高炉渣余热利用技术的现状及发展趋势余热发电.docx

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摘要：
本文系统的分析了高炉渣湿法与干法处理工艺及其余热利用的国内外现状,简述了底滤法(OCP)、因巴法(INBA)、拉萨法(RASA)、图拉法(TYNA)等典型的水淬法工艺，总结了水淬渣方式存在的诸多弊端，对风淬法、双内冷却转筒粒化法、Merotec 熔渣粒化流化法、机械粒化法、连铸连轧法、化学法等干法处理技术的争论进展和进呈现状进展了总结。最终得出结论: 离心粒化等干式余热回收技术在利用高炉渣的高品质热源时,不会造成水资源的铺张, 不会产生硫化氢、二氧化硫等有害气体,在抑制水渣法固有缺点的同时，还可以得到玻璃化程度高的高附加值成品渣，是今后高炉渣余热回收工艺的进展趋势。
关键词：高炉渣；余热利用；水淬；干式粒化
前言
中国目前是全球最大的钢铁生产国。中国钢铁产量已连续 16 年保持世界第一，并且遥遥领先于其他国家。同时伴随我国高炉冶炼生产排出的含丰富热能的高炉渣数量也是巨大的，从节能与环保以及提高钢铁厂的经济效益的角度来看，对高炉渣的热量进展回收和高炉渣的资源化利用是格外必要的。炉渣的出炉温度一般在 1400～1550℃之间。每吨渣含〔1260～1880〕×103kJ 的显热，相当于 60kg 标准煤的热值[1] 。每生产 1 吨生铁要副产 吨高炉渣，每生产 1 吨钢要副产 吨钢渣[2]，以目前我国的钢铁产量
亿吨进展计算，可产生 亿吨以上的高炉渣和转炉渣，其显热量相当于 1740 万吨标准煤，尽管并非可以全部回收高炉渣的热能，但假设能局部回收利用，其节能效益也是显著的，格外具有市场开发潜力。就目前应用大量应用水淬技术状况来看，这局部高温热源明显是被铺张了，该高温热源就温度品质来说，完全符合高品位能源的要求，假设能回收这局部热量得以重利用，就可以为社会和企业带来可观的经济、社会和环保效益。
开展余热余能的回收利用不仅是钢铁企业节约能源降低本钱，提高竞争力的重要手
段，而且也符合国家钢铁工业的政策要求。在我国的钢铁工业“”进展规划中明 确指出要大力进展清洁生产和循环经济，乐观研发和推广使用节能减排和低碳技术，加 强废弃物的资源化综合利用[2]。在节能减排方面提出以下几个重要指标，单位工业增加 值能耗和二氧化碳排放分别下降 18%，重点统计钢铁企业平均吨钢综合能耗低于580 千克标准煤，吨钢耗水量低于 立方米，吨钢二氧化硫排放下降 39%，吨钢化学需氧量下降 7%，固体废弃物综合利用率 97%以上。在钢铁工业的节能减排技术方面重点提到了高炉渣、钢渣等显热回收利用技术、冶金渣综合利用技术和余热余压综合利用技术等。
高炉渣处理现状
目前我国常见的处理高炉渣的方法有干渣坑冷却法和水冲渣法。干渣坑冷却法将熔
融的高炉渣倒入干渣坑空冷，凝固后水冷。此法污染地下水源，降温时放出大量水蒸气，
同时释放大量的H S 和SO
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气体，腐蚀建筑、破坏设备和恶化工作环境，一般只在事故处
理时使用该法。我国 90%的高炉渣都承受水冲渣法处理，得到的水渣用于生产水泥、渣
砖、矿渣微粉和隔热填料。高炉渣水淬方式很多，主要处理工艺有：底滤法(OCP)、因巴法(INBA)、拉萨法(RASA)、图拉法(TYNA)等。尽管冲渣工艺在不断的进展，但其技术的核心还是对高炉熔渣进展喷水水淬，冷却、粒化成水渣，然后进展水渣分别，冲渣的水经过沉淀过滤后再循环使用。
底滤法
