鋼渣余熱回收方法分析

李德軍，劉清海,許孟春，李曉偉，劉祥,于賦志

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司 遼寧 營口115007）

負能煉鋼是轉爐實現節能減排，降本增效的重要技術之一。目前，鞍鋼生產過程中的高溫鋼渣含有大量的顯熱能量沒有回收，造成很大浪費。以轉爐為例，轉爐冶煉過程中所產生的高溫液態鋼渣一般約占轉爐裝入量的10%～15%，以裝入量100 t的轉爐來說，在冶煉過程中會產生10～15 t的高溫熔融態鋼渣，溫度達到1 450～1 650℃，熱焓值約為1 670 MJ/t渣[1-2]。以鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠一分廠為例，該廠年產300萬t粗鋼,每年可產30～45萬t高溫鋼渣，則鋼渣產生的熱能可達到 5.01×105～7.52×105GJ。 若將鋼渣產生的熱能按60%回收，將回收的熱能轉換成電能，按1 GJ熱能可轉化成277.78（kW·h）的電能，電能以0.53元/（kW·h）的市場價格計算，則全年可額外創效4 428～6 108萬元，具有很高的回收價值，若能將轉爐鋼渣的熱能回收創效，對于我國鋼鐵行業實現可持續發展具有重要的意義。

1 鋼渣熱能回收現狀

轉爐產生的高溫鋼渣的熱量由于難以儲存，目前大多數鋼廠都采用露天潑渣打水冷卻，對鋼渣進行降溫或自然冷卻，在其溫度降至80～100℃后運到鋼渣場進行儲存。個別鋼廠采用淺盤熱潑法、悶罐法、粒化輪水淬法、滾筒法以及風淬法等對鋼渣進行處理，但是這些處理方法的鋼渣熱能回收效率都比較低，個別方法幾乎沒有得到回收[3-5]。

2 鋼渣熱能物理回收方法

高溫鋼渣熱能物理回收是指在熱能回收過程中，采用的回收介質沒有發生化學變化的一種回收方式。回收原理就是通過回收介質（通常是水和空氣）與高溫鋼渣發生接觸或間接接觸，利用回收介質與高溫鋼渣之間存在的溫度差，將熱量從高溫鋼渣中轉移出來，從而達到高溫鋼渣熱能回收的目的。目前，鋼渣熱能物理回收方法有機械破碎法、風淬法、離心式回收方法。

2.1 機械破碎法

通過機械破碎對鋼渣熱能回收的主要方法有固體顆粒沖擊法、機械攪拌法和轉鼓法，國外已經有了相關研究[6-8]。固體顆粒沖擊法由瑞典Merotec公司開發，基本原理就是利用已固化的循環渣粒將新渣進行淬碎粒化，粒化后的鋼渣被送入流化床換熱，然后對其熱量進行回收，固體顆粒沖擊法熱能回收裝置示意圖如圖1所示。此方法可產生大約250℃的飽和蒸汽，熱能的回收效率大約在65%左右。

圖1 固體顆粒沖擊法熱能回收裝置示意圖

日本的川崎鋼鐵公司開發了一種以機械攪拌為破碎方式的鋼渣熱能回收系統，機械攪拌法熱能回收裝置示意圖如圖2所示。在該熱能回收系統中，高溫熔渣在一個碗狀的容器中被攪拌破碎并飛向容器的側壁，通過布置在容器側壁的換熱水管將鋼渣熱能進行回收，破碎后的鋼渣細粉被送入到流化床，鋼渣細粉與流化床中的空氣完成熱量交換，被加熱的空氣送往熱能鍋爐，該回收系統可使鋼渣顯熱回收率達到59%左右。

圖2 機械攪拌法熱能回收裝置示意圖

NKK公司用的另一種熱回收設備是將熔融的鋼渣通過渣溝或管道注入到兩轉鼓之間，轉鼓在電動機的帶動下連續轉動，轉鼓中通入熱交換空氣，轉鼓內輸入空氣吸收熱量實現能量回收，轉鼓法熱能回收裝置示意圖如圖3所示。受設備的限制該方法的熱量回收效率波動比較大，一般在35%～45%。

