我國大型高爐噴吹瓦斯灰的研究進展

劉強茂+高艷宏

【摘 要】有效回收利用瓦斯灰資源以謀求環境、經濟效益的最大化，是冶金行業普遍面臨的問題。本文闡述了高爐噴吹重力灰、旋風灰和布袋灰的研究現狀和實踐應用。在不影響高爐順行的前提下，完全可以通過控制瓦斯灰的配入比例，替代部分煤粉，實現節煤降耗的目的，為冶金行業低碳生產、節能減排開辟一條有效途徑。

【關鍵詞】高爐噴吹；瓦斯灰；重力灰；旋風灰；布袋灰

隨著對節能減排、環境保護要求的日益提高，解決冶金行業的二次粉塵回收利用問題迫在眉睫。目前冶金企業對除塵灰的回收利用研究多集中于干熄焦灰的利用，而對高爐瓦斯灰的研究并不多。

高爐瓦斯灰是生產時隨高爐煤氣從爐頂排出，經各級除塵器收集的粉塵，根據除塵設備的不同主要分為重力灰、旋風灰和布袋灰，其化學成分和粒度高爐爐容、原燃料條件等密切相關，但其主要成分是鐵和碳，除此之外還含有少量硅、鈣、鋁等其它元素的氧化物，具有較高的回收價值[1]。雖然高爐除塵灰在作為燒結、球團生產配料、提取有價值元素等方面得到了一定程度的應用，但普遍還存在問題，如充分利用問題（約60%～70%的粉塵在系統中循環）[2]、燒結礦成分偏析問題[3]等。鑒于高爐除塵灰粒度細、密度小、數量較多[4]，以及國外高爐混噴的成功的工業試驗[5，6]，將其直接配加到煤粉中噴入高爐，能簡單高效地回收大量的鐵碳元素，有效降低生產成本，為我國鋼鐵企業節能減排、保護環境、發展循環經濟開辟一條新的途徑[7-8]。

1 高爐噴吹重力灰

重力灰是經由重力除塵器利用重力收集的粉塵，粒度相對較大。重力除塵器可除去粒度大于150μm的顆粒，除塵效率達到50%～80%，出口煤氣含塵量可降到8～12g/m3。首秦1200m3高爐日平均重力灰量41t左右，約占總塵量的59%，主要成分為：TFe：52.77%，C：12.60%，SiO2：8.93%，CaO：2.27%，Al2O3：3.66%，Na2O：1.16%，K2O：0.17%，ZnO：0.40%[9]。

李燕江等利用兩段式煤粉燃燒爐，模擬高爐的燃燒條件，分析了邯寶公司3200m3高爐的重力灰（TFe：28.7%，C：42.65%，SiO2：5.8%，CaO：4.51%，Al2O3：2.87%，MgO：1.27%，Na2O：0.11%，K2O：0.22%）和混合煤粉（煙煤：無煙煤=4：6，小于0.074mm占70%）的燃燒性能。該高爐重力灰中的碳含量較高，達到了42.65%，經過對其進行煤巖顯微組分分析，發現63.76%來源于焦炭，36.24%來源于煤粉。其著火點、爆炸性與混合煤粉相差不大，可磨性、噴流性能明顯優于煤粉，但是其燃燒率只有26.46%，遠遠低于煤粉（煤粉的燃燒率：60.36%）。通過按以上條件對邯寶公司噴吹重力灰（日產60t）的經濟效益進行估算，每年可增加鐵量6199t，節約成本1000多萬元[10]。

2 高爐噴吹旋風灰

旋風灰是經由旋風除塵器利用離心力收集的粉塵，粒度小于重力灰。新建高爐多采用旋風除塵器代替重力除塵器，或在已有重力除塵器后增加旋風除塵器以提高除塵效率，PW公司開發的軸流旋風除塵器旋風灰粒度絕大部分超過25μm。首秦公司1200m3高爐日平均旋風灰量22t左右，約占總塵量的32%。主要成分為：TFe：44.04%，C：22.60%，SiO2：8.64%，CaO：2.37%，Al2O3：3.73%，Na2O：0.97%，K2O：0.20%，ZnO：0.47%[9]。

