高爐爐渣微水淬法余熱回收技術(shù)開發(fā)

邱潤(rùn)強(qiáng)，許征鵬

（山東九羊集團(tuán)有限公司，山東萊蕪 271118）

節(jié)能減排

高爐爐渣微水淬法余熱回收技術(shù)開發(fā)

邱潤(rùn)強(qiáng)，許征鵬

（山東九羊集團(tuán)有限公司，山東萊蕪 271118）

山東九羊集團(tuán)有限公司開發(fā)了高爐爐渣余熱回收技術(shù)，將絕大部分冷卻水蒸發(fā)為中壓飽和蒸汽進(jìn)行收集，然后采用風(fēng)冷工藝獲得熱循環(huán)空氣，通過余熱鍋爐再次回收余熱，噸鐵可回收熱量257.7 MJ，綜合回收率可達(dá)87%，與傳統(tǒng)的水淬工藝相比噸渣可節(jié)約用水7～9 t。

高爐渣；余熱回收；微水淬法

1 前言

高爐冶煉過程產(chǎn)生的液態(tài)爐渣中帶有大量的顯熱，1 t生鐵平均產(chǎn)出爐渣300～600 kg，液態(tài)高爐渣溫度在1 400℃以上，高爐爐渣熱焓約為1 700 MJ/t［1］。目前普遍采用水淬的方式粒化并冷卻高溫液態(tài)高爐渣［2］，主要工藝有：底濾法、因巴法、拉薩發(fā)、圖拉法和明特克法等，水淬后的高爐渣可用作硅酸鹽水泥的部分替代品，生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥。此類方法不僅高爐渣的顯熱無(wú)法回收利用，且造成大量水資源的浪費(fèi)，嚴(yán)重污染環(huán)境。

液體高爐爐渣熱焓高，回收利用潛力較大，所以一直備受業(yè)界人士的關(guān)注。由于高爐液體爐渣的物理性質(zhì)和高爐出渣的不連續(xù)性以及要求余熱回收處理后的爐渣要具有優(yōu)良的綜合利用價(jià)值和性能，導(dǎo)致爐渣余熱回收困難。目前全國(guó)高爐渣熱能利用率極低，一般的利用就是北方企業(yè)冬季用高爐沖渣水取暖，由于受到供熱區(qū)域、流量等條件的限制，且沖渣水含有大量堿性物質(zhì)，對(duì)泵及管道腐蝕等因素，渣熱能利用率極低，且春、夏、秋三個(gè)季節(jié)不能使用。爐渣熱能回收利用是十分重要的課題。

2 高爐爐渣余熱回收技術(shù)的發(fā)展概況

2.1 雙內(nèi)冷卻滾筒法［3］

日本鋼管公司（NKK）將高爐渣倒在兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的滾筒之間，被轉(zhuǎn)筒內(nèi)部循環(huán)的熱媒工質(zhì)冷卻，然后從熱媒介質(zhì)中回收余熱。該方法的缺點(diǎn)是必須用刮渣器去除粘在滾筒上的渣膜，該渣膜形成保溫層影響熱量的傳遞，導(dǎo)致傳熱效率的急劇下降，降低了余熱回收效率和設(shè)備壽命；冷渣以片狀形式排出，給后續(xù)處理帶來(lái)麻煩。

日本住友金屬和石川島播磨重工業(yè)公司在1982年建立了能力為24 t/h的滾筒一沸騰床法熔渣余熱回收系統(tǒng)。熔渣從中間包流出沖擊到旋轉(zhuǎn)滾筒表面上時(shí)，被破碎并拋至捕集罐進(jìn)行一次熱回收，渣粒經(jīng)分離器進(jìn)入冷卻器二次熱回收后排出。冷卻用空氣可以預(yù)熱到500℃，進(jìn)行熱交換產(chǎn)生蒸汽并發(fā)電，空氣循環(huán)使用。

