環(huán)保型高爐水渣系統(tǒng)工藝路線選擇

供稿|王敏，劉思遠(yuǎn) / WANG Min, LIU Si-yuan

作者單位：唐鋼國(guó)際工程技術(shù)股份有限公司煉鐵事業(yè)部，河北 唐山 063000

內(nèi)容導(dǎo)讀介紹了高爐水渣系統(tǒng)底濾法工藝和機(jī)械轉(zhuǎn)鼓法工藝在操作維護(hù)、自動(dòng)化程度、節(jié)能環(huán)保等方面的優(yōu)缺點(diǎn)。在新的環(huán)保形勢(shì)下，底濾法工藝和轉(zhuǎn)鼓法工藝均面臨著改善生產(chǎn)環(huán)境的壓力，特別是重點(diǎn)治理水渣系統(tǒng)白色煙羽的要求下，消白工藝應(yīng)運(yùn)而生。文章分析了水渣系統(tǒng)白羽產(chǎn)生的機(jī)理以及消白工藝的原理，并對(duì)環(huán)保型底濾法工藝和轉(zhuǎn)鼓法工藝進(jìn)行了綜合對(duì)比評(píng)價(jià)，針對(duì)性地提出了選擇環(huán)保型水渣系統(tǒng)工藝路線的建議。

水渣系統(tǒng)是高爐煉鐵工藝的一個(gè)重要組成部分，隨著各地政府的環(huán)保政策日益趨嚴(yán)，水渣系統(tǒng)的環(huán)境保護(hù)問題也日益突出，特別是部分地方政府環(huán)保部門明確要求對(duì)高爐水渣系統(tǒng)產(chǎn)生的白羽進(jìn)行治理，因此水渣系統(tǒng)逐漸成為鋼鐵企業(yè)環(huán)境治理的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。近年來，伴隨鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、淘汰落后及過剩產(chǎn)能、實(shí)現(xiàn)綠色低碳生產(chǎn)的需要，很多鋼鐵企業(yè)通過產(chǎn)能置換的方式建設(shè)了新型現(xiàn)代化高爐， 在新的高爐系統(tǒng)建設(shè)中必然面臨著如何選擇水渣系統(tǒng)工藝的問題，很多鋼鐵企業(yè)都有如下困惑：如何在平衡生產(chǎn)操作、運(yùn)行維護(hù)成本、投資占地、特別是滿足環(huán)保要求等綜合因素的前提下，選擇最適宜企業(yè)的水渣系統(tǒng)工藝。本文通過對(duì)不同水渣系統(tǒng)工藝的對(duì)比分析，希望能為鋼鐵企業(yè)合理選擇水渣系統(tǒng)工藝提供有益的幫助。

典型高爐水渣系統(tǒng)工藝及運(yùn)行特點(diǎn)

典型的高爐水渣系統(tǒng)工藝按渣、水分離方式不同，可以分為兩種：一是沉淀過濾法，有渣池式、水力輸送沉淀池、底濾法、拉薩法等；二是機(jī)械過濾法，有轉(zhuǎn)鼓過濾器法、輪法、攪籠法、圓盤法等[1]。目前上述兩種方法中，沉淀過濾法應(yīng)用最多的是底濾法，機(jī)械過濾法應(yīng)用最多的是轉(zhuǎn)鼓過濾器法，這兩種方法在現(xiàn)代高爐系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，占主導(dǎo)地位。本文著重介紹底濾法、轉(zhuǎn)鼓過濾器法兩種方法。

底濾法

渣水混合物流入沉渣池，采用抓斗起重機(jī)抓渣，渣池內(nèi)的水則通過渣池底部的過濾層進(jìn)行排水，底濾法水渣工藝在1500 m3以下中小型高爐上應(yīng)用最為廣泛。

底濾法優(yōu)點(diǎn)[2]

1）作業(yè)率高：底濾法在線設(shè)施沒有機(jī)械設(shè)備，因此設(shè)備故障率低，作業(yè)率相對(duì)比較高，只是需要定期更換渣池過濾層濾料。

