一體化熱熔渣巖棉生產新工藝

供稿|馮勤，冀中年 / FENG Qin, JI Zhong-nian

內容導讀

為響應國家“雙碳”綠色排放政策，針對傳統高爐渣處理方式中存在的諸多缺陷，本文提出了一種一體化熱熔渣巖棉生產新工藝，該工藝對系統組成進行合理配置：熱熔爐與巖棉車間零距離布置，使得從出渣位出渣后，直接運至調溫調質跨，極大地縮短渣罐運轉周期(從32 min縮短至2 min)，提高了入調溫調質工序的熱熔渣溫度約30 ℃，有效降低后續加工難度，提高巖棉生產效率，降低運行成本和能耗，對巖棉行業的發展和鋼鐵行業的節能減排均具有十分重要的借鑒和參考意義。

我國每年鋼鐵產量約10億t，噸鐵高爐渣比為0.25~0.3 t，高爐渣作為鐵水的副產品產量很大。高爐渣中SiO2、Al2O3、CaO和MgO等主要成分質量分數約占85%~90%，堿度0.9~1.0，屬于硅酸鹽材料。目前，高爐渣處理主要采用水淬法和干渣法。干渣法環境污染嚴重，資源利用率低，僅用于事故處理；水淬法因爐渣物理熱無法回收，且并未解決污染物排放等問題而受到限制[1]。高爐渣水淬冷卻后主要用作水泥原料，此處理流程呈現如下特點：(1)能耗高，出渣溫度1400~1500 ℃，熱焓1550~1750 kJ/kg(約為煉鐵工序能耗的10%)[2]，但是只能將高爐渣冷卻至室溫后才進入制備水泥工序；(2)污染嚴重，H2S和SOx隨蒸汽排入大氣；(3)資源浪費嚴重，水淬生產每噸高爐渣需消耗新水0.8~1.2 t，水淬渣含水率高達10%，而作為水泥原料仍需干燥，且產品附加值較低。近年來，國內外學者從高爐渣化學成分分析、物理熱分析和環境分析等方面進行了大量研究工作，從而將目光轉向了附加值較高的巖棉生產[3-5]。

巖棉為人造纖維，細度4~6 μm，熱導率0.033~0.040 W/(m·K)，密度為 0.13~0.15 g/cm3，具有優良的絕熱、吸聲、防火和抗震等性能，在節能和環保領域中發揮著重要作用，廣泛應用于石油、電力、冶金和建筑等行業[6-10]。特別是隨著外墻保溫技術的推廣應用和有機材料被限制使用，巖棉保溫板多用于建筑和設備隔熱吸聲、單晶爐、冶金鑄造和石油裂化等領域，亦可作為天然石棉的替代品而用于橡膠增強、高溫密封、高溫過濾和高溫催化劑載體等，呈現繁榮發展態勢。

目前，高爐渣生產巖棉的主要工藝有“沖天爐”生產工藝和“電爐”生產工藝兩種[7,11]。

“沖天爐”生產工藝以高爐渣和焦炭等為主要原料，在黏度保持10 Pa·s(1450~1500 ℃)的前提下，添加調質劑，調整酸度系數(SiO2+Al2O3的質量與CaO+MgO的質量之比)為1.6~1.8，得到符合要求的熔渣。但是，該生產過程中產生大量CO、CO2和SO2等廢氣，且因沖天爐本身工藝特點而無法回收，只能焚燒脫硫、脫硝處理后才能排放，造成環境污染的同時，提高了成本，給企業帶來嚴重的困難。

“電爐”生產工藝利用電極加熱，加入粉煤灰或石英砂等輔料在電爐進行調質，無需焦炭、燃氣，不會產生大量廢氣，但是因高爐并未與電爐緊密相連，高爐渣需采用兩種方式運至電爐：(1)高爐渣冷卻后，冷態運至電爐二次熔化，大量顯熱被浪費，能耗太高；(2)由拖車或者抱罐車運送高溫液態熔渣至電爐，運輸時間較長，且不穩定，熔渣極易凝固，粘渣嚴重。

綜合分析以上兩種工藝，“沖天爐”工藝污染環境嚴重、成本過高，受制于政策和工藝本身，發展已嚴重受限；“電爐”工藝因需二次熔化，生產每噸熱熔渣消耗電量800~1000 kW，每噸熱熔渣消耗石墨電極5 kg，加工成本居高不下，且兩種生產工藝均未解決CO2等廢氣排放問題。本文從經濟成本和環境保護的角度考慮，以降低生產成本、兼顧環境友好為準繩，提出了一體化的熱熔渣巖棉生產工藝，合理配置系統組成，擴大生產原料，適應靈活多變的市場。

