富氧侧吹熔池熔炼工艺处理固体废物的研究进展

杨璧玮，刘 维，焦 芬，张 琳，覃文庆

（中南大学 资源加工与生物工程学院，湖南 长沙 410083）

随着冶金、电子、电镀等行业的迅猛发展，各种固体废物如废酸渣、废弃线路板、电镀污泥等［1-3］也随之产生。这些固体废物产生量大、重金属含量高、环境危害性大，迫切需要采取适宜的方法进行处理。固体废物资源化［4］是采用一定的加工、处理工艺将固体废物中的有用物质进行回收再利用，以达到节约资源和保护环境的目的。近年来，随着固体废物的产生量逐年增加，其资源化技术的研究与开发也日益受到人们的重视。

火法熔炼法是目前固体废物资源化处理的常用手段，其中富氧侧吹熔池熔炼技术是电镀污泥、废弃线路板等固体废物资源化处理的主要手段［5-7］。它是将富氧空气经由炉壁两侧的氧枪以高速喷入炉内熔池，使入炉物料同熔体发生剧烈搅拌并快速熔化，同时发生造铳、造渣反应，最终形成密度较高的铜铳层和密度较低的渣层，从而实现金属与炉渣的分离［8-9］，具有原料适应性强、金属回收率高、综合能耗低、节能效果好、炉子寿命长等优点［10］。

本研究详细介绍了富氧侧吹熔池熔炼工艺及其核心设备，综述了国内外关于富氧侧吹熔池熔炼法处理各种固体废弃物的现状，总结了该工艺的技术特点和存在的不足，以期为改进与提升固体废物的资源化利用效果作参考。

1 富氧侧吹熔池熔炼工艺及其设备性能优化

1.1 富氧侧吹熔池熔炼工艺

富氧侧吹熔池熔炼法是我国基于瓦纽科夫熔炼法（即鼓泡法）自主研发的冶炼方法，目前在处理以电镀污泥为代表的固体废物中应用较为广泛［11］。图1为富氧侧吹熔池熔炼法的典型工艺。在冶炼过程中，富氧空气由炉体侧墙铜水套上设置的氧枪（风嘴） 喷吹至炉内高温熔体上层，使整个上部熔体区域处于强烈的搅拌状态，形成喷流层。原料、熔剂、煤粉等物料由炉顶加料口加入。熔炼过程是富氧侧吹熔池熔炼法的关键环节，在炉内活性反应区中，喷入渣层的富氧空气剧烈搅动整个上部熔池，从炉顶落入的炉料在熔体与气相的卷吸下快速熔化，同时发生强烈的造铳和造渣反应，最终密度较高的铜铳层位于下部，密度较低的渣层位于上部，实现金属与炉渣分离［9］。

富氧侧吹熔池熔炼技术处理以电镀污泥为代表的固体废物的一般工艺流程包含原料预处理、熔池熔炼和烟气处理3部分。某些电镀污泥如电镀含铜污泥因含水率高、黏性强，在入炉熔炼之前必须经过干燥处理［12］。干燥之后的污泥与炭精、熔剂及其他原料经配料后送入侧吹炉内，进行熔池熔炼。在熔池熔炼过程中，侧吹炉内产生的烟气经上部烟气区域的出口进入余热锅炉进行余热回收，然后再经布袋除尘器除尘后进入烟气脱硫系统进行处理，达标后外排。

富氧侧吹熔池熔炼工艺可以适应多种入炉原料，投入使用后能较大地提高能量利用效率及产能、床能率，还具有炉体寿命长、对环境友好、金属资源综合回收率高等优点［10］。与其他传统冶炼方法相比，富氧侧吹熔池熔炼法能够实现重金属污泥的无害化处理与有价金属回收，使经济效益最大化。近些年来富氧侧吹熔池熔炼工艺在国内备受关注，许多学者针对不同物料进行了深入研究与优化，以期进一步提升处理效益。