2）系統(tǒng)循環(huán)水較干凈：渣水分離是通過過濾層實(shí)現(xiàn)，渣水分離效果好，因此循環(huán)水水質(zhì)好，沖渣泵可以使用清水泵，維護(hù)成本低，循環(huán)水可以比較方便實(shí)現(xiàn)余熱回收利用，換熱器不易堵塞。

3）維修成本低：渣水分離主線幾乎沒有機(jī)械設(shè)備，設(shè)備維護(hù)成本很低。

底濾法缺點(diǎn)

1）占地面積大，通常是轉(zhuǎn)鼓機(jī)械法的兩倍以上。

2）環(huán)境差，蒸汽排放無序，對(duì)人體健康有害。沖渣產(chǎn)生的蒸汽含有多種有害元素和細(xì)小懸浮物，主要由H2S、氰化物和水蒸汽構(gòu)成。H2S是可燃性無色氣體，長(zhǎng)期反復(fù)的吸入會(huì)引起嗅覺的減退，以及神經(jīng)衰弱綜合癥和植物性神經(jīng)功能障礙。

3）蒸汽對(duì)周邊設(shè)施損壞較大，蒸汽中含有H2S氣體，H2S呈弱酸性，對(duì)鋼鐵設(shè)備具有腐蝕性，設(shè)備長(zhǎng)期處于濕熱、弱酸的環(huán)境當(dāng)中，加速了設(shè)備的腐蝕老化，電路故障頻發(fā)。

4）自動(dòng)化程度低，需要采用抓斗起重機(jī)進(jìn)行抓渣操作，水渣經(jīng)常需要二次倒運(yùn)，增加鏟車及運(yùn)輸汽車生產(chǎn)費(fèi)用。

5）抓斗工作效率低，尤其是對(duì)大型高爐，隨著高爐爐容的加大，留給底濾法水渣系統(tǒng)的清渣時(shí)間越來越少，但是處理的渣量是越來越大，人工抓渣以及抓斗設(shè)備愈加不能適應(yīng)其工況，工人勞動(dòng)強(qiáng)度增大，生產(chǎn)危險(xiǎn)性也增大。

6）濾池發(fā)生板結(jié)，高爐水渣具有水硬凝膠的特性，造成濾池濾料與渣水混合物中的細(xì)纖維板結(jié)，嚴(yán)重影響過濾層濾水性，長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)富集，造成凝膠物質(zhì)越來越多，容易導(dǎo)致板結(jié)，堵塞過濾層。

7）對(duì)補(bǔ)充水水質(zhì)要求較高：由于環(huán)保要求，工業(yè)廢水不允許直接外排，因此很多企業(yè)的工業(yè)廢水都提供給水渣系統(tǒng)作為生產(chǎn)補(bǔ)充水，主要來源是焦化水、脫硫水。焦化水中的酚氰類有機(jī)物能與許多酸性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成凝膠物質(zhì)，這些凝膠物與水渣聚集引起結(jié)垢。脫硫水懸浮物含量高，降低過濾層過濾效果，加快板結(jié)的形成。由此可見，工業(yè)廢水不適宜作為底濾法水渣系統(tǒng)的補(bǔ)充水。正常渣池過濾層壽命一般在1.5～2 a，如果使用工業(yè)廢水，濾層壽命僅有0.5～1 a，因此，很多企業(yè)為了提高過濾層壽命，不得不使用工業(yè)新水作為水渣系統(tǒng)補(bǔ)充水，提高了生產(chǎn)成本。

8）更換濾料時(shí)間長(zhǎng)，由于渣池過濾層板結(jié)，造成更換過濾層特別困難，需要很長(zhǎng)時(shí)間，一般需要時(shí)間為15～20 d。

