高爐渣熱資源回收及利用展望

李兵 李杰 張遵乾

摘?要：高爐渣是在冶煉過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，爐渣的綜合利用有助于節(jié)能減排，本文介紹了爐渣的成分組成和物理化學(xué)性質(zhì)，闡述目前爐渣的熱資源回收技術(shù)及利用現(xiàn)狀，得出氣淬高爐渣工藝在回收高溫熔渣熱量時(shí)可保證高附加值產(chǎn)物的生產(chǎn)，高爐渣氣淬粒化技術(shù)有望成為高爐渣最有前景的利用途徑。

關(guān)鍵詞：高爐渣;氣淬粒化;熱回收;利用

Blast?furnace?slag?heat?resource?recovery?and?prospect?of?utilization

Li?Bing?Li?Jie*?Zhang?Zunqian

School?of?Metallurgy?and?Energy，North?China?University?Of?Science?And?Technology?HebeiTangshan?063210

Abstract：Blast?furnace?slag?is?a?byproduct?produced?in?the?smelting?process.The?comprehensive?utilization?of?slag?is?helpful?for?energy?saving?and?emission?reduction.This?paper?introduces?the?composition?and?physical?and?chemical?properties?of?slag，and?expounds?the?current?heat?resource?recovery?technology?and?utilization?status?of?slag.The?gas?quenching?blast?furnace?slag?process?can?ensure?the?production?of?high?value-added?products?when?recovering?the?heat?of?high?temperature?slag.The?blast?furnace?slag?gas?quenching?and?granulation?technology?is?expected?to?become?the?most?promising?way?of?utilizing?blast?furnace?slag.

Keywords：blast?furnace?slag;gas?quenching?and?granulation;heat?recovery;utilization

在鋼鐵生產(chǎn)過程中會(huì)伴隨著爐渣的產(chǎn)生。按照2019年我國生鐵年產(chǎn)量8.9億噸來計(jì)算，高爐渣的產(chǎn)量能達(dá)到3.24億噸。目前鋼鐵企業(yè)煉出一噸鐵產(chǎn)渣約300～500kg，其產(chǎn)量占到鋼鐵生產(chǎn)廢料的50%，由此帶來較大的環(huán)境污染及土地占用問題。傳統(tǒng)高爐渣水淬工藝消耗了大量水資源并會(huì)向大氣釋放有毒有害氣體，高溫熔渣的熱量無法得到有效利用。開展高爐渣的干法粒化利用可以較好緩解上述問題，并且可以降低能源消耗，對(duì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。氣淬?；に囎鳛楦煞；夹g(shù)之一，有望成為最有前景的高爐渣處理工藝。

1?爐渣成分

高爐渣是冶煉過程中產(chǎn)生的一種工業(yè)廢料，由金屬氧化物，SiO2，金屬硫化物和其他非金屬化合物的混合物雜質(zhì)積聚在不純的鐵液表面上形成[13]。在鐵礦石熔化過程中，會(huì)從鐵液表面去除，并通過各種方式進(jìn)行冷卻凝固[45]。高爐渣生成量大，應(yīng)用較為廣泛。從成分構(gòu)成上看，高爐渣是一種硅酸鹽材料，與天然礦石的性質(zhì)極為相似。常見的高爐渣一般是經(jīng)過急冷處理，由于冷卻時(shí)間短，導(dǎo)致未釋放的能量以化學(xué)鍵的形式儲(chǔ)存，呈現(xiàn)為一種具有潛在化學(xué)活性、外觀為多孔無定形的一種亞穩(wěn)態(tài)化合物[6]。高爐渣的結(jié)晶礦物多為斜長石、黃長石，尖晶石、硅鈣石等[7]。一般高爐渣的化學(xué)成分主要受鋼鐵的生產(chǎn)工藝及原料的影響。高爐渣主要成分大體相同，見下表。

