鋼鐵熔融渣余熱利用技術發展現狀與展望

吳文斌

【摘 要】文章分析了國內外在鋼鐵熔融渣余熱回收方面的技術現狀，并分析了在鋼渣熔融渣余熱回收技術方面的難點，展示了熔融渣余熱回收技術較好的發展前景。

【關鍵詞】鋼渣;高爐渣;熱回收

【中圖分類號】X757 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）04-0066-02

鋼鐵冶金工業產生了大量的鋼鐵渣（高爐渣和鋼渣），平均溫度為1 500 ℃左右，每噸鋼鐵渣所含的熱量按標準煤計算，約60 kg。2018年我國的粗鋼產量達9億多t，簡單估算鋼鐵渣的總量有4億t，這些鋼鐵渣中所含的熱量相當于2 400萬t標準煤。目前，由于缺乏可靠的技術，處理這些鋼鐵渣的方式基本就是冷卻，也就是說，不僅每年浪費了2 200萬t標準煤，還產生了大量的污染：如粉塵、熱污染。所以，研究和開展鋼鐵熔融渣的余熱回收利用具有非常重大的意義。

1 概述

從鋼鐵行業看，目前全世界鋼企都比較關注鋼鐵渣的后期應用，而非冷卻過程中余熱的回收。而且，由于處理方式不同，所以鋼鐵渣的物理和化學性質也有所不同。眾所周知，急冷的渣活性較好，尤其是高爐渣，急冷時玻璃體含量比較高，活性較好，可以在建材行業得到很好的應用;而鋼渣受到成分和處理方式的影響，活性相對較差，同時形成的鐵橄欖石等礦物耐磨，在建材行業的應用受到了一定的限制。

相對而言，我國對鋼鐵渣的處理（破碎、冷卻）方式在全世界范圍內，是比較先進的。中冶建筑總院研究開發了鋼渣有壓熱燜技術，屬于比較先進的第四代鋼渣處理技術，具有出渣粒度小（小于20 mm）、安全性好、鋼渣活性好等特點，但是也沒能很好地實現熱燜過程中的余熱回收。

從全球范圍來看，鋼鐵渣處理過程中的余熱回收利用問題，大多數還處于研究和試驗階段。隨著人們對環保的日益重視及企業自身降低成本的需求，鋼鐵渣的余熱利用也被日益重視。

2 余熱利用現狀

2.1 國外利用情況

俄羅斯采用滾筒法進行鋼渣的余熱回收開發。鋼渣通過渣罐進入滾筒內，生成的蒸汽混合氣體溫度為90～170 ℃，可直接用于生活設施或將其加熱至600 ℃用于發電，熱利用系數可達到50%。

俄羅斯烏拉爾鋼鐵研究院研制了一套附有熱能回收的風淬鋼渣處理工藝。在鋼渣傾倒過程中，渣與空氣流接觸產生輻射熱，通過專用設置收集轉換為熱水、蒸汽和熱空氣回收利用。

1977年，Mitsubishi和NKK合作研發了風淬粒化融渣余熱回收系統，并于1981年末在日本福山制鐵所建成世界上第一套轉爐鋼渣風淬粒化熱回收裝置，通過輻射和對流換熱，渣溫從1 500 ℃降到300 ℃左右時，熱回收率可達40%～45%[1]。

日本川崎制鐵公司將熔融渣在特制攪拌器內攪拌破碎，攪拌器內排布冷卻水管，采用類似鍋爐的方式回收熱量（一級），再通過渣、空氣直接換熱方式回收熱量（二級），熱量回收率達到76%。

英國鋼鐵公司研制了轉杯-流化床法處理熔融渣，試驗結果顯示：渣粒直徑為2 mm，玻璃體含量達95%以上，熱回收效率為60%。

2013年，以普銳特冶金技術有限公司為首的研究團隊主導開發了一項采用空氣冷卻熔渣，同時回收損失熱量的干法霧化技術。該項目的第一階段已經完成，2012年建立了一個試驗裝置。研究結果顯示，該工藝適于工業應用，隨即計劃建造一座半工業化規模的中試裝置。自2017年6月起，該中試裝置已經進行了批量試生產[2]。

上述這些技術尚未實現大規模推廣應用。

2.2 國內利用情況

鋼鐵熔融渣余熱利用回收中，例如將高爐渣注入容器內，容器周圍排布換熱水管，以類似鍋爐的形式回收余熱;高爐渣用水沖冷卻，高溫沖渣水中加換熱管，制成熱水用于取暖，等等。這些都屬于初級的利用，余熱回收效率比較低。但近些年來，也出現了一些新穎的工藝方法（思路）。

目前，國內日益重視對鋼鐵熔融渣余熱回收技術的研究開發，多個發明專利和實用新型專利方法獲得授權，包括多種鋼鐵熔融渣余熱利用回收的中試裝置甚至成套裝備設計方法。這些專利方法的特點如下：大多采用惰性氣體冷卻鋼渣，通過惰性氣體回收余熱;余熱回收率低;沒有應用案例，大多數甚至連試驗都沒有[4]。

據相關資料介紹，上海寶鋼集團引進俄羅斯滾筒法處理鋼渣技術，并進行了改進，開發出了滾筒法處理技術，具有占地小、污染少等特點，但目前少見推廣應用[5]。馬鋼集團建立了鋼渣風淬-水淬處理線，處理后鋼渣粒度基本在5 mm以下，但是沒有回收熱能。國內某公司建立了射流轉輪法粒化技術（中試）裝置，類似鋼渣的轉杯法，但從介紹的資料看，該技術還存在出料粒度大、耗水量高、熱回收效率低等缺陷。