轉(zhuǎn)鼓過濾器法

高爐熔渣被粒化箱噴出的高速水流?；鋮s，渣水混合物在轉(zhuǎn)鼓過濾器中進(jìn)行渣水分離，隨著轉(zhuǎn)鼓過濾器的旋轉(zhuǎn)，脫水后的水渣直接落到膠帶運(yùn)輸機(jī)上運(yùn)至水渣成品槽貯存，濾出的水循環(huán)使用。

轉(zhuǎn)鼓法優(yōu)點(diǎn)

1）占地面積小，由于沒有過濾池，只有小型沉淀池，大大減少了占地面積。

2）自動(dòng)化程度高，完全實(shí)現(xiàn)無人值守，水渣過濾和運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)一體化，過濾后的水渣直接由膠帶運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)運(yùn)輸。脫水轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速能夠根據(jù)渣流量大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

3）機(jī)械設(shè)備少，維護(hù)作業(yè)量小。

4）環(huán)保效果好，相比于底濾法工藝，轉(zhuǎn)鼓法工藝基本實(shí)現(xiàn)全密封，沖渣時(shí)產(chǎn)生的蒸汽收集效果好，可以通過煙囪集中排放，大大改善了爐前環(huán)境。

5）脫水轉(zhuǎn)鼓工藝設(shè)備成熟，適應(yīng)不同級(jí)別的高爐爐型，目前已經(jīng)在5500 m3高爐上進(jìn)行了成熟的應(yīng)用。

轉(zhuǎn)鼓法缺點(diǎn)

1）轉(zhuǎn)鼓法的脫水器濾網(wǎng)磨損后需要更換，為不影響生產(chǎn)，一般利用兩次出渣間歇期進(jìn)行，對(duì)工人的操作水平和熟練程度要求比較高。

2）由于脫水器采用金屬濾網(wǎng)進(jìn)行渣水分離，過濾精度低，過濾后的水中懸浮物相對(duì)比較高，因此，沖渣泵不能采用清水泵，需要采用渣漿泵，投資和維護(hù)成本增加。

3）由于過濾后的水質(zhì)較差，對(duì)沖渣水采暖工藝造成了一定困難，造成采暖工藝水過濾器容易堵塞，轉(zhuǎn)鼓法沖渣水需要嚴(yán)格的過濾工藝才能用于沖渣水采暖。

水渣白羽治理與環(huán)保型水渣處理工藝

隨著環(huán)境治理要求的提高，環(huán)保型水渣處理工藝成為目前高爐水渣系統(tǒng)的必備配置，水渣系統(tǒng)環(huán)保治理的重點(diǎn)對(duì)象就是沖渣時(shí)產(chǎn)生的白羽。

水渣白羽

水渣白羽的形成

煉鐵高爐水沖渣系統(tǒng)產(chǎn)生大量濕度大的濕空氣，或含濕量大的煙氣，在排放過程中遇到冷空氣迅速放熱降溫，濕空氣、煙氣中部分汽態(tài)水凝結(jié)成細(xì)小水滴，在可見光及太陽(yáng)照射下表現(xiàn)為白色煙羽（簡(jiǎn)稱白羽）。從熱力學(xué)機(jī)理上，白羽就是不飽和（無白羽）或飽和（臨界點(diǎn)）的濕空氣、濕煙氣與空氣混合后，迅速傳熱傳質(zhì)過程，濕空氣、濕煙氣進(jìn)入到了過冷狀態(tài)，就出現(xiàn)了白羽，如圖1所示。

圖1 白羽形成示意圖

白羽的危害

1）冬季生產(chǎn)水渣系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量白羽，特別是底濾法水渣工藝，白羽排放無組織，四處彌漫，對(duì)高爐出鐵場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境影響極大，操作工人視覺收到極大影響，造成安全隱患。

2）白羽對(duì)出鐵場(chǎng)周邊建筑物及工業(yè)管道腐蝕性強(qiáng)，經(jīng)常3 a左右就要更換出鐵場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)外墻封板以及工業(yè)管道，提高了生產(chǎn)維護(hù)成本。