邵騰飛等在實驗室對首秦煤粉添加旋風灰后的燃燒性能進行了實驗，分析了富氧3%氣氛下配加0、3%、6%和9%的旋風灰（TFe：31.94，C：35.62，SiO2：5.14，CaO：3.26，Al2O3：3.16，Na2O：1.17，K2O：0.43）后的煤粉試樣的燃燒情況。實驗研究結果表明，富氧3%的條件下，配加6%旋風灰時，煤粉的燃燒率分別達到最大值60.1%；繼續增加旋風灰配入量，煤粉的燃燒率明顯降低，此時對理論燃燒溫度的影響不大。這可能和鐵氧化物、堿金屬氧化物和氧化鈣的助燃催化作用有關[11]。此外，吳小輝等測得空氣氣氛下添加相同比例的旋風灰后，試樣的燃燒率變化趨勢和富氧3%時一致，在配加6%旋風灰時，煤粉的燃燒率達到最大值56%，比富氧3%時略低[12]。首秦1號高爐現場噴吹的實踐結果證實，在煤粉中添加3%以下旋風灰，高爐各項操作制度、爐況與未添加時沒有明顯變化，也沒有增加后續煉鐵工序的堿負荷。

丁汝才等在實驗室進行添加2%、4%、6%和8%旋風灰和不同富氧率對煤粉燃燒率影響的研究。采用首秦旋風灰，在成分和條件與邵騰飛和吳小輝等所做研究相似的情況下，得出了類似的結論：空氣條件下，配加4%的旋風灰，燃燒率最大，為40.42%；富氧3%時，最大燃燒率也基本保持在配加4%旋風灰的情況。工業試驗證明每年可節省煤粉1500t，回收600～800t鐵，經濟意義和社會意義重大[4]。

3 高爐噴吹布袋灰

布袋除塵是一項比較成熟的技術，該除塵器置于重力除塵器或旋風除塵器之后，各種高孔隙率的織布或濾氈，對粒度較小的粉塵進行收集，除塵效率在99%以上。大型高爐的布袋除塵器后凈煤氣的含塵量一般小于5mg/m3。首秦公司1200m3高爐日平均布袋灰量6t左右，約占總塵量的9%。主要成分為：TFe：26.04%，C：19.2%，SiO2：11.88%，CaO：5.07%，Al2O3：7.87%，Na2O：1.72%，K2O：1.52%，ZnO：1.54%。鉛鋅在爐內極易還原，凝結物大部分集中在極細粉塵中，因此布袋灰中含量較高。為防止其在爐內循環累計，破壞爐襯或在爐身上部和爐頂煤氣管結瘤，應嚴格控制入爐量[9]。

劉仁生等將長鋼9號1080m3高爐布袋除塵灰（FC：61.08%，Ad：31.75%，Vdaf：10.51%，S：0.99%，發熱量：22.14MJ/kg）和煤粉混合后，進行了熱重分析和高爐噴煤燃燒模擬試驗。該布袋灰灰分和硫分都很高，但是其含碳量高，具有較高的發熱量。其在600℃時的燃燒率為40.75%，將其配入屯留煤粉中，20%布袋灰是試樣燃燒率最高的合適比例，燃燒率達到51.82%，說明此時布袋灰中氧化鐵等金屬氧化物的釋放會加快屯留煤樣的燃燒過程，縮短燃燒時間，從而利于增加噴煤量， 降低焦比。當布袋灰、府谷煤和屯留煤混合時，三者的比例為1：1：8時的煤樣的燃燒率最高（600℃），達到69.86%，最利于高爐噴吹。噴煤的模擬試驗結果證實了同樣的趨勢，但是由于氣氛和溫度條件的不同，導致燃燒率的數值有所不同[13]。

