汽碎淺悶余熱回收法處理轉爐熔融鋼渣

雷震東 談 慶

1.前言

2009年我國粗鋼產量已達到5.68億噸，鋼渣的年產生量約7000萬噸，約占鋼產量的12%。其中轉爐煉鋼約占總粗鋼產量的85%以上。目前我國鋼渣的利用率還比較低，大量鋼渣堆棄不僅浪費資源而且污染環境。以1臺普通的60噸轉爐為例，年產鋼量100萬噸，年產渣量15萬噸。如果對其不加以利用而堆放處置，則按堆積密度1.5噸/m3計算，所需堆放空間為10萬m3/年。若平均堆放高度為10米，則每年需占用2個100米×50米的球場。所以，必須為鋼渣的利用找到一個長期有效的出路，盡量做到循環利用。

2.轉爐渣特性及其潛在價值

轉爐渣主要是在煉鋼過程中，由于造渣材料（如石灰、石灰石、螢石、硅石、鐵礬土及火磚塊）的加入，以及鋼鐵材料中Si、Mn、P、Fe等元素的氧化所形成的。不同煉鋼方法采用不同的渣系進行冶煉，形成不同成分的爐渣。剛出爐的轉爐渣溫度高達1600℃，為熔融渣，流動性好，主要由CaO、SiO2、FeO、MgO、MnO等化合物組成，其中堿性氧化物濃度總和與酸性氧化物濃度總和之比稱之為熔渣堿度，一般在2-4。對于高溫熔融渣的處理，目前有各種不同的方式，最后形成的常溫終渣成分特性各異，品位相差極大。因此，對鋼渣的價值進行分析，必須先從高溫熔融渣入手，由此尋找最佳處理方法。

以年產10萬噸鋼渣為例，轉爐高溫熔融渣可利用的資源價值分析見表1：

表1 轉爐高溫熔融渣可利用的資源價值分析

由此可見，熔融渣的廢鋼回收價值最大且技術最易實現；廢渣利用的價值因技術水平不同而呈現差異，有可能居第二位，也有可能價值最低；顯熱的利用價值比較穩定，但技術相對來說比較復雜。

這樣，對于轉爐熔融渣的處理，其定位就比較明確了：首先回收廢鋼，其次盡可能回收顯熱及廢渣，對廢渣要盡可能提高其品位。

3.當前處理技術

目前的大部分方法主要重點在于廢鋼回收和渣利用，此類技術已經比較成熟；另一類技術側重于熔融渣的顯熱利用，此類技術多數處于研究階段。

3.1 熔融渣的廢鋼回收和渣利用方法

3.1.1 熱悶法

將液態的鋼渣運至熱悶處理生產線，直接傾翻至熱悶裝置中，蓋上裝置蓋，自動化控制噴水產生蒸汽對鋼渣進行消解處理，8～12小時后裝置內溫度降至60℃，打開裝置蓋，用挖掘機將鋼渣鏟出放入振動給料篩，＜200mm的鋼渣輸送至篩分、磁選、提純加工生產線。

3.1.2 風碎法

用高速氣流在空中將落下的高溫液態鋼渣流股迅速擊碎為細小液滴，并隨氣流定向飛行，在飛行過程中迅速冷卻為半固態渣粒，直徑2mm左右，然后分散落入水中，迅速冷卻至常溫。

3.1.3 其它方法

主要有渣山冷棄法、淺盤熱潑水淬法、渣箱熱潑法、滾筒法等。

3.2 熔融渣的顯熱利用方法

分為熔融渣物理熱回收技術和熔融渣化學熱回收技術。

熔融渣物理熱回收技術主要有風碎粒化余熱鍋爐熱能回收法、風碎粒化振動流化床熱能回收法、連鑄式余熱鍋爐熱能回收法、雙內冷轉筒粒化熱能回收法、轉杯粒化氣流化床熱能回收法、液態錫做熱載體的熱能回收方法、滾筒鋼渣粒化及熱能回收法。

熔融渣化學熱回收技術主要有生產礦棉、鋼渣熱態成型生產陶瓷產品、利用爐渣顯熱制氫技術、利用爐渣顯熱制煤氣技術等。

4.鋼渣處理技術的最終理想解及當前技術發展成熟度

對于鋼渣處理，最完美的方案應該是：鋼渣所含全部資源（廢鋼、顯熱、終渣）能夠100%回收利用，并對環境不造成二次污染。作為實際方案，還可以加上經濟成本最低這一條。

綜合分析目前國內外技術，還沒有一種技術能同時回收高溫熔融渣的顯熱、廢鋼并提高廢渣附加值。而隨著節能環保的大趨勢日漸到來，目前正是研發這一代新技術的大好時機。

從回收廢鋼的角度來說，熱悶法也許是最合適的，最多可回收廢鋼10%，回收率90%以上；從有效回收熔融渣顯熱的角度來說，粒化技術最便于回收高品位余熱；從提高廢渣附加值的角度來說，熱悶法和風碎法都比較合適，其廢渣產品穩定性和活性較好，可作水泥原料使用，粒徑等物理化學成分可控。

