高碳粉煤灰綜合利用技術(shù)研究

宋明銘

（攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司二次資源綜合利用中心，四川 攀枝花 617000）

高碳粉煤灰是指固定碳含量較高的粉煤灰，該項目所指的高碳粉煤灰產(chǎn)自攀鋼能動中心，年產(chǎn)生量約為8 ~ 10萬t，固定碳含量在8% ~ 20%之間，能動中心發(fā)電鍋爐在回收轉(zhuǎn)爐和高爐煤氣發(fā)電時由于燃料不足而補充煤粉發(fā)電，煤粉在鍋爐中不充分燃燒造成粉煤灰碳含量較高。

高碳粉煤灰目前主要采用汽車運往巴關(guān)河渣場按廢棄物處理。造成資源浪費，同時每年還需200多萬元的運輸堆放費用。而且粒度較細(xì)的粉煤灰堆放在渣場，對周圍環(huán)境也產(chǎn)生一定的危害。

高碳粉煤灰以前采用浮選工藝浮選粉煤灰中的碳粉[1]，由于成本較高，浮選工藝已經(jīng)棄之不用，由于高碳粉煤灰含碳量高，活性較差，在水泥混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用首先，需要找到一條經(jīng)濟合理有效的綜合利用途徑，有效解決高碳粉煤灰的堆放問題。

1 高碳粉煤 灰的性質(zhì)及利用現(xiàn)狀

1.1 高碳粉煤灰的性質(zhì)

高碳粉煤灰呈褐色，而普通發(fā)電粉煤灰呈灰色。與普通粉煤灰相比，高碳粉煤灰含碳量較高，其他成分與普通粉煤灰成分接近，為硅鋁質(zhì)，高碳粉煤灰物相組成主要為不定型碳、不定型二氧化硅、石英、莫來石、硅酸鈣相，與普通粉煤灰物相組成接近，粉煤灰化學(xué)成分見表1。

表1 粉煤灰化學(xué)成分對比Table 1 Chemical composition comparison of fly ash

由于高碳粉煤灰含碳量較高，對粉煤灰的熱值進(jìn)行了測定，最高可達(dá)到1400 cal/g，最低僅為344 cal/g，平均為690 cal/g。

1.2 攀鋼鐵水保溫劑利用現(xiàn)狀

鐵水保溫劑主要用在鐵水罐上，起到鐵水保溫作用，生產(chǎn)原料主要有蛭石、碳粉、漂珠、碳化稻殼、粉煤灰、煙塵灰等，在國內(nèi)中小鋼鐵企業(yè)使用較普遍[2-3]。

鐵水保溫劑在攀鋼現(xiàn)場一直在使用，使用品種也較多，達(dá)到6 ~ 7種，鐵水保溫劑使用量約為1.3公斤每t鐵水，年保溫劑使用量4千余t，費用近500萬元，折合保溫劑每噸售價1140元，投入成本較高。

目前使用的保溫劑主要成分為硅鋁系材料，部分保溫劑含有10%以上的固定碳，可以作為鐵水的發(fā)熱劑，保溫劑的熔點在1400 ~ 1500℃之間。在鐵水罐內(nèi)加入鐵水保溫劑能不能起到較好的保溫效果一致沒有經(jīng)過調(diào)查，為了弄清鐵水保溫劑的保溫效果，2011年底攀鋼釩組織對高爐鐵水罐內(nèi)加入保溫劑效果進(jìn)行了全面調(diào)查，調(diào)查結(jié)果見表2。

表2 現(xiàn)場使用的保溫劑保溫效果Table 2 Thermal insulation eあect of thermal insulation agent used on site

基準(zhǔn)期鐵水溫降速度為0.50℃/min，在所添加的6種保溫劑中，E型保溫劑溫降速度最低為0.45℃/min，A、D、F均為0.48℃/min，C最高為0.50℃/min，與基準(zhǔn)相同，調(diào)查結(jié)果表明E型保溫劑保溫效果較好，其他保溫劑保溫效果不理想。

1.3 高碳粉煤灰綜合利用思路

針對高碳粉煤灰的綜合利用，課題組提出了利用高碳粉煤灰開發(fā)鐵水保溫劑，應(yīng)用于攀鋼現(xiàn)場，替代價格較高的商品保溫劑，實現(xiàn)降本增效。

分析國內(nèi)鋼鐵企業(yè)使用的保溫劑和攀鋼現(xiàn)場使用的多種鐵水保溫劑，材質(zhì)多為硅鋁質(zhì)，通過添加熔劑材料、發(fā)泡材料、自發(fā)熱材料、保溫材料等復(fù)合而成，具有熔點適中、堆密度輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、保溫效果好、可以實現(xiàn)自發(fā)熱的特點，而且有利于鐵水罐的翻罐和清渣操作，減輕現(xiàn)場勞動強度。

