一體化熱熔渣巖棉生產(chǎn)新工藝

供稿|馮勤，冀中年 / FENG Qin, JI Zhong-nian

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為響應(yīng)國家“雙碳”綠色排放政策，針對傳統(tǒng)高爐渣處理方式中存在的諸多缺陷，本文提出了一種一體化熱熔渣巖棉生產(chǎn)新工藝，該工藝對系統(tǒng)組成進行合理配置：熱熔爐與巖棉車間零距離布置，使得從出渣位出渣后，直接運至調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨，極大地縮短渣罐運轉(zhuǎn)周期(從32 min縮短至2 min)，提高了入調(diào)溫調(diào)質(zhì)工序的熱熔渣溫度約30 ℃，有效降低后續(xù)加工難度，提高巖棉生產(chǎn)效率，降低運行成本和能耗，對巖棉行業(yè)的發(fā)展和鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排均具有十分重要的借鑒和參考意義。

我國每年鋼鐵產(chǎn)量約10億t，噸鐵高爐渣比為0.25~0.3 t，高爐渣作為鐵水的副產(chǎn)品產(chǎn)量很大。高爐渣中SiO2、Al2O3、CaO和MgO等主要成分質(zhì)量分數(shù)約占85%~90%，堿度0.9~1.0，屬于硅酸鹽材料。目前，高爐渣處理主要采用水淬法和干渣法。干渣法環(huán)境污染嚴重，資源利用率低，僅用于事故處理；水淬法因爐渣物理熱無法回收，且并未解決污染物排放等問題而受到限制[1]。高爐渣水淬冷卻后主要用作水泥原料，此處理流程呈現(xiàn)如下特點：(1)能耗高，出渣溫度1400~1500 ℃，熱焓1550~1750 kJ/kg(約為煉鐵工序能耗的10%)[2]，但是只能將高爐渣冷卻至室溫后才進入制備水泥工序；(2)污染嚴重，H2S和SOx隨蒸汽排入大氣；(3)資源浪費嚴重，水淬生產(chǎn)每噸高爐渣需消耗新水0.8~1.2 t，水淬渣含水率高達10%，而作為水泥原料仍需干燥，且產(chǎn)品附加值較低。近年來，國內(nèi)外學(xué)者從高爐渣化學(xué)成分分析、物理熱分析和環(huán)境分析等方面進行了大量研究工作，從而將目光轉(zhuǎn)向了附加值較高的巖棉生產(chǎn)[3-5]。

巖棉為人造纖維，細度4~6 μm，熱導(dǎo)率0.033~0.040 W/(m·K)，密度為 0.13~0.15 g/cm3，具有優(yōu)良的絕熱、吸聲、防火和抗震等性能，在節(jié)能和環(huán)保領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，廣泛應(yīng)用于石油、電力、冶金和建筑等行業(yè)[6-10]。特別是隨著外墻保溫技術(shù)的推廣應(yīng)用和有機材料被限制使用，巖棉保溫板多用于建筑和設(shè)備隔熱吸聲、單晶爐、冶金鑄造和石油裂化等領(lǐng)域，亦可作為天然石棉的替代品而用于橡膠增強、高溫密封、高溫過濾和高溫催化劑載體等，呈現(xiàn)繁榮發(fā)展態(tài)勢。

目前，高爐渣生產(chǎn)巖棉的主要工藝有“沖天爐”生產(chǎn)工藝和“電爐”生產(chǎn)工藝兩種[7,11]。

“沖天爐”生產(chǎn)工藝以高爐渣和焦炭等為主要原料，在黏度保持10 Pa·s(1450~1500 ℃)的前提下，添加調(diào)質(zhì)劑，調(diào)整酸度系數(shù)(SiO2+Al2O3的質(zhì)量與CaO+MgO的質(zhì)量之比)為1.6~1.8，得到符合要求的熔渣。但是，該生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量CO、CO2和SO2等廢氣，且因沖天爐本身工藝特點而無法回收，只能焚燒脫硫、脫硝處理后才能排放，造成環(huán)境污染的同時，提高了成本，給企業(yè)帶來嚴重的困難。

