富氧側吹熔池熔煉工藝處理固體廢物的研究進展

楊璧瑋，劉 維，焦 芬，張 琳，覃文慶

（中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙 410083）

隨著冶金、電子、電鍍等行業的迅猛發展，各種固體廢物如廢酸渣、廢棄線路板、電鍍污泥等［1-3］也隨之產生。這些固體廢物產生量大、重金屬含量高、環境危害性大，迫切需要采取適宜的方法進行處理。固體廢物資源化［4］是采用一定的加工、處理工藝將固體廢物中的有用物質進行回收再利用，以達到節約資源和保護環境的目的。近年來，隨著固體廢物的產生量逐年增加，其資源化技術的研究與開發也日益受到人們的重視。

火法熔煉法是目前固體廢物資源化處理的常用手段，其中富氧側吹熔池熔煉技術是電鍍污泥、廢棄線路板等固體廢物資源化處理的主要手段［5-7］。它是將富氧空氣經由爐壁兩側的氧槍以高速噴入爐內熔池，使入爐物料同熔體發生劇烈攪拌并快速熔化，同時發生造銃、造渣反應，最終形成密度較高的銅銃層和密度較低的渣層，從而實現金屬與爐渣的分離［8-9］，具有原料適應性強、金屬回收率高、綜合能耗低、節能效果好、爐子壽命長等優點［10］。

本研究詳細介紹了富氧側吹熔池熔煉工藝及其核心設備，綜述了國內外關于富氧側吹熔池熔煉法處理各種固體廢棄物的現狀，總結了該工藝的技術特點和存在的不足，以期為改進與提升固體廢物的資源化利用效果作參考。

1 富氧側吹熔池熔煉工藝及其設備性能優化

1.1 富氧側吹熔池熔煉工藝

富氧側吹熔池熔煉法是我國基于瓦紐科夫熔煉法（即鼓泡法）自主研發的冶煉方法，目前在處理以電鍍污泥為代表的固體廢物中應用較為廣泛［11］。圖1為富氧側吹熔池熔煉法的典型工藝。在冶煉過程中，富氧空氣由爐體側墻銅水套上設置的氧槍（風嘴） 噴吹至爐內高溫熔體上層，使整個上部熔體區域處于強烈的攪拌狀態，形成噴流層。原料、熔劑、煤粉等物料由爐頂加料口加入。熔煉過程是富氧側吹熔池熔煉法的關鍵環節，在爐內活性反應區中，噴入渣層的富氧空氣劇烈攪動整個上部熔池，從爐頂落入的爐料在熔體與氣相的卷吸下快速熔化，同時發生強烈的造銃和造渣反應，最終密度較高的銅銃層位于下部，密度較低的渣層位于上部，實現金屬與爐渣分離［9］。

富氧側吹熔池熔煉技術處理以電鍍污泥為代表的固體廢物的一般工藝流程包含原料預處理、熔池熔煉和煙氣處理3部分。某些電鍍污泥如電鍍含銅污泥因含水率高、黏性強，在入爐熔煉之前必須經過干燥處理［12］。干燥之后的污泥與炭精、熔劑及其他原料經配料后送入側吹爐內，進行熔池熔煉。在熔池熔煉過程中，側吹爐內產生的煙氣經上部煙氣區域的出口進入余熱鍋爐進行余熱回收，然后再經布袋除塵器除塵后進入煙氣脫硫系統進行處理，達標后外排。

富氧側吹熔池熔煉工藝可以適應多種入爐原料，投入使用后能較大地提高能量利用效率及產能、床能率，還具有爐體壽命長、對環境友好、金屬資源綜合回收率高等優點［10］。與其他傳統冶煉方法相比，富氧側吹熔池熔煉法能夠實現重金屬污泥的無害化處理與有價金屬回收，使經濟效益最大化。近些年來富氧側吹熔池熔煉工藝在國內備受關注，許多學者針對不同物料進行了深入研究與優化，以期進一步提升處理效益。

