高炉熔渣处理及资源化利用技术概述

第11卷第5期中国水运V ol.11

N o.5

2011年5月Chi na W at er Trans port M ay 2011

收稿日期：3作者简介：朱文渊（），男，武汉都市环保工程技术股份有限公司工程师。

高炉熔渣处理及资源化利用技术概述

朱文渊

（武汉都市环保工程技术股份有限公司，湖北武汉430071）

摘

要：文中针对钢铁企业高炉渣的处理及资源化利用技术进行了概述。首先介绍了高炉熔渣的物性，然后概述了

目前高炉渣处理及资源化利用的现状，并分析了其存在的问题，接着介绍了目前国外高炉渣处理及资源化利用的新技术，最后提出了高炉渣处理及资源化利用的工艺技术路线及发展趋势。关键词：高炉渣；粒化；热能回收中图分类号：X 705文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2011）05-0107-03

一、引言

高炉渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种熔融状态的废渣，其从高炉中排出的温度在1450~1650℃。2010年我国生铁产量5.9亿吨，按平均每吨生铁产生0.35t 渣来计算[1]，高炉渣产量为2.065亿吨。由于高炉熔渣温度高，产量很大，

如果得不到合理的处理和利用，不但是对二次能源及资源的

极大浪费，而且还会对环境造成很大的污染，国内外都在对高炉渣的处理及资源化利用进行研究。

二、高炉熔渣的物性1．成分

高炉渣主要成分为CaO 、SiO 2和Al 2O 3，另外含有少量的MgO 、FeO 和一些硫化物如CaS 、Mn S 和FeS [2]。碱度（CaO/SiO 2）大于1的高炉渣具有基本的水泥质特性（潜在的水硬活性），同时也可能具有一些火山灰质特性（与生石灰反应）。

2．温度及热焓

高炉出口熔渣温度约为1450~1650℃。1500℃时，高炉渣理论焓为1606.21kJ /k g ，约合54.8k g 的标准煤。

3．粘度

普通高温熔渣粘度为0.2~0.6Pa

S ，熔化性温度为

1250~1400℃[3]。熔渣粘度随温度的降低缓慢增加，大约1320℃时开始出现凝固相后，熔渣粘度急剧增加。成分对熔渣粘度的影响较大。实验研究表明，刚粒化的热渣粒具有依赖于温度的粘附力，非晶质渣粒间的不粘附温度小于950℃，高温渣粒对被撞击表面的不粘附温度为1050~1070℃。

4．表面张力

高炉熔渣的表面张力随温度的变化显示出明显的阶段性，不论成分怎样，T>1390-1400℃表面张力处于一稳定的较低水平（0.54-0.59N/m ）；T<1390℃，表面张力随温度下降急剧升高。

5．比热

高炉渣的比热与温度有关，实验研究表明，温度在900K 以上时，比热与温度近似呈线性关系。

6．导热特性

高炉渣的导热特性与其状态（温度）紧密相关，在液渣状态（T>1400℃），导热系数很小，仅0.1~0.3W/（m.K ），在凝固过程中，导热系数迅速增大到2~3W/（m.K ），在固化过

程中，导热系数随着温度的降低而增加，约为1~2W/m.K ）[4]

。

三、国内高炉渣处理及资源化利用现状及存在的问题1．现状

目前，高炉渣主要通过水淬处理，产品作为水泥生产原

料。而对于高炉渣的显热回收，国内对此仍然处在工业试验性阶段，还没有完整的设备。

水淬处理工艺主要有INBA 法、图拉法、沉渣池法和底滤法、RASA 法、螺旋法等，这些水淬工艺按其形式可以分为两大类：

1）高炉熔渣直接水淬工艺，其处理过程是首先将高炉熔渣渣流用高压水进行水淬，然后进行渣水输送和渣水分离；

2）高炉熔渣先机械破碎，后水淬工艺，其处理过程是将高炉熔渣渣流首先采用机械破碎，形成运动的液滴后进行水淬粒化，然后进行渣水分离和输送。

在实际应用中，INBA 法、图拉法、沉渣池法和底滤法，RASA 法、螺旋法等水淬工艺方法采用较多。

2．存在的问题

高炉渣水淬处理过程中存在的主要问题是：

（1）水耗高。水淬渣过程中水压大于0.2MPa ，水渣之比为（8~15）：1，吨渣新水消耗约0.8t~1.2t 。

（2）在水淬渣的过程中产生的硫化物会随蒸汽排入大气造成大气污染，渣中的碱性元素会进入冲渣水中造成水污染。

（3）未回收显热。1t 液态渣水淬时散失的热量约为1600~1800MJ ，相当于标准煤55~61kg 完全燃烧后所产生的热量。液态高炉渣的温度为1450~1500℃，从火用分析的角度看，其余热品质非常高，极具利用价值。