通過對高碳粉煤灰性質(zhì)分析，認(rèn)為高碳粉煤灰是做鐵水保溫劑的優(yōu)質(zhì)原料，本身為硅鋁系材料，在高溫下燒結(jié)形成空心微珠，體密輕，導(dǎo)熱系數(shù)低，保溫效果好，而且高碳粉煤灰本身含有8% ~ 20%的碳，具有自發(fā)熱作用，高碳粉煤灰熔點適中，可以通過添加適量熔劑改善保溫劑的熔點和粘度，使保溫劑效果更好。高碳粉煤灰鐵水保溫劑開發(fā)思路見圖1。

圖1 高碳粉煤灰鐵水保溫劑開發(fā)思路Fig.1 Development idea of hot metal insulation agent for high carbon fly ash

利用高碳粉煤灰開發(fā)鐵水保溫劑，可以有效實現(xiàn)廢渣資源的高效綜合利用，而且能降低現(xiàn)場的生產(chǎn)成本，實現(xiàn)降本增效，如果成功后能在攀鋼內(nèi)部（攀鋼釩、西昌鋼釩、攀成鋼等），每年可有效利用高碳粉煤灰接近1萬t。

2 實驗原料及方法

2.1 實驗材料

實驗用原料主要有高碳粉煤灰、蛭石、螢石、現(xiàn)場用的商品保溫劑、石灰石、碳酸鈉等，見表3。

表3 實驗材料Table 3 Test materials

2.2 實驗料制備及實驗方法

保溫劑主要原料采用高碳粉煤灰，通過添加添加劑螢石、石灰石，調(diào)整粉煤灰的熔化特性，將原料混合均勻按一定比例混合均勻即可用于實驗，保溫劑的配比見表4。

表4 粉煤灰保溫劑配比Table 4 Fly ash insulation ratio

在實驗室模擬鐵水罐的溫降，測定不同保溫劑對鐵水的保溫效果，保溫劑采用高碳粉煤灰保溫劑Ⅰ型和Ⅱ型，并與現(xiàn)場使用的商品保溫劑A、B、C、D、E、蛭石做對比，測試裝置見圖2。

圖2 保溫劑保溫性能測定裝置Fig.2 Schematic diagram of heat preservation performance measurement device of heat preservation agent

在石墨坩堝中加入3 kg的生鐵顆粒，采用氣氛爐將生鐵熔化為鐵水，溫度為1400℃，保溫1 h，然后將鐵水立即取出，在表面加100 g保溫劑，用鉑銠熱電偶測定鐵水隨時間的溫降，與空白樣（不添加保溫劑）做對比分析添加保溫劑對鐵水溫降效果的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 高碳粉煤灰保溫劑的性質(zhì)

高碳粉煤灰保溫劑主要原料采用高碳粉煤灰，通過添加添加劑螢石和石灰石，調(diào)整粉煤灰的熔化特性，適合攀鋼鐵水保溫劑的要求，二次資源的添加量達(dá)到85%以上，具有堆密度輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、保溫效果好、含有大量固定碳，能起到自發(fā)熱作用、熔點和粘度符合保溫劑要求等特點。

高碳粉煤灰保溫劑I、II型的主要性質(zhì)見表5。

表5 高碳粉煤灰保溫劑的性能指標(biāo)Table 5 Performance indexes of high-carbon fly ash insulation agent

主要成分與其他商品保溫劑接近，為硅鋁系材料，固定碳含量接近10%，S和P含量較低，堆密度為0.85 g/cm3，粒度< 2 mm 100%，水分控制在1%左右，全部性質(zhì)符合攀鋼釩鐵水保溫劑標(biāo)準(zhǔn)要求。

高碳粉煤灰保溫劑Ⅰ型和Ⅱ型的外觀，為灰黑色粉末狀，相比于現(xiàn)場使用的商品保溫劑顏色較深，主要是內(nèi)部固定碳含量較多造成。

3.2 高碳粉煤灰保溫劑的保溫性能

與現(xiàn)場目前使用的保溫劑A、B、C、D、E做對比，在實驗室模擬了高碳粉煤灰保溫劑I型和II型的保溫性能，見圖4。

圖4 保溫劑在鐵水表面結(jié)殼情況Fig.4 Crusting of the heat preservation agent on the surface of molten iron

從個圖3可以看出，在鐵水表面加保溫劑，與空白樣相比都能起到保溫效果，相比于現(xiàn)場使用的五種保溫劑和蛭石，高碳粉煤灰保溫劑I型和Ⅱ型的保溫效果要明顯能延緩鐵水的溫降，對鐵水起到較好的保溫作用。