2?熱資源回收利用技術(shù)

2.1?干法?；に?/p>

傳統(tǒng)熔渣通過水淬工藝處理，其具有處理量大、成本低、效率高等特點(diǎn)。但水淬制粒無法從熔融爐渣中回收高品質(zhì)的熱量。水淬過程消耗大量水（噸渣通過蒸發(fā)損失約1噸水）并且會(huì)散發(fā)出酸霧、H2S和SO2有毒有害氣體從而造成嚴(yán)重的空氣污染。此外，濕粒爐渣必須進(jìn)行脫水干燥，消耗了大量能量也導(dǎo)致成本居高不下，并且需要大量空間。鑒于以上問題，國內(nèi)外已經(jīng)對(duì)干法?；に囘M(jìn)行了研究。

國外學(xué)者早在1970年就已經(jīng)在干法粒化和熱回收方面進(jìn)行了研究，主要有風(fēng)淬法、轉(zhuǎn)杯法等。部分企業(yè)已經(jīng)以中試規(guī)模和示范工廠規(guī)模進(jìn)行了一些測試和試驗(yàn)。干法?；^程主要是通過將熔體破碎成小液滴來增加表面換熱面積達(dá)到將低熱導(dǎo)率的熔渣以高冷卻速率相變凝固。前述的兩種熔渣干法?；酂峄厥绽玫脑硐嗤?，都是利用空氣等作為冷卻介質(zhì)，經(jīng)換熱器進(jìn)行熱量回收。?；a(chǎn)物通常用來制作渣粉、砂石建材。

2.1.1?風(fēng)淬法

1977年熔渣風(fēng)淬?；酂峄厥展に囬_發(fā)出來，直到80年代中期才進(jìn)行試點(diǎn)測試。在這種方法中，首先對(duì)爐渣進(jìn)行預(yù)處理，通過控制流速調(diào)整熔渣黏度。然后將其倒入溝槽中，槽中的主空氣噴嘴將爐渣流分解。同時(shí)使用其他噴嘴以避免向上和向側(cè)面散射顆粒。液渣的熱量通過輻射被向下懸掛的廢熱鍋爐管部分吸收。其余的熱量通過位于裝置底部并埋入爐渣顆粒中的第二個(gè)鍋爐進(jìn)行交換。然后兩個(gè)鍋爐產(chǎn)生的蒸汽統(tǒng)一被收集到一個(gè)蒸汽桶中，而爐渣顆粒（<3毫米）則在大約200℃～300℃的溫度下排出。在此過程中，通常熔渣溫度由1500℃急冷至1300℃，固化爐渣在進(jìn)一步降溫至300℃以下過程中的熱量被換熱器吸收并儲(chǔ)存。日本鋼管投建的兩個(gè)產(chǎn)能分別為30t/h和80t/h的試驗(yàn)線和商業(yè)化工廠表明，其余熱回收率可達(dá)到80%，但后期出現(xiàn)粒徑不均、能耗大等問題，并沒有得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。2008年唐鋼聯(lián)合[89]相關(guān)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)質(zhì)熔渣氣淬研究，但因效益問題并沒有得到推廣生產(chǎn)。李智慧等[10]在1350℃～1500℃范圍內(nèi)采用噴吹調(diào)質(zhì)高爐熔渣工藝獲得了產(chǎn)品質(zhì)量較好的礦渣纖維。李書磊等[11]提出的高爐熔渣氣淬?；ㄔ诓幌男滤那闆r下也可控制渣粒形貌，降低污染物排放，回收的余熱品質(zhì)提高的同時(shí)發(fā)電能力甚至余熱發(fā)電運(yùn)行安全性也有所提高。唐續(xù)龍等[12]在調(diào)質(zhì)高爐熔渣的噴吹實(shí)驗(yàn)中獲得了高質(zhì)量礦物棉纖維。