2.2 風(fēng)淬法

日本新日鐵在名古屋制鐵所進(jìn)行熔融高爐渣風(fēng)淬法試驗(yàn)，工藝見圖1。高爐熔渣被倒入換熱器（也稱為風(fēng)洞），風(fēng)洞的造粒部分由高速氣流粉態(tài)化。粒子的大部分與風(fēng)洞內(nèi)配置的分散板及風(fēng)洞內(nèi)壁碰撞，下落并被從下部吹入空氣冷卻，從風(fēng)洞排出。渣粒由振動(dòng)篩篩出大顆粒后，裝入熱粒儲(chǔ)存?zhèn)}，再經(jīng)過二次熱交換器的多段流動(dòng)床被冷卻。排出渣的質(zhì)量由風(fēng)洞內(nèi)渣的冷卻速度加以保證，回收風(fēng)洞及二次熱交換器冷卻空氣的余熱用來(lái)生產(chǎn)蒸汽和發(fā)電。風(fēng)淬法高爐渣熱回收系統(tǒng)的熱回收率＞70%；但是由于這一系統(tǒng)的工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，投資回收時(shí)間較長(zhǎng)，一般為5～6 a，制約了其推廣和應(yīng)用。另外，風(fēng)淬法在粒化過程中動(dòng)力消耗很大，冷卻速度很慢，粒化渣在固結(jié)之前容易粘結(jié)在設(shè)備表面，得到的渣粒直徑分布范圍寬，不利于后續(xù)處理。

圖1 風(fēng)淬法高爐渣余熱回收工藝流程

2.3 連鑄式余熱鍋爐熔渣熱能回收法

連鑄式余熱鍋爐熔渣熱能回收工藝見圖2。由渣罐車運(yùn)來(lái)的熔渣倒入渣池，熔渣從供渣嘴連續(xù)流到水冷平輥和水冷網(wǎng)輥，然后進(jìn)入鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)；在運(yùn)輸機(jī)下部通入冷空氣，渣的熱量傳給冷空氣和膜式水冷壁，冷卻后的渣在碎渣機(jī)中破碎；軟化水經(jīng)軋輥流入水箱，經(jīng)給水泵壓入省煤器，然后進(jìn)入汽包，飽和水經(jīng)循環(huán)泵壓人膜式水冷壁，加熱氣化后回到汽包；從汽包出來(lái)的飽和蒸汽進(jìn)入過熱器，成為過熱蒸汽。先固化再粒化的工藝，平板狀高溫渣的導(dǎo)熱率和透氣性嚴(yán)重影響渣和空氣的換熱，影響熱回收效率，存在著后續(xù)碎渣工序困難、成渣質(zhì)量差、工序能耗相對(duì)加大等問題，因此幾乎沒有推廣應(yīng)用。

圖2 連鑄式余熱鍋爐熔渣熱能回收工藝流程

2.4 機(jī)械攪拌法

川崎制鐵將液態(tài)渣倒入—個(gè)攪拌罐中破碎成＜100 mm的顆粒，通過輻射與圍繞攪拌罐的冷卻水管換熱，渣從初始溫度冷卻到1 273 K，產(chǎn)生的蒸汽可以達(dá)到5×106Pa，723 K；然后用提升機(jī)將破碎的渣送入到氣一固換熱器中，用空氣將其進(jìn)一步冷卻到523 K。熱空氣進(jìn)入余熱鍋爐利用。

日本住友金屬工業(yè)開發(fā)的一種機(jī)械攪拌造粒裝置，熔渣流入造粒裝置后，在轉(zhuǎn)動(dòng)葉片攪拌和擠壓的作用下被粒化，并且隨著軸的轉(zhuǎn)動(dòng)被輸送到粒化器的外部，水套中的水進(jìn)行熱量回收。