1.2 富氧侧吹熔池熔炼炉及其优化

富氧侧吹熔池熔炼炉是富氧侧吹熔池熔炼工艺的关键设备。图2为用于电镀污泥处理的某富氧侧吹熔池熔炼炉的结构示意图［13］。富氧侧吹熔池熔炼炉的炉型通常为长方形，底端固定，以耐火材料作内衬，于关键部位镶嵌铜水套；主体结构包括炉底基础、炉缸、炉身、炉顶以及铜铳和炉渣出口等。炉底基础需要有足够的强度来承受整个设备及炉内熔体的重量，要保证基础平整，防止与炉内富氧空气在喷吹时发生共振。炉缸区的外壳一般由钢板焊接而成，部分炉体会采用浅炉缸、厚内衬、斜底板设计，以防止炉缸因温度降低而导致热量散失或冻结。炉缸区域的侧墙和端墙均安装有铜水套，配合耐火材料与水冷技术以提高炉体寿命。炉身则全部由铜水套组合而成，氧枪设置于下层铜水套。炉顶区设置有立水套，以冷却耐火材料，延长炉体使用寿命。富氧侧吹熔池熔炼过程产生的炉渣以及铜铳分别由炉渣虹吸池和铜铳虹吸池中所设置的出口排出。出渣口排出的炉渣经水淬形成玻璃态的晶体渣，后续作为一般固体废物堆存或者出售给水泥厂。出铜口排出的熔融态金属，经铸锭得到黑铜与部分冰铜［5］。

图2 富氧侧吹熔池熔炼炉的结构示意图

富氧侧吹熔池熔炼炉内发生的主要化学反应如下［8］：

在富氧侧吹熔池熔炼炉工作过程中，熔体的多相流行为至关重要。在侧墙氧枪的喷吹下，熔池区域上部渣层形成气—液—固三相共存的湍流区，在此区域内富氧空气、炉渣、铜铳的接触面积大幅提升，使各种冶金物理化学反应充分进行，并显著提高传质、传热速率。由于气体射流速率较高，气体剧烈搅动高温熔体，极大地影响了炉内的化学和物理过程，如氧化反应、气液混合、熔体喷溅及渣金分离等，因此气体流动对冶金熔炼过程影响较大，不仅直接关系到冶金反应的效率，同时也决定着熔炼炉的安全使用寿命［14］。因此，如何使富氧侧吹熔池熔炼炉内的流场、温度场分布更加合理，如何提高富氧空气的利用率、减少侧吹炉内的搅拌死区，是富氧侧吹熔池熔炼炉优化的主要内容。利用计算流体力学（CFD）软件来模拟富氧侧吹熔池熔炼炉中多相流的行为，改变关键结构参数，探究最为合理的流场分布及其对应的最佳参数是优化富氧侧吹熔池熔炼炉的有效手段。

CFD基于传统的物理定律，可以模拟许多复杂情况下无法观测到的现象和具体过程［15］。许多学者针对富氧侧吹熔池熔炼炉中的熔炼过程进行了数值模拟仿真与研究。詹树华等［16］探究并分析了侧吹熔池内的两相流运动行为和熔池搅动情况，修正了浸入式侧吹射流的描述方法。李小龙等［17］对侧吹炼铜过程中的乳化现象进行了模拟研究，考察了气体流量对熔池内乳化层的形成、乳化液滴尺寸分布的影响规律，结果表明：乳化液滴的索特平均直径（SMD）随着气体流量的增大而减小，乳化层内相间接触面积随气体流量的增大呈线性增长。祝振宇等［18］在不同喷吹速率和喷吹方式下对侧吹熔池内的流动过程进行了数值模拟，结果发现：采用低风口熔池时搅拌更剧烈，适当地增加一次风速有助于提高熔池上部区域熔体的运动强度。

在富氧侧吹熔池熔炼炉CFD数值模拟仿真过程中，多相流模型与湍流模型的选择至关重要。研究表明［19-20］，VOF（Volume of Fluid）多相流模型在预测射流喷射、液体中气泡流动时效果较好。李鹏等［14］在研究富氧侧吹熔池熔炼炉的气液混合特征时，采用VOF多相流模型模拟气液两相流动过程，并验证了此模型用于模拟熔池内搅动过程的可靠性，模拟结果表明：风口高度为0.9 m时，富氧空气对于渣层的喷吹搅拌效果更好。LIU等［21］以某富氧侧吹熔池熔炼炉为原型，根据相似原理建立水模型，并分析喷枪内气体流速、喷枪浸没深度以及喷枪倾斜角度对气液两相流动的影响，同时使用不同湍流模型进行模拟计算，结果发现使用Realizablek-ε湍流模型所得的仿真结果与实验值最为接近。上述研究揭示了富氧侧吹熔池熔炼炉内多相流行为与流场分布规律，为提高炉内冶金反应效率、搅拌强度以及优化炉体设计提供了一定的理论依据和指导。