圖3 轉鼓法熱能回收裝置示意圖

2.2 風淬法

風淬法與機械碎渣法類似，其原理是通過向鋼渣內吹入高速空氣，將鋼渣擊碎，然后對其熱量進行回收，風淬法鋼渣熱能回收裝置示意圖如圖4所示。Mitsubishi和NKK對此方式進行了研究[9]，首先將液態鋼渣倒入傾斜的渣溝里，在渣溝下面設有鼓風機，當鋼渣從渣溝末端流出時與鼓風機噴出的高速空氣流接觸被粒化，隨之被吹到熱交換器內，完成對鋼渣熱量的回收。該方法的熱回收率可達40%～45%。

圖4 風淬法鋼渣熱能回收裝置示意圖

2.3 離心式法

20 世紀 80 年代，Pickering[10]等人發現利用離心力能夠很好地將鋼渣進行粒化處理，給熱能回收創造了良好條件，并提出了轉杯法熱能回收系統，轉杯法熱能回收裝置示意圖如圖5所示。

圖5 轉杯法熱能回收裝置示意圖

該方法的熱能回收率可達到60%。隨后，日本北海道大學的Akiyama提出了轉碟法，2002年澳大利亞CSIRO的研究組對該方法進行了改進[11]，采用高壓空氣破碎轉碟甩出的渣膜，加熱空氣完成部分熱量交換，破碎的渣粒落入到下部的填充床內，再對其進行熱能回收，轉碟法熱能回收裝置示意圖見圖6，該方法的熱能回收率可達58.5%。

圖6 轉碟法熱能回收裝置示意圖

2.4 物理回收方法中存在的不足

鋼渣熱能物理回收方法中普遍存在的問題就是熱能回收效率低，通常不超過60%。此外，為了提高鋼渣熱回收效率，要對鋼渣進行細化處理，以便更好地提取回收熱量。但隨著細化程度的提高，需要額外消耗更多的能量，結果降低了熱量回收率。由于物理方法存在這樣的問題，所以很難提高熱能回收效率。

3 鋼渣熱能化學回收方法

按反應物和產物的不同，可以將鋼渣熱能化學回收方式分為兩種，一種是制氫法，一種是煤氣化法。將鋼渣的熱量作為化學反應的熱源進行熱能回收，雖然國內外學者也都在此方面進行了相關研究[12-14]，但以何種反應才能實現最佳熱能回收的論述比較少。

3.1 制氫法回收

在制氫法回收鋼渣熱能中，可以利用CH4與H2O（g）或CO2反應來實現熱能的轉換，其反應化學式如下所示[15]。

式中，△H0為反應的標準生成焓，kJ/mol；∑△H0生成物為生成物的標準焓之和，kJ/mol；∑△H0反應物為反應物的標準焓之和，kJ/mol。

通過文獻查出上述反應中各物質的標準焓，將其代入計算式（3），得出各反應的標準生成焓分別為 ：△H01=206.76 kJ/mol，△H02=247.25 kJ/mol。由于反應的標準生成焓為正值，表示反應為吸熱反應，正值越大表示反應吸收的熱量越多。

不難理解，為了將鋼渣的熱能轉化成化學能，過程中所進行的化學反應初始溫度越低且吸收的熱能越大，對熱能的轉化能力就越好。從以上的計算可以看出，反應（2）中，CH4與 CO2反應，不僅反應初始溫度最低為642℃，且反應過程中吸收的熱能也最大，為247.25 kJ/mol，回收鋼渣熱能的能力要明顯好于反應（1）中 CH4與 H2O（g）的反應。

3.2 煤氣化法回收

煤氣化法是利用高溫下C與CO2或H2O（g）反應來實現，其反應化學式如下所示[15]。

式中，△G04、△G05為反應式（4）和（5）的標準吉布斯自由能；T為溫度，單位為K。與上述的制氫法相同，計算如下：

令△G04=0，△G05=0，則可知，反應（4）與反應（5）的最低反應溫度分別為：T4=974 K=701℃，T5=940 K=667℃。通過式 （3）可分別計算得出，△H04=172.44kJ/mol，△H05=131.27 kJ/mol。

