高爐熔渣高值資源化的現狀及展望

段閆超，邢宏偉，孫瑞靖，康 月，邵 宸

（華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063009）

高爐渣是高爐冶煉過程中排出的廢渣，主要應用于建材原料、機械制造和農業微肥等[1]。目前處理高爐渣的方式是將其?；?，干法避免了熔渣與水直接換熱產生的氣體污染，熔渣高品質余熱得到了回收，節約了大量新水，風淬法和離心?；ǖ玫降墓虘B渣粒品質跟水淬渣相當，離心?；ê惋L淬法成為最有發展前景的粒化技術[2]。在干法的基礎上衍生出一種了氣-水混淬法，有效避免大量熔渣顯熱的浪費，減少了環境污染，制備得到的玻璃微珠應用更廣，實現了中國冶金固廢高附加值利用新技術的革新[3]。

1 高爐渣的處理工藝

1.1 高爐渣簡介

高爐渣是高爐冶煉過程中排出的廢渣，其主要化學成分是二氧化硅、氧化鈣、氧化鎂和三氧化二鋁。

1.2 高爐渣濕法處理

濕法處理是處理高爐渣最普遍的方法，此方法最大好處就是能高效回收利用高爐渣，濕法大致分為4種，國內大多采用底濾法，國外則大多采用因巴法。其中底濾法(OCP)占地面積較大，投資額低，水渣質量好；因巴法(INBA)能有效解決蒸汽對環境造成的污染，但需引進技術，投資成本高；拉薩法(RASA)工藝較復雜，設備多，涉及到的維護費高，大多企業不采納；圖拉法(TYNA)工藝簡單，耗水量低，運行效率高，但其配套系統不完整，需進行改進和完善才能大規模應用。圖1可以看出濕法處理缺點在于消耗大量水資源，一噸液態渣需大約10噸水；在水淬過程中也伴隨著含硫氣體的排放，水淬處理排放氣體污染物約40萬噸；大量顯熱被浪費，熔渣的高溫顯熱在水淬過程中轉化為沖渣水的低溫余熱。

圖1 高爐渣濕法處理方法

1.3 高爐渣干法處理

1.3.1 離心?；?/p>

離心粒化法是將熔渣經粒化器?；?，再被冷卻形成固態渣粒，國內外學者紛紛采用實驗和數值模擬的方法對其展開討論研究。Wu等人[4]和Ahmed等人[5]研究了?；鹘Y構對臨界轉變流速及平均液滴直徑的影響，明確了旋轉杯產生的顆粒最小，?；Ч沧詈?，同時研究了高爐熔渣的離心粒化特性，提高轉速以及減小流量能夠獲得小而均勻的液滴。王東祥[6]等人，基于流體體積函數法(VOF)，建立了空氣-熔渣液膜兩相流流動的二維數值模型，分析了熔渣在離心力作用下成膜、成絲、成滴機理。楊銀凱[7]基于流體體積函數法(VOF)對熔渣離心?；M行了數值模擬，建立了氣-渣兩相流的數學模型，研究離心?；Ч挠绊懸蛩?，研究表明轉盤直徑越大，轉速越快，渣粒平均直徑越小。

1.3.2 風淬法

利用高速高壓氣流對液態高爐渣進行氣淬破碎，使其破碎完成換熱成為液滴。王子兵[8]等人以高爐渣為原料，空氣為風淬介質，利用空氣和水進行冷卻換熱，經回轉冷渣器，進行高溫渣粒余熱回收試驗，研究調質劑、氣淬壓力和噴嘴結構對系統回收效率的影響。

1.3.3 氣-水混淬法

利用氣-水在噴嘴內完成混合，以氣淬力保證熔渣的破碎和粒度分布，以霧化冷卻水保證其降溫速率，?；笾苽涑霾Ａ⒅椤Ｈf新宇[9]等人提出一種新的“高爐渣氣-水混淬干法?；坝酂峄厥招鹿に嚒?，并進行了300kg/h擴大試驗，探究了空氣流量，霧化冷卻水對?；Ч挠绊?。

1.4 高爐渣處理工藝發展趨勢

目前國內的鋼廠主要還是采用濕法處理高爐渣，水淬粒化后可作為生產水泥的原料，但這種處理方式消耗了大量水資源；其次水淬過程中伴隨著SO2等酸性污染氣體的產生；水淬后的高爐渣內高值余熱得不到回收，造成熔渣所攜帶的大量高品質熱能被浪費。

同時干法工藝下的風淬法處理能力大、冷卻速度很慢，防止設備渣粘就要加大設備尺寸，導致投資也相應提高，若將風淬工藝中的熔渣?；皖w粒冷卻分開處理，解決冷卻介質導熱系數低的問題，即可減少高壓造粒風機的投入，降低風量并減少動力消耗，氣-水混淬法將成為高爐渣處理工藝的未來發展趨勢。