2 富氧侧吹熔池熔炼工艺处理固体废物的现状

2.1 处理电镀污泥

电镀污泥中含有Fe、Cu、Cr、Ni等多种重金属元素［21］，这些重金属主要来自电镀厂排放的各种电镀废液和电解槽液等［4］。电镀污泥属于危险废物，已被列入国家危险废物名单［22］。富氧侧吹熔池熔炼工艺是目前应用较为广泛的电镀污泥无害化与资源化处理技术。

富氧侧吹熔池熔炼法处理电镀污泥的大致流程见图3［23］。由于电镀污泥含水量高且黏度较大，为了防止污泥黏结运送设备、堵塞料仓，需要先对其进行干燥处理，通常在80～200 ℃下对电镀污泥进行干燥，使其含水率降低至30%～35%；干燥后的电镀污泥与其他辅料、炭精等混合配料，从炉顶加料口送入炉内进行侧吹熔炼过程，在富氧空气的剧烈搅动下，侧吹炉内的物料充分反应，其中的金属氧化物被还原成金属液，其余杂质与熔剂造渣，渣相与金属相分层，分别经出渣口和出铜口排出；得到的黑铜与冰铜经铸锭后可外售，得到的玻璃态水淬渣可作为一般固体废物堆存或作为建筑辅材外售；经侧吹炉烟气出口排出的熔炼烟气进入余热锅炉回收余热，再经布袋除尘器除尘和一系列脱硫脱硝处理后，最终外排烟气满足国家排放要求。

图3 富氧侧吹熔池熔炼处理电镀污泥流程

许多学者开展了富氧侧吹熔池熔炼工艺处理电镀污泥的研究。宋珍珍［7］使用富氧侧吹熔池熔炼工艺处理含铜污泥，铜回收率达到95%以上，渣中铜含量控制在0.7%以下，熔炼烟尘可作为次氧化锌产品外售，废气可回收余热降低能耗，冶炼渣经水淬后转化为无害渣可作为建筑辅材外售，实现了污泥的综合利用。阳伦庄等［5］对富氧侧吹熔池熔炼处理电镀污泥的工艺进行了优化，在熔化区富氧空气体积分数为80%、侧吹炉内熔炼温度为1 300 ℃的条件下，电镀污泥经处理后，铜回收率大于95%，锌回收率大于65%，实现了电镀污泥中有价金属的资源化。蔺公敏等［6］基于中联富氧熔池熔炼炉的炉型及冶炼原理，针对电镀污泥的特性，对炉子的炉缸及送风位置等进行了优化，采用多排风口的送风结构，根据不同的氧气浓度和供风量送风，使其满足不同电镀污泥的处理需求。吴迪等［24］使用高温富氧侧吹熔池熔炼技术对含铜电镀污泥进行了处置，采用“干燥—造粒—高温富氧侧吹熔池熔炼—余热回收”工艺，不仅实现了电镀污泥的无害化处理，而且还回收了其中的铜，具有极大的经济效益和环保效益。

目前富氧侧吹熔池熔炼技术被广泛应用于电镀污泥的资源化处理中，随着富氧侧吹熔池熔炼技术的不断发展和优化，在电镀污泥资源化方面，必将有更加广阔的市场。

2.2 处理废弃线路板

废弃线路板通常含有30%的有机物、30%的非金属无机物以及大约40%的金属［25］。在金属组分中，含有较多的有色金属如Cu、Pb、Zn、Ni、Sn等，少量的贵金属如Au、Ag、Pd、Pt等，以及少量的重金属如Pb、Sn、Hg、Cr等，这些金属均具有很高的回收价值。与此同时，废弃线路板中的非金属如环氧树脂、聚氯乙烯等，经处理后也可以实现资源化再利用。因此，针对废弃线路板的资源化处理是十分重要的研究方向［26］。

富氧侧吹熔池熔炼技术目前在电子废弃物回收领域应用较为广泛，特别是针对废弃线路板处理方面，许多研究人员开展了积极的探索和研究。在电子废弃物回收领域拥有丰富经验的Ronnskar冶炼厂利用富氧侧吹熔池熔炼工艺处理电子垃圾，回收其中的Cu、Zn和其他贵、重金属，年处理电子垃圾总量约10万吨，回收的Zn占所回收金属总量的20%以上［27］。李冲等［25］研究了富氧侧吹熔池熔炼协同处理废弃线路板的工艺及相关装置。废弃线路板首先通过烤锡机脱锡，然后用破碎机破碎成粒径为50 mm左右的碎料，以含铁废渣和石灰石作熔剂，将所有原料连续送入侧吹炉中进行侧吹熔炼，控制侧吹炉熔炼温度为1 300～1 350 ℃，渣中铜含量小于0.5%。熔炼过程所产生的高温烟气中含有废弃线路板中的有害有机物以及未完全燃烧的CO，通过炉体上部及上升烟道的二次风口鼓入空气使其充分燃烧，燃烧尾气温度高达1 200 ℃，经过余热锅炉进行余热回收后温度降低至1 000 ℃，经余热回收后的烟气通过骤冷降温，最大限度地抑制二口恶英的生成，使烟气处理更加环保节能。