2.5 離心粒化法［4］

20世紀(jì)80年代，英國(guó)鋼鐵公司提賽德實(shí)驗(yàn)室和諾丁漢大學(xué)機(jī)械工程系研制了轉(zhuǎn)杯—流化床（離心粒化）法熔渣處理工藝（見圖3）。該工藝采用高速旋轉(zhuǎn)的中心略凹的盤子作為粒化器，液渣通過渣槽注入到盤子中心，由轉(zhuǎn)杯破碎成為液滴，液滴在飛行過程中，與空氣和床內(nèi)水管發(fā)生導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射，經(jīng)過冷卻成為固態(tài)的顆粒。凝固后的爐渣在底部流化床進(jìn)一步與空氣熱交換，空氣從設(shè)備頂部回收，熱回收效率達(dá)到60%。

Mizuochi等研究了旋轉(zhuǎn)杯用于熔渣粒化的可行性，考察了不同旋轉(zhuǎn)杯形狀和不同轉(zhuǎn)速下的熔渣粒化情況，成功地實(shí)現(xiàn)了熔渣的干式成粒并顯示轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速是影響渣粒大小和形態(tài)的關(guān)鍵性參數(shù)，證明了液態(tài)熔渣的干式成粒技術(shù)是可行的，但實(shí)際應(yīng)用還存在著操作工藝要求高、機(jī)械磨損嚴(yán)重等缺點(diǎn)，為更實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)一定困難。

圖3 離心粒化法熔渣處理工藝流程

各種高爐渣預(yù)熱回收利用技術(shù)都有不足之處：風(fēng)淬法普遍采用高壓、高速的空氣作為破碎的介質(zhì)并提供熔渣破碎的動(dòng)力，動(dòng)力消耗很高；機(jī)械攪拌法處理熔融爐渣后，渣粒直徑大小不均，并且普遍較大，不利于后續(xù)的利用，熱效率較低；連鑄式余熱鍋爐法是先固化再粒化的工藝，平板狀高溫渣的導(dǎo)熱率和透氣性嚴(yán)重影響渣和空氣的換熱；轉(zhuǎn)筒法處理能力普遍較小，無(wú)法和高爐的生產(chǎn)能力相匹配；離心粒化法雖具有單體處理能力大、操作參數(shù)少、容易控制等特點(diǎn)，但是占據(jù)空間大施工困難，以及同樣受到高爐液體爐渣的物理性質(zhì)困擾。

3 微水淬法渣粒化余熱回收技術(shù)開發(fā)

山東九羊集團(tuán)有限公司通過總結(jié)上述技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種新型高爐渣粒化余熱回收技術(shù)，該技術(shù)能夠在較大程度上節(jié)約水資源的耗用，降低周邊環(huán)境的污染，能夠?qū)⒔^大多數(shù)甚至全部的冷卻水變?yōu)橹袎猴柡驼羝玫嚼茫蝗缓蟛捎蔑L(fēng)冷工藝獲得熱循環(huán)空氣通過余熱鍋爐再次回收余熱。由于繼續(xù)采用機(jī)械破碎和水淬工藝保證了顆粒渣的質(zhì)量，該技術(shù)目前已獲得發(fā)明專利（專利號(hào)為：201210394882.5）和實(shí)用新型專利（專利號(hào)為：201220525409.1）。

該技術(shù)采用的裝置（結(jié)構(gòu)見圖4）主要由溜渣口、液渣斗、速冷腔、星形卸渣輪和風(fēng)冷腔組成。溜渣口位于該裝置的頂部，其進(jìn)口稍高連接高爐出鐵場(chǎng)渣溝，出口稍低位于液渣斗的上方；液渣斗下部連接速冷腔；速冷腔的下部安裝星形卸渣輪并連接于底部的風(fēng)冷腔。速冷腔由上部的粒化輪組部分和下部的水淬部分組成，粒化輪組部分的內(nèi)部裝有兩個(gè)向外反方向旋轉(zhuǎn)的狼牙棒形滾筒構(gòu)成的粒化輪，粒化輪的外面為粒化器壁，粒化輪和粒化器壁為空腔水冷結(jié)構(gòu)；粒化輪的傳動(dòng)軸伸出殼體外面連接粒化輪傳動(dòng)組；粒化輪組部分的下方為水淬部分，下部速冷腔外壁兩側(cè)正沖粒化輪組部分的落料點(diǎn)方向各安裝一排速冷水噴嘴，所有速冷水噴嘴外部均連接于速冷水管，速冷水管通過冷水電控閥連接系統(tǒng)水管。