3）視覺效果差，對(duì)高爐系統(tǒng)的美觀造成了破壞，極大影響了環(huán)保生產(chǎn)的效果，亟需治理。

如何消除白羽

從機(jī)理上，治理白羽，就是使?jié)駸煔庠谂c空氣混合后的傳熱傳質(zhì)過程中，混合氣體的狀態(tài)點(diǎn)軌跡不進(jìn)入到飽和線下的白羽可見區(qū)域。由圖2可見，處理后的煙氣工況點(diǎn)濕度小于排煙點(diǎn)，溫度高于排煙點(diǎn)。因此，消除白羽的措施是，脫濕、加熱。目前消白工藝已經(jīng)在北方地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，取得了很好的環(huán)保效果，改善了高爐爐前操作環(huán)境。

圖2 白羽治理原理圖

環(huán)保型底濾法渣處理工藝

在傳統(tǒng)底濾法渣處理工藝的基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展出了環(huán)保型底濾法渣處理工藝，主要是采取了如下環(huán)保提升措施：在熔渣溝沖渣點(diǎn)處設(shè)計(jì)粒化塔，充分收集沖渣點(diǎn)處的大量水蒸汽，縮短沖渣溝，減少蒸汽飄逸，底濾池進(jìn)行封閉，沖渣水設(shè)計(jì)冷卻塔，降低沖渣水溫度，降低沖渣水的汽化量，各水蒸汽發(fā)生點(diǎn)封閉后統(tǒng)一收集進(jìn)行消白處理。采用消白工藝等環(huán)保措施后，底濾法渣處理工藝的生產(chǎn)環(huán)境大幅提升，夏季基本沒有視覺白羽產(chǎn)生，冬季生產(chǎn)環(huán)境也大幅改善，但是，環(huán)保型底濾法工藝在冬季仍存在白羽飄逸的問題，主要是底濾池部位，在抓渣時(shí)仍然不可避免的會(huì)產(chǎn)生白羽，這是底濾法工藝目前采用抓斗起重機(jī)進(jìn)行人工抓渣操作不可避免的缺陷。

環(huán)保型轉(zhuǎn)鼓法渣處理工藝

轉(zhuǎn)鼓法渣處理工藝相比于底濾法工藝具備先天環(huán)保優(yōu)勢(shì)，但冬季也有局部蒸汽彌漫，同時(shí)脫水器上方的煙囪也排放出大量白羽，視覺效果較差。環(huán)保型轉(zhuǎn)鼓法具體環(huán)保提升措施：沖渣水設(shè)計(jì)冷卻塔，降低沖渣水溫度，降低沖渣水的汽化量。同時(shí)，轉(zhuǎn)鼓法在已有的比較好的封閉效果上，進(jìn)一步完善封閉后各水蒸汽發(fā)生點(diǎn)統(tǒng)一收集進(jìn)行消白處理，徹底消除視覺白羽，采用消白等環(huán)保措施后，轉(zhuǎn)鼓法渣處理工藝環(huán)保效果較佳。

從表1中可以看出，兩種水渣工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)，由于目前兩種工藝投資差距不大，現(xiàn)有企業(yè)更多的是從生產(chǎn)作業(yè)率、生產(chǎn)操作的連續(xù)性為出發(fā)點(diǎn)來選擇渣處理工藝，但是，在新的環(huán)保形式下，如何適應(yīng)國(guó)家和地方政府環(huán)保政策，滿足企業(yè)生存發(fā)展需要，合理選擇渣處理工藝是鋼鐵企業(yè)面臨的問題。