与机械处理等其他工艺处理废弃线路板相比，使用富氧侧吹熔池熔炼法具有原料适应性强、能耗低、金属回收率高、环境友好等优势［28］。经过不断的技术研发与升级改造，我国恩菲侧吹熔池熔炼技术已经日趋成熟，在废弃线路板等电子废弃物处理方面展现出巨大的优势。

2.3 协同处理含金属的固体废物

除单一的危险固体废物外，目前已经有许多关于富氧侧吹熔池熔炼法协同处理多种危险固体废物的研究及相关工业应用。郭鹏辉［8］采用富氧侧吹熔池熔炼法对电镀含铜污泥与废弃线路板进行协同处理，废弃线路板含有作为基板的玻璃纤维及作为黏结剂的高分子环氧树脂［29］，二者在侧吹熔炼的过程中燃烧放热，可以替代部分燃料，降低燃料消耗；此外，玻璃纤维的主要成分为SiO2，在熔炼过程也可以充当部分熔剂，在入炉物料中加入废弃线路板，还可以提高原料的铜品位。结果表明，该工艺对铜的回收率不低于95%，渣中铜含量不大于0.7%，实现两种固体废物的资源化利用。唐斌等［30］基于中国瑞林工程技术股份有限公司开发的侧吹熔炼处理含铜危险废物多金属资源综合回收技术，使用改进后的富氧侧吹熔池熔炼法协同处理含铜污泥、废弃线路板、废催化剂、焚烧残渣等固体废物，同时搭配加入医药废物、农药废物、废有机溶剂等进行无害化处置。该工艺在渣线区、冰铜虹吸口、渣口使用铜水套进行冷却，以避免侧吹熔炼过程中危险废物物料中有机物燃烧所造成的过热。炉内熔炼温度控制在1 250 ℃，最终得到的冰铜含铜48%，黑铜含铜88%，回收了危险废物中的有价金属，同时产出一般固体废物炉渣和危险废物烟尘。在协同处置这些危害巨大的固体废物过程中，富氧侧吹熔池熔炼法表现出良好的原料适应性，除电镀污泥与废弃线路板外，废矿物油等其他固体废物也能作为协同处置的原料进行侧吹熔炼，充分发挥了此工艺处理能力大、床能率高的优点。与单独处理一种固体废物的工艺相比，协同处置多种固体废物，不但提高了黑铜、冰铜的含铜品位，而且也提高了铜回收率，此外还同时消纳、资源化利用了多种固体废物，降低了能耗，大幅提高了经济效益与环保效益。

3 结语与展望

富氧侧吹熔池熔炼技术除了用于炼铜、炼铅和冶炼各种精矿外，目前已广泛应用于各类固体废物的无害化、资源化处理。富氧侧吹熔池熔炼处理固体废物的整体工艺已发展得较为成熟可靠，具有低能耗、热效率高、原料适应性强、对环境友好、处理能力大等优点。协同处理电镀污泥、废弃线路板等危险固体废物时，流程相对简单，大多数原料可直接入炉，还可以同时搭配处理不同种类的固体废物。针对不同固体废物的处理，富氧侧吹熔池熔炼工艺也在处理流程和设备设计方面进行了优化，以满足固体废物处理的实际需求，提高资源回收率，降低处理成本。

目前富氧侧吹熔池熔炼法仍存在一些不足，如对乳化层认知不清晰，在处理不同固体废物的工艺中，熔池内乳化层厚度的变化与状态还不明确，需要更深入的研究与探索；富氧侧吹熔池熔炼炉氧枪内部结构以及设备相关参数的设定仍需进一步优化以满足不同处理工艺需求，提高富氧空气的利用率及炉内搅拌效果，降低能耗；基于CFD模拟等手段对侧吹熔炼过程还有待深入探究，以降低模型的简化程度，使仿真更加贴近侧吹熔炼的工业化过程，进一步优化、改进并拓展其应用领域。相信随着技术的发展和研究的深入，富氧侧吹熔池熔炼法在固体废物处理领域将有巨大的潜力与光明的前景。