清華大學張衍國教授研發了“冶金熔渣射流干法粒化新技術”，并于2018年在某地建立了全球首套工業化示范項目，用水為介質，利用高速射流粉碎熔融渣，采用流化床加移動床的梯級熱能回收技術，熱回收達到80%以上，耗水量僅為傳統水淬法的1/50，運行成本低，污染小，安全性好。從前期運行情況看，回收蒸汽的產量、質量均較高，處理后的高爐渣玻璃體含量高達92%以上。該技術的推廣前景非常遠大，如果能夠成功處理鋼渣，將成為熔融渣回收余熱的革命性技術，占據世界領先地位。

總體來說，國內鋼企對熔融渣的熱能回收利用比以往更加重視，并且在應用上實現了突破，環保和降低成本的要求是其主要動力，這是一個可喜的變化。

3 熔融渣余熱回收存在的難點

國內關于鋼鐵熔融渣余熱回收的專利不少，但是真正能夠實現較大規模工業化生產應用的卻極少，主要原因不外乎以下幾點。

（1）安全性。目前，針對熔融渣余熱利用的專利技術大多是針對高爐渣，鋼渣的余熱回收利用更是空白，原因在于鋼渣中含金屬鐵，如果采用水作介質冷卻，易產生易燃氣體，在高溫下會爆炸。國內鋼渣熱燜處理生產線偶有發生爆噴事故，所以很多人止于理論研究。為了避免爆噴，許多人提出采用惰性氣體（如氮氣）做冷卻介質，同時回收余熱，這個方法不僅成本高，還不能解決鋼渣中游離鈣鎂引起的安定性問題[6]。

（2）技術方面。工藝技術方面存在的難點主要是進料口的堵塞和密閉，傾倒熔融液態渣作業是間歇式的，尤其對鋼渣來說，鋼渣罐容量有限，如果進入粒化裝置需要頻繁作業，而熔融渣在高溫時流動性比較好，但在1 000 ℃以下時逐漸失去了流動性，造成堵塞進料口。

（3）處理后熔融渣的質量。采用風淬、水淬處理高爐渣，冷卻后的高爐渣玻璃體含量都比較高，爐渣的活性較好;但是，如果類似的工藝處理熔融鋼渣后，由于渣中的金屬鐵大多被氧化，所以鋼渣中選取的鐵粒很少，可回收磁選粉較熱潑法處理鋼渣的方法大幅減少[7]。

從總體上看，由于熔融渣余熱回收在安全、技術等方面存在諸多難題，至今國內外尚未發現具備大規模推廣、完善的熔融渣余熱回收技術。

4 余熱利用技術展望

熔融渣余熱回收技術必須和熔融渣的粒化處理技術結合起來。目前，國內流行的一次處理鋼渣熱燜方式投資很高，有壓熱燜技術投資更是巨大，加上二次處理的破碎、磁選工藝投資和運行，總體成本還是比較高的。熔融渣余熱利用技術通常是將熔融渣粒化，同時回收熔融渣冷卻過程中的熱量，所以熔融渣余熱利用技術的推廣將有可能解決鋼渣處理投資、運行成本高的難題，更有利于鋼渣后續的開發應用，尤其擴大在建材行業的應用。

清華大學張衍國教授開發的“冶金熔渣射流干法粒化新技術”，解決了熔融渣余熱技術產業化時碰到的很多難題，如熱回收率低、運行成本高、耗水量大、污染大、不安全等，有望得到廣泛的推廣。如果能進一步成功應用于鋼渣處理，將可能解決鋼渣活性低、投資高的難題，擴大鋼渣的終端應用。

從清華大學射流干法粒化技術實際落地、成功應用的案例看，如果成功應用在鋼渣處理上，將使中國鋼渣處理和熔融渣余熱回收技術處于世界領先地位。

5 結語

熔融渣余熱回收技術不僅改變鋼鐵熔融渣的處理方式，還回收了冶金熔融渣帶走的大量熱量，它將是冶金行業的革命性的技術進步。新形勢下，冶金企業節能降耗的要求越來越高，開發、推廣熔融渣干法粒化技術成為鋼鐵企業非常緊迫的一項工作。

參 考 文 獻

[1]趙福才，習曉峰，巨建濤，等.國內外鋼渣處理工藝及資源化技術研究[C].2014年全國冶金能源環保生產技術會論文集，2014：624-629.

[2]李順.國內外熔融高爐渣顯熱回收方法[J].工業加熱，2009（3）：1.

[3]戴曉天，齊淵洪，張春霞.熔融鋼鐵渣干式粒化合顯熱回收技術的進展[J].企業節能減排與資源綜合利用，2008（7）：5-6.

[4]劉勛賽，周瑜生.高爐熔渣顯熱回收可行性分析[J].鋼鐵，1995（12）：25-30.

[5]張宇，張健，張天有，等.鋼渣處理與余熱回收技術的分析[J].中國冶金，2014（8）：25-29.

[6]王曉娣，刑宏偉，張玉柱.鋼渣處理方法及熱能回收技術[J].河北理工大學學報（自然科學版），2009（1）：1-3.

[7]馮向鵬，廖洪強，余廣煒，等.融熔鋼渣顯熱回收技術現狀與展望[C].2008全國能源與熱工學術年會論文集，2008：437-438.

[責任編輯：鐘聲賢]