2.1.2?轉(zhuǎn)杯法

20世紀(jì)80年代初，高爐渣轉(zhuǎn)杯?；に囇邪l(fā)出來[13]。80年代中期，高爐渣轉(zhuǎn)杯風(fēng)淬粒化余熱回收工藝研發(fā)出來。該工藝基本原理為，熔渣經(jīng)轉(zhuǎn)杯和鼓風(fēng)裝置完成破碎?；渭崩渖刹Ａ?。渣粒在空氣中流動(dòng)繼續(xù)冷卻，為避免爐渣顆粒在流化床中聚集，渣粒隨后被引入兩個(gè)連續(xù)的流化床中以進(jìn)行熱回收。最后得到顆粒平均直徑為2mm，玻璃相含量超過95%。對(duì)轉(zhuǎn)杯法工藝進(jìn)行討論可知，雖然轉(zhuǎn)杯法在500～1500rpm的高速旋轉(zhuǎn)足以將熔渣散布成膜并將其破碎，但在轉(zhuǎn)杯周圍噴吹的環(huán)形空氣射流有助于使其形成更小更均勻的顆粒。Pickering等人依據(jù)他們的小規(guī)模實(shí)驗(yàn)（每秒0.2～0.5kg爐渣），提出了一種商業(yè)規(guī)模的系統(tǒng)，如果連續(xù)運(yùn)行，將產(chǎn)生59%的能量回收率。進(jìn)入21世紀(jì)后，國內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)杯法[14]進(jìn)行了大量研究。高潔等[15]分別對(duì)液態(tài)熔渣在有無風(fēng)淬條件下進(jìn)行離心?；瘮?shù)值模擬，當(dāng)風(fēng)淬加入時(shí)，更有利于增加熔渣顆粒產(chǎn)量。熔渣流量的改變會(huì)影響其破碎分裂模式。王俊博等[16]通過轉(zhuǎn)杯?；瘜?shí)驗(yàn)修正了顆粒渣壁法向恢復(fù)系數(shù)，使數(shù)值模擬的熔渣?；\(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)驗(yàn)時(shí)保持一致。紀(jì)慧敏等[17]在高爐渣離心?；瘜?shí)驗(yàn)中研究了轉(zhuǎn)杯的直徑、表面粗糙度、內(nèi)傾角及深度對(duì)?；Ч挠绊懸?guī)律，得到了最佳的操作參數(shù)。何先琰等[18]通過實(shí)驗(yàn)研究高爐熔渣撞擊壁面行為，得到了液滴的演變過程，并發(fā)現(xiàn)通過減小液滴雷諾數(shù)、降低壁面粗糙度并采用垂直?；瘋}壁面有利于避免轉(zhuǎn)杯壁面發(fā)生黏結(jié)。劉常鵬等[19]通過改變高爐渣堿度進(jìn)行轉(zhuǎn)杯?；瘜?shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，二元堿度>0.9時(shí)，以<3mm的高爐渣渣粒為主。張士理等[20]對(duì)高爐熔渣進(jìn)行轉(zhuǎn)杯?；瘮?shù)值模擬研究，其中轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速和熔渣流量對(duì)渣膜厚度的影響最為顯著，渣粒直徑隨渣膜厚度增大而接近線性規(guī)律增大。

干法粒化工藝可以節(jié)約水資源并可進(jìn)行熱量回收，具有很大的推廣前景，其中氣淬法相比轉(zhuǎn)杯法具有處理量大、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，氣淬法有望成為高爐渣處理的最佳選擇。