（4）需干燥处理。高炉水渣含水率高达10%以上，作为水泥原料生产时须干燥处理，仍要消耗一定的能源。

（5）对于水渣系统而言，电耗和系统维护的工作量非常大。水冲渣系统循环水中所含大量为细颗粒对水泵和阀门等部件的磨损和堵塞非常严重，故使用一段时间后会导致水压下降、电耗增加、冲渣效果变差，清除水中的微粒还需大量资金。

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四、技术进展

由于传统的水淬工艺对熔渣显热基本没有回收，干式显热回收技术得到了国内外研究者越来越多的关注。目前普遍认为具有工业应用前景的主要为风淬法、旋转杯粒化法和甲烷-水蒸汽重整法。

1．风淬法

风淬法的工艺流程见图1。将高炉排出的1,400℃以上的熔融炉渣导入风洞造粒部，采用3个均分渣流供渣，熔渣由喷嘴中出来的告诉空气射流吹射粒化，喷嘴处空气流速可调，风洞内设有分散板，使1,050℃左右的渣粒碰板落下，下落过程中由风洞下部吹入空气冷却，渣粒约在800℃左右排出风洞。排出的热渣粒经称量机、振动筛后，储存在热渣粒储仓中，再通过二次流化床热交换器冷却到150℃左右排出，风洞内的冷却速度可以保证成品渣的品质。炉渣虽然是从高炉间歇排出，但是通过二次换热器工序的补充运行，可以实现热回收的连续性，将风洞一级冷却塔内引出的高温空

气转变成蒸汽或电力进行利用。

图1风淬法

2．旋转杯粒化熔渣显热回收技术（R CA ）

[

5]

图2

旋转杯粒化熔渣显热回收技术试验装置

典型的旋转杯粒化熔渣显热回收技术的工艺流程图（实验装置）见图2。高炉熔渣通过密封的流槽（B ）进人热量回收室（A ），经流槽（B ）排出，直接流人位于热量回收室中心的旋转杯气流粒化器（C ）。在旋转杯的边缘，熔渣在离心力的剪切作用下甩出粒化，渣粒沿径向喷射，方向略微向上。在旋转杯的周围同时引入环形空气射流，使熔渣薄膜产生不稳定的波动，以促进熔渣的破碎。高温渣粒撞击壁面后不会粘到容器壁上，而是直接落人初级流化床（D ）内，被快速冷却至炉渣析晶温度以下。随后，渣粒溢出到二级流化床（）内，回收更多的热量。最后，炉渣通过排渣槽（F ）排出，热

空气通过出口（G ）排出并回收利用。小型试验说明，渣粒能被快速冷却，渣粒平均直径约为2mm ，且得到的产品中玻璃相大于95%。

3．甲烷-水蒸汽重整技术[6]

甲烷-水蒸汽重整技术是将熔渣的余热回收与常规的化学反应相结合，熔渣的高温余热通过以下的吸热化学反应回收：

CH4（g ）+H 2O （g ）→3H 2（g ）+CO （g ）Δ

H=206KJ /mol

同样的原理，还可利用熔渣显热进行沼气制氢。发生的化学反应时为：

CH 4（g ）+CO 2（g ）→2H 2（g ）+2CO （g ）ΔH=247KJ /mol

高温渣粒的余热可以给水蒸汽催化重整和烃类物质的炭化分解提供足够的能量。不仅用高温熔渣的余热替代了原有制氢的能耗，还可以减少二氧化碳的排放。

将旋转杯粒化法和甲烷-水蒸汽重整反应结合的方法无疑是一种较为优异的熔渣粒化法。其工艺流程（工业化设计图）见图3

。

图3RC A -甲烷水蒸汽重整工业化设计图

上段为RCA 熔渣粒化和甲烷一水蒸汽重整，下段为渣粒填料床。甲烷水蒸汽混合气在填料床的底部进入，经填料床内高温渣粒的预热，通过和高温渣粒的直接接触或者通过含镍催化剂材料的间接催化作用，混合气转化为氢和一氧化碳，从顶部排出且收集。

五、结语

目前，钢铁企业的节能减排已列入我国“十二五”规划的重点课题，高炉熔渣中所蕴含的高品位热能的回收及终产物的资源化利用对钢铁企业的节能减排具有重大意义。结合我国钢铁生产的具体情况，采用干式粒化及热能回收技术将是我国高炉渣处理及资源化利用的发展方向。根据钢铁企业的实际情况，可将高炉熔渣粒化过程中回收热能得到的热空气用于热风炉的助燃热空气，也可以加热水产生高品质的蒸汽用于发电，在具有甲烷气体来源充足条件的地方，最理想的方式是采用甲烷水蒸汽重整的方式，直接利用高炉熔渣的热能。

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