底滤法是在冲制箱内用多孔喷头喷射的高压水对高炉渣进展水淬粒化，然后进入沉渣池〔图1〕。沉渣池中的水渣由抓斗抓出堆放在干渣场连续脱水，沉渣池内的水及悬浮物由安排渠流入过滤池。过滤后的冲渣水经集水管由泵加压送入冷却塔冷却后重复使用。底滤法的滤池的总深度较低；机械设备少，施工、操作、修理都较便利；循环水质好， 水渣质量好；冲渣系统用水可实现100％循环使用，没有外排污水，有利于环保。其缺点是占地面积大，系统投资也较大[3]。
1—高炉; 2—抓斗吊车; 3—冲渣器;4—水溢流;5—贮料斗;6—粒化器;7—冲洗空气入口;
8—水出口
图 1 底滤法水渣处理工艺示意图
拉萨法
拉萨法为英国RASA 公司与日本钢管公司共同开发的炉渣处理工艺, 1967 年首次在日本福山钢铁厂 1 号高炉(2025m3 )上使用〔图 2〕。拉萨法的工艺流程为：高炉熔渣由渣沟流入冲制箱，与压力水相遇进展水淬。水淬后的渣浆在粗粒分别槽内浓缩，浓缩后的渣浆由渣浆泵送至脱水槽脱水；浮在分别槽水面的微粒渣由溢流口流入中间槽，由中间槽泵送到沉淀池，经沉淀后，用排泥泵送回脱水槽，同粗粒分别器送去的渣水混合物一起进展脱水，脱水后水渣由卡车外运[4。]
1—水渣槽;2—喷水口;3—搅拌槽;4—输渣泵;5—循环槽搅拌泵;6—搅拌槽搅拌泵;7—冷 却塔;8—循环水槽;9—沉降槽;10—冲渣给水泵;11—冷却泵;12—安排器;13—脱水槽;14— 汽车;15—排泥泵
图 2 拉萨法水渣处理工艺示意图
该法炉渣处理量大、水渣质量较好，技术上有肯定进步。但该法因工艺简单、设备较多、电耗高及修理费用大等缺点，在建大型高炉上已不再承受。
图拉法
图拉法粒化渣工艺是俄罗斯图拉厂所创，其工艺思想是通过机械力将熔渣粒化并喷水冷却产生水渣〔图3〕。该法与其他水淬法不同，在渣沟下面增加了粒化轮，炉渣落至高速旋转的粒化轮上，被机械裂开、粒化，粒化后的炉渣颗粒在空中被水冷却、水淬， 产生的气体通过烟囱排出[5]。该法最显著特点是彻底解决了传统水淬渣易爆炸的问题。熔渣处理在封闭状态下进展，循环水量少，动力能耗低，成品渣质量好[6]。
1—熔渣沟; 2—粒化器;3—排气筒;4—脱水器;5—热水池;6—胶带机;7—成品槽图 3 图拉法水渣处理系统示意图
因巴法
因巴法水渣处理系统是二十世纪八十年月初由比利时西德玛 (SDIMAR)公司与卢森堡保尔-乌斯(APUL-WURTH)公司共同开发的一项渣处理技术，1981 年在西德玛公司投入运行[7]。因巴法分为热因巴、冷因巴和环保型因巴三种类型(见表 1)[3]。典型因巴法炉渣处理系统见图 4 所示。
工程 热型
表 1 因巴法炉渣处理工艺类型
冷型

环保型
粒化脱水
粒化水系统冷凝水系统
水淬粒化 转鼓脱水器脱水
有, 粒化水直接循环无
水淬粒化 转鼓脱水器脱水
有, 经冷却塔冷却后再循环
无
水淬粒化 转鼓脱水器脱水
有
有, 吸取蒸汽、二氧化硫、硫化氢,硫排放量很低
因巴法流程为：高炉熔渣由熔渣沟流入冲制箱，经冲制箱的压力水冲成水渣进入水渣沟，然后经滚筒过滤器脱水排出。该法布置紧凑，可实现整个流程机械化、自动化， 水渣质量好；冲渣水闭路循环，泵和管路的磨损小；无爆炸危急，渣中含铁量高达20％ 时，该系统还能安全地进展炉渣的粒化；彻底解决烟尘、蒸汽对环境的污染，到达零排放的目标。
1—冲制箱; 2—水渣沟; 3—水渣槽; 4—安排器; 5—转鼓过滤器; 6—缓冲槽;7—集水槽; 8—热水池; 9—冷却塔; 10—冷水池; 11—胶带机; 12—成品槽
图 4 因巴法水渣处理系统示意图