圖4 微水淬法高爐渣粒化余熱回收裝置結(jié)構(gòu)

液渣斗的容量根據(jù)設(shè)備的處理能力及高爐出渣頻率確定，要求盡量保證速冷腔的供渣連續(xù)性和高爐排渣不能受到制約。噴水量控制在400 kg/t鐵以內(nèi)，噴水壓力2～4 MPa，噴水量及噴水壓力需根據(jù)具體工藝條件作適當(dāng)調(diào)整，其噴水量不宜過多以免影響下一步的熱量回收效率，噴水壓力根據(jù)回收飽和蒸汽壓力的1.15～1.2倍確定，為確保余熱回收效率蒸汽溫度一般控制在200～250℃。在速冷腔的兩端部設(shè)置蒸汽收集口，蒸汽收集口匯集連接到蒸汽管道，由于該蒸汽含有灰塵等微量元素，其蒸汽管道不建議直接連接到蒸汽管網(wǎng)，需要通過蒸汽換熱器后加以利用。

當(dāng)高爐打開渣溝放渣時(shí)，同時(shí)開啟粒化輪傳動(dòng)組使粒化輪組部分開始工作，經(jīng)過一段延時(shí)后（液體渣流到粒化輪組部分時(shí)）噴水電控閥打開。液體渣經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)的粒化輪傳動(dòng)組進(jìn)行初步破碎成為顆粒狀，沿粒化器壁下落，渣粒被冷卻水噴在表面后因渣粒內(nèi)外溫差作用產(chǎn)生爆破而進(jìn)一步粒化，同時(shí)噴在渣粒上的水滴受熱后蒸發(fā)成為蒸汽，并帶走部分焓熱。粒化完成的渣粒堆落在速冷腔的底部，此時(shí)打開卸渣電機(jī)電源，渣粒通過星形卸渣輪進(jìn)入風(fēng)冷腔；蒸汽通過速冷腔的兩端部蒸汽收集口進(jìn)入蒸汽管道后連接到蒸汽系統(tǒng)。粒化輪和噴水電磁閥的運(yùn)行要與液渣進(jìn)入裝置配合，即液渣未進(jìn)入裝置時(shí)粒化輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)或降低運(yùn)轉(zhuǎn)速度，噴水電磁閥關(guān)閉，降低運(yùn)行能耗，避免降低蒸汽溫度。渣粒在速冷腔底部作短暫停留后進(jìn)入風(fēng)冷腔，此時(shí)的渣粒溫度在700～750℃，熱焓約863 kJ/kg，通過安裝在風(fēng)冷腔腔壁上的壓縮風(fēng)噴嘴對(duì)渣粒進(jìn)行吹風(fēng)，得到進(jìn)一步的冷卻后的渣粒落入成品渣斗，渣粒在成品渣斗內(nèi)存放一段時(shí)間熱量得到充分散發(fā)；然后打開卸渣閥，冷卻后的成品渣粒通過運(yùn)渣皮帶運(yùn)往下一道生產(chǎn)工序。風(fēng)冷腔產(chǎn)生的熱風(fēng)通過風(fēng)冷腔頂部的錐形管道進(jìn)入系統(tǒng)熱風(fēng)管道，熱風(fēng)中夾帶的細(xì)小渣粒在錐形管道中由于重力的作用與管壁碰撞后下落至成品渣斗。熱風(fēng)通過熱風(fēng)管道進(jìn)入換熱器交換熱量后返回到空氣壓縮機(jī)加壓后再次進(jìn)入下一道循環(huán)程序。空氣壓縮機(jī)的啟停與卸渣電機(jī)配合，即沒有熱渣進(jìn)入風(fēng)冷腔時(shí)，可以停止空氣壓縮機(jī)。