1.2 富氧側吹熔池熔煉爐及其優化

富氧側吹熔池熔煉爐是富氧側吹熔池熔煉工藝的關鍵設備。圖2為用于電鍍污泥處理的某富氧側吹熔池熔煉爐的結構示意圖［13］。富氧側吹熔池熔煉爐的爐型通常為長方形，底端固定，以耐火材料作內襯，于關鍵部位鑲嵌銅水套；主體結構包括爐底基礎、爐缸、爐身、爐頂以及銅銃和爐渣出口等。爐底基礎需要有足夠的強度來承受整個設備及爐內熔體的重量，要保證基礎平整，防止與爐內富氧空氣在噴吹時發生共振。爐缸區的外殼一般由鋼板焊接而成，部分爐體會采用淺爐缸、厚內襯、斜底板設計，以防止爐缸因溫度降低而導致熱量散失或凍結。爐缸區域的側墻和端墻均安裝有銅水套，配合耐火材料與水冷技術以提高爐體壽命。爐身則全部由銅水套組合而成，氧槍設置于下層銅水套。爐頂區設置有立水套，以冷卻耐火材料，延長爐體使用壽命。富氧側吹熔池熔煉過程產生的爐渣以及銅銃分別由爐渣虹吸池和銅銃虹吸池中所設置的出口排出。出渣口排出的爐渣經水淬形成玻璃態的晶體渣，后續作為一般固體廢物堆存或者出售給水泥廠。出銅口排出的熔融態金屬，經鑄錠得到黑銅與部分冰銅［5］。

圖2 富氧側吹熔池熔煉爐的結構示意圖

富氧側吹熔池熔煉爐內發生的主要化學反應如下［8］：

在富氧側吹熔池熔煉爐工作過程中，熔體的多相流行為至關重要。在側墻氧槍的噴吹下，熔池區域上部渣層形成氣—液—固三相共存的湍流區，在此區域內富氧空氣、爐渣、銅銃的接觸面積大幅提升，使各種冶金物理化學反應充分進行，并顯著提高傳質、傳熱速率。由于氣體射流速率較高，氣體劇烈攪動高溫熔體，極大地影響了爐內的化學和物理過程，如氧化反應、氣液混合、熔體噴濺及渣金分離等，因此氣體流動對冶金熔煉過程影響較大，不僅直接關系到冶金反應的效率，同時也決定著熔煉爐的安全使用壽命［14］。因此，如何使富氧側吹熔池熔煉爐內的流場、溫度場分布更加合理，如何提高富氧空氣的利用率、減少側吹爐內的攪拌死區，是富氧側吹熔池熔煉爐優化的主要內容。利用計算流體力學（CFD）軟件來模擬富氧側吹熔池熔煉爐中多相流的行為，改變關鍵結構參數，探究最為合理的流場分布及其對應的最佳參數是優化富氧側吹熔池熔煉爐的有效手段。

CFD基于傳統的物理定律，可以模擬許多復雜情況下無法觀測到的現象和具體過程［15］。許多學者針對富氧側吹熔池熔煉爐中的熔煉過程進行了數值模擬仿真與研究。詹樹華等［16］探究并分析了側吹熔池內的兩相流運動行為和熔池攪動情況，修正了浸入式側吹射流的描述方法。李小龍等［17］對側吹煉銅過程中的乳化現象進行了模擬研究，考察了氣體流量對熔池內乳化層的形成、乳化液滴尺寸分布的影響規律，結果表明：乳化液滴的索特平均直徑（SMD）隨著氣體流量的增大而減小，乳化層內相間接觸面積隨氣體流量的增大呈線性增長。祝振宇等［18］在不同噴吹速率和噴吹方式下對側吹熔池內的流動過程進行了數值模擬，結果發現：采用低風口熔池時攪拌更劇烈，適當地增加一次風速有助于提高熔池上部區域熔體的運動強度。

在富氧側吹熔池熔煉爐CFD數值模擬仿真過程中，多相流模型與湍流模型的選擇至關重要。研究表明［19-20］，VOF（Volume of Fluid）多相流模型在預測射流噴射、液體中氣泡流動時效果較好。李鵬等［14］在研究富氧側吹熔池熔煉爐的氣液混合特征時，采用VOF多相流模型模擬氣液兩相流動過程，并驗證了此模型用于模擬熔池內攪動過程的可靠性，模擬結果表明：風口高度為0.9 m時，富氧空氣對于渣層的噴吹攪拌效果更好。LIU等［21］以某富氧側吹熔池熔煉爐為原型，根據相似原理建立水模型，并分析噴槍內氣體流速、噴槍浸沒深度以及噴槍傾斜角度對氣液兩相流動的影響，同時使用不同湍流模型進行模擬計算，結果發現使用Realizablek-ε湍流模型所得的仿真結果與實驗值最為接近。上述研究揭示了富氧側吹熔池熔煉爐內多相流行為與流場分布規律，為提高爐內冶金反應效率、攪拌強度以及優化爐體設計提供了一定的理論依據和指導。

2 富氧側吹熔池熔煉工藝處理固體廢物的現狀

2.1 處理電鍍污泥

電鍍污泥中含有Fe、Cu、Cr、Ni等多種重金屬元素［21］，這些重金屬主要來自電鍍廠排放的各種電鍍廢液和電解槽液等［4］。電鍍污泥屬于危險廢物，已被列入國家危險廢物名單［22］。富氧側吹熔池熔煉工藝是目前應用較為廣泛的電鍍污泥無害化與資源化處理技術。

