高爐渣處理技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向

孔德文,張建良,郭偉行,左海濱,吳小兵

( 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院)

摘 要闡述了拉薩法( RASA) 、因巴法( INBA) 、圖拉法( TYNA) 、底濾法( OCP) 等當(dāng)前高爐渣處理工藝的技術(shù)現(xiàn)狀，認為目前的高爐渣處理存在水耗大、爐渣顯熱利用率低和硫化物等污染物排放的問題。擬開發(fā)的高爐渣干式?；に嚹苡行Ы鉀Q這些問題，是高爐渣處理利用的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞 高爐渣；處理；熱量；干式?；?/span>

國家“十一五”規(guī)劃提出了節(jié)能減排的戰(zhàn)略目標(biāo)，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會成為工業(yè)化、現(xiàn)代化發(fā)展戰(zhàn)略的首要任務(wù)。作為國家建設(shè)的基礎(chǔ)行業(yè)，我國鋼鐵行業(yè)自20 世紀90 年代以來快速發(fā)展。在現(xiàn)代鋼鐵產(chǎn)業(yè)中，高爐煉鐵工序能耗約占鋼鐵聯(lián)合企業(yè)總能耗的60%^［1］，是鋼鐵產(chǎn)業(yè)的能耗大戶，其節(jié)能減排潛力巨大。而高爐渣作為鋼鐵行業(yè)產(chǎn)量最大的副產(chǎn)品，其處理不僅消耗大量能源，同時也排出大量有害物質(zhì)。另一方面，每煉出1t 生鐵大約產(chǎn)生250 ～300kg 的高爐渣^［2］，按照我國生鐵年產(chǎn)量50000萬t 計算，產(chǎn)渣量達12500 萬t。普通高爐液態(tài)爐渣的溫度約在1400℃， 熱焓為1670 ～1880kJ /kg，約為煉鐵工序能耗的4% ～ 10%^［3］，對高爐渣余熱的有效利用，也是鋼鐵行業(yè)節(jié)能降耗的一種非常有效的措施。因此，對高爐渣的處理工藝研究非常必要。

高爐渣的主要成分是氧化鈣、氧化鎂、三氧化二鋁、二氧化硅，屬于硅酸鹽質(zhì)材料。在進行急冷處理過程中，熔態(tài)爐渣中的絕大部分物質(zhì)還沒形成穩(wěn)定的化合物晶體，而是以無定形體或玻璃體的狀態(tài)將沒能釋放的熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，從而具有潛在的化學(xué)活性，是優(yōu)良的水泥摻和料。

1 我國高爐渣處理工藝現(xiàn)狀

目前，我國在生產(chǎn)中應(yīng)用的高爐渣處理工藝主要是水淬?；に嚭透稍幚砉に?。由于后者資源利用率低并且環(huán)境污染較嚴重，一般只在事故處理時使用。水淬粒化工藝，就是將熔融狀態(tài)的高爐渣置于水中急速冷卻限制其結(jié)晶，使其在熱應(yīng)力作用下?；?。水淬后得到沙粒狀的粒化渣，絕大部分為非晶態(tài)。按脫水方式分為: ( 1)脫水槽法，亦即拉薩( RASA) 法; ( 2) 轉(zhuǎn)鼓脫水法，包括因巴( INBA) 法和圖拉( TYNA)法; ( 3) 渣池過濾法，亦即底濾( OCP) 法。

1. 1 拉薩法( RASA)

拉薩法水淬渣系統(tǒng)是由日本鋼管公司與英國RASA 貿(mào)易公司共同研制成功的( 圖1) ，1967年在日本福山鋼鐵廠1 號高爐( 2004m³) 上首次使用。我國上海寶鋼首次從日本“拉薩商社”引進了這套工藝設(shè)備( 包括專利技術(shù)) 。其工藝流程是: 高爐渣由渣溝流入沖制箱，與壓力水相遇進行水淬。水淬后的渣漿在粗粒分離槽內(nèi)濃縮后由渣漿泵送至脫水槽，水渣脫水后外運。脫水槽出水流到沉淀池，沉淀池出水循環(huán)使用。該法優(yōu)點是: 工藝布置靈活，爐渣?；浞?，成品渣含水量低，質(zhì)量好，沖渣時產(chǎn)生的大量有害氣體經(jīng)過處理后排空，避免了有害氣體污染車間環(huán)境。其缺點是設(shè)備復(fù)雜，耗電量大，渣泵及運輸管道容易磨損等，現(xiàn)階段很少有新高爐應(yīng)用拉薩法處理高爐渣。

1. 2 因巴法( INBA)