韓慶等通過對高爐噴吹煤粉中添加2～8%的布袋灰（C：約20%）的研究，發現在富氧率小于3%時，宜添加4%左右的布袋灰，以充分利用布袋灰中的碳和鐵氧化物的催化作用，提高煤粉的燃燒率；富氧率大于3%，布袋灰的添加量可以達到8%。在高爐風溫高于1150℃時，布袋灰配入比例每增加2%，富氧率需增大1%，風口前的理論燃燒溫度下降3.1℃。在1200m3高爐進行噴吹煤粉與布袋灰混合噴吹，風壓0.3MPa、風量2800m3/min、富氧率2.0%，壓力0.7MPa，風溫1180℃，焦比350kg/t，產量3000t/d，渣量280kg/t，配入4%的布袋灰，保持煤粉和灰的混合物在150kg/t，生鐵合格率100%，高爐的生產參數保持不變。按煤粉價格630元/t，噴煤量150kg/t，噸鐵添加布袋灰6.0kg，在年產105萬噸生鐵的情況下，每年噴吹6300噸的布袋灰，代替部分煤粉和含鐵爐料，直接經濟效益362萬元[14]。

4 結論

瓦斯灰是鋼鐵企業主要固體排放物之一，不但含有大量的鐵碳資源，還含有少量的有害雜質，在節能環保要求的不斷提高的今天，實現固廢循環利用成為高爐固廢清潔生產的目標。本文通過對高爐噴吹重力灰、旋風灰和布袋灰的探討分析，發現瓦斯灰完全可以作為輔助燃料，代替煤粉。相比較之下，這三種灰中，重力灰粒度較粗，鐵碳含量較高，布袋灰的粒度最細，含有的有害元素也最多，因此，必須根據這些元素的含量決定是否直接利用。

【參考文獻】

[1]張偉，王再義，王相力，張立國.高爐噴吹煤粉中添加除塵灰的試驗研究[J].冶金叢刊，2011，194（4）：4-6.

[2]張立國，王再義，劉德軍，張偉，王相力.鞍鋼高爐噴吹除塵灰的研究與利用[J].中國冶金，2012，22（10）：47-50.

[3]鄧永春，李亮，韋嚴勇，鞏猛.高爐瓦斯灰綜合利用研究現狀[J].2014，30（5）：25-28.

[4]丁汝才，朱利.首秦風口噴吹瓦斯灰基礎研究及實施進展[J].2010，29（6）：43-48.

[5]Bjorn Jansson， Lena Sundqvist. Injection of Flue Dust into the BF-a Full Scale Test at BF No.3 in Iulea[C]. 2nd International Conference on Process Development in Iron and Steelmaking. 2004，4-5.

[6]Gudenau H. W， Denceke H， Wipperman H. Iron Ore and Iron Containing Dust Injection into the BF[C]. 2nd International Congress on the Science and Technology on Irongmaking and 57nd Ironmaking Conference Proceding. Toronto Canada， 1998，3-4.

[7]常健，蘇步新，張建良，等.煤粉添加高爐除塵灰混合燃燒特性及動力學研究[J].過程工程學報，2012，12（2）：239.

[8]劉德軍，郝博，馬光宇.煉鐵除塵灰再利用方法研究[J].鞍鋼技術，2012（2）：9-10.

[9]高魯平，候健.關于高爐煤氣干法除塵器的處理[J].煉鐵，2010，29（3）：59-62.

[10]李燕江，呂慶，盧建光，劉小杰，黃宏虎，王巖.高爐噴吹重力除塵灰研究[J].鋼鐵釩鈦，2015，36（6）：57-62.

[11]邵騰飛，吳鏗，丁汝才，王崇茂，劉起航，屈俊杰.高爐旋風灰作為噴吹煤粉添加劑的可行性研究[J].鋼鐵，2012，47（6）：88-92.

[12]吳小輝，吳鏗，張二華，邵騰飛，杜瑞嶺，任海亮，王夢.高爐旋風灰作為自產噴吹煤粉添加劑的相關研究[J].環境工程，2012，30：272-275.

[13]劉仁生，曹晨忠，趙兵，湛燕.長鋼9 號高爐布袋灰與煤混噴的最佳配比選擇[J].中國冶金，2011，21（5）：31-35.

[14]韓慶，丁汝才，吳鏗，鄭濤，吳燕一，江東才，王效東，李志毅.一種高爐噴煤添加布袋灰的方法[P]. CN 1743465 A，2003，3.

[責任編輯：湯靜]