2.2?作為化學(xué)能回收

高溫熔渣的導(dǎo)熱系數(shù)較低，一定程度上限制了物理法熱回收的發(fā)展，但在化學(xué)反應(yīng)中的吸熱反應(yīng)可以利用高溫熔渣的顯熱。目前已經(jīng)研究了在吸熱反應(yīng)中利用爐渣熱能生產(chǎn)燃料的方法。如表4所示，提出的反應(yīng)包括[21]：通過煤的氣化反應(yīng)生成CO，H2或它們的混合物;反應(yīng)（1）～（2）;碳?xì)浠衔镏卣?反應(yīng)（3）～（5），或甲醇分解，反應(yīng)（6）。另外，已經(jīng)提出的使用熱態(tài)爐渣作為熱能載體和存儲(chǔ)介質(zhì)[2223]。在此方法中，熱能使諸如相變（例如材料熔化）或其他耗熱反應(yīng)（例如石灰石分解）的吸熱反應(yīng)成為可能。熱力學(xué)反應(yīng)分析表明，石灰石的分解，甲烷的重整和碳的氣化是最有可能發(fā)生的吸熱反應(yīng)，因?yàn)樗鼈冊(cè)谒醒芯康姆磻?yīng)中損失的熱能最少。后兩種反應(yīng)因其具有產(chǎn)生燃料的潛力而受到更多關(guān)注，并且易于運(yùn)輸可用于各種應(yīng)用。

2.2.1?甲烷重整回收能源

在1997年，Kasai等人[24]提出使用高爐渣來促進(jìn)甲烷的水重整（即反應(yīng)（4））。爐渣顯熱被反應(yīng)物利用（甲烷和蒸汽），用來生成CO和H2。然后將熔融的爐渣（溫度1250℃）進(jìn)行?；幚?，爐渣釋放的顯熱及潛熱被水吸收產(chǎn)生蒸汽，蒸汽被送回重整器，提高了該工藝的整體效率。高溫還原氣體的顯熱通過熱交換器回收，熱量被水吸收產(chǎn)生蒸汽用來發(fā)電。甲烷化反應(yīng)器吸收部分氣體化學(xué)能，逆反應(yīng)生成甲烷和蒸汽。水蒸氣在第二個(gè)熱交換器中冷凝，甲烷被引導(dǎo)回重整器。有人分別對(duì)使用熱爐渣表面進(jìn)行重整過程的可行性[24]和爐渣成分對(duì)反應(yīng)速率的影響[25]進(jìn)行了研究。但相關(guān)實(shí)驗(yàn)僅在固定溫度下記錄爐渣滴表面的反應(yīng)速率，因此對(duì)能量回收效率的了解有限。也不包括熱回收步驟，因此總體能量回收效率未知。Maruoka等[26]設(shè)計(jì)了一個(gè)新的系統(tǒng)，其中爐渣首先使用旋轉(zhuǎn)杯制粒，然后渣粒堆積在填充床中。甲烷的蒸汽重整借助于鎳基催化劑進(jìn)行。反應(yīng)所需的熱能通過氣體混合物和爐渣顆粒之間的直接熱交換來回收。另外，應(yīng)研究技術(shù)問題，例如在高達(dá)1100℃的溫度下爐渣顆粒的團(tuán)聚以及隨后使用的爐渣顆粒的結(jié)構(gòu)。Purwanto和Akiyama研究了用CO2重整甲烷的方法[27]。他們通過爐渣顆粒填充床（直徑2mm）在700℃～1000℃的溫度范圍內(nèi)吹掃了CO2、CH4的混合物。廢氣分析表明，升高溫度對(duì)甲烷轉(zhuǎn)化率有很大影響，最高達(dá)到96%的轉(zhuǎn)化率。同樣，由于本研究的重點(diǎn)僅在于轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)，因此無法獲得有關(guān)能量回收效率的信息。

2.2.2?煤氣化回收能源

Li等人[28]的研究是從材料—能量平衡分析煤氣化回收爐渣熱量。在煤氣化系統(tǒng)中，將CO2與煤一起注入熔融的高爐渣爐中，通過反應(yīng)（1）生成一氧化碳。廢氣的顯熱在熱交換器中回收以產(chǎn)生蒸汽，凈化后的氣體可用作燃料。分析結(jié)果表明，熱化學(xué)轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到35%。但其中非量化的熱量以蒸汽的形式回收，所以總能量回收將更多。