富氧側吹熔池熔煉法處理電鍍污泥的大致流程見圖3［23］。由于電鍍污泥含水量高且黏度較大，為了防止污泥黏結運送設備、堵塞料倉，需要先對其進行干燥處理，通常在80～200 ℃下對電鍍污泥進行干燥，使其含水率降低至30%～35%；干燥后的電鍍污泥與其他輔料、炭精等混合配料，從爐頂加料口送入爐內進行側吹熔煉過程，在富氧空氣的劇烈攪動下，側吹爐內的物料充分反應，其中的金屬氧化物被還原成金屬液，其余雜質與熔劑造渣，渣相與金屬相分層，分別經出渣口和出銅口排出；得到的黑銅與冰銅經鑄錠后可外售，得到的玻璃態水淬渣可作為一般固體廢物堆存或作為建筑輔材外售；經側吹爐煙氣出口排出的熔煉煙氣進入余熱鍋爐回收余熱，再經布袋除塵器除塵和一系列脫硫脫硝處理后，最終外排煙氣滿足國家排放要求。

圖3 富氧側吹熔池熔煉處理電鍍污泥流程

許多學者開展了富氧側吹熔池熔煉工藝處理電鍍污泥的研究。宋珍珍［7］使用富氧側吹熔池熔煉工藝處理含銅污泥，銅回收率達到95%以上，渣中銅含量控制在0.7%以下，熔煉煙塵可作為次氧化鋅產品外售，廢氣可回收余熱降低能耗，冶煉渣經水淬后轉化為無害渣可作為建筑輔材外售，實現了污泥的綜合利用。陽倫莊等［5］對富氧側吹熔池熔煉處理電鍍污泥的工藝進行了優化，在熔化區富氧空氣體積分數為80%、側吹爐內熔煉溫度為1 300 ℃的條件下，電鍍污泥經處理后，銅回收率大于95%，鋅回收率大于65%，實現了電鍍污泥中有價金屬的資源化。藺公敏等［6］基于中聯富氧熔池熔煉爐的爐型及冶煉原理，針對電鍍污泥的特性，對爐子的爐缸及送風位置等進行了優化，采用多排風口的送風結構，根據不同的氧氣濃度和供風量送風，使其滿足不同電鍍污泥的處理需求。吳迪等［24］使用高溫富氧側吹熔池熔煉技術對含銅電鍍污泥進行了處置，采用“干燥—造?！邷馗谎鮽却等鄢厝蹮挕酂峄厥铡惫に?，不僅實現了電鍍污泥的無害化處理，而且還回收了其中的銅，具有極大的經濟效益和環保效益。

目前富氧側吹熔池熔煉技術被廣泛應用于電鍍污泥的資源化處理中，隨著富氧側吹熔池熔煉技術的不斷發展和優化，在電鍍污泥資源化方面，必將有更加廣闊的市場。

2.2 處理廢棄線路板

廢棄線路板通常含有30%的有機物、30%的非金屬無機物以及大約40%的金屬［25］。在金屬組分中，含有較多的有色金屬如Cu、Pb、Zn、Ni、Sn等，少量的貴金屬如Au、Ag、Pd、Pt等，以及少量的重金屬如Pb、Sn、Hg、Cr等，這些金屬均具有很高的回收價值。與此同時，廢棄線路板中的非金屬如環氧樹脂、聚氯乙烯等，經處理后也可以實現資源化再利用。因此，針對廢棄線路板的資源化處理是十分重要的研究方向［26］。

富氧側吹熔池熔煉技術目前在電子廢棄物回收領域應用較為廣泛，特別是針對廢棄線路板處理方面，許多研究人員開展了積極的探索和研究。在電子廢棄物回收領域擁有豐富經驗的Ronnskar冶煉廠利用富氧側吹熔池熔煉工藝處理電子垃圾，回收其中的Cu、Zn和其他貴、重金屬，年處理電子垃圾總量約10萬噸，回收的Zn占所回收金屬總量的20%以上［27］。李沖等［25］研究了富氧側吹熔池熔煉協同處理廢棄線路板的工藝及相關裝置。廢棄線路板首先通過烤錫機脫錫，然后用破碎機破碎成粒徑為50 mm左右的碎料，以含鐵廢渣和石灰石作熔劑，將所有原料連續送入側吹爐中進行側吹熔煉，控制側吹爐熔煉溫度為1 300～1 350 ℃，渣中銅含量小于0.5%。熔煉過程所產生的高溫煙氣中含有廢棄線路板中的有害有機物以及未完全燃燒的CO，通過爐體上部及上升煙道的二次風口鼓入空氣使其充分燃燒，燃燒尾氣溫度高達1 200 ℃，經過余熱鍋爐進行余熱回收后溫度降低至1 000 ℃，經余熱回收后的煙氣通過驟冷降溫，最大限度地抑制二口惡英的生成，使煙氣處理更加環保節能。