圖3 加保溫劑對鐵水溫降的影響Fig.3 Effect of adding heat preservation agent on iron water temperature drop

圖4為保溫劑在鐵水表面的結(jié)殼情況，從圖4中看出，保溫劑與鐵水接觸部分呈熔融狀，冷卻后結(jié)殼，靠近空氣部分呈粉狀，沒有結(jié)殼，結(jié)殼情況說明幾種保溫劑熔點范圍接近，形成的殼強度很低，容易清渣。

從高碳粉煤灰保溫劑I型和II型與其他保溫劑的化學(xué)成分、熔點等性質(zhì)分析說明，高碳粉煤灰保溫劑I型和II型性質(zhì)與其他保溫劑性質(zhì)接近。模擬現(xiàn)場保溫實驗說明，將高碳粉煤灰保溫劑I型和II型加入高溫狀態(tài)的鐵水表面能較好的擴散開，高碳粉煤灰保溫劑對鐵水具有一定的保溫效果，與同類保溫劑相比較優(yōu)。

4 現(xiàn)場實驗

4.1 高碳高碳粉煤灰保溫劑I型和II型的準(zhǔn)備

高碳粉煤灰保溫劑I型和II型各準(zhǔn)備10 t，保溫劑加入量控制在1.2 ~ 1.5 kg/t鐵，每個鐵水罐保溫劑加入量約150 kg。

按圖1生產(chǎn)工藝生產(chǎn)高碳粉煤灰保溫劑，將原料通過混勻、干燥、包裝等工序包裝成袋，使水分控制在1.0%以下，采用纖維編織袋包裝，纖維袋采用塑料內(nèi)膜，防止空氣中的水分進(jìn)入，每袋重量控制在10 kg，方便加入和計量。對高碳粉煤灰保溫劑取樣進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果見表6。

表6 高碳粉煤灰保溫劑的檢測指標(biāo)Table 6 Test indexes of high-carbon fly ash insulation agent

水分控制在1.0%以下，S、P、C等含量符合鐵水保溫劑標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 實驗條件及方法

選擇2#高爐為實驗點，高爐出鐵過程測試條件為，在高爐出鐵過程中，當(dāng)?shù)谝还尬谎b滿半罐鐵時，測試鐵溝內(nèi)鐵水溫度（作為高爐出鐵鐵水溫度），滿罐時測試罐內(nèi)鐵水溫度（作為鐵水罐內(nèi)溫度），鐵水滿罐測溫時間作為鐵水罐的初始時間，2#取樣站在取樣器取完樣后對鐵水罐進(jìn)行罐內(nèi)溫度測試，作為統(tǒng)計最終溫度，2#取樣站測定時間作為鐵水罐測溫最終時間。第二罐位、第三罐位測試方法相同。實驗分加保溫劑和基準(zhǔn)期兩組實驗。

4.3 保溫劑加入方式

由于攀鋼鐵水罐的特殊性，鐵水保溫劑不能按常規(guī)方式加入，如在出完鐵水后加入保溫劑，保溫劑堆存在渣面上，無法鋪展開，使得保溫效果變差，見圖5。

圖5 保溫劑加入方式Fig.5 Method of adding insulation agent

實驗采用在鐵水出鐵過程中加入保溫劑，直至鐵水滿罐時加完。加入方式是直接將纖維袋加入，避免細(xì)灰被抽走。從渣面狀況可以看出，加入保溫劑渣面顏色較暗，不加保溫劑渣面較亮，散熱較快。

4.3 現(xiàn)場實驗效果分析

表7為現(xiàn)場實驗結(jié)果，加保溫劑I型有效樣本數(shù)量為19個罐次，加保溫劑II型有效樣本數(shù)量為30個罐次，基準(zhǔn)實驗有效樣本數(shù)量為39個罐次。實驗數(shù)據(jù)分析表明，基準(zhǔn)期鐵水罐平均溫降為0.62℃/min，加保溫劑I型鐵水罐平均溫降為0.59℃/min，可以減緩鐵水罐平均溫降0.03℃/min，加保溫劑II型鐵水罐平均溫降為0.56℃/min，可以減緩鐵水罐平均溫降0.06℃/min，實驗總樣本數(shù)量88罐統(tǒng)計表明鐵水罐滿罐至2#取樣站平均時間間隔為62 min，說明鐵水罐加保溫劑I型可以延緩鐵水罐溫降1.9℃，加保溫劑II型可以延緩鐵水罐溫降3.7℃，保溫劑II型優(yōu)于保溫劑I型。

表7 高碳粉煤灰保溫劑的保溫效果Table 7 Thermal insulation effect of high carbon fly ash insulation agent