因巴( INBA) 沖渣系統(tǒng)是由比利時ARBED集團開發(fā)的( 圖2) ，第一套因巴裝置于1980 年安裝在比利時SIDMAR 廠B 高爐上。因巴沖渣系統(tǒng)在世界鋼鐵企業(yè)范圍應(yīng)用比較廣泛，包括日本的川崎鋼鐵千葉6 號高爐( 4500m³ ) ，法國日產(chǎn)萬噸生鐵的敦刻爾克4 號高爐( 4580m³ ) ，國內(nèi)的寶鋼、武鋼、馬鋼、鞍鋼、本鋼、太鋼等很多鋼鐵企業(yè)都應(yīng)用因巴工藝處理爐渣。其工藝流程是: 高爐渣由熔渣溝流入沖制箱，經(jīng)過沖制箱的壓力水沖成水渣進入水渣溝，然后經(jīng)滾筒過濾器脫水排出。因巴法有熱INBA、冷INBA 和環(huán)保型INBA之分。三種INBA 法的爐渣?；⒚撍姆椒ň嗤?，都是使用水淬粒化，采用轉(zhuǎn)鼓脫水器脫水，不同之處主要在水系統(tǒng)。熱INBA 只有?；瑹酙NBA ?；苯友h(huán); 冷INBA ?；到y(tǒng)設(shè)有冷卻塔，?；鋮s后再循環(huán); 環(huán)保型INBA 水系統(tǒng)分粒化水和冷凝水兩個系統(tǒng)，冷凝水系統(tǒng)主要用來吸收蒸汽、二氧化硫、硫化氫。環(huán)保型INBA 與冷、熱INBA 比較，最大的優(yōu)點是硫的散放量很低，它把硫的成分大都轉(zhuǎn)移到循環(huán)水系統(tǒng)中。

1. 3 圖拉法( TYNA)

圖拉法水渣處理技術(shù)是由俄羅斯國立冶金工廠設(shè)計院研制( 圖3) ，在俄羅斯圖拉冶金廠2000m³ 高爐上首次使用。該裝置自投入運行，到目前為止運行狀況良好。該技術(shù)在我國首次使用是1997 年唐鋼原1 號高爐易地大修為2560m³高爐時，對應(yīng)高爐的3 個鐵口，從俄羅斯引進了3 套?；幚碓O(shè)備，于1998 年9 月26 日唐鋼二煉鐵廠2560m³ 高爐建成投產(chǎn)時投入運行。圖拉法渣處理工藝過程主要分為: 爐渣粒化、冷卻; 水渣脫水; 水渣輸送與外運; 沖渣水循環(huán)。該工藝設(shè)備簡單，安全性高，耗水量小，運行費用低，可以處理含鐵量小于40% 的熔渣，不需要設(shè)干渣坑，占地面積小。

1. 4 底濾法( OCP)

高爐熔渣在沖制箱內(nèi)由多孔噴頭噴出的高壓水進行水淬，水淬渣流經(jīng)粒化槽，然后進入沉渣池，沉渣池中的水渣由抓斗吊抓出堆放于渣場繼續(xù)脫水( 圖4) 。沉渣池內(nèi)的水及懸浮物通過分配渠流入過濾池，過濾池內(nèi)設(shè)有礫石過濾層，過濾后的水經(jīng)集水管由泵加壓后送入冷卻塔冷卻、循環(huán)使用，水量損失由新水補充。其特點是: 機械設(shè)備少，施工、操作、維修方便，循環(huán)水質(zhì)好，水渣質(zhì)量好，沖渣系統(tǒng)可實現(xiàn)100% 循環(huán)使用，沒有外排污水，有利于環(huán)保。其缺點是占地面積大，系統(tǒng)投資也較大。

近期，中冶京誠工程技術(shù)有限公司發(fā)明了一種環(huán)保型底濾法高爐渣處理設(shè)備，該新型系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能、減排、安全生產(chǎn)，徹底改變傳統(tǒng)底濾法占地面積大的弊端，達到了降低建設(shè)、運行成本的目的。表1 表示的是上述幾種高爐渣水淬處理方法的主要技術(shù)指標(biāo)。

1. 5 當(dāng)前高爐渣處理工藝存在的問題

目前我國鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中，高爐渣的處理幾乎都是采用水淬法進行。但是應(yīng)該認識到水淬法渣處理工藝也存在著一些缺點: ( 1) 水耗高。這對于水資源嚴重短缺的國家來說，問題尤為嚴重。( 2) 在水淬渣過程中產(chǎn)生大量的H₂S 和SO_x隨蒸汽進入大氣，造成環(huán)境污染。( 3) 沒有回收爐渣顯熱。1450 ～ 1500℃的液態(tài)高爐渣極具余熱利用價值，但在國內(nèi)高爐渣余熱回收率很低，僅為10%左右。( 4) 需干燥處理。高爐水渣含水率高達10% 以上，作為水泥原料時須干燥處理，仍要消耗一定的能源。