與機械處理等其他工藝處理廢棄線路板相比，使用富氧側吹熔池熔煉法具有原料適應性強、能耗低、金屬回收率高、環境友好等優勢［28］。經過不斷的技術研發與升級改造，我國恩菲側吹熔池熔煉技術已經日趨成熟，在廢棄線路板等電子廢棄物處理方面展現出巨大的優勢。

2.3 協同處理含金屬的固體廢物

除單一的危險固體廢物外，目前已經有許多關于富氧側吹熔池熔煉法協同處理多種危險固體廢物的研究及相關工業應用。郭鵬輝［8］采用富氧側吹熔池熔煉法對電鍍含銅污泥與廢棄線路板進行協同處理，廢棄線路板含有作為基板的玻璃纖維及作為黏結劑的高分子環氧樹脂［29］，二者在側吹熔煉的過程中燃燒放熱，可以替代部分燃料，降低燃料消耗；此外，玻璃纖維的主要成分為SiO2，在熔煉過程也可以充當部分熔劑，在入爐物料中加入廢棄線路板，還可以提高原料的銅品位。結果表明，該工藝對銅的回收率不低于95%，渣中銅含量不大于0.7%，實現兩種固體廢物的資源化利用。唐斌等［30］基于中國瑞林工程技術股份有限公司開發的側吹熔煉處理含銅危險廢物多金屬資源綜合回收技術，使用改進后的富氧側吹熔池熔煉法協同處理含銅污泥、廢棄線路板、廢催化劑、焚燒殘渣等固體廢物，同時搭配加入醫藥廢物、農藥廢物、廢有機溶劑等進行無害化處置。該工藝在渣線區、冰銅虹吸口、渣口使用銅水套進行冷卻，以避免側吹熔煉過程中危險廢物物料中有機物燃燒所造成的過熱。爐內熔煉溫度控制在1 250 ℃，最終得到的冰銅含銅48%，黑銅含銅88%，回收了危險廢物中的有價金屬，同時產出一般固體廢物爐渣和危險廢物煙塵。在協同處置這些危害巨大的固體廢物過程中，富氧側吹熔池熔煉法表現出良好的原料適應性，除電鍍污泥與廢棄線路板外，廢礦物油等其他固體廢物也能作為協同處置的原料進行側吹熔煉，充分發揮了此工藝處理能力大、床能率高的優點。與單獨處理一種固體廢物的工藝相比，協同處置多種固體廢物，不但提高了黑銅、冰銅的含銅品位，而且也提高了銅回收率，此外還同時消納、資源化利用了多種固體廢物，降低了能耗，大幅提高了經濟效益與環保效益。

3 結語與展望

富氧側吹熔池熔煉技術除了用于煉銅、煉鉛和冶煉各種精礦外，目前已廣泛應用于各類固體廢物的無害化、資源化處理。富氧側吹熔池熔煉處理固體廢物的整體工藝已發展得較為成熟可靠，具有低能耗、熱效率高、原料適應性強、對環境友好、處理能力大等優點。協同處理電鍍污泥、廢棄線路板等危險固體廢物時，流程相對簡單，大多數原料可直接入爐，還可以同時搭配處理不同種類的固體廢物。針對不同固體廢物的處理，富氧側吹熔池熔煉工藝也在處理流程和設備設計方面進行了優化，以滿足固體廢物處理的實際需求，提高資源回收率，降低處理成本。

目前富氧側吹熔池熔煉法仍存在一些不足，如對乳化層認知不清晰，在處理不同固體廢物的工藝中，熔池內乳化層厚度的變化與狀態還不明確，需要更深入的研究與探索；富氧側吹熔池熔煉爐氧槍內部結構以及設備相關參數的設定仍需進一步優化以滿足不同處理工藝需求，提高富氧空氣的利用率及爐內攪拌效果，降低能耗；基于CFD模擬等手段對側吹熔煉過程還有待深入探究，以降低模型的簡化程度，使仿真更加貼近側吹熔煉的工業化過程，進一步優化、改進并拓展其應用領域。相信隨著技術的發展和研究的深入，富氧側吹熔池熔煉法在固體廢物處理領域將有巨大的潛力與光明的前景。