3#高爐爐渣處理系統(tǒng)改造實踐及思考

徐小剛，劉 華，劉仕桃，王思衡，范志剛，尹曉瑩

(1.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122；2.四川德勝集團釩鈦有限公司，四川 樂山 614000)

四川德勝釩鈦有限公司煉鐵廠3#高爐(1250 m3)于2010年9月投產(chǎn)，高爐2個鐵口的下渣共用1套傳統(tǒng)底濾法爐渣處理系統(tǒng)。爐渣處理系統(tǒng)采用熱法沖渣、水渣溝?；瑳_渣過程產(chǎn)生蒸汽量大且難以收集，對周邊鋼結(jié)構(gòu)損害極大；由于蒸汽量大受風向影響，蒸汽易倒灌進入出鐵平臺，對爐前安全操作影響較大；沖渣系統(tǒng)對渣中帶鐵容忍度低，易發(fā)生爆炸，存在一定的安全隱患。水渣過濾采用傳統(tǒng)底濾法濾池過濾，過濾效率低，爐渣含水高，堆存和運輸時對周邊環(huán)境影響大；濾池為開敞式結(jié)構(gòu)，水渣過濾時產(chǎn)生的蒸汽無法收集，周邊環(huán)境惡劣。

在“綠色發(fā)展”的戰(zhàn)略指引下，為改善工作環(huán)境，降低煙氣聚集及外排，實現(xiàn)品牌的質(zhì)量形象與市場競爭力的提升，四川德勝公司將3#高爐爐渣處理系統(tǒng)改造作為典型示范項目，于2021年11月進行生產(chǎn)改造。

1 水渣沖制系統(tǒng)改造

鑒于現(xiàn)有水渣沖制點、水渣溝均布置于出鐵場與干渣坑之間的狹長地帶，空間極其有限，且2#水渣沖制點上部還有熱風主管，改造難度極大，高爐兩個水渣沖制點的改造采用兩種不同的方案。

1.1 1#水渣沖渣系統(tǒng)改造

1#鐵口水渣沖制點位于干渣坑和水渣溝末端，位置相對開闊且上方無遮擋，此處新建水渣槽1個；對1#鐵口渣溝進行改造，水渣直接沖入水渣槽，水渣槽內(nèi)正常水位1.5～2.0 m，滿足深水粒化的條件，在有效收集水渣沖制所產(chǎn)生蒸汽的同時，亦能提升水渣質(zhì)量和沖渣安全性。

新建水渣槽利用現(xiàn)有1#沖渣溝平臺的基礎(chǔ)和立柱進行加固和封閉改造，以水渣槽為方形混凝土箱體結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯耐磨澆注料；槽體水渣出口處兩個直角區(qū)域采用耐磨澆注料涂抹為大倒角內(nèi)形，減緩渣水環(huán)流對水渣槽側(cè)壁的沖刷。水渣槽上部設(shè)置直徑為3 m的鋼結(jié)構(gòu)排氣筒，排氣筒高度60 m。水渣槽上除了開有1#沖制箱入口，還開有水渣溝入口和水渣溝出口，其中水渣溝入口用于收集2#熔渣沖制后的渣水混合物，水渣溝出口用于連接水渣槽和濾池，如圖1所示。

圖1 新增1#水渣槽示意圖

1.2 2#沖渣系統(tǒng)改造

2#鐵口由于周圍條件及空間限制，無法設(shè)置水渣槽，但同樣需要進行蒸汽收集并提升系統(tǒng)的抗爆能力。

具體實施方案為將2#水渣溝側(cè)壁加高，溝內(nèi)凈空從前到后由約3 m逐漸提高到約4.5 m；水渣溝頂部封閉形成一個箱涵結(jié)構(gòu)且水渣溝頂部每隔2 m開設(shè)1個泄壓孔，水渣溝末端與新增1#水渣槽相接；2#水渣溝末端設(shè)置有集氣罩，集氣罩與水渣槽側(cè)壁相連，封閉式2#水渣溝、集氣罩形成一個“喇叭形”蒸汽收集腔體。

