高爐熔渣氣淬余熱回收初探①

李書磊 李雙鋒

(1:洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽471039；2:東風(十堰)特種商用車有限公司 湖北十堰442012)

目前，在高爐煉鐵生產中，高爐渣的處理工藝主要是利用高壓水將高爐渣沖制成水渣，再經過渣水分離，沖渣水循環使用，水渣可作為水泥原料、混凝土骨料等。主要方法包括因巴法(INBA)、底濾法(OCP)、圖拉法(TYNA)、拉薩法(RASA)、明特克法(MTC)等[1-3]。對于水沖渣處理工藝而言，不但浪費大量的水，以及熔渣中的熱量，而且會產生H2S 等有毒氣體。

近年來，國內外許多科學工作者和鋼鐵企業逐漸認識到現有水沖渣處理工藝的不合理性，開始研究熔融態高爐渣進行干法處理的生產工藝研究[4-7]。干法處理熔融態高爐渣工藝不但可以節約大量水資源，而且可將熔渣高爐渣的顯熱進行部分回收，可以用于供暖、發電等。高爐渣干法處理工藝主要包括風淬法、轉筒粒化法、離心粒化法等方式。

1 前言

高爐熔渣氣淬工藝主要依靠高壓高速氣流對高爐熔渣進行處理，達到冷卻的目的，通過傳送裝置被運至料場，用作水泥廠生產水泥的原料。其工藝路線如下圖1所示。

圖1 氣淬工藝路線

其工藝方法為：

(1)控制系統發出指令，渣灌小車進入工作預備位，熔融高爐渣由渣溝通過溜槽流入渣灌小車；(2)熔融高爐渣進入渣灌小車后，控制系統實時發出指令，開啟噴射系統電源，噴射系統進入工作準備狀態；(3)控制系統檢查渣灌小車的位置無誤后，發出指令打開渣灌小車下方塞棒機構，熔融高爐渣流出進入高爐渣冷卻器；(4)熔融態高爐渣在噴射系統高速氣流的沖擊下，在高爐渣冷卻器內迅速被高速氣流破碎，高爐渣飛行過程中在空氣阻力和表面張力的作用下，逐漸收縮成橢球狀或球狀顆粒，從而被破碎成細小的高溫固態高爐渣顆粒，并在高爐渣冷卻器內被冷卻；(5)高溫固態高爐渣顆粒在高爐渣冷卻器內被完成收集，溫度約為900℃；(6)900℃高溫固態高爐渣顆粒進入余熱鍋爐，余熱鍋爐則將高溫固態高爐渣顆粒的余熱回收，并產生中溫中壓蒸汽(3.82MPa，450℃)，高溫固態高爐渣顆粒在余熱鍋爐里面被冷卻，控制系統檢測高溫固態高爐渣顆粒為180℃下時被排出，冷卻后的固態高爐渣顆粒被轉運收集運送至料場。

2 高爐熔渣氣淬處理系統

高爐熔渣氣淬處理系統如圖2所示，主要設備主要由渣灌小車(1)、噴射系統(2)、高爐渣冷卻器(3)、余熱鍋爐(4)、控制系統(5)、轉運系統(6)組成的高爐熔渣氣淬處理系統。

圖2 高爐熔渣氣淬處理系統1-渣灌小車;2-噴射系統;3-高爐渣冷卻器;4-余熱鍋爐;5-控制系統;6-轉運系統

渣灌小車(1)布置于軌道之上；噴射系統(2)位于渣灌小車(1)的下方，熔融高爐渣被噴射系統(2)噴出的高壓氣流破碎成900℃左右的高溫固態高爐渣顆粒；高爐渣冷卻器(3)將其在飛行過程中冷卻；高爐渣冷卻器(3)設有水冷壁，用于高溫固態高爐渣的冷卻；控制系統(5)則用于渣灌小車(1)在軌道上的位置檢測、熔融高爐渣流動速度控制以及噴射系統(2)高壓氣體流量的調節、高爐渣冷卻器(3)轉速的調節和固態高爐粒溫度的測量；轉運系統(6)用于冷態固態高爐渣顆粒的轉運收集。

2.1渣灌小車

渣灌小車的功能主要是將熔融的高爐渣從渣溝導入噴射系統上方，將熔融高爐渣從渣溝轉運至噴射系統，并控制熔融高爐渣的流速。渣灌小車安裝在高爐渣冷卻器上部，采用自帶動力的輪式結構。

主要包括：車體、主動輪、從動輪、軌道、導向溜槽、塞棒機構、拖鏈等。車體主要用于承接一定量的熔融高爐渣，將其通過導向溜槽進入高爐渣冷卻器。車體載著熔融高爐渣可在軌道上實現一定距離的運動。車體和導向溜槽內設耐材，以提高設備的可靠性和使用壽命。

圖3 渣灌小車

2.2噴射系統

噴射系統安裝于高爐渣冷卻器端面，采用雙U型噴嘴結構，所用的氣體為空氣或氮氣，通過法蘭與高壓氣體管路連接。

2.3高爐渣冷卻器

離開渣灌小車的高爐渣在噴射系統高壓氣體的作用下被細碎成為細小的高溫高爐渣顆粒，高溫高爐渣顆粒在飛行過程中冷卻、凝固，最終高溫高爐渣顆粒滑落至高爐渣冷卻器旋轉筒體內部，并從高爐渣冷卻器的另一端排出。