5.汽碎淺悶余熱回收法原理

針對目前技術發展趨勢，本文提出汽碎淺悶余熱回收法來回收轉爐熔融渣所含全部資源。它是在結合傳統風碎原理和傳統熱悶原理的基礎上，采用高壓蒸汽代替壓縮空氣，用淺悶池代替深悶池，并整合熱管余熱回收系統，從而達到全部回收廢鋼、顯熱、廢渣的目的。

汽碎淺悶余熱回收的原理主要包括熔渣冷卻原理、渣鐵分層原理、汽碎原理、淺悶原理及熱管原理。

（1）熔渣冷卻原理：關于高溫液態渣從1600℃冷卻到100℃以下室溫的過程，根據所選擇的冷卻工藝的不同，最后的終渣成分也十分不同。因此，為了獲得高品位的可供水泥行業使用的終渣，必須對熔渣的冷卻過程實行嚴格控制，這樣就必須對冷卻過程中所發生的內涵有所了解。基本上，在不同溫度段，有如下關鍵反應：

1600℃—液態渣 爐內高溫形成穩定熔融渣

1200℃—半液態渣 C3S分解成C2S

800 ℃-700 ℃ —固態渣 β-C2S分解

500 ℃以下—固態渣 活性穩定，但安定性未定

采用淬冷方式，數秒鐘之內渣溫度從1600℃降到600℃，快速通過了兩個不穩定溫度區，使分解反應較少發生，因此渣成分基本上保持爐內高溫渣成分（95%），活性成分得以保留。

（2）渣鐵分層原理：關于渣和鐵在液態下的存在狀態，有兩種不同的看法。傳統的看法，認為液態渣鐵由于比重、粘度等物理特性的不同，在包內存在一個分層接觸的界面。另一種看法認為，實際上這一明顯界面并不存在，而是液態渣鐵相互混溶與共存。本文認為，實際情況應為拆衷情況：在倒渣初期，應是混溶狀態；通過攪拌、靜置一段時間后，應會分層，鐵沉于底部。由于鐵渣的重量比一般在10%左右，而鐵的密度比渣的密度大2-3倍，所以鐵的體積一般只占總熔渣體積的3%-5%，也即很薄的一層。渣鐵是否分層對于后續各工序都有影響，甚至與是否加磁選設備和能否渣鐵預分離都有重要關系。

（3）汽碎的原理比較簡單，也是利用高壓蒸汽在空中將落下的高溫液態鋼渣流股迅速擊碎為細小液滴，液滴落下至篩板并與氣流介質換熱以回收顯熱，該過程中渣溫被冷卻至400℃左右。

汽碎有4個主要優點：1）高溫液態鐵極易氧化，采用蒸汽淬冷可減少氧化從而多回收廢鋼；2）同等條件下，蒸汽對渣粒的沖擊力優于空氣和氮氣；3）蒸汽的實質是H2O，處理過程可參與改善廢渣成分；4）蒸汽便于自產自用。

（4）淺悶的原理類似于傳統的熱悶渣工藝，也是利用水或帶壓蒸汽的作用穩定化處理渣成分，但是將悶渣時間大大縮短，即淺悶。傳統的熱悶渣約需十幾個小時，而淺悶的時間盡量控制在一小時以內，以減小占地和投資。淺悶的原因如下：

采用蒸汽淬冷方法，可使液態渣瞬間粒化并成分基本穩定。淬冷過后的渣粒徑約φ2mm左右，已經達到普通熱悶的粉化效果；

蒸汽淬冷過后，主要活性物質C2S和C3S含量高，活性好；f-CaO含量在1%上下，渣穩定性好。風碎或汽碎鋼渣的活性成分要優于熱悶渣，而要加強穩定性，只需淺悶即可。

汽碎過后渣溫仍有400℃左右，從安全和余熱角度，需再降到常溫，因此需再悶，目的之一是換熱，因此淺悶即可。

（5）熱管原理：熱管是一種利用工質的相變來實現高效傳熱的元件。在余熱回收場合，由于余熱煙氣的溫度、含塵、間歇與波動等復雜性，使得換熱器的安全和壽命提到很重要的位置。熱管正適合這類場合的應用。