2 水渣過濾系統(tǒng)改造

2.1 濾池渣水入口改造

現(xiàn)有水渣溝高于濾池側(cè)壁，末端伸入濾池內(nèi)部，影響了抓渣行車的抓渣操作，水渣溝末端未設(shè)置閘門，無法控制渣水混合物的流向。

本次改造將水渣溝退至濾池外部，且在每個水渣溝末端設(shè)置翻板閥，以控制渣水流入指定濾池。翻板閥采用液壓控制，阻斷能力強，性能穩(wěn)定。水渣入口改造示意如圖2所示。

圖2 濾池入口區(qū)域水渣溝改造示意圖

2.2 濾池改造

(1)現(xiàn)有濾池下部結(jié)構(gòu)基本全部利舊，濾池內(nèi)部濾管及濾料全部按照虹吸底濾法要求進行更新，并在濾管末端增加集水母管，集水母管布置在現(xiàn)有管廊內(nèi)，與新增虹吸泵相連。

濾水管道置于濾池底部與虹吸泵直連，加之大小級配的多級濾層，見圖3，實現(xiàn)渣水的快捷高效分離；通過在多級濾池上鋪設(shè)200～400 mm的成品水渣，達到以渣濾渣的工藝效果。

圖3 濾池濾層鋪放示意圖

(2)濾池側(cè)壁整體抬高至5.0 m標高，使其高度超過水渣溝入口高度，濾池上方設(shè)有1套移動集氣罩，為兩個濾池共用，如圖4所示，且每個濾池側(cè)壁均設(shè)置集氣管，對濾池過濾產(chǎn)生的蒸汽進行收集并引至水渣排氣筒排放。集氣罩移動至工作濾池上方，對濾池上方進行覆蓋，配合濾池側(cè)壁集氣管實現(xiàn)集中高位排放。

圖4 濾池改造示意圖

改造后的濾池允許堆渣高度約3 m，單個濾池能夠容納水渣約660 t，其容渣量能夠滿足2～3個鐵次，爐渣處理系統(tǒng)設(shè)施檢修時間寬裕并可減緩生產(chǎn)節(jié)奏。

3 水渣過濾及粒化系統(tǒng)改造

在現(xiàn)有水渣過濾池西側(cè)增加虹吸泵組，虹吸泵將濾池中的沖渣熱水提升送冷卻塔進行冷卻，其泵坑盡量貼近現(xiàn)有濾池管廊，以減小占地并盡量減短水系統(tǒng)管道。新建冷卻塔2臺，對虹吸泵提升的沖渣熱水進行冷卻。新增虹吸泵站及冷卻塔布置如圖5所示。

圖5 新增虹吸泵站及冷卻塔布置

虹吸泵站采用地坑結(jié)構(gòu)，站內(nèi)部設(shè)置虹吸泵3臺、排水泵2臺。虹吸泵均為變頻渣漿泵，兩用一備，每臺泵流量1100 m3/h。泵站內(nèi)設(shè)有5 t單軌吊1臺，以便于坑內(nèi)設(shè)備的檢修維護。

每臺冷卻塔冷卻水量為1100 m3/h，進水溫度約85 ℃，出水溫度約60 ℃，以滿足冷法沖渣的要求。冷卻塔位架空布置于虹吸泵站上部。冷卻塔采用鋼結(jié)構(gòu)框架，玻璃鋼圍板和風筒，配水方式為管式布水，直通式噴頭，無掛渣濺水，霧化淋水方式，整個配水系統(tǒng)構(gòu)成環(huán)路以平衡水壓，保證無積渣現(xiàn)象和冷卻效果。

冷卻塔下部設(shè)置收水池，對冷卻塔的冷卻水進行收集，收水池底部設(shè)置回流管，將水導流至現(xiàn)有底濾池下部的水池存放，再通過現(xiàn)有?；┧么蛑翛_渣點沖渣并循環(huán)使用。原則上收水池不存水，能最大限度降低系統(tǒng)荷載，節(jié)約建設(shè)成本，加快建設(shè)進度。

現(xiàn)有粒化泵站、粒化泵、粒化供水管路及閥門、反沖洗管路及閥門、熱水池(改造后用于存放冷卻塔冷卻后的水)等均為利舊。在盡量利舊的前提下，將現(xiàn)有的傳統(tǒng)底濾熱法水渣工藝改為虹吸底濾冷法水渣工藝。

4 改造效果

德鋼3#高爐自2022年1月點火投產(chǎn)，水渣系統(tǒng)基本一直保持正常生產(chǎn)狀態(tài)。投產(chǎn)至今，水渣系統(tǒng)主要生產(chǎn)運行指標如表1所示，均已超過或者滿足設(shè)計指標。