“電爐”生產(chǎn)工藝利用電極加熱，加入粉煤灰或石英砂等輔料在電爐進行調(diào)質(zhì)，無需焦炭、燃氣，不會產(chǎn)生大量廢氣，但是因高爐并未與電爐緊密相連，高爐渣需采用兩種方式運至電爐：(1)高爐渣冷卻后，冷態(tài)運至電爐二次熔化，大量顯熱被浪費，能耗太高；(2)由拖車或者抱罐車運送高溫液態(tài)熔渣至電爐，運輸時間較長，且不穩(wěn)定，熔渣極易凝固，粘渣嚴重。

綜合分析以上兩種工藝，“沖天爐”工藝污染環(huán)境嚴重、成本過高，受制于政策和工藝本身，發(fā)展已嚴重受限；“電爐”工藝因需二次熔化，生產(chǎn)每噸熱熔渣消耗電量800~1000 kW，每噸熱熔渣消耗石墨電極5 kg，加工成本居高不下，且兩種生產(chǎn)工藝均未解決CO2等廢氣排放問題。本文從經(jīng)濟成本和環(huán)境保護的角度考慮，以降低生產(chǎn)成本、兼顧環(huán)境友好為準繩，提出了一體化的熱熔渣巖棉生產(chǎn)工藝，合理配置系統(tǒng)組成，擴大生產(chǎn)原料，適應(yīng)靈活多變的市場。

新工藝系統(tǒng)概述

擁有堿度和顯熱優(yōu)勢的冶金熱熔渣制備巖棉的熔煉熱效率高，在業(yè)界受到了廣泛關(guān)注。在熱熔爐—調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐—巖棉生產(chǎn)流程中涉及大量連續(xù)和離散的過程變量，生產(chǎn)單元本身可變因素較多，存在時間不確定、溫度波動、設(shè)備狀況等外界可變因素，使得過程非常復(fù)雜。其中冶煉爐與巖棉生產(chǎn)線之間距離較長，熱熔渣多采用拖車或者抱罐車運輸，運輸過程中溫度迅速降低，極易凝固，能源散失的同時增加了巖棉加工難度，因此如何使冶煉爐與巖棉生產(chǎn)線有機組合，縮減運輸距離，建立連續(xù)緊湊、動態(tài)有序的熱熔渣運輸系統(tǒng)，確保巖棉生產(chǎn)流程連續(xù)順暢，運行成本大幅降低是研究的重點。

一體化熱熔渣巖棉生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括熱熔爐、熱熔渣運輸系統(tǒng)、調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐及巖棉生產(chǎn)系統(tǒng)(圖1)，具體方案為：

圖1 一體化熱熔渣巖棉生產(chǎn)工藝示意圖

(1)熱熔爐布置于熱熔爐區(qū)域，熱熔爐設(shè)有出渣口和出渣位；

(2)調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐布置于調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨中，調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨與熱熔爐區(qū)域毗鄰布置，跨內(nèi)還布置有熔渣傾翻區(qū)和渣罐維修區(qū)；

(3)巖棉生產(chǎn)線布置在巖棉跨中，巖棉跨與調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨垂直布置；

(4)熱熔渣運輸系統(tǒng)包括渣罐、渣罐車及運輸線、渣罐自動全程加揭蓋裝置和渣罐烘烤器。渣罐用于盛裝熱熔爐產(chǎn)生的熱熔渣，渣罐車承載渣罐通過運輸線在熱熔爐與巖棉生產(chǎn)線之間進行轉(zhuǎn)運。