新工藝系統概述

擁有堿度和顯熱優勢的冶金熱熔渣制備巖棉的熔煉熱效率高，在業界受到了廣泛關注。在熱熔爐—調溫調質爐—巖棉生產流程中涉及大量連續和離散的過程變量，生產單元本身可變因素較多，存在時間不確定、溫度波動、設備狀況等外界可變因素，使得過程非常復雜。其中冶煉爐與巖棉生產線之間距離較長，熱熔渣多采用拖車或者抱罐車運輸，運輸過程中溫度迅速降低，極易凝固，能源散失的同時增加了巖棉加工難度，因此如何使冶煉爐與巖棉生產線有機組合，縮減運輸距離，建立連續緊湊、動態有序的熱熔渣運輸系統，確保巖棉生產流程連續順暢，運行成本大幅降低是研究的重點。

一體化熱熔渣巖棉生產系統主要包括熱熔爐、熱熔渣運輸系統、調溫調質爐及巖棉生產系統(圖1)，具體方案為：

圖1 一體化熱熔渣巖棉生產工藝示意圖

(1)熱熔爐布置于熱熔爐區域，熱熔爐設有出渣口和出渣位；

(2)調溫調質爐布置于調溫調質跨中，調溫調質跨與熱熔爐區域毗鄰布置，跨內還布置有熔渣傾翻區和渣罐維修區；

(3)巖棉生產線布置在巖棉跨中，巖棉跨與調溫調質跨垂直布置；

(4)熱熔渣運輸系統包括渣罐、渣罐車及運輸線、渣罐自動全程加揭蓋裝置和渣罐烘烤器。渣罐用于盛裝熱熔爐產生的熱熔渣，渣罐車承載渣罐通過運輸線在熱熔爐與巖棉生產線之間進行轉運。

新工藝生產特點

冶金熱熔渣通過出渣口出渣至渣罐內，渣罐經運輸線上的渣罐車直線運輸至調溫調質跨，跨內行車吊運熱熔渣至調溫調質爐，經調溫調質后進行成棉，生產出合格巖棉，實現了熱熔渣生產巖棉的一體化生產工藝。具體生產流程為：在線烘烤后的渣罐車承載空渣罐運行至熱熔爐的出渣位等待出渣，1450~1500 ℃熱熔渣經由熱熔爐的出渣口出渣至渣罐中，渣罐車承載滿罐的熔渣運行至渣罐自動全程加揭蓋(Ⅰ)裝置處自動加蓋，并直接運行至調溫調質跨；經過自動全程加揭蓋裝置(Ⅱ)揭蓋后，通過調溫調質跨內的行車吊運渣罐至調溫調質爐，并將渣罐內的渣加至調溫調質爐內，調溫調質后進入成棉等巖棉生產工序；加完熱熔渣的空渣罐經行車吊運至渣罐運輸線上，通過自動加揭蓋裝置(Ⅱ)加蓋后，渣罐車運行至熱熔爐區域的自動加揭蓋裝置(Ⅰ)處揭蓋后，出渣前進行在線烘烤，出渣前運行至出渣口處等待出渣；進入下一個循環。

新型一體化熱熔渣巖棉生產工藝(簡稱“一體化工藝”)中，熱熔爐與巖棉車間毗鄰布置，且零距離銜接，通過一條渣罐運輸線相互連接，渣罐車行走于出渣位和巖棉車間之間，加速了渣罐周轉，縮短了物流運輸，工序順暢、降低運行成本。

渣罐運輸周期短

運輸線承擔著兩個功能：①運送從熱熔爐至調溫調質爐的承裝熱熔渣的渣罐和空罐返回；②運送空渣罐至調溫調質跨維修。

渣罐運輸線長度指的是從出渣口至調溫調質跨之間的距離。鑒于此長度直接決定了熱熔渣溫度能否滿足調溫調質爐的溫度要求和渣罐能否在有限的時間內返回熱熔爐并及時出渣，故需嚴格控制此長度。一體化工藝方案為熔融爐區域毗鄰調溫調質跨布置，即實現了上下游工序的無縫對接，最大限度地提高熔渣溫度和加快渣罐周轉。根據山西某工程實例，應用此生產工藝，渣罐運輸線長度縮減至30 m，渣罐車運行速度為30 m/min，運輸周期分析見表1。

表1 一體化工藝渣罐運輸周期表

通過表1分析，熱熔渣罐運送至調溫調質跨僅需要2 min，而常規的冶金行業冶煉爐至調溫調質跨均采用抱罐車或渣罐平車(非軌道式)操作，距離較遠，運輸時間約32 min，且無保溫措施，增加了熱熔渣的凝固風險。