表 2 为上述几种典型高炉渣处理湿法工艺的主要技术指标，就目前来看，图拉法安全性能最高(渣中带铁达 40%时，仍能正常工作)；而投资费用最大的环保型因巴法在技术上最为成熟，实际应用的高炉亦较多[3]。但水冲渣法无法从根本上转变粒化渣耗水的
工艺特点，炉渣物理热根本全部散失，冲渣过程中S0 、H S 等污染物的排放不但影响作
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业环境而且对空气造成污染。水淬渣方式存在以下诸多弊端：
铺张了高炉渣所含有的高品质余热资源。1350℃～1450℃的液态高炉渣由出渣口排出，靠高压水将其裂开并冷却，在如此高的温度下，大局部的液态水快速气化成水蒸气排放到大气中，铺张了该局部水蒸气含有的大量热量, 以目前我国年产生 亿吨高炉渣和转炉渣计算，其显热量相当于 1740 万吨标准煤。
铺张大量水资源。水冲渣过程中水压大于 ，渣水之比为 1:1，每吨渣需消耗
水 ～ 吨，循环用水量 10t 左右。中国目前高炉生铁产量超过 亿吨，全年高炉渣产量约 2 亿吨，用于水淬渣的水消耗量约 2 亿吨。
产生 SO
2
及 H S 等有害气体，除环保型INBA 法外的其他水渣系统均将冲渣过程产生
2
的含硫蒸汽直接排入大气中，不同 INBA 法随蒸汽排入大气的硫化物量分别为〔具体数值
与高炉原料条件有关〕：热水 INBA 法为 250g/t，一般冷水 INBA 法为 25g/t，最环保的环保型INBA 法也有 5g/t，按目前的炉渣产生量即使全部承受最环保的 INBA 法，全年将排
放 1450tSO ，目前的SO 的排放现状是此数值的几十倍计。
2 2
因此，利用干法将高炉渣粒化作为水泥原料，同时高效利用炉渣显热，削减对环境
的污染，是高炉渣处理的进展趋势。
表 2 几种高炉渣处理方法技术经济指标比较
工程
耗电量
/(kWh/t)
耗水量
〔渣/水〕
渣含水
率/%
占地面积
投资
国内钢厂应用
状况
底滤法
8
1:10
24~40
最大
较大
最多
因巴法
5
1:(6~8)
15
中
最大
多
图拉法

1:8
8~10
中
大
较多
拉萨法
15~16
1:(10~15)
15~20
较大
较大
很少
高炉渣干法粒化余热回收技术
干式粒化工艺是在不消耗水状况下，利用高炉渣与传热介质直接或间接接触进展高炉渣粒化和显热回收的工艺 ，几乎没有有害气体排出，是一种环境友好的式处理工艺。目前高炉渣干法处理工艺主要有：风淬法、双内冷却转筒粒化法、Merotec 熔渣粒化流化法、机械粒化法、连铸连轧法、化学法等。20世纪70年月国外就开头争论此法， 但目前尚无一种真正实现工业化。
风淬法
风淬法是利用高速空气将熔渣冲击裂开并回收余热的方法[8]。日本钢管和三菱重工 从 1977 年开头联合开发了转炉渣风碎粒化余热回收系统〔图 6〕，并于 1978 年在日本钢管福山厂 3 号炼钢厂建立了处理力量为 30t/h 试验厂[9]。之后两家公司于 1981 年在福山厂建成了最大处理力量为 80t/h 的商业化工厂[10]。整个余热回收流程包括预处理、风碎、余热回收、后处理 4 个处理工序。该流程的工业试验中，总热回收率到达了 ％。
图 6 日本钢管与三菱重工联合开发的转炉钢渣风碎粒化工艺流程图