如上所述，水渣工藝不但浪費大量的新水資源，而且降低能源的使用效率，同時還帶來了環(huán)境污染。我國是世界上第一鋼鐵大國，又是水資源和能源匱乏的國家，因此更迫切的需要新工藝來對高爐渣進行處理。

2 高爐渣處理的發(fā)展方向

2. 1 干式?；に?/span>

干式?；に囀窃诓幌男滤那闆r下，利用高爐渣與傳熱介質(zhì)直接或間接接觸進行高爐渣?；惋@熱回收的工藝^［4］，幾乎沒有有害氣體排出，是一種環(huán)境友好型、資源節(jié)約型的新式處理工藝。它的明顯優(yōu)勢是有效回收了高爐渣的顯熱，節(jié)約了大量新水，而且得到的渣粒非晶相含量超過95%^［5］，能夠作為制造水泥的優(yōu)質(zhì)原料。高爐渣的顯熱回收包括兩個關(guān)鍵的操作: 一是高爐渣的?；硪粋€就是熱量的回收。利用空氣回收爐渣的熱量，將熱空氣用作助燃空氣，或通過余熱鍋爐以蒸汽的形式回收熱量。在高爐渣熱量回收的過程中，熔渣的?；Ч绊懼鵁峄厥章?。熔渣的?；Ч麤Q定了渣粒與換熱介質(zhì)的換熱效果，渣粒越小其換熱時間越短，換熱效果越好。

關(guān)于高爐渣干式處理方面的研究工作，攀鋼研究院曾于20 世紀80 年代做過一些模擬試驗，這項工作做了部分實驗室的冷態(tài)模擬，但沒有進一步深入研究。在國外，自20 世紀70 年代以來，前蘇聯(lián)、英國、瑞典、德國、日本、澳大利亞等國就有研究高溫熔渣( 包括高爐渣、鋼渣)干式?；夹g(shù)的記錄，有的工藝還進行了工業(yè)試驗，但是到目前為止還沒有一種真正實現(xiàn)工業(yè)化。進行過工業(yè)試驗的干式粒化方法有三種: 滾筒法、風(fēng)淬法和離心粒化法。表2 是各種熔渣干式粒化技術(shù)的比較。

( 1) 滾筒( 轉(zhuǎn)鼓) 法

日本住友金屬20 世紀80 年代曾建立了采用滾筒法處理高爐渣，能力為40t /h 的試驗工廠^［6］。方法如下: 當(dāng)渣流沖擊到旋轉(zhuǎn)著的單滾筒外表上時被破碎粒化，?；俾涞搅骰采线M行熱交換，可以回收50% ～60% 的熔渣顯熱。它得到的產(chǎn)品是混凝土骨料。

( 2) 風(fēng)淬法

風(fēng)淬法處理高溫熔渣在日本、德國、瑞典、韓國等國家均有研究。其中，日本在這一方面做的工作比較突出。新日鐵、日本鋼管、川崎制鐵、神戶制鋼、住友金屬和日新制鋼6 家公司從1982 年開始在新日鐵名古屋3 號高爐上進行了為期6 年的風(fēng)淬法高爐渣干式?；囼?。試驗流程為: 從高爐排出的1450℃液態(tài)高爐渣流入風(fēng)洞內(nèi)的?；瘏^(qū)域，在此高壓高速的氣流將熔渣吹散、微粒化。大部分渣粒與安在風(fēng)洞內(nèi)的分散板和內(nèi)壁碰撞( 此時渣粒的溫度已經(jīng)降到1050℃)而落下，在渣粒下落的過程中從風(fēng)洞的下部吹入的冷卻空氣使渣粒冷卻到800℃ 并從風(fēng)洞中排出。排出的?；?jīng)熱篩篩除大顆粒爐渣后，儲存在高溫漏斗內(nèi)，然后在多段流動層內(nèi)進行二次熱交換，把?；M一步冷卻到150℃左右。NKK和三菱重工合作研究的鋼渣風(fēng)淬粒化工藝和俄羅斯烏拉爾鋼鐵研究院為查布羅什鋼鐵廠研制的鋼渣風(fēng)?；蜔崮芑厥昭b置在整體思路上與新日鐵的風(fēng)淬高爐渣工藝類似。

( 3) 離心?；? 轉(zhuǎn)杯或轉(zhuǎn)碟法)

