鋼鐵熔融渣余熱利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

吳文斌

【摘 要】文章分析了國(guó)內(nèi)外在鋼鐵熔融渣余熱回收方面的技術(shù)現(xiàn)狀，并分析了在鋼渣熔融渣余熱回收技術(shù)方面的難點(diǎn)，展示了熔融渣余熱回收技術(shù)較好的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】鋼渣;高爐渣;熱回收

【中圖分類號(hào)】X757 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）04-0066-02

鋼鐵冶金工業(yè)產(chǎn)生了大量的鋼鐵渣（高爐渣和鋼渣），平均溫度為1 500 ℃左右，每噸鋼鐵渣所含的熱量按標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算，約60 kg。2018年我國(guó)的粗鋼產(chǎn)量達(dá)9億多t，簡(jiǎn)單估算鋼鐵渣的總量有4億t，這些鋼鐵渣中所含的熱量相當(dāng)于2 400萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤。目前，由于缺乏可靠的技術(shù)，處理這些鋼鐵渣的方式基本就是冷卻，也就是說(shuō)，不僅每年浪費(fèi)了2 200萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，還產(chǎn)生了大量的污染：如粉塵、熱污染。所以，研究和開(kāi)展鋼鐵熔融渣的余熱回收利用具有非常重大的意義。

1 概述

從鋼鐵行業(yè)看，目前全世界鋼企都比較關(guān)注鋼鐵渣的后期應(yīng)用，而非冷卻過(guò)程中余熱的回收。而且，由于處理方式不同，所以鋼鐵渣的物理和化學(xué)性質(zhì)也有所不同。眾所周知，急冷的渣活性較好，尤其是高爐渣，急冷時(shí)玻璃體含量比較高，活性較好，可以在建材行業(yè)得到很好的應(yīng)用;而鋼渣受到成分和處理方式的影響，活性相對(duì)較差，同時(shí)形成的鐵橄欖石等礦物耐磨，在建材行業(yè)的應(yīng)用受到了一定的限制。

相對(duì)而言，我國(guó)對(duì)鋼鐵渣的處理（破碎、冷卻）方式在全世界范圍內(nèi)，是比較先進(jìn)的。中冶建筑總院研究開(kāi)發(fā)了鋼渣有壓熱燜技術(shù)，屬于比較先進(jìn)的第四代鋼渣處理技術(shù)，具有出渣粒度?。ㄐ∮?0 mm）、安全性好、鋼渣活性好等特點(diǎn)，但是也沒(méi)能很好地實(shí)現(xiàn)熱燜過(guò)程中的余熱回收。

從全球范圍來(lái)看，鋼鐵渣處理過(guò)程中的余熱回收利用問(wèn)題，大多數(shù)還處于研究和試驗(yàn)階段。隨著人們對(duì)環(huán)保的日益重視及企業(yè)自身降低成本的需求，鋼鐵渣的余熱利用也被日益重視。

2 余熱利用現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外利用情況

俄羅斯采用滾筒法進(jìn)行鋼渣的余熱回收開(kāi)發(fā)。鋼渣通過(guò)渣罐進(jìn)入滾筒內(nèi)，生成的蒸汽混合氣體溫度為90～170 ℃，可直接用于生活設(shè)施或?qū)⑵浼訜嶂?00 ℃用于發(fā)電，熱利用系數(shù)可達(dá)到50%。

俄羅斯烏拉爾鋼鐵研究院研制了一套附有熱能回收的風(fēng)淬鋼渣處理工藝。在鋼渣傾倒過(guò)程中，渣與空氣流接觸產(chǎn)生輻射熱，通過(guò)專用設(shè)置收集轉(zhuǎn)換為熱水、蒸汽和熱空氣回收利用。

1977年，Mitsubishi和NKK合作研發(fā)了風(fēng)淬?；谠酂峄厥障到y(tǒng)，并于1981年末在日本福山制鐵所建成世界上第一套轉(zhuǎn)爐鋼渣風(fēng)淬?；療峄厥昭b置，通過(guò)輻射和對(duì)流換熱，渣溫從1 500 ℃降到300 ℃左右時(shí)，熱回收率可達(dá)40%～45%[1]。

日本川崎制鐵公司將熔融渣在特制攪拌器內(nèi)攪拌破碎，攪拌器內(nèi)排布冷卻水管，采用類似鍋爐的方式回收熱量（一級(jí)），再通過(guò)渣、空氣直接換熱方式回收熱量（二級(jí)），熱量回收率達(dá)到76%。

英國(guó)鋼鐵公司研制了轉(zhuǎn)杯-流化床法處理熔融渣，試驗(yàn)結(jié)果顯示：渣粒直徑為2 mm，玻璃體含量達(dá)95%以上，熱回收效率為60%。