新工藝生產(chǎn)特點

冶金熱熔渣通過出渣口出渣至渣罐內(nèi)，渣罐經(jīng)運輸線上的渣罐車直線運輸至調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨，跨內(nèi)行車吊運熱熔渣至調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐，經(jīng)調(diào)溫調(diào)質(zhì)后進行成棉，生產(chǎn)出合格巖棉，實現(xiàn)了熱熔渣生產(chǎn)巖棉的一體化生產(chǎn)工藝。具體生產(chǎn)流程為：在線烘烤后的渣罐車承載空渣罐運行至熱熔爐的出渣位等待出渣，1450~1500 ℃熱熔渣經(jīng)由熱熔爐的出渣口出渣至渣罐中，渣罐車承載滿罐的熔渣運行至渣罐自動全程加揭蓋(Ⅰ)裝置處自動加蓋，并直接運行至調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨；經(jīng)過自動全程加揭蓋裝置(Ⅱ)揭蓋后，通過調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨內(nèi)的行車吊運渣罐至調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐，并將渣罐內(nèi)的渣加至調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐內(nèi)，調(diào)溫調(diào)質(zhì)后進入成棉等巖棉生產(chǎn)工序；加完熱熔渣的空渣罐經(jīng)行車吊運至渣罐運輸線上，通過自動加揭蓋裝置(Ⅱ)加蓋后，渣罐車運行至熱熔爐區(qū)域的自動加揭蓋裝置(Ⅰ)處揭蓋后，出渣前進行在線烘烤，出渣前運行至出渣口處等待出渣；進入下一個循環(huán)。

新型一體化熱熔渣巖棉生產(chǎn)工藝(簡稱“一體化工藝”)中，熱熔爐與巖棉車間毗鄰布置，且零距離銜接，通過一條渣罐運輸線相互連接，渣罐車行走于出渣位和巖棉車間之間，加速了渣罐周轉(zhuǎn)，縮短了物流運輸，工序順暢、降低運行成本。

渣罐運輸周期短

運輸線承擔著兩個功能：①運送從熱熔爐至調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐的承裝熱熔渣的渣罐和空罐返回；②運送空渣罐至調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨維修。

渣罐運輸線長度指的是從出渣口至調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨之間的距離。鑒于此長度直接決定了熱熔渣溫度能否滿足調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐的溫度要求和渣罐能否在有限的時間內(nèi)返回?zé)崛蹱t并及時出渣，故需嚴格控制此長度。一體化工藝方案為熔融爐區(qū)域毗鄰調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨布置，即實現(xiàn)了上下游工序的無縫對接，最大限度地提高熔渣溫度和加快渣罐周轉(zhuǎn)。根據(jù)山西某工程實例，應(yīng)用此生產(chǎn)工藝，渣罐運輸線長度縮減至30 m，渣罐車運行速度為30 m/min，運輸周期分析見表1。

表1 一體化工藝渣罐運輸周期表

通過表1分析，熱熔渣罐運送至調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨僅需要2 min，而常規(guī)的冶金行業(yè)冶煉爐至調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨均采用抱罐車或渣罐平車(非軌道式)操作，距離較遠，運輸時間約32 min，且無保溫措施，增加了熱熔渣的凝固風(fēng)險。

熱熔渣溫降慢

合適的熔化性溫度、較好的流動性和適宜的黏度是高溫液態(tài)熔融液體重要的物理特性。根據(jù)文獻[12]典型鐵合金熱熔渣的黏度-溫度關(guān)系分析熱熔渣黏度特性發(fā)現(xiàn)，T≥1410 ℃時，黏度保持在1 Pa·s左右；而當T＜1410 ℃時，隨著溫度降低，熱熔渣黏度值均出現(xiàn)了明顯的拐點，黏度急劇上升。此拐點即為熱熔渣的熔化性溫度，只有當溫度大于熔化性溫度時熱熔渣才擁有良好的流動性；而當溫度低于熔化性溫度時，熱熔渣流動性極差，渣罐向外傾倒熱熔渣時非常困難，使得調(diào)溫調(diào)質(zhì)工序需要二次加熱，浪費大量能源。分析表明，溫度對熱熔渣的流動性影響極大。在一體化工藝中，熱熔渣區(qū)域與巖棉區(qū)域的零距離布置，在線烘烤器的布置和渣罐全程加蓋的措施均為T≥1410 ℃提供了強有力的保證：①渣罐運輸線上設(shè)置在線烘烤器以減少空罐凝渣和提高空渣罐溫度；②借鑒煉鋼廠的出鋼系統(tǒng)，渣罐運輸線上設(shè)置自動加揭蓋裝置，降低出鋼溫度和減少能耗。