這項技術(shù)英國、日本、澳大利亞等國均有研究。英國的Keveaner Davy 公司在此技術(shù)上頗有建樹。它使用可變速的轉(zhuǎn)杯對渣液進行粒化。熔渣通過覆有耐火材料的流渣槽從渣溝流至轉(zhuǎn)杯中心，在離心力作用下被冷卻( 溫降100 ～200℃) ，渣粒碰到?；鲀?nèi)壁時已經(jīng)足夠硬，不會粘到壁上，這一點因水冷壁的存在得以加強( 溫降約150℃) 。

離心?；ㄔ?jīng)于20 世紀80 年代初期在英國鋼鐵公司Redcar 高爐上進行了為期數(shù)年的工業(yè)試驗。我國東北大學(xué)對該工藝也進行了深入研究，分析了高爐熔渣的粒化機制，研究了轉(zhuǎn)杯邊緣線速度和熔渣溫度對渣粒平均直徑和質(zhì)量分布的影響^［7］。

上述水淬?；に嚭透墒搅；に嚕际峭ㄟ^接觸傳熱或輻射傳熱來回收熔渣顯熱的工藝，屬于物理法。它的特點是能量轉(zhuǎn)化次數(shù)多，熔渣所含高品質(zhì)能量經(jīng)過大量介質(zhì)換熱，回收到的是低溫品質(zhì)能量，并且溫差越大，熱損失就越大。為了從根本上解決這個問題，化學(xué)法回收熔渣熱量的研究勢在必行。

2. 2 化學(xué)法處理高爐渣

化學(xué)法是將高爐渣的熱量作為化學(xué)反應(yīng)的熱源回收利用。Bisio 等研究將高爐渣顯熱轉(zhuǎn)化為化學(xué)能以達到回收爐渣余熱的目的^［8］。甲烷( CH₄) 和水蒸氣( H₂O) 的混合物在高爐渣高溫?zé)岬淖饔孟聲梢欢ǖ臍錃? H₂) 和一氧化碳( CO) 氣體，通過此吸熱反應(yīng)將高爐渣的顯熱轉(zhuǎn)移出來，化學(xué)反應(yīng)式如下:

CH₄( g) + H₂O( g) = 3 H₂( g ) + CO( g)

生成的氣體進入下一反應(yīng)器，在一定條件下氫氣和一氧化碳氣體反應(yīng)生成甲烷和水蒸氣，放出熱量。高溫甲烷和水蒸氣的混合氣體經(jīng)熱交換器冷卻，重新返回循環(huán)使用，熱交換出來的熱量經(jīng)處理后可供發(fā)電、高爐熱風(fēng)爐等使用。

日本學(xué)者也提出用液態(tài)渣的余熱進行混合氣體制氫的方法:

( 1) 甲烷和水蒸氣制氫CH₄( g) + H₂O( g) = 3 H₂( g ) + CO( g)

( 2) 沼氣制氫CH₄( g) + CO₂( g) = 2 H₂( g ) + 2CO( g)

根據(jù)熱力學(xué)分析，化學(xué)法的熱損失僅為物理法的15%^［9］。

中國學(xué)者也提出一種基于離心?；b置的煤氣化爐^［10］。煤的氣化是吸熱反應(yīng)，利用高爐渣的顯熱來保證反應(yīng)溫度。該方案的煤粉氣化率和煤粉殘渣對于高爐渣利用的影響還需研究。

上述利用化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)可燃氣體以達到熔渣余熱回收的方案，不但可以省去眾多傳統(tǒng)的余熱回收設(shè)備，而且由于能量形式轉(zhuǎn)換的次數(shù)少，爐渣顯熱的熱損失小，同時轉(zhuǎn)化產(chǎn)物能值高、用途廣。從能源利用的角度來說，它的回收效率大大高于物理法。但是現(xiàn)階段化學(xué)法都處于概念設(shè)計和理論探索階段，離實際應(yīng)用還很遙遠，必須加緊研究。

3 結(jié)論

( 1) 目前我國高爐渣水淬的幾種方法并沒有改變粒化渣大量耗水的特點，而且浪費了大量的熔渣顯熱資源，硫化物等污染物排放現(xiàn)象依然很嚴重。

( 2) 高爐渣干式?；に嚫淖兞烁郀t渣的傳統(tǒng)處理方法，是煉鐵生產(chǎn)技術(shù)的一項進步，所產(chǎn)生的直接效益為不消耗新水、無H₂S 和SO_x排放、爐渣顯熱回收、節(jié)省生產(chǎn)水泥時干燥水渣所需能耗，具有極為廣闊的市場前景。

( 3) 從能源利用的角度講，化學(xué)法回收爐渣顯熱損失小、效率高，比物理法有前途。但其工藝遠未成熟，尚需大量研究。

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