1982 年日本日铁、NKK、川崎、住友、神户和日制钢 6 大钢铁公司开展了打算为期 6 年的高炉熔渣显热综合回收技术争论，目的是在回收高炉渣余热的同时，制造水泥原料等高附加值的炉渣产品。该工艺流程图如图7 所示[11] ，熔渣在被风碎后通过多段流化床回收渣粒余热。从余热回收的效果来看，%； 从渣粒的品质来看，不含渣棉的渣粒玻璃体率为 96％~ 98%，水泥胶砂的强度测试说明， 利用风碎高炉渣得到的炉渣水泥与市售的一般高炉渣水泥具有同等的强度。在大量试验 的根底上，争论者针对 400Om3 级，处理力量为 150t/h 的炉渣余热回收系统进展了经济性分析，但目前并没有该工艺商业化的报道[12] 。
图 7 日本 6 大钢铁公司联合开发的高炉渣风碎粒化余热回收流程示意图
风淬法在粒化过程中动力消耗很大，风碎与水淬相比冷却速度很慢，为了防止粒
化渣在固结之前粘连到设备外表上，就要加大设备的尺寸[13。] 粒直径分布范围较宽，不利于后续处理。
旋转滚筒法熔渣粒化工艺
风淬法得到的粒化渣的颗
NKK 双冷却转筒粒化工艺最早由日本钢管公司(NKK)开发，其工艺流程如图 8 所示
[11] 。温度为 1500℃左右的液态高炉渣经渣槽流入位于转鼓 B1 和 B2 之间形成的渣池， 转鼓连续转动，通过挡板(A)来掌握熔渣的液位，熔渣随转鼓的转动被带出并在转鼓外表 成膜，在转鼓内通过一种高沸点有机液体(烷基联苯)来快速冷却附着在转鼓外表的渣膜， 随后冷却的玻璃相炉渣由一种脱膜工具从转鼓上剥离落入料斗，得到的成品渣温度约为
900℃。从转鼓出来有机液体蒸汽经热交换器(C)冷却后通过循环泵(F1)返回冷却转鼓循 环使用，回收的热量用于透平蒸汽发电。大型工业试验中，转鼓内热媒介物吸取热量约 为熔渣显热的 40%，得到成品渣的玻璃化率到达 95%[8]。双冷却转筒粒化工艺的难点在于转鼓的设计和稳定运行、渣膜厚度的掌握以及具有高沸点高蒸发潜热的有机溶剂的选择， 该工艺因整体热量回收率偏低以及后续处理麻烦而未得到应用。
图 8 NNK 转鼓冷渣器热回收过程
20 世纪 70 年月末，日本住友金属和石川岛播磨重工联合开发了旋转滚筒熔渣粒化
工艺〔图9〕[11。]
将熔渣自由滴落，撞击敷有不浸润性涂层的旋转滚筒外表分散并被甩
出粒化。这种工艺不仅节能，且因粒化后渣滴飞溅的距离小而便于捕集渣粒和热量回收。试验中得到的热风温度大于 500℃，整体回收热量可达熔渣总显热的 60%以上，水淬渣与高温渣粒的分别效率大于 90%，得到成品渣粒度最大为20mm，小于10 mm 局部约占95%，经裂开后可代替自然砂用作混凝土细骨料。该工艺的难点在于旋转滚筒外表涂层 的选择和介质颗粒与高温渣粒的分别，且热量回收效率偏低，未能实现工业应用。
图 9 旋转滚筒熔渣粒化工艺
机械搅拌法熔渣造粒工艺
日本住友金属工业开发了一种连续搅拌法熔渣造粒工艺，承受机械搅拌法将熔渣破 碎，其装置示意见图 10[8]。将高炉熔渣注入搅拌装置，带有叶片的旋转轴连续搅拌使熔渣冷却裂开，粒化后的高温渣粒随转轴的转动连续地输送到装置的外部，转轴由外部的 电机带动，粒扮装置通过外部的水套冷却保护。试验中高炉熔渣的平均流量约为30t/h， 在 1400℃左右流入，熔渣粒化后约在 900℃从装置中排出，粒化的渣粒大局部在 20mm
左右，排出后的高温渣粒还持有熔渣热量的 50%以上，可再二次回收。该工艺争论证明白利用连续搅拌方式将熔渣干式粒化是可行的。但此法得到的渣粒尺寸大且不均匀，玻璃化程度不高，只能用作铺路材料，产品附加值低且整个工艺本身对熔渣的显热回收效率也很低。
连铸连轧法工艺
图 10 住友金属的熔渣造粒装置