2013年，以普銳特冶金技術(shù)有限公司為首的研究團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)采用空氣冷卻熔渣，同時(shí)回收損失熱量的干法霧化技術(shù)。該項(xiàng)目的第一階段已經(jīng)完成，2012年建立了一個(gè)試驗(yàn)裝置。研究結(jié)果顯示，該工藝適于工業(yè)應(yīng)用，隨即計(jì)劃建造一座半工業(yè)化規(guī)模的中試裝置。自2017年6月起，該中試裝置已經(jīng)進(jìn)行了批量試生產(chǎn)[2]。

上述這些技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用。

2.2 國(guó)內(nèi)利用情況

鋼鐵熔融渣余熱利用回收中，例如將高爐渣注入容器內(nèi)，容器周圍排布換熱水管，以類似鍋爐的形式回收余熱;高爐渣用水沖冷卻，高溫沖渣水中加換熱管，制成熱水用于取暖，等等。這些都屬于初級(jí)的利用，余熱回收效率比較低。但近些年來(lái)，也出現(xiàn)了一些新穎的工藝方法（思路）。

目前，國(guó)內(nèi)日益重視對(duì)鋼鐵熔融渣余熱回收技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，多個(gè)發(fā)明專利和實(shí)用新型專利方法獲得授權(quán)，包括多種鋼鐵熔融渣余熱利用回收的中試裝置甚至成套裝備設(shè)計(jì)方法。這些專利方法的特點(diǎn)如下：大多采用惰性氣體冷卻鋼渣，通過(guò)惰性氣體回收余熱;余熱回收率低;沒(méi)有應(yīng)用案例，大多數(shù)甚至連試驗(yàn)都沒(méi)有[4]。

據(jù)相關(guān)資料介紹，上海寶鋼集團(tuán)引進(jìn)俄羅斯?jié)L筒法處理鋼渣技術(shù)，并進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出了滾筒法處理技術(shù)，具有占地小、污染少等特點(diǎn)，但目前少見(jiàn)推廣應(yīng)用[5]。馬鋼集團(tuán)建立了鋼渣風(fēng)淬-水淬處理線，處理后鋼渣粒度基本在5 mm以下，但是沒(méi)有回收熱能。國(guó)內(nèi)某公司建立了射流轉(zhuǎn)輪法?；夹g(shù)（中試）裝置，類似鋼渣的轉(zhuǎn)杯法，但從介紹的資料看，該技術(shù)還存在出料粒度大、耗水量高、熱回收效率低等缺陷。

清華大學(xué)張衍國(guó)教授研發(fā)了“冶金熔渣射流干法?；录夹g(shù)”，并于2018年在某地建立了全球首套工業(yè)化示范項(xiàng)目，用水為介質(zhì)，利用高速射流粉碎熔融渣，采用流化床加移動(dòng)床的梯級(jí)熱能回收技術(shù)，熱回收達(dá)到80%以上，耗水量?jī)H為傳統(tǒng)水淬法的1/50，運(yùn)行成本低，污染小，安全性好。從前期運(yùn)行情況看，回收蒸汽的產(chǎn)量、質(zhì)量均較高，處理后的高爐渣玻璃體含量高達(dá)92%以上。該技術(shù)的推廣前景非常遠(yuǎn)大，如果能夠成功處理鋼渣，將成為熔融渣回收余熱的革命性技術(shù)，占據(jù)世界領(lǐng)先地位。

總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)鋼企對(duì)熔融渣的熱能回收利用比以往更加重視，并且在應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)了突破，環(huán)保和降低成本的要求是其主要?jiǎng)恿?，這是一個(gè)可喜的變化。

3 熔融渣余熱回收存在的難點(diǎn)

國(guó)內(nèi)關(guān)于鋼鐵熔融渣余熱回收的專利不少，但是真正能夠?qū)崿F(xiàn)較大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用的卻極少，主要原因不外乎以下幾點(diǎn)。

（1）安全性。目前，針對(duì)熔融渣余熱利用的專利技術(shù)大多是針對(duì)高爐渣，鋼渣的余熱回收利用更是空白，原因在于鋼渣中含金屬鐵，如果采用水作介質(zhì)冷卻，易產(chǎn)生易燃?xì)怏w，在高溫下會(huì)爆炸。國(guó)內(nèi)鋼渣熱燜處理生產(chǎn)線偶有發(fā)生爆噴事故，所以很多人止于理論研究。為了避免爆噴，許多人提出采用惰性氣體（如氮?dú)猓┳隼鋮s介質(zhì)，同時(shí)回收余熱，這個(gè)方法不僅成本高，還不能解決鋼渣中游離鈣鎂引起的安定性問(wèn)題[6]。