3?高爐渣應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1?在高附加值建材領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1.1?礦棉纖維

李智慧等[10]在調(diào)質(zhì)高爐熔渣噴吹制備礦渣纖維研究中，保持高爐渣酸度系數(shù)為1.1～1.4時(shí)制備的纖維直徑達(dá)到國標(biāo)要求，可進(jìn)行纖維生產(chǎn)。姚建新等[29]在研究調(diào)質(zhì)高爐熔渣制備礦渣棉析晶過程發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MgO/Al2O3為0.6時(shí)，有利于高爐熔渣成纖工藝操作。李軍等[30]進(jìn)行了改性高爐熔渣制備礦棉中試，產(chǎn)品質(zhì)量在達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，能耗及成本較傳統(tǒng)沖天爐降低40%～60%。唐續(xù)龍等[12]對(duì)高爐渣和粉煤灰制備礦渣纖維試驗(yàn)中保持高爐渣比例為60%～80%，噴吹溫度控制在1400℃～1500℃獲得了高質(zhì)量的礦物棉纖維。

3.1.2?微晶玻璃

王瑞鑫等[31]在高爐渣和粉煤灰制備微晶玻璃晶核劑的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中，添加1.5%Cr2O3和5%Fe2O3作為復(fù)合晶核劑時(shí)，所制備的微晶玻璃機(jī)械性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料，符合建筑裝飾材料的要求。蒲華俊等[32]進(jìn)行了無須熱處理高爐渣制備微晶玻璃實(shí)驗(yàn)，獲得的產(chǎn)品機(jī)械性能優(yōu)良，可作為建筑裝飾材料;同時(shí)無須熱處理，大大降低生產(chǎn)成本。龔星晨等[33]以高爐渣和廢玻璃為原料制備微晶玻璃，獲得的產(chǎn)品質(zhì)量較好，可實(shí)現(xiàn)低溫?zé)疲档湍芎摹?/p>

3.2?污水處理中的應(yīng)用

劉靜等[34]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)改性高爐渣對(duì)甲基橙的吸附率最高可達(dá)98.06%。劉靜等[35]制備的合成高爐渣沸石對(duì)Pb2+的吸附率最高可達(dá)94.82%。陶茂林等[36]使用高爐渣制備的CaMgA1類水滑石對(duì)污水中Cr（VI）的吸附率達(dá)到了95.0%，其吸附率可達(dá)到95.0%，同時(shí)對(duì)混合液中Ni（II）、Cu（II）、Cr（VI）的吸附也達(dá)到了“以廢治廢”的效果。何哲祥等[37]研制的基于高爐渣的重金屬廢水凈化材料對(duì)廢水中的多種重金屬處理去除后均能達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)語

在爐渣的利用中，干法?；啾葌鹘y(tǒng)濕法?；瘞缀趿愫乃?、無有毒有害氣體排出，氣淬粒化中熔渣經(jīng)急冷在進(jìn)行余熱回收時(shí)可生成高附加值產(chǎn)物，氣淬?；型蔀樽钣星熬暗牧；に囍?。對(duì)高爐渣的利用及開發(fā)，需要結(jié)合經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益開發(fā)出其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，提高爐渣的利用效率，進(jìn)行熱量回收并用來研發(fā)無害綠色的高附加值材料。

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基金項(xiàng)目：河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（E2021?209024）;河北省高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)——自然科學(xué)科技基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（JQN2021013）

作者簡介：李兵（1995—?），男，漢族，河南商丘人，碩士在讀，研究方向：冶金節(jié)能與資源綜合利用。

*通訊作者：李杰（1982—?），男，漢族，河北靈壽縣人，博士，教授，研究方向：冶金節(jié)能與資源綜合利用。