熱熔渣溫降慢

合適的熔化性溫度、較好的流動性和適宜的黏度是高溫液態熔融液體重要的物理特性。根據文獻[12]典型鐵合金熱熔渣的黏度-溫度關系分析熱熔渣黏度特性發現，T≥1410 ℃時，黏度保持在1 Pa·s左右；而當T＜1410 ℃時，隨著溫度降低，熱熔渣黏度值均出現了明顯的拐點，黏度急劇上升。此拐點即為熱熔渣的熔化性溫度，只有當溫度大于熔化性溫度時熱熔渣才擁有良好的流動性；而當溫度低于熔化性溫度時，熱熔渣流動性極差，渣罐向外傾倒熱熔渣時非常困難，使得調溫調質工序需要二次加熱，浪費大量能源。分析表明，溫度對熱熔渣的流動性影響極大。在一體化工藝中，熱熔渣區域與巖棉區域的零距離布置，在線烘烤器的布置和渣罐全程加蓋的措施均為T≥1410 ℃提供了強有力的保證：①渣罐運輸線上設置在線烘烤器以減少空罐凝渣和提高空渣罐溫度；②借鑒煉鋼廠的出鋼系統，渣罐運輸線上設置自動加揭蓋裝置，降低出鋼溫度和減少能耗。

熱熔爐出渣后，快速運行至渣罐自動加揭蓋(I)處自動加蓋，運送至自動加揭蓋(II)后自動揭蓋，運送至調溫調質爐加渣，返回渣罐運輸線并重新加蓋和揭蓋，最大限度地減少了渣罐的空蓋時間，提高了空渣罐內的紅包率(即空渣罐內的耐火材料溫度高)。

由表1可知，一體化工藝中渣罐運輸時間僅為2 min，相對于傳統熱熔渣運輸時間32 min減少30 min。熱熔渣平均溫降速度約1 ℃/min(不同成分的熱熔渣溫降速率不同)，減少的運輸時間為運送至巖棉車間的熱熔渣溫度減少溫降創造了條件，使熱熔渣溫降減少了約30 ℃。

此外，雖然熱熔爐為連續性生產，調溫調質爐為間斷生產，但是在線烘烤器和加蓋裝置可預防調溫調質工序因檢修或事故引起的大幅溫降，保證熔融爐渣的短暫高溫，以避免熱熔渣傾翻變為固態而帶來的經濟損失。

界面保證措施

熱熔渣冶煉過程自身要求連續、穩定運行。而調溫調質爐冶煉過程中的不穩定因素較多，不僅受自身可靠性、生產穩定性的影響，而且與下游成棉工序的穩定性息息相關，即熔渣需求量波動性較大。當調溫調質爐正常周檢或出事故而不需要熔渣時，一定時間內需解決熱熔爐渣的去處問題。短時間檢修時，可利用備用罐作為緩沖。而當短時間內調溫調質爐不能恢復生產時，需保證熱熔爐內的熱熔渣及時處理：①根據上下游匹配，采用一個熱熔爐對應多個調溫調質爐的生產方式，避免“一停即停”的剛性冶煉方式；②調溫調質跨內設置熱熔渣的潑渣區域。

界面保證措施極大緩解了熱熔爐連續且不間斷的生產特性而給工藝流程帶來的危害，增強了此工藝的適應性。

環境保護

一體化工藝中熱熔爐本體設置完備的除塵系統，且出渣口設置除塵罩，渣罐運輸過程中均采用加蓋保溫，合格的熱熔渣巖棉生產車間僅需調溫調質后即可進入巖棉生產線，即本系統中的絕大部分煙塵均產自于熱熔爐，而熱熔爐除塵系統非常完善，故本生產工藝節能的同時對環境友好。

土地利用率高

一體化工藝中，熱熔爐與巖棉車間毗鄰，布置緊湊，土地利用率高。

結束語

(1)一體化熱熔渣生產新工藝有效解決了熱熔渣運輸的溫降問題，從出渣位出渣后直接運至調溫調質跨，渣罐運轉周期僅需2 min，比傳統生產工藝縮短了30 min，相當于提高進入調溫調質工序的熱熔渣溫度約30 ℃，有效降低后續加工難度，提高了巖棉生產效率。(2)熱熔爐與巖棉車間零距離銜接，占地面積大大減小。(3)通過靈活調整渣罐運輸線的位置及數量，可以滿足多種目標產量的設置需求，生產系統調節更加靈活。(4)相對于傳統的巖棉生產方式，生產系統連續性增強，渣罐運轉周期加快，減少了車間內的渣罐數量，降低了工程投資和運行成本。