該技術(shù)回收高爐爐渣熱焓分兩步進(jìn)行，首先通過機(jī)械破碎及控制給水量水淬產(chǎn)生250℃以內(nèi)的飽和蒸汽，噸鐵可回收熱量335 MJ左右，在節(jié)約新水耗用的同時(shí)避免了沖渣水及水蒸汽對(duì)周邊環(huán)境污染；其次，通過余熱鍋爐回收150℃的熱量，噸鐵可回收熱量258 MJ左右，綜合回收率可達(dá)到87%。如果適當(dāng)降低回收率，可以通過第二部余熱鍋爐進(jìn)行余熱回收。

4 結(jié)語(yǔ)

微水淬法渣粒化余熱回收技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）與傳統(tǒng)的水淬工藝相比噸渣可節(jié)約用水7～9 t。2）與其他余熱回收技術(shù)相比，由于速冷部分保留了水淬工藝，其成渣產(chǎn)品用于建材原料與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的成渣產(chǎn)品各種結(jié)構(gòu)成分完全相同，不影響后續(xù)加工。3）裝置上部的渣斗緩沖了高爐生產(chǎn)中的不連續(xù)性。4）通過兩次余熱回收，噸鐵可回收熱量257.7 MJ，綜合回收率可達(dá)到87%。5）工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，磨損系數(shù)減少。

雖然該技術(shù)目前還處于開發(fā)試驗(yàn)階段，某些細(xì)微結(jié)構(gòu)上還有待于進(jìn)一步推敲改進(jìn)，操作工藝有待于進(jìn)一步的掌握，但是由于該技術(shù)掌握了高爐爐渣余熱回收技術(shù)的核心切入點(diǎn)，因此具有廣泛推廣應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

［1］王曉曦，鄒漢偉.液態(tài)渣顯熱回收技術(shù)現(xiàn)狀及前景分析［J］.鐵合金，2007（5）：34-36.

［2］張西鵬，周守航.高爐爐渣顯熱回收前景分析［C］//中國(guó)金屬學(xué)會(huì).第七屆中國(guó)鋼鐵年會(huì)論文集.2009.

［3］沈成孝.滾筒法渣處理技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.冶金設(shè)備，2003（3）：1-3，9.

［4］閆兆民，周揚(yáng)民，楊志遠(yuǎn)，等.離心粒化理論與設(shè)備［C］//中國(guó)金屬學(xué)會(huì).第十一屆全國(guó)MOCVD學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.2010.

Technology Development on WasteHeat Recovery of LittleWater Quenching Method for BF Slag

QIU Runqiang,XU Zhengpeng
（Shandong Jiuyang Group Corporation,Laiwu 271118,China）

The waste heat recovery technology of BF slag was developed by Shandong Jiuyang Group.The technology is consisted of collecting middle pressure saturated steam changed by evaporated cooling water,getting circulating hot air used of wind cooling, again recovered waste heat by waste heat boiler.The recyclable heat quantity of ton of iron is 257.7 MJ,the comprehensive recovery ratio can reach 87%,and the process can save of water consumption 7-9 t every ton of slag compared with the traditional water quenching slag process.

blast furnace slag;waste heat utilization;little water quenching

TF321

：B

：1004-4620（2014）01-0048-03

2013-09-23

邱潤(rùn)強(qiáng)，男，1966年生，1989年畢業(yè)于濟(jì)南職工科技大學(xué)機(jī)械制造專業(yè)。現(xiàn)為山東九羊集團(tuán)有限公司副總經(jīng)理，高級(jí)工程師，能源管理師，從事冶金技術(shù)管理及節(jié)能推廣工作。