熱熔爐出渣后，快速運行至渣罐自動加揭蓋(I)處自動加蓋，運送至自動加揭蓋(II)后自動揭蓋，運送至調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐加渣，返回渣罐運輸線并重新加蓋和揭蓋，最大限度地減少了渣罐的空蓋時間，提高了空渣罐內(nèi)的紅包率(即空渣罐內(nèi)的耐火材料溫度高)。

由表1可知，一體化工藝中渣罐運輸時間僅為2 min，相對于傳統(tǒng)熱熔渣運輸時間32 min減少30 min。熱熔渣平均溫降速度約1 ℃/min(不同成分的熱熔渣溫降速率不同)，減少的運輸時間為運送至巖棉車間的熱熔渣溫度減少溫降創(chuàng)造了條件，使熱熔渣溫降減少了約30 ℃。

此外，雖然熱熔爐為連續(xù)性生產(chǎn)，調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐為間斷生產(chǎn)，但是在線烘烤器和加蓋裝置可預(yù)防調(diào)溫調(diào)質(zhì)工序因檢修或事故引起的大幅溫降，保證熔融爐渣的短暫高溫，以避免熱熔渣傾翻變?yōu)楣虘B(tài)而帶來的經(jīng)濟損失。

界面保證措施

熱熔渣冶煉過程自身要求連續(xù)、穩(wěn)定運行。而調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐冶煉過程中的不穩(wěn)定因素較多，不僅受自身可靠性、生產(chǎn)穩(wěn)定性的影響，而且與下游成棉工序的穩(wěn)定性息息相關(guān)，即熔渣需求量波動性較大。當調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐正常周檢或出事故而不需要熔渣時，一定時間內(nèi)需解決熱熔爐渣的去處問題。短時間檢修時，可利用備用罐作為緩沖。而當短時間內(nèi)調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐不能恢復(fù)生產(chǎn)時，需保證熱熔爐內(nèi)的熱熔渣及時處理：①根據(jù)上下游匹配，采用一個熱熔爐對應(yīng)多個調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐的生產(chǎn)方式，避免“一停即?！钡膭傂砸睙挿绞?；②調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨內(nèi)設(shè)置熱熔渣的潑渣區(qū)域。

界面保證措施極大緩解了熱熔爐連續(xù)且不間斷的生產(chǎn)特性而給工藝流程帶來的危害，增強了此工藝的適應(yīng)性。

環(huán)境保護

一體化工藝中熱熔爐本體設(shè)置完備的除塵系統(tǒng)，且出渣口設(shè)置除塵罩，渣罐運輸過程中均采用加蓋保溫，合格的熱熔渣巖棉生產(chǎn)車間僅需調(diào)溫調(diào)質(zhì)后即可進入巖棉生產(chǎn)線，即本系統(tǒng)中的絕大部分煙塵均產(chǎn)自于熱熔爐，而熱熔爐除塵系統(tǒng)非常完善，故本生產(chǎn)工藝節(jié)能的同時對環(huán)境友好。

土地利用率高

一體化工藝中，熱熔爐與巖棉車間毗鄰，布置緊湊，土地利用率高。

結(jié)束語

(1)一體化熱熔渣生產(chǎn)新工藝有效解決了熱熔渣運輸?shù)臏亟祮栴}，從出渣位出渣后直接運至調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨，渣罐運轉(zhuǎn)周期僅需2 min，比傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝縮短了30 min，相當于提高進入調(diào)溫調(diào)質(zhì)工序的熱熔渣溫度約30 ℃，有效降低后續(xù)加工難度，提高了巖棉生產(chǎn)效率。(2)熱熔爐與巖棉車間零距離銜接，占地面積大大減小。(3)通過靈活調(diào)整渣罐運輸線的位置及數(shù)量，可以滿足多種目標產(chǎn)量的設(shè)置需求，生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)更加靈活。(4)相對于傳統(tǒng)的巖棉生產(chǎn)方式，生產(chǎn)系統(tǒng)連續(xù)性增強，渣罐運轉(zhuǎn)周期加快，減少了車間內(nèi)的渣罐數(shù)量，降低了工程投資和運行成本。