2 高爐渣資源化應用

高爐渣不僅局限于水泥領域，在建筑，道路維修，農業化肥，污水治理，以及阻燃方面都存在應用的潛質。為了提升高爐渣的附加利用值，國內外諸多學者紛紛投入研究。例如：利用高爐渣的吸附性來處理污水[10]，水淬后的高爐渣具有水硬膠凝性，可制備出礦渣硅酸鹽水泥，石膏礦渣水泥，石灰礦渣水泥等[11]，水淬高爐渣作為一種急冷產物，具有表面粗糙多孔、質地輕等優點，是作為高品質建筑材料領域硅酸鹽類載體的優質材料[12]，調質后的高爐渣在高溫液態下通過噴吹或離心等工藝，制得礦渣棉纖維，具有不燃性、化學穩定性好、較低導熱性等特性，是有機保溫材料理想替代產品[13]。

3 玻璃微珠的應用

3.1 實心玻璃微珠的應用

實心玻璃微珠，它是實心的且表面光滑，抗壓性和耐磨性較高，具有較強的酸堿腐蝕性等。

根據其粒度的不同可作為研磨劑；還可作為壓力支撐劑，用于石油開采過程中；可以作為固體潤滑劑，減少機械磨損；在其表面鍍上鎳鈷后可以改進其對電磁波的吸收和近紅外線的反射，在軍用防偽涂層中用來屏蔽微波雷達、紅外雷達或其它電磁波雷達和聲波探測系統的探測[14，15]；將不同粒度的玻璃微珠拌入涂料涂在路面可作反光標識，減少交通事故的發生[16]。

3.2 空心玻璃微珠的應用

空心玻璃微珠主要應用于固體浮力材料、絕熱材料以及固體火箭燃料充填劑等。孟凡明等[17]以雙酚A環氧樹脂E51為基質原料，甲基四氫苯酐為固化劑，采用密度為0.25g/cm3K25空心玻璃微珠為輕質填充物，制備出空心玻璃微珠填充固體浮力材料，隨著玻璃微珠填充量的增加，浮力材料的單軸壓縮強度和耐靜水壓強度逐漸降低，玻璃微珠填充量超過18%時,材料性能下降幅度增大。張平等[18]將聚酰亞胺與空心玻璃微珠復合制備出具有優良隔熱性能的聚酰亞胺復合薄膜，同時研究空心玻璃微珠對聚酰亞胺薄膜隔熱及力學性能的影響。研究結果表明：粒徑大且填充量高的空心玻璃微珠，其復合膜隔熱效果越好；通過改變空心玻璃微珠填充量和粒徑可以調控復合薄膜的導熱、熱學及力學等性能。

4 高爐渣制備玻璃微珠

將高爐渣氣淬成珠后，所形成的玻璃微珠具有較高附加值，同時市場需求和應用范圍也較大，而目前關于該方面的研究較少。劉振超[19]建立數學模型，研究高爐渣氣淬成珠機理。研究結果表明：高爐渣可以作為制造玻璃微珠的原料；噴嘴直徑、氣體的流量與壓力、高爐渣的表面張力和黏度會影響氣淬成珠過程；最佳工藝條件為出渣溫度1600℃，調質劑鋼渣添加量10%，氣淬壓力0.3MPa，噴嘴馬赫數1.6；多種影響因素作用下與成珠率的多元線性回歸方程表明馬赫數對成珠率的影響作用最大。王麗麗等[20]通過對氣淬高爐熔渣干法?；M行試驗，研究了不同氣流速度及熔渣黏度對?；阅艿挠绊?，得出成珠率隨著氣流速度增加呈現先增加后降低的趨勢，主要分布于1mm～3mm，基本呈正態分布，最佳氣流速度為550m/s，平均粒徑達到1.88mm；低黏度有利于提高粒化性能；氣淬過程中存在不穩定波，該波的傳播和冷卻作用下導致液絲斷裂成液滴，氣流速度不宜無限增大，將導致液絲再氣動力作用下來不及斷裂形成液滴。康月等[21]將高爐渣氣淬制備的玻璃微珠進行性能分析，結果表明，堆積密度隨粒徑的增加先增加后減小，并且渣珠粒徑主要集中在0.30mm～1.0 mm之間，成珠率較高；渣珠不耐酸，在同一侵蝕溶液中，粒徑較大的渣珠的抗侵蝕能力強于粒徑較小的渣珠；粒徑越小，渣珠筒壓強度越大，渣珠承受壓力的能力越強，高爐渣珠表面光滑平整，呈圓球狀,粒徑大小均勻；渣珠非晶相含量較高當渣珠粒徑＜0.30mm時，XRD曲線變為饅頭峰，基本不再有晶相析出，礦相變為非晶相。

5 總結

發展帶來的能源短缺狀況不斷加劇，國內外學者開始對工業固體廢棄物的回收利用展開研究。高爐礦渣作為煉鐵行業中的主要副產品，高爐渣的水淬處理目前仍是主要的高爐渣處理方法沖渣水余熱的回收利用是當前亟待解決的問題之一，其組成成分中含有多種金屬氧化物，具備較高的回收價值。

目前我國對于高爐礦渣的綜合利用率仍然遠低于國外發達國家，且主要在建筑、道路等行業中充當填料使用，附加值較低。

為了實現高爐礦渣的高附加值利用，我們仍需要針對高爐礦渣中的主要成分開拓新的利用途徑。利用高爐渣噴吹制備玻璃微珠具有很好的研究前景，噴吹過程中除了有實心玻璃微珠，空心玻璃微珠也摻雜其中，這種新型干法?；瘜⒊蔀榻窈笱芯康男路较颉?/p>