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(rèn)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(wèn)題。擬開發(fā)的高爐渣干式粒化工藝能有效解決這些問(wèn)題，是高爐渣處理利用的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 高爐渣；處理；熱量；干式粒化

國(guó)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(huì)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(guó)家建設(shè)的基礎(chǔ)行業(yè)，我國(guó)鋼鐵行業(yè)自20 世紀(jì)90 年代以來(lái)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(shí)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(guó)生鐵年產(chǎn)量50000萬(wàn)t 計(jì)算，產(chǎn)渣量達(dá)12500 萬(wàn)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(duì)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(duì)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(jìn)行急冷處理過(guò)程中，熔態(tài)爐渣中的絕大部分物質(zhì)還沒(méi)形成穩(wěn)定的化合物晶體，而是以無(wú)定形體或玻璃體的狀態(tài)將沒(méi)能釋放的熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，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(guó)高爐渣處理工藝現(xiàn)狀

目前，我國(guó)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(yán)重，一般只在事故處理時(shí)使用。水淬?；に嚕褪菍⑷廴跔顟B(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?；^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(guò)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(guó)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(hào)高爐( 2004m³) 上首次使用。我國(guó)上海寶鋼首次從日本“拉薩商社”引進(jìn)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(jìn)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(yùn)。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(diǎn)是: 工藝布置靈活，爐渣?；浞?，成品渣含水量低，質(zhì)量好，沖渣時(shí)產(chǎn)生的大量有害氣體經(jīng)過(guò)處理后排空，避免了有害氣體污染車間環(huán)境。其缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜，耗電量大，渣泵及運(yùn)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(shí)ARBED集團(tuán)開發(fā)的( 圖2) ，第一套因巴裝置于1980 年安裝在比利時(shí)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(hào)高爐( 4500m³ ) ，法國(guó)日產(chǎn)萬(wàn)噸生鐵的敦刻爾克4 號(hào)高爐( 4580m³ ) ，國(guó)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(guò)沖制箱的壓力水沖成水渣進(jìn)入水渣溝，然后經(jīng)滾筒過(guò)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?；捎棉D(zhuǎn)鼓脫水器脫水，不同之處主要在水系統(tǒng)。熱INBA 只有?；?，熱INBA 粒化水直接循環(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?；屠淠畠蓚€(gè)系統(tǒng)，冷凝水系統(tǒng)主要用來(lái)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(diǎn)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(guó)立冶金工廠設(shè)計(jì)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(yùn)行，到目前為止運(yùn)行狀況良好。該技術(shù)在我國(guó)首次使用是1997 年唐鋼原1 號(hào)高爐易地大修為2560m³高爐時(shí)，對(duì)應(yīng)高爐的3 個(gè)鐵口，從俄羅斯引進(jìn)了3 套粒化渣處理設(shè)備，于1998 年9 月26 日唐鋼二煉鐵廠2560m³ 高爐建成投產(chǎn)時(shí)投入運(yùn)行。圖拉法渣處理工藝過(guò)程主要分為: 爐渣?；?、冷卻; 水渣脫水; 水渣輸送與外運(yùn); 沖渣水循環(huán)。該工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，安全性高，耗水量小，運(yùn)行費(fèi)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(jìn)行水淬，水淬渣流經(jīng)?；郏缓筮M(jìn)入沉渣池，沉渣池中的水渣由抓斗吊抓出堆放于渣場(chǎng)繼續(xù)脫水( 圖4) 。沉渣池內(nèi)的水及懸浮物通過(guò)分配渠流入過(guò)濾池，過(guò)濾池內(nèi)設(shè)有礫石過(guò)濾層，過(guò)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(bǔ)充。其特點(diǎn)是: 機(jī)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(shí)現(xiàn)100% 循環(huán)使用，沒(méi)有外排污水，有利于環(huán)保。其缺點(diǎn)是占地面積大，系統(tǒng)投資也較大。

近期，中冶京誠(chéng)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(dá)到了降低建設(shè)、運(yùn)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(wèn)題