表1 德鋼3#高爐水渣系統(tǒng)主要生產(chǎn)運行指標

4.1 集中高空排放和“喇叭形”水渣溝箱涵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)環(huán)保和防爆

2#熔渣于2#水渣溝初端完成沖制，1#熔渣于水渣槽處完成沖制。1#渣水混合物直接進入水渣槽，2#渣水混合物經(jīng)由2#水渣溝進入水渣槽。最終，1#、2#熔渣沖制后的渣水混合物均匯集于水渣槽處。封閉式2#水渣溝、集氣罩形成一個“喇叭形”蒸汽收集腔體，對2#熔渣沖制蒸汽進行有效收集并最終通過排氣筒排放。加之相對密布的泄壓孔，也能在水渣“放炮”時有足夠的空間對能量進行吸收、釋放，防止破壞周邊結(jié)構(gòu)和設(shè)備。

水渣槽常規(guī)存水1～2 m，滿足深水?；臈l件，深水?；撬鼪_制?；^程的一個補充，即使在沖制水量較小(或熔渣量較大)的情況下，也能滿足深水?；瘏^(qū)內(nèi)較大的瞬時渣水比，有利于熔渣的粒化，保證粒化質(zhì)量。水渣槽中較大量的存水，能有效防止渣中帶鐵放炮，避免毀壞周邊設(shè)施裝備[1]。

2#熔渣沖制產(chǎn)生的蒸汽直接通過水渣槽收集并由高空排氣筒排放。在渣水混合物的最終跌落處產(chǎn)生的蒸汽，通過管系連通配合移動集氣罩最終由水渣槽上高空排氣筒排放。最終，熔渣?；a(chǎn)生的蒸汽、水渣溝沿線蒸汽、水渣跌落產(chǎn)生的蒸汽均通過水渣槽上部排氣筒集中、高空排放。

4.2 渣水分離快捷高效、水渣含水量低、循環(huán)水中懸浮物含量極少

高爐熔渣?；蟮脑旌衔锪魅霝V池，利用虹吸泵工作時所產(chǎn)生的強大抽力，加之渣水混合物經(jīng)多級濾層的自然過濾，實現(xiàn)渣水的快速高效分離。濾池在自然過濾的基礎(chǔ)上增加了強制過濾，多級濾層上部渣水緩存時間極大減少，水渣過濾過程基本與熔渣沖制過程同步，渣水于濾池中緩存時間大幅減少，相應(yīng)的煙氣聚集時間也大幅減少，改善了工作環(huán)境，避免為保證工藝銜接緊湊性發(fā)生帶水抓渣的工況[2]。

最終，汽車運輸時水渣含水率由改造前的26%降低至12%以下，避免水渣運輸過程中殘留水分四處滴落，減少環(huán)境污染并降低系統(tǒng)補水；循環(huán)水中懸浮物含量低至38.6 mg/L，極大減緩系統(tǒng)管路及設(shè)備磨損，延長了系統(tǒng)管路及設(shè)備的使用壽命，大大降低維修工作量。

4.3 小粒徑濾料分區(qū)檢修

置于多級濾層上部的小粒徑濾料(3～5 mm)板結(jié)需時較短，更換頻率最高。將小粒徑濾料置于分塊布置的高效過濾板內(nèi)，實現(xiàn)濾池易板結(jié)區(qū)域的分區(qū)檢修。高效過濾板可實現(xiàn)更換頻率最高的表層小粒徑濾料整體拆裝，減少更換時間，可在線更換，避免人工風鎬/機械破除板結(jié)層對下層大顆粒濾料能力的破壞，延長濾層整體使用壽命，穩(wěn)定多級濾層結(jié)構(gòu)，避免濾層因反沖洗局部水流過大造成濾料紊亂，甚至灌入水渣。

5 思考及分析

目前，德鋼3#高爐水渣系統(tǒng)實際運行狀況良好，熔渣沖制點及濾池過濾區(qū)域煙氣排放量明顯減少。水渣含水率減至12%以下，水渣外運環(huán)境大為改善，且有利于噸渣補水量的減少。循環(huán)水中細渣含量極少，減小了系統(tǒng)管路及設(shè)備磨損。