從熱力學角度分析，反應（4）與反應（5）對于熱能的回收各有利弊。從反應的最低溫度上看，反應（4）不如反應（5）效果好，由于反應（4）中 C 與CO2的煤氣化反應需要的最低溫度比反應（5）中C與H2O（g）的煤氣化反應要高，而在反應過程中鋼渣溫度會逐漸降低，從而會使反應受到限制，不利于對鋼渣余熱的吸收，但從反應吸收熱能的能力角度來看，反應（4）要比反應（5）效果好。

3.3 反應平衡常數

從以上的計算可以看出，在轉爐鋼渣溫度范圍內，雖然各反應都能夠進行，但反應能否進行徹底則關系到該反應能否將熱能最大程度轉化成化學能。眾所周知，反應的平衡常數是衡量反應進行是否徹底的一個重要參數。在不同溫度下對以上各式的平衡常數進行了比較，不同溫度下的平衡常數比較如圖7所示。

圖7 不同溫度下的平衡常數比較

從圖7看出，在轉爐鋼渣溫度范圍內，反應（2）的平衡常數最大，表明CH4與CO2的制氫反應進行得更徹底，熱能轉化成化學能的效率越高。反應（1）的平衡常數最小，表明 CH4與 H2O（g）的制氫反應相對進行得不夠徹底，對鋼渣余熱的回收能力有限。因此，制氫法回收鋼渣余熱應該選擇反應（2）即CH4與CO2。而煤氣化方法，在鋼渣溫度范圍內，反應（4）的平衡常數略高于反應（5），因此，煤氣化回收鋼渣余熱選擇反應（4）即C與CO2比較理想。

3.4 化學方法回收存在的問題及解決方法

3.4.1 存在的問題

鋼渣余熱回收過程實質是能量的轉換過程，鋼渣余熱化學回收能量轉換示意圖如圖8所示。在化學方法回收鋼渣余熱方法中，余熱的回收效果與鋼渣的溫度密切相關，前期鋼渣溫度要遠高于反應的最低溫度，反應能夠順利進行，但是隨著反應物的不斷吹入，鋼渣溫度會不斷降低，當鋼渣溫度低于反應的最低溫度，反應將不能進行，此時無法繼續完成對鋼渣中剩余熱量的回收，這部分能量就會損失。而化學反應完成后，生成的氣體溫度一般也要高于反應的最低溫度，生成產物氣體中還含有一定顯熱熱能，這部分熱能如果不利用也會損失。此外，在整個化學反應過程中，也會有部分能量以輻射的形式損失掉。根據能量守恒，這些損失掉的能量若是不能得到回收，那么鋼渣的余熱回收效率就要大幅降低。

圖8 鋼渣余熱化學回收能量轉換示意圖

3.4.2 解決的方法

從圖8中能量流的轉換來看，高溫鋼渣的熱能和參加反應物的內能（化學能和熱能之和）流入到鋼渣余熱回收化學反應系統。通過化學反應后，以生成物化學能、生成物顯熱能、鋼渣剩余熱能及反應過程中損失熱能流出。其中，生成物化學能是以將鋼渣熱能轉換成化學能固定到反應產物的高能化學鍵中得到回收，而其它流出能量還不能得到回收。調整后鋼渣余熱化學回收能量轉換示意圖見圖9。

圖9 調整后鋼渣余熱化學回收能量轉換示意圖

根據能量守恒，若要提高鋼渣余熱的回收效率，就必須將參加反應后鋼渣中剩余的熱量，以及反應后生成氣體中的顯熱得到進一步充分利用。由于鋼渣余熱化學回收中的化學反應是吸熱反應，提高反應物的初始溫度將有利于反應的進行，為此，采用反應后鋼渣中剩余的熱量、生成氣體中的顯熱以及輻射損失的熱能來加熱反應物，提高參加反應物的內能，使鋼渣余熱回收化學反應系統流出的能量得到最大程度的回收利用，

4 結語

隨著鋼鐵企業成本壓力的增大，實現降本增效是迫在眉睫要解決的問題，而高溫爐渣尤其是鋼渣的余熱回收技術不僅可以實現降本增效，同時還能提高企業市場競爭力，因此得到了鋼鐵企業的重視。從熱力學角度對化學方式中的制氫方法和煤氣化方法進行了計算分析，得出結論，制氫方法中采用CH4與CO2反應最佳，煤氣化方法中采用C與CO2反應最佳，為鋼企在鋼渣余熱化學回收工作中提供借鑒。

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