與表8現(xiàn)場目前使用的商品保溫劑保溫效果相比，保溫劑I型的保溫效果與現(xiàn)場使用的商品保溫劑相當(dāng)，保溫劑II型優(yōu)于現(xiàn)場使用的商品保溫劑。

表8 商品保溫劑的保溫效果Table 8 Thermal insulation effect of commodity insulation agent

實驗過程中每罐鐵水的保溫劑加入數(shù)量為15袋，每袋重量10 kg，總量為150 kg，折合每噸鐵水保溫劑加入量約為1.2 kg。

保溫劑加入對翻罐和清渣的影響：高碳粉煤灰保溫劑的加入有效延緩了鐵水罐特別是鐵水罐上表面鐵水的溫降，不會形成鐵水表面的結(jié)殼（現(xiàn)場稱作結(jié)大蓋），并有利于降低鐵水罐清渣時的鐵損，更易于翻罐和清渣。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況反應(yīng)，在鐵水罐中加入保溫劑對鐵水罐的翻罐和清渣操作無不良影響，操作順利。

現(xiàn)場實驗結(jié)果表明，以高碳粉煤灰為主要原料開發(fā)的粉煤灰保溫劑Ⅰ型和Ⅱ型能有效減緩鐵水溫降，而且不影響鐵水罐的翻罐和清渣操作，使用效果優(yōu)于現(xiàn)場使用的商品保溫劑，可以代替商品保溫劑應(yīng)用于攀鋼高爐現(xiàn)場。

5 項目經(jīng)濟性分析

5.1 高碳粉煤灰保溫劑Ⅰ型效益分析

鐵水保溫劑使用量約為1.3公斤每噸鐵水，保溫劑使用量4300 t/年，費用490萬元。實驗分析表明，攀鋼鐵水保溫劑I型可以替代現(xiàn)有的鐵水保溫劑，由于攀鋼鐵水保溫劑I型生產(chǎn)成本很低，能有效降低煉鐵生產(chǎn)成本，并能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益。攀鋼鐵水保溫劑I型經(jīng)濟效益計算見表9，總體效益每年可達(dá)到383.7萬元以上。

表9 攀鋼鐵水保溫劑I型年經(jīng)濟效益計算Table 9 Economic benefit calculation at Pangang hot metal insulation I years

5.2 攀鋼鐵水保溫劑II型效益分析

以優(yōu)化后的保溫劑為基準(zhǔn)，在原有保溫劑基礎(chǔ)上能增加保溫劑成本75元/t，按噸鐵水保溫劑消耗量1.2公斤計算，噸鐵增加成本0.09元。

以現(xiàn)場實驗結(jié)論為依據(jù)，優(yōu)化后的保溫劑可以減緩鐵水罐（基準(zhǔn)）溫降0.06℃/min，相比于原保溫劑減緩溫降0.03℃/min，按鐵水出鐵滿罐到脫硫組罐過程時差在50 ~ 120 min之間，按60 min計算，可提高鐵水溫度1.8℃。根據(jù)煉鋼廠調(diào)研，每噸鐵水提高1.0℃，可降低噸鋼成本0.48元，結(jié)合組罐和脫硫過程中的熱損失，折算系數(shù)按0.5計算，計算公式為：

按煉鐵廠年產(chǎn)鐵水600萬t計算，每年可實現(xiàn)經(jīng)濟效益205萬元。

6 結(jié) 論

（1）以高碳粉煤灰為主要原料開發(fā)的攀鋼鐵水保溫劑I型能有效減緩鐵水溫降0.02℃/min，而且不影響鐵水罐的翻罐和清渣操作，使用效果與現(xiàn)場使用的商品保溫劑效果相當(dāng)，可以代替商品保溫劑應(yīng)用于攀鋼高爐現(xiàn)場。在攀鋼鐵水保溫劑I型基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化而成的攀鋼鐵水保溫劑II型保溫效果更佳，能有效減緩鐵水溫降0.06℃/min，而且不影響鐵水罐的翻罐和清渣操作，使用效果優(yōu)于攀鋼鐵水保溫劑I型和其他商品保溫劑。

（2）以高碳粉煤灰開發(fā)的攀鋼鐵水保溫劑I型生產(chǎn)成本較低，僅為86元/t，可實現(xiàn)經(jīng)濟效益383.7萬元/年，攀鋼鐵水保溫劑II型是在攀鋼鐵水保溫劑I型基礎(chǔ)上配比優(yōu)化而成，其經(jīng)濟效益可在攀鋼鐵水保溫劑I型基礎(chǔ)上增加205萬元/年，同時可以解決一部分高碳粉煤灰堆存問題，經(jīng)濟、社會效益顯著。