一、研究的背景与问题

我国钢铁产量多年位居世界第一，建成了全球产业链最完备、规模最大的钢铁产业体系，且以长流程为主，占比高达90%以上。长流程钢铁企业冶炼工序每年都产出大量的铁锌固废，产生量约为50 kg/t钢，这些固废部分含有锌、铅、钾、钠等有害元素，直接返回利用会影响烧结、高炉等主工序的顺行。含铁固废具有回收利用价值，应该采用合理的技术回收利用，若处理不当，不仅造成资源浪费，还会对环境造成污染。

针对铁锌固废处理，国内外现有的填埋、物理分选、湿法浸出方法普遍存在简单粗放、生产效率低、能耗高、污染大等问题，回转窑火法工艺易结圈、产能低，OxyCup竖炉火法工艺投资高、能耗高、成本高，推广受限，转底炉是目前处理铁锌固废最有前景的火法工艺，得到了市场的逐步认可。随着发展，以转底炉为核心的铁锌固废处理技术又出现了一些新的难题：

1、铁锌固废特性复杂，处置成效不高，没有形成与转底炉系统有机耦合，缺乏完善的资源化处置技术体系，进而影响了铁锌固废资源综合利用率，环保风险依然很大。铁锌固废产出量的不断增加，以及对于提升经济效益、降低能耗等关键指标的迫切追求，开发稳定可靠、性能指标先进的大型化转底炉技术已成为当前亟待解决的紧迫需求。

2、转底炉核心反应器内部的复杂运行机制仍处于“黑匣子”状态，对于其内部传热传质过程的精确理解、燃烧过程的协同强化及全炉耦合研究尚显不系统、不深入，这一现状直接制约了转底炉金属化率和脱锌率等关键技术指标的提升。

3、缺乏对转底炉多工序能量分布及交互作用影响的研究，这导致无法全面把握系统内部能量流动的规律与特性。进而，由于缺乏成本、能耗与碳排放之间的综合关联性模型，难以对转底炉全系统的能耗进行精准评估与优化。

本项目积极响应市场需求与节能环保产业政策的战略举措，致力于提升企业的核心竞争力，更在固废处理领域的核心技术装备上寻求突破，推动技术进步与产业升级。通过本项目的实施，可打破传统钢铁工业在资源利用与环境保护之间的瓶颈，实现金属固废的高效资源化与利用，大幅降低能耗与碳排放，为钢铁工业的绿色可持续发展开辟新路径。

二、主要完成内容及技术路线

项目团队以“转底炉直接还原仿真与能质传递及化学反应的协同强化研究→转底炉系统多目标能量分析及优化→铁锌固废原料预处理与转底炉系统工艺耦合研究→大型转底炉核心装备开发”为研究主线，经过理论研究、试验研究、示范验证、产业化推广，形成了“基于铁锌固废全量资源化利用的大型转底炉系统”科技成果，实现了关键技术内容的创新。

本项目的技术路线如下：

图1 技术路线图

主要完成内容如下：

1、含碳球团转底炉直接还原多场耦合研究

建立球团能质传递多元多相还原动力学模型，对复杂料层金属化瞬变热-质-流多场耦合机理开展研究，建立基于炉体非灰辐射特性与引入假想面的炉窑三元模型，研究了炉气、炉体结构等对炉料的传热特性和炉窑区域的热力学性能，获得复杂气氛炉窑多区域有机优化技术；通过研究氧携带燃烧过程火焰浓度场、温度场、析热场、烟气回流特性及污染物排放的变化规律，开发了基于非均衡分级氧携带燃烧技术的全过程耦合匹配的炉结构及系统。

2、转底炉全系统能量分析及优化研究

针对钢铁行业固废转底炉资源循环利用技术全流程，构建三流耦合的系统能量结构模型和多目标优化模型，对转底炉系统每道工序进行能量分析，横向对比了转底炉系统各工序的热损失权重和㶲损失权重，多目标优化，使用相似接近度方法选取最接近理想解的优化结果，有效降低转底炉的生产成本。

3、铁锌固废原料预处理技术研究与大型化转底炉开发

研究不同铁锌尘泥特性及均质混匀、消解、污泥干燥、水洗等预处理技术及对应还原效果，探索关键工艺参数对含锌尘泥直接还原的影响规律，开发适应钢铁企业含铁固废的配料、混匀、消解、成球、干燥等环节关键装置与设备，形成多种类、多形态、多相转底炉原料预处理技术。开放大型转底炉核心装备，形成基于铁锌固废全量资源循环利用的大型转底炉系统，实现工业化示范应用与成果推广。

三、主要创新性成果

1、探明了铁-锌-碳球团复杂料层瞬变热-质-流多场耦合机理，解决了炉膛结构耦合多相体系能质传递及化学反应的协同强化难题，开发了物流-能流、经济-环保相融合的多目标能耗分析与优化系统，实现了转底炉金属化率≥75%，脱锌率≥90%，吨产品综合能耗≤140kg标煤。

（1）构建了含碳球团直接还原动力学模型，明确了球团能质传递协同强化还原机制。建立辐射-传热-物质-化学耦合模型，明确料层辐射传热机理。探究了炉膛温度分区与球团还原特性的关联，获得关键因素对指标的影响规律。

图2 单球团与料层直接还原仿真分析

（2）构建了炉膛燃烧-流动-传热模型，明确了转底炉内高温多元多相体系能质传递及化学反应耦合机制，探究了空气预热温度、煤气流量、炉内燃烧器分布等对炉膛温度分布的影响，为转底炉温度分区和炉膛结构优化提供了有力支撑。