连铸连轧法熔渣平板固化工艺是由中国有关技术人员依据 1986 年乌克兰第聂伯罗彼得罗夫斯克冶金学院开发的炉渣干式粒化方案，并参照有色金属连铸连轧工艺，对原工艺进展改造而成，其工艺流程如图 11 所示[14。] 其工作流程为：由渣罐车运来的熔渣倒入渣池，熔渣从供渣嘴(A)连续流到水冷平辊(B)和水冷网辊(C)，然后进入链式输送机(D)，在运输机下部通入冷空气，渣的热量传给冷空气和膜式水冷壁(E)，冷却后的渣在碎渣机(F)中裂开，软化水经轧辊流入水箱，经给水泵(G)压入省煤器(H)，然后进入汽包(I)，饱和水经循环泵(J)压入膜式水冷壁，加热气化后回到汽包，从汽包出来的饱和蒸汽进入过热器，成为过热蒸汽。据报道，该工艺热回收率可达 %，具有良好的操作性和可观的投资回报，但其最大困难在于冷却工序的设计，平板式高温渣的透气性严峻影响冷空气和水冷壁的换热效率，因而存在很大的缺陷，推测的热回收效率有待于生产性试验的验证。
图 11 “连铸连轧”法熔渣余热回收工艺
Merotec 熔渣粒化流化工艺
Merotec 熔渣粒化工艺最早由德国蒂森钢铁公司设计开发，工艺流程如图12所示[15。] 高炉熔渣直接或通过缓冲罐A间接倒入粒化器B，在粒化器内将熔渣裂开成颗粒状， 然后渣粒进入流化床C换热器进展充分换热冷却，再由提升机D运往筛子E，经筛分得到 0~ 3 mm和大于3mm级别，分别进入渣粒储罐F1和渣粒储罐F2。得到的细颗粒炉渣通过传送装置进入循环渣粒储罐循环操作，用于熔渣的裂开过程，且用来冷却和保护工艺设备。熔渣的热量通过循环细渣粒的吸热、粒化器的空气冷却和流化床换热器得到回收。冷却 空气通过风机循环使用，产生的粉尘通过旋风除尘器分别和回收。Merotec熔渣粒化流化 工艺，该装置的热量回收率约为 64%，而且属于半急冷或缓冷处理，玻璃化程度不高， 产品附加值低且整个工艺本身对熔渣的显热回收效率也很低。
图 12 Merotec 试验装置
转杯法
转杯法是指利用高速旋转的转杯将倾倒在转杯上的熔渣粒化，然后对高温渣粒进展余热回收的方法[8]。住友金属和石川岛播磨重工首先于 20 世纪 80 年月初承受转杯法对高炉渣进展了粒化；在此之后 20 世纪 80 年月中期，英国钢铁公司和诺丁汉大学联合开发了高炉渣转杯风碎粒化余热回收系统，在试验室中得到了平均粒径为2mm，玻璃化率为 95％的渣粒。在试验室争论的根底上，争论者设计了 40t/h 的炉渣处理系统〔图 13〕 粒化后的高温渣粒首先进入主流化床，该流化床回收热空气[16] ；渣粒离开主流化床后进入副流化床，在副流化床，炉渣余热用来产生饱和水蒸气，余热回收效率在 %，热空气出口温度在 400~600℃之间。
图 13 高炉渣转杯粒化余热回收装置示意图
机械粒化法是由英国 Kvaerner Metals 争论制造的，工艺流程如图 14 所示[11] 。液态高炉渣从渣槽流到罩杯之后被甩出，甩出的颗粒在运行中与下部流化上来的气体相遇， 发生对流传热和与内 壁辐射传热， 使渣粒初步冷却 。炉渣在粒化 和运行阶段降低100~200 K。之后高炉粒化渣粒打在设备内壁上，壁面所布冷却水管中的冷却水将热量带走。高炉渣反弹回连续下落，通过与流化空气和埋在床层内的换热管道的热交换来进展热回收。此法可使炉渣粒度达 2mm 左右，但其设备较简单。
图 14 Kvaerner Metals 机械粒化法
特别需要指出的是，从 20 世纪 90 年月后期开头，熔渣转杯粒化余热回收方法重引起了争论者的留意，日本[17-21]、澳大利亚[22]、中国[23-27]的争论者对该方法再次进展了深入的争论。但目前主要的争论成果还主要停留在转杯构造、转杯转速、粒化效果的小型试验室争论上，对于大型的转杯粒化余热回收装置还有待进一步争论。
化学法工艺
在转杯粒化得到高温渣粒后，传统的方法是进展气固换热回收高温空气，而日本研