表1 環(huán)保型底濾法和轉(zhuǎn)鼓法渣處理工藝對(duì)比表

環(huán)保型渣處理工藝選擇

建議鋼鐵企業(yè)根據(jù)如下原則選擇渣處理工藝：

1）大型高爐（有效容積2500 m3以上）渣處理工藝選擇：建議選擇轉(zhuǎn)鼓法渣處理工藝，大型高爐具有3～4個(gè)鐵口，需要設(shè)計(jì)兩套渣處理系統(tǒng)，選擇轉(zhuǎn)鼓法渣處理工藝，發(fā)揮轉(zhuǎn)鼓法渣處理系統(tǒng)占地面積小的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)爐前工藝布置緊湊，美觀。大型高爐工藝設(shè)備配置高，自動(dòng)化程度要求高，機(jī)械轉(zhuǎn)鼓法渣處理工藝代表了煉鐵技術(shù)發(fā)展的方向，而底濾法不適合大型高爐的工藝布置，具體表現(xiàn)在占地面積大，爐前工藝布置擁擠，自動(dòng)化程度低，環(huán)保設(shè)施差，與大型高爐的高標(biāo)準(zhǔn)配置不匹配。

2）南方地區(qū)鋼鐵企業(yè)渣處理工藝選擇：南方地區(qū)為非采暖地區(qū)，沖渣水采暖的需求不大，因此優(yōu)先選用轉(zhuǎn)鼓法渣處理工藝，不會(huì)受到?jīng)_渣水質(zhì)的限制。沖渣水用作采暖主要是北方冬季使用，采暖用水對(duì)水質(zhì)有一定的要求，若水中雜質(zhì)不達(dá)標(biāo)，則水中雜質(zhì)容易淤積、堵塞采暖系統(tǒng)中的管道、閥門及換熱器。目前采暖工藝采用的是底濾法的沖渣水，經(jīng)水渣自身及鵝卵石過濾后，再進(jìn)入過濾器中濾除其中的微小懸浮物，過濾后進(jìn)人采暖主管道。從施工角度考慮，南方水資源豐富，地下水水位較淺，底濾法的水渣池占地面積大，地下基礎(chǔ)深，會(huì)導(dǎo)致土建施工（防水支護(hù)）費(fèi)用升高，南方地區(qū)采用底濾法不經(jīng)濟(jì)。

3）北方地區(qū)鋼鐵企業(yè)渣處理工藝選擇：如果地方政府對(duì)水渣系統(tǒng)白羽治理要求嚴(yán)格，優(yōu)先選擇轉(zhuǎn)鼓法渣處理工藝，特別是針對(duì)北方地區(qū)的鋼鐵企業(yè)，冬季治理白羽的難度大，而轉(zhuǎn)鼓法渣處理工藝消白效果更好，實(shí)施起來更容易。如果允許白羽適量排放，可以選用環(huán)保型底濾法工藝，在滿足對(duì)白羽進(jìn)行治理的前提下，又能充分發(fā)揮底濾法工藝適宜沖渣水采暖的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)束語

1）高爐渣的水淬處理仍是目前主要的高爐渣處理方法，因此，在日益嚴(yán)格的環(huán)保形勢(shì)下，無論是底濾法還是機(jī)械轉(zhuǎn)鼓法，都要進(jìn)一步提升環(huán)保設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)，通過煉鐵工作者的努力，目前高爐水渣系統(tǒng)環(huán)保提升已經(jīng)取得了比較大的技術(shù)進(jìn)步。

2）大型高爐（有效容積2500 m3以上）建議選擇轉(zhuǎn)鼓法渣處理工藝，自動(dòng)化水平高，占地小；南方地區(qū)建議選擇轉(zhuǎn)鼓法渣處理工藝，原因是沖渣水采暖的需求不大，不會(huì)受到?jīng)_渣水質(zhì)的限制，轉(zhuǎn)鼓法施工成本低；北方地區(qū)根據(jù)地方政府對(duì)水渣系統(tǒng)白羽治理要求并結(jié)合沖渣水采暖工藝的需求，選擇合適的水渣處理工藝。

3）積極研發(fā)新的高爐渣處理形式，用干法代替?zhèn)鹘y(tǒng)水淬[3]，徹底消除水淬法的生產(chǎn)弊端，同時(shí)努力回收高爐熔渣顯熱，提升能源回收效率。