此工程改造示范效果明顯，具有突出的經(jīng)濟和社會效益，改造經(jīng)驗值得大力推廣。但其操作智能化及能源梯級利用還未達到國內(nèi)領(lǐng)先水準，仍有提升空間，可從智能抓渣及沖渣水余熱回收兩個方向改進。

5.1 智能抓渣系統(tǒng)

智能抓渣系統(tǒng)包括吊車自適應(yīng)系統(tǒng)、數(shù)字化渣池系統(tǒng)及智能管控系統(tǒng)。吊車自適應(yīng)系統(tǒng)在保留吊車的全部基礎(chǔ)功能和性能基礎(chǔ)上，提高吊車運行的平穩(wěn)性、精確性。提供吊車的各項運行狀態(tài)檢測及顯示，為操作和維檢提供便利。數(shù)字化渣池系統(tǒng)采用3D激光掃描及建模技術(shù)，對濾池內(nèi)渣堆進行全方位和全覆蓋掃描，實時采集渣池內(nèi)部物料幾何數(shù)據(jù)，實現(xiàn)渣堆實時三維建模。智能管控系統(tǒng)包括路徑管理、跟蹤管理、操作管理。路徑管理根據(jù)渣池掃描的實際存儲情況，自動生成吊車的初始抓取路徑，并能在實際抓取過程中，根據(jù)渣池表面曲線的變化，自動對初始路徑進行修正；跟蹤管理包括吊車跟蹤(位置，狀態(tài))以及渣池表面實際圖形(根據(jù)掃描計算)跟蹤；操作管理通過提供的HMI畫面，對吊車進行遠程操控功能。

目前，主要是通過人工操作的方式，使用吊車對渣粒進行抓取，但是傳統(tǒng)的人工方式，常常會出現(xiàn)人工誤操作，一方面，渣池經(jīng)常出現(xiàn)煙氣環(huán)繞的情況，嚴重阻礙了人工操作的準確性；另一方面，由于操作人員處于渣池上方，操作視線容易受到限制，進而導致出現(xiàn)空抓以及漏抓的情況，使得抓渣效率低下。智能抓渣系統(tǒng)各子系統(tǒng)及模塊間的有機高效協(xié)作，能夠?qū)崿F(xiàn)對吊車的智能抓渣控制，實現(xiàn)設(shè)備運行智能化、崗位人員高效化、前后工序透明化的最終目標。

5.2 沖渣水余熱回收技術(shù)

目前，針對沖渣熱水的余熱利用主要有余熱采暖工藝、余熱發(fā)電工藝及海水淡化工藝[3-6]。余熱采暖工藝：沉淀過濾后高溫沖渣水經(jīng)泵組抽取送至換熱器處與采暖循環(huán)水進行水水換熱，沖渣水降溫后回流到冷水池，循環(huán)沖渣使用；采暖水進入循環(huán)水泵，再進入換熱器，獲取熱量后供至用戶供暖。余熱發(fā)電工藝：高溫沖渣水經(jīng)泵組抽取送至換熱器處與做功介質(zhì)進行換熱；做功介質(zhì)由介質(zhì)泵送至換熱器中吸熱形成蒸汽，進入膨脹機做功，帶動發(fā)電機組發(fā)電，做功后介質(zhì)變成低溫低壓液體工質(zhì)。做功介質(zhì)不斷重復上述過程，完成朗肯循環(huán)，生成高品位電能。海水淡化工藝：高溫沖渣水經(jīng)泵組抽取送至換熱器內(nèi)與原料海水進行換熱；加熱后高溫原料海水進入多級閃蒸罐進行噴淋，部分熱水閃蒸沸騰，飽和蒸汽送往海水淡化設(shè)備進行制水使用。

德鋼3#高爐爐渣處理采用虹吸底濾法爐渣處理工藝，沖渣熱水流量大，運行在2000 m3/h至2400 m3/h，溫度高，冷卻前沖渣水平均溫度85 ℃左右，屬于低溫廢熱源。德鋼可根據(jù)實際需求，采用余熱采暖工藝，與現(xiàn)有沖渣水冷卻系統(tǒng)并聯(lián)運行，將此熱源進行回收利用，減少或者避免冷卻塔降溫需要耗費的電能，以達到高爐余熱回收和節(jié)能降耗的目的。