图3 转底炉本体模型及仿真

（3）划分了转底炉系统的界面，厘清了各界面参数的相互作用关系，首次构建了热-质-㶲三流耦合的系统能量结构模型，实现了各工序间物质流、能量流的化学成分、物性参数有效连接。

图4 转底炉处理冶金含铁固废系统构成

（4）开发了首款转底炉系统能量分析及优化软件，以吨产品的综合能耗、成本和二氧化碳排放量为目标，实现了转底炉系统优化模型的单目标和多目标优化。

图5 软件分析输入输出界面

2、研制了大料量下环形炉床可调节扇形布料装置、非均衡分级氧携带防粘接燃烧装置，优化了大中径自动纠偏与膨胀自适应环形回转炉床、螺距与转速耦合调节的高效长寿命螺旋出料装置及膜式强化换热的回转球团冷却机，形成了以“均匀布料-控氧燃烧-梯级还原-高效排料”为特色的大型转底炉系列核心装备，实现转底炉长期运行作业率≥90%。

（1）优化流道设计，开发出大料量下可调节扇形均匀布料装置，解决了环形炉床内外布料厚度不一致的问题，实现球团的可控制均匀布料。

图6 环形炉床可调节扇形均匀布料装置

（2）解决了燃烧器吸卷回流问题，开发了与大型转底炉炉膛匹配的防粘接、非均衡分级氧携带燃烧装置，提升了转底炉焙烧效果。

图7 转底炉燃烧装置仿真

（3）解决了大型转底炉环形台车高温膨胀及易跑偏难题，提升了运转平稳性。

图8 大型转底炉自动纠偏关键机构

（4）分析出料螺旋颗粒运动与受力分布，匹配了不同料量下的螺距与转速下的排料能力，优化了高效排料的长寿命螺旋出料装置。

图9 转底炉排料能力仿真分析

3、攻克了冶金铁锌固废规模化处置难题，构建了原料预处理柔性耦合转底炉系统的铁锌固废全量资源化处置技术体系，建成全球首座综合性含铁锌固废处理中心和首座稳定运行的30万吨级固废处理转底炉，攻克了全品类冶金铁锌固废规模化处置难题，实现了铁锌固废资源综合利用率≥99%。

（1）首次采用活性指数f_CaO判定含钙除尘灰中氧化钙的消解程度，明确了消解时间。用除尘灰与水反应后实际温升与理论温升的比值来表示除尘灰中CaO活性，定义为活性指数f_CaO：

基于该判定原则，确定了不同含钙除尘灰的活性指数。

混合灰消解初始阶段温度快速上升，3h后升温速度减慢，6h后平稳，至10h附近开始出现下降拐点，表明消解放热和试验装置散热达到平衡，消解过程基本完成。

图10 炼钢除尘灰中CaO消解温升曲线

（2）确定了高盐除尘灰水洗工艺合理的水灰比，首次提出搅拌结合在线反冲洗方式提升高盐除尘灰的脱盐率。水灰比按2:1，搅拌时间1h，送板框压滤机压滤脱水，在压滤机不开板情况下，分别按不同水灰比对泥饼反冲洗，氯的脱除率可达到95%以上。

（3）优化了污泥打散烘干工艺参数，解决了粘性污泥打散过程中易团聚、干燥差的问题，提升了装备可靠性。

（4）研究不同转速、不同混合时间对均质混匀料水分、成分均匀度的影响，提升配料与成型的效率，提升返生产物料稳定性或大型转底炉成型、焙烧指标。

（5）形成原料预处理耦合转底炉的技术集群，构建了铁锌固废的全量资源化处置技术体系。

图11 原料预处理与转底炉系统耦合逻辑图

四、应用情况与效果

本项目完整成果在首钢京唐、中天钢铁、越南台塑河静等公司实现推广应用，总合同额约13.47亿元，支撑赛迪转底炉快速发展，市场占有率达到80%左右，并首次实现国产转底炉技术成果整体出口海外。依托本项目，共申请专利29项，发表学术论文21篇，编写标准规范2项，获软件著作权1项。

典型案例1：首钢京唐含锌固废处置项目（赛迪热工环保总包）

本项目采用了赛迪热工环保研发的“基于铁锌固废全量资源化利用的大型转底炉系统”技术成果，新建了1条30万吨转底炉生产线和1条15万吨均质化生产线，2020年7月建成投产，有效处置了厂内含锌固废，解决了高炉入炉锌负荷较高的问题及炼钢转炉配加镀锌废钢的后顾之忧，该生产线已稳定运行4年，技术指标世界先进。

图12 首钢京唐含锌固废处置项目全景

典型案例2：中天钢铁含铁固废处置中心项目

本项目采用赛迪热工环保研发的“基于铁锌固废全量资源化利用的大型转底炉系统”技术成果，新建了1条30万吨转底炉生产线、1条25万吨均质化生产线、1条10万吨冷压块生产线以及1条40万吨氧化铁皮筛分生产线，2022年6月全面投运，技术指标世界先进。

典型案例3：越南台塑河静钢铁兴业炼铁部转底炉系统新建工程

本项目采用赛迪热工环保研发的“基于铁锌固废全量资源化利用的大型转底炉系统”技术成果，新建1条25万吨转底炉生产线、1条5万吨污泥打散烘干生产线，预计2024年12月建成投产，目前处于设备安装与调试阶段。本项目是中国对外出口的首条转底炉固废处置线，也是中国企业首次输出转底炉核心技术、标准、装备和项目管理，项目的建设，将带动“一带一路”冶金行业实现绿色升级。

信息来源：中冶赛迪工程技术有限公司

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