高爐渣冷卻器傾斜安裝于基礎之上，主傳動系統采用“電機—聯軸器—硬齒面減速器”的結構形式。采用硬齒面減速器，具有體積小，大速比、大扭矩、高壽命，耐沖擊等特點。另一端設有慢速驅動裝置，微動時通過爪型離合器使筒體正轉或反轉，以便于高爐渣冷卻器的安裝、調試和維修；當高爐渣冷卻器正常工作時，爪型離合器使微動電機與減速機脫離。

高爐渣冷卻器筒體采用合金鋼板卷制成圓筒后自動焊接而成，滾圈采用鍛件與各段筒體焊接為一體；焊接后的筒體采用整體退火、整體加工工藝；保證了筒體、滾圈、大齒圈中心線的一致性，使設備運行平穩，震動與噪音大大減小，提高整機使用壽命。高爐渣冷卻器共設有四個托輥用于支撐筒體和物料的重量，筒體的轉動是靠開式齒輪傳動實現的，轉動筒體的滾圈與托輥作相對滾動。

由于筒體傾斜安裝，因此設置了擋輥以限制筒體沿軸向移動，并且承受部分軸向力，擋輥具有可調性，當筒體偏離正常工作位置過大時，要及時調整擋輥使筒體處于正常位置而安全工作。

圖4 高爐渣冷卻器1-入口閥門;2-筒體;3-傳動系統;4-進出水口;5-噴射系統;6-底座

在各部件相對運動部分全部采用迷宮型密封防護罩，以防止粉塵及物料泄漏；并采用大排氣孔的給礦口罩、排料溜槽與排氣罩結構，更有利于粉塵和廢氣的排出，大大改善了工作環境。

高爐渣冷卻器為高溫高爐渣顆粒提供了較長的飛行時間，使其得到充分冷卻；為防止高溫高爐渣顆粒與高爐渣冷卻器內壁粘接，在高爐渣冷卻器的側壁設置水冷壁。水冷壁為全膜式水冷壁管，管內通入冷卻水，進一步對高爐渣顆粒進行冷卻。循環水泵將與空氣換熱后的低溫冷卻水打入高爐渣冷卻器入水口。低溫冷卻水在高爐渣冷卻器膜式管內流動，水被加熱到150℃左右。一部分熱水引出本系統作為其他系統供熱之用，另一部分熱水被引入到空氣加熱器管組。150℃左右的熱水在管內流動，與管外的冷空氣充分換熱后溫度降至40℃左右，經循環泵增壓后重新進入高爐渣冷卻器。考慮到本系統的水平衡，必須設置補給水泵，以補充等量的冷水(與供熱用水水量相等)。經高爐渣冷卻器進一步冷卻后，高溫高爐渣顆粒溫度控制在900-1000℃。

圖5 余熱鍋爐

2.4余熱鍋爐

900-1000℃的高溫高爐渣顆粒需進入余熱鍋爐內再次被冷卻，高溫高爐渣顆粒與鍋爐管壁直接接觸進行換熱，余熱鍋爐將產生中溫中壓蒸汽(3.82MPa，450℃)，產生的中溫中壓蒸汽可并入蒸汽管網，也可用于余熱發電系統推進汽輪機發電。

余熱鍋爐為單壓、立式、自然循環高溫固體顆粒余熱鍋爐，主要由進料口、高溫過熱器、低溫過熱器、上級蒸發器、下級蒸發器、高溫省煤器、低溫省煤器、出口排料裝置、鍋筒、管道、平臺扶梯、護板及保溫等部件組成。余熱鍋爐本體采用碳鋼管箱結構，管箱內外壁之間用H型鋼連接，保證剛性，從而充分保證鍋爐能夠承受一定的內壓。

此外，在余熱鍋爐的物料進口處設有料位和溫度監測點，用來監測物料高度和進出口物料溫度；在鍋爐進口處設有膨脹節，可以保證鍋爐自由向上膨脹；高溫過熱器管束采用順列布置，做成膜式結構，大大提高受熱面積。

高溫高爐渣顆粒通過進料口呈自然角度堆積在整個爐膛截面之內，通過控制、調節爐膛下設電動卸料閥實現進料與出料的動態平衡，在保證爐膛內部受熱面完全被物料覆蓋的前提下，物料以大約2mm/s的速度緩慢向下移動，依次通過高溫過熱器、低溫過熱器、高溫蒸發器、低溫蒸發器、高溫省煤器、低溫省煤器完成換熱后經若干個電動卸料閥排出。

此外，余熱鍋爐還配有安全閥、壓力表、水位計、排污裝置、測溫儀表、保護裝置等。

2.5轉運系統

高溫高爐渣顆粒在余熱鍋爐內被冷卻，顯熱被回收，當溫度達到180℃以下時，高爐渣顆粒被排放進入轉運系統。轉運系統采用帶式輸送機，將180℃以下的冷態高爐渣顆粒輸送至料場。皮帶機上設有電子皮帶秤、高溫輻射計及超溫灑水裝置。電子皮帶秤對冷態高爐爐渣進行連續稱量，稱量值與設定值的偏差值饋給控制系統，將排渣量控制在穩定的設定值范圍內，當高溫輻射計檢測到高爐渣顆粒溫度超過設定值上限時，啟動噴水裝置降溫，保護皮帶機。

3 總結

與傳統的水沖渣工藝方式相比，該高爐渣氣淬余熱回收工藝生產的高爐渣形貌可控、具有降低新冷卻水耗、提高余熱品質和發電能力、提高余熱發電系統運行安全性和減少污染物排放等諸多優勢。