（2）技術(shù)方面。工藝技術(shù)方面存在的難點(diǎn)主要是進(jìn)料口的堵塞和密閉，傾倒熔融液態(tài)渣作業(yè)是間歇式的，尤其對(duì)鋼渣來(lái)說(shuō)，鋼渣罐容量有限，如果進(jìn)入?；b置需要頻繁作業(yè)，而熔融渣在高溫時(shí)流動(dòng)性比較好，但在1 000 ℃以下時(shí)逐漸失去了流動(dòng)性，造成堵塞進(jìn)料口。

（3）處理后熔融渣的質(zhì)量。采用風(fēng)淬、水淬處理高爐渣，冷卻后的高爐渣玻璃體含量都比較高，爐渣的活性較好;但是，如果類似的工藝處理熔融鋼渣后，由于渣中的金屬鐵大多被氧化，所以鋼渣中選取的鐵粒很少，可回收磁選粉較熱潑法處理鋼渣的方法大幅減少[7]。

從總體上看，由于熔融渣余熱回收在安全、技術(shù)等方面存在諸多難題，至今國(guó)內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)具備大規(guī)模推廣、完善的熔融渣余熱回收技術(shù)。

4 余熱利用技術(shù)展望

熔融渣余熱回收技術(shù)必須和熔融渣的?；幚砑夹g(shù)結(jié)合起來(lái)。目前，國(guó)內(nèi)流行的一次處理鋼渣熱燜方式投資很高，有壓熱燜技術(shù)投資更是巨大，加上二次處理的破碎、磁選工藝投資和運(yùn)行，總體成本還是比較高的。熔融渣余熱利用技術(shù)通常是將熔融渣?；?，同時(shí)回收熔融渣冷卻過(guò)程中的熱量，所以熔融渣余熱利用技術(shù)的推廣將有可能解決鋼渣處理投資、運(yùn)行成本高的難題，更有利于鋼渣后續(xù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，尤其擴(kuò)大在建材行業(yè)的應(yīng)用。

清華大學(xué)張衍國(guó)教授開(kāi)發(fā)的“冶金熔渣射流干法粒化新技術(shù)”，解決了熔融渣余熱技術(shù)產(chǎn)業(yè)化時(shí)碰到的很多難題，如熱回收率低、運(yùn)行成本高、耗水量大、污染大、不安全等，有望得到廣泛的推廣。如果能進(jìn)一步成功應(yīng)用于鋼渣處理，將可能解決鋼渣活性低、投資高的難題，擴(kuò)大鋼渣的終端應(yīng)用。

從清華大學(xué)射流干法?；夹g(shù)實(shí)際落地、成功應(yīng)用的案例看，如果成功應(yīng)用在鋼渣處理上，將使中國(guó)鋼渣處理和熔融渣余熱回收技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。

5 結(jié)語(yǔ)

熔融渣余熱回收技術(shù)不僅改變鋼鐵熔融渣的處理方式，還回收了冶金熔融渣帶走的大量熱量，它將是冶金行業(yè)的革命性的技術(shù)進(jìn)步。新形勢(shì)下，冶金企業(yè)節(jié)能降耗的要求越來(lái)越高，開(kāi)發(fā)、推廣熔融渣干法粒化技術(shù)成為鋼鐵企業(yè)非常緊迫的一項(xiàng)工作。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]趙福才，習(xí)曉峰，巨建濤，等.國(guó)內(nèi)外鋼渣處理工藝及資源化技術(shù)研究[C].2014年全國(guó)冶金能源環(huán)保生產(chǎn)技術(shù)會(huì)論文集，2014：624-629.

[2]李順.國(guó)內(nèi)外熔融高爐渣顯熱回收方法[J].工業(yè)加熱，2009（3）：1.

[3]戴曉天，齊淵洪，張春霞.熔融鋼鐵渣干式?；巷@熱回收技術(shù)的進(jìn)展[J].企業(yè)節(jié)能減排與資源綜合利用，2008（7）：5-6.

[4]劉勛賽，周瑜生.高爐熔渣顯熱回收可行性分析[J].鋼鐵，1995（12）：25-30.

[5]張宇，張健，張?zhí)煊?，?鋼渣處理與余熱回收技術(shù)的分析[J].中國(guó)冶金，2014（8）：25-29.

[6]王曉娣，刑宏偉，張玉柱.鋼渣處理方法及熱能回收技術(shù)[J].河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（1）：1-3.

[7]馮向鵬，廖洪強(qiáng)，余廣煒，等.融熔鋼渣顯熱回收技術(shù)現(xiàn)狀與展望[C].2008全國(guó)能源與熱工學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2008：437-438.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]