目前我國(guó)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(jìn)行。但是應(yīng)該認(rèn)識(shí)到水淬法渣處理工藝也存在著一些缺點(diǎn): ( 1) 水耗高。這對(duì)于水資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家來(lái)說(shuō)，問(wèn)題尤為嚴(yán)重。( 2) 在水淬渣過(guò)程中產(chǎn)生大量的H₂S 和SO_x隨蒸汽進(jìn)入大氣，造成環(huán)境污染。( 3) 沒(méi)有回收爐渣顯熱。1450 ～ 1500℃的液態(tài)高爐渣極具余熱利用價(jià)值，但在國(guó)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(dá)10% 以上，作為水泥原料時(shí)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(fèi)大量的新水資源，而且降低能源的使用效率，同時(shí)還帶來(lái)了環(huán)境污染。我國(guó)是世界上第一鋼鐵大國(guó)，又是水資源和能源匱乏的國(guó)家，因此更迫切的需要新工藝來(lái)對(duì)高爐渣進(jìn)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(jìn)行高爐渣?；惋@熱回收的工藝^［4］，幾乎沒(méi)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(shì)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(guò)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(gè)關(guān)鍵的操作: 一是高爐渣的?；?，另一個(gè)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(guò)余熱鍋爐以蒸汽的形式回收熱量。在高爐渣熱量回收的過(guò)程中，熔渣的粒化效果影響著熱回收率。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(shí)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(jì)80 年代做過(guò)一些模擬試驗(yàn)，這項(xiàng)工作做了部分實(shí)驗(yàn)室的冷態(tài)模擬，但沒(méi)有進(jìn)一步深入研究。在國(guó)外，自20 世紀(jì)70 年代以來(lái)，前蘇聯(lián)、英國(guó)、瑞典、德國(guó)、日本、澳大利亞等國(guó)就有研究高溫熔渣( 包括高爐渣、鋼渣)干式粒化技術(shù)的記錄，有的工藝還進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，但是到目前為止還沒(méi)有一種真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。進(jìn)行過(guò)工業(yè)試驗(yàn)的干式?；椒ㄓ腥N: 滾筒法、風(fēng)淬法和離心?；ā１? 是各種熔渣干式?；夹g(shù)的比較。

( 1) 滾筒( 轉(zhuǎn)鼓) 法

日本住友金屬20 世紀(jì)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(yàn)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(shí)被破碎?；?，?；俾涞搅骰采线M(jìn)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(guó)、瑞典、韓國(guó)等國(guó)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(hào)高爐上進(jìn)行了為期6 年的風(fēng)淬法高爐渣干式?；囼?yàn)。試驗(yàn)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(shí)渣粒的溫度已經(jīng)降到1050℃)而落下，在渣粒下落的過(guò)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(chǔ)存在高溫漏斗內(nèi)，然后在多段流動(dòng)層內(nèi)進(jìn)行二次熱交換，把?；M(jìn)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) 離心粒化法( 轉(zhuǎn)杯或轉(zhuǎn)碟法)

這項(xiàng)技術(shù)英國(guó)、日本、澳大利亞等國(guó)均有研究。英國(guó)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(duì)渣液進(jìn)行?；?。熔渣通過(guò)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(shí)已經(jīng)足夠硬，不會(huì)粘到壁上，這一點(diǎn)因水冷壁的存在得以加強(qiáng)( 溫降約150℃) 。

離心?；ㄔ?jīng)于20 世紀(jì)80 年代初期在英國(guó)鋼鐵公司Redcar 高爐上進(jìn)行了為期數(shù)年的工業(yè)試驗(yàn)。我國(guó)東北大學(xué)對(duì)該工藝也進(jìn)行了深入研究，分析了高爐熔渣的?；瘷C(jī)制，研究了轉(zhuǎn)杯邊緣線速度和熔渣溫度對(duì)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^(guò)接觸傳熱或輻射傳熱來(lái)回收熔渣顯熱的工藝，屬于物理法。它的特點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)化次數(shù)多，熔渣所含高品質(zhì)能量經(jīng)過(guò)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(gè)問(wèn)題，化學(xué)法回收熔渣熱量的研究勢(shì)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(dá)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?huì)生成一定的氫氣( H₂) 和一氧化碳( CO) 氣體，通過(guò)此吸熱反應(yīng)將高爐渣的顯熱轉(zhuǎn)移出來(lái)，化學(xué)反應(yīng)式如下:

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

生成的氣體進(jìn)入下一反應(yīng)器，在一定條件下氫氣和一氧化碳?xì)怏w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(lái)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(jìn)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(guó)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(lái)保證反應(yīng)溫度。該方案的煤粉氣化率和煤粉殘?jiān)鼘?duì)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?xì)怏w以達(dá)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(shí)轉(zhuǎn)化產(chǎn)物能值高、用途廣。從能源利用的角度來(lái)說(shuō)，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(jì)和理論探索階段，離實(shí)際應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)，必須加緊研究。

3 結(jié)論

( 1) 目前我國(guó)高爐渣水淬的幾種方法并沒(méi)有改變粒化渣大量耗水的特點(diǎn)，而且浪費(fèi)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(yán)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(xiàng)進(jìn)步，所產(chǎn)生的直接效益為不消耗新水、無(wú)H₂S 和SO_x排放、爐渣顯熱回收、節(jié)省生產(chǎn)水泥時(shí)干燥水渣所需能耗，具有極為廣闊的市場(chǎng)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(yuǎn)未成熟，尚需大量研究。

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