6.汽碎淺悶余熱回收工藝流程

實際的系統可能在渣傳送及淺悶池等部分因工藝不同而有所不同，但整個汽碎淺悶余熱回收法的流程基本上由以下幾大系統構成：

（1）進料系統：主要包括渣罐、流槽等；

（2）處理塔：

汽碎粒化系統：主要包括蒸汽噴嘴等；

預分布室

送料系統：主要包括篩板、振動器等；

擋板

塔體

（3）淺悶池

（4）熱管換熱系統：包括軟化水箱、給水泵、除氧器、汽包、蒸汽蓄熱器、熱管束等；

（5）磁選系統

（6）除塵器及煙道系統

7.技術經濟性分析

從資源價值分析可知，鋼渣中廢鋼的價值最大，因此鋼渣中廢鋼的實際比例關系重大。從文獻資料報道來看，鋼渣中廢鋼的比例可達10%，但實際調查發現，普遍只有7%左右。這其中有5%較易形成大塊鐵，容易回收；另2%混雜在廢渣中，大部分必須磁選才能選出，剩余約0.5%左右存在于尾渣中無法簡單回收。因此，作為一個有代表性的經濟分析，我們取6.5%的廢鋼回收率比較符合普遍情況。

關于廢渣的品位，熱悶渣雖然穩定性好，但活性較差，必須再粉磨成鋼渣微粉激發活性才有利用價值。風碎渣穩定性也可，最重要是活性成分保留最多，而且粒度均勻細小。雖然實踐證明，無論哪兩種渣，都不適合直接用于水泥行業，但是，風碎渣的品位要高于熱悶渣這一點，是可以得到證實的。

汽碎法比風碎法，Fe的氧化少。汽碎淺悶的終渣由于綜合汽碎與熱悶的優點，比風碎渣又要好些。幾類方法回收廢鋼與廢渣的情況比較見表2。

可見，汽碎淺悶法對于回收廢鋼和廢渣利用來說，是最優的方案。

以某企業2×60噸轉爐，年產30萬噸渣為例，其總體經濟效益分析如下：

（1）經濟效益

回收廢鋼：30萬噸/年×6.5%×2500元/噸=4875萬元/年

廢渣利用：30萬噸/年×93.5%×50元/噸=1403萬元/年

表2 不同方法回收廢鋼與廢渣的情況比較 元/噸

回收蒸汽：9噸/小時×7000小時×0.01萬元/噸=630萬元/年

合計回收收益：4875+1403+630=6908萬元/年

（2）運行費用

其運行費用為：

電耗：200千瓦×7000小時/年×0.5元/Kwh/10000=70萬元/年

人工：9人×3萬元/人年=27萬元/年

其它：10萬元/年

合計運行費用：107萬元/年

（3）年凈收益：

年凈收益：6908-107=6801萬元/年

由此可見，轉爐鋼渣所蘊含的價值相當可觀，只要利用得當，完全可以為鋼鐵企業帶來多重效益。

8.結束語

我國目前鋼渣利用率還較低（2009年只有22%左右），未來幾年我國的鋼渣處理可能以提高鋼渣利用率為主，重點解決好廢鋼渣的出路問題。鋼渣要做到“零排放”，其銷售出路必須要有一個廣闊、長期、穩定的市場來接納，這只有水泥行業符合條件。從這兩點來說，鋼渣熱悶先求成分穩定化保證安全，再配套鋼渣微粉工藝以便水泥應用，追求高附加價值，最適合我國目前的國情。

但是，從長期的行業發展趨勢來看，汽碎淺悶余熱回收法有著更強的生命力，更接近鋼渣利用的完美目標。

其一，采用汽碎可以方便回收液態渣余熱，余熱效益甚至可與廢渣利用相提并論。鋼渣的余熱利用，乃大勢所趨。

其二，汽碎過程中，液態渣的活性成份更多地得以保留，并且初步得到穩定，有利于后續的廢渣升值利用。

其三，汽碎粒化過程，使渣顆粒直徑達到2mm左右。這對于后續的粉磨環節，可節省大量能耗。

其四，汽碎過程耗時短，每噸渣只需3-5分鐘即同時完成余熱回收、粒化、成分穩定等環節。尤其是粒化和成分穩定的耗時短，相比熱悶工藝，占地更少，投資更省，更節能。

其五，汽碎過程中，1600℃的液態渣瞬間冷卻到600℃以下，整個冷卻過程在密閉塔內進行，并且不與水直接接觸，無爆炸危險，安全性優于熱悶工藝。

鑒于轉爐鋼渣流動性渣約70%，固態渣（含護爐渣、爐底渣）約30%的基本現狀，對鋼渣采用汽碎淺悶處理流動渣+常規熱悶工藝處理固態渣，可根本改變目前渣處理車間環境臟亂差和場地擁擠不堪的老大難局面。

（略）