和热解气化炉产生的可燃气通过燃气/蒸汽发电机，联合太阳能等技术为工艺供应绿电。整套工艺的烟气集中后通过二氧化碳、二噁英和颗粒物的系统协同控制，实现碳减排和污染物超低排放。
3.3 以转底炉为中心的多炉窑集成低碳固废处理新技术的特点
热解气化炉适用于所有有机固废，提升了钢铁流程处置有机固废的普适性，热解产物可以替代化石燃料，降低钢铁工业对化石能源的依赖，减少碳排放，加快“碳达峰”“碳中和”的实现。转底炉生产的金属化球团金属化率并不高，品位低、残锌高、强度偏低，直接在高炉中使用会因物料性质的差异不利于高炉顺行，并且还原后的金属化球团在高炉中再次冶炼，经济效益低。氢等离子体熔融热解炉有效解决了这些问题。相比单一的碳热还原，碳氢耦合直接还原工艺还原速度大幅提升，高温冶炼下实现熔融深度还原，有利于提升铁金属化率，残留的锌会蒸发分离回收，金属化球团强度偏低不会影响正常冶炼。烟气集中处理有利于污染物监控，烟气处理系统在对烟气中的 SO2、NOx和颗粒物减排的同时引入二噁英治理系统，研究不同有机固废热解、不同钢铁尘泥还原和熔分条件下二噁英的形成释放特性，明确原料条件和工艺参数对二噁英合成的影响规律，开发过程抑制+末端治理（包括催化降解和吸附）协同脱除二噁英的关键技术，构建污染物过程和末端全流程治理新体系。
以转底炉为中心的多炉窑集成低碳固废处理新技术相较于传统的有机固废处理工艺、转底炉处理铁锌尘泥工艺能耗更低、CO2 排放量更少、经济效益更高。虽然热解气化炉和氢等离子体熔融热解炉比有机固废焚烧、金属化球团进入高炉和转炉冶炼电能消耗更大，但是依靠热解可燃气、蒸汽发电和太阳能发电能够实现电能自给自足，也省去了焚烧和金属化球团冶炼的能耗。热解碳替代煤粉、焦粉成为铁锌尘泥的还原剂，大幅度减少了化石能源的使用，降低了 CO2 的排放量，新技术在烟气处理系统还引入了CO2 减排技术，为实现 CO2 超低排放提供了技术支持。以转底炉为中心的多炉窑集成低碳固废处理新技术的使用，节省了有机固废焚烧的投入和运行成本，减少了化石能源的使用，降低了生产成本，得到了铁水、锌锭等高附加值产品，省略了金属化球团在高炉中冶炼的生产成本，具有更好的经济效益。但是目前没有大规模使用，还停留在实验室研究阶段，需要等到产业正式落地，生产一段时间后得到准确的能耗、CO2排放量、经济效益核算等数据，预计不久后可以实现产业化。
以转底炉为中心的多炉窑集成低碳固废处理新技术对各炉窑之间的匹配性要求较高，如何高效地利用好各炉窑的产物尤为关键，需要做到高度协同。热解气化炉产生的热解油成分复杂，能否利用现有技术分离提取尚未可知。今后的工作还要在有机固废生产的低品位碳氢还原剂的使用比例、对球团的强度、还原效率的影响、可燃热解气分离使用等方面做规模性验证，完善相关炉窑关键技术。通过以上“碳氢耦合还原”新工艺的实施，为推进钢铁工业绿色低碳发展提供了技术支持。
4 结论与展望
1）钢铁流程协同处置有机固废具有天然优势。在钢铁冶炼过程中高温条件有利于抑制有机固废燃烧过程中多环芳香族碳氢化合物等有毒气体的生成，同时钢铁工业炉窑污染物治理体系完善，在处理有机固废时可以实现烟气超低排放，完成有机固废无害化处置。
2）有机固废协同处置技术是其大宗量和高效化利用的发展方向。有机固废是一种优质的含能固废，利用工业炉窑进行协同处置消纳可以实现其高效清洁利用。有机固废具有可燃性和还原性，符合钢铁生产的需求，可以替代钢铁冶炼过程所需的化石能源。当前有机固废已在烧结机、高炉等钢铁炉窑进行应用，减少了焦炭、煤粉等化石燃料的用量，在降低生产成本的同时，也成为钢铁企业实现“碳达峰”“碳中和”目标的一大助力。
3）以转底炉为中心的多炉窑集成低碳固废处理新技术是处置有机固废的有效途径。该技术对于有机固废具有较强的适用性，通过热解气化处理，将有机固废转化成热解气、热解碳等产物，可为转底炉和氢等离子体熔融热解炉提供所需的原材料。围绕转底炉建设的多炉窑之间形成了完整的产业链，实现了高资源化利用、低污染物排放、绿色低碳冶金。
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