高炉渣与转炉渣综合利用

高炉渣与转炉渣综合利用摘要：转炉炼钢过程中的主要副产品是转炉渣，目前我国转炉渣的利用率仅为10%。

为提高转炉渣的利用率，应按照分析成分、制定利用方案、综合处理、分级利用 4 个主要步骤，根据当地的实际情况，建立不同适应性的阶梯利用方式，以实现最好的社会效益、环境效益和经济效益。

介绍了当前国内外高炉渣综合回收与利用现状，对比分析了高炉渣各种处理工艺的优点和不足，展望了高炉渣回收与利用的发展趋势。

关键词：普通高炉渣；含钛高炉渣；综合利用转炉渣；综合处理；利用；分析1高炉渣处理工艺与综合利用高炉渣是冶炼生铁过程中从高炉中排出的副产品，是我国现阶段最主要的冶炼废渣。

在20世纪70年代以前，一直作为工业废弃物堆放。

随着钢铁工业的发展，各种高炉渣的堆积量日益增大，高炉渣的堆积不仅对环境造成了严重污染，也是一种资源的严重浪费，随着世界范围资源的日益贫乏，对高炉渣进行综合利用，变废为宝已刻不容缓。

1.1高炉渣的化学成分高炉渣有普通高炉渣和含钛高炉渣。

普通高炉渣的化学成分与普通硅酸盐水泥类似，主要为CaO、MgO、SiO2、Al2O3和MnO。

含钛高炉渣中除含有上述物质外，还含有大量的TiO2。

见表1表 1 高炉渣的化学成分高炉渣的处理工艺可分为水淬粒化工艺、干式粒化工艺和化学粒化工艺。

在我国工业生产中，主要以水淬粒化工艺作为高炉渣的处理工艺，但水渣处理工艺存在以下问题 : 新水消耗量大、熔渣余热没有回收、系统维护工作量大、冲渣产生的二氧化硫和硫化氢等气态硫化物带来空气污染。

粉磨时，水渣必须烘干，要消耗大量能源。

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，减少对环境的污染，是高炉渣处理的发展趋势。

1.2国内外高炉渣处理工艺概况1.2.1 水淬粒化工艺水淬粒化工艺就是将熔融状态的高炉渣置于水中急速冷却，限制其结晶，并使其在热应力作用下发生粒化。

水淬后得到沙粒状的粒化渣，绝大部分为非晶态。

其主要方法有:底滤法、因巴法、图拉法、拉萨法等。

水淬粒化工艺处理的高炉渣，玻璃质(非晶体)含量超过95%，可以用作硅酸盐水泥的部分替代品，生产普通酸盐水泥。

但此法不可避免地释放出大量的硫化物，污染地下水源，渣粒研磨前必须干燥，能源消耗大，消除污染投资大，循环水系统的磨损大。

（1）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行水淬粒化，然后进入沉渣池。

沉渣池中的水渣由抓斗抓出堆放在干渣场继续脱水，沉渣池内的水及悬浮物由分配渠流入过滤池。

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。

滤池的总深度较低；机械设备少，施工、操作、维修都较方便；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。

（2）因巴法因巴法是由卢森堡PW公司和比利时西德玛公司共同开发的炉渣处理工艺，1981年在西德玛公司投入运行。

因巴法分为热因巴、冷因巴和环保型因巴三种类型。

其流程是: 高炉熔渣由熔渣沟流人冲制箱，经冲制箱的压力水冲成水渣进人水渣沟，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；无爆炸危险，渣中含铁量高达 20%时，该系统还能安全地进行炉渣的粒化；彻底解决烟尘、蒸汽对环境的污染，达到零排放的目标。

该法因其为引进技术，故投资费用大。

（3）图拉法图拉法首次在俄罗斯图拉厂2000m 3 高炉上应用，故称其为图拉法。

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，被机械碎、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。

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行，环境好；循环水量少，动力能耗低；成品渣质量好。

（4）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。

该法炉渣处理量大、水渣质量较好，技术上有一定进步。

但该法因工艺复杂、设备较多、电耗高及维修费用大等缺点，在新建大型高炉上已不再采用。

1.2.2干式粒化工艺干式粒化工艺是在不消耗新水情况下，利用高炉渣与传热介质直接或间接接触进行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。

干式粒化法包括风淬法、滚筒转鼓法、离心粒化法。

20世纪70年代国外就开始研究此法，但目前尚无一种真正实现工业化。

干式粒化工艺对钢铁厂节能和环保所产生的效益是巨大的，它有以下明显优势:高炉渣显热可有效收。

据国外有关资料介绍，只要合理调节冷空气的比例，干式粒化法的冷却空气可被加热到400～600℃。

投资费用低，工艺操作简单，节约大量的水，同时减少了爆炸的可能性。

干式成粒的高炉渣质量好、强度高，是生产水泥的优质原料。

由于无需对高炉渣进行干燥，可以减少环境污染，节约能源。

（1）风淬法Mitsubishi和NKK建立了专门进行高炉渣热量回收的工厂，将液态渣倒入倾斜的渣沟中，渣沟下设鼓风机，液渣从渣沟末端流出时与鼓风机吹出的高速空气流接触后迅速粒化并被吹到热交换器内，渣在运行过程中从液态迅速凝结成固态，通过辐射和对流进行热交换，渣温从1500 ℃降到1000 ℃。

渣在热交换器内冷却到300℃左右后，通过传送带送到储渣槽内。

高炉渣经球磨后可作水泥厂原料，其各项性能参数均比水冲渣好，热回收率可达40%～45%。

但因其用空气作为热量回收介质，故所需空气量大，鼓风机能耗高。

日本在高温熔渣风淬粒化和余热回收方面研究深入，已有工业应用的先例。

风淬与水淬相比冷却速度慢，为防止粒化渣在固结之前粘附到设备表面上，就要加大设备尺寸，存在设备体积庞大、结构复杂等不足。

此外，风淬法得到的粒化渣的颗粒直径分布范围较宽，不利于后续处理（2）滚筒转鼓法日本NKK采用的另一种热回收设备是将熔融的高炉渣通过渣沟或管道注人到两个转鼓之间，转鼓中通入热交换气体(空气)，渣在两个转鼓的挤压下形成一层薄渣片并粘附到转鼓上，薄渣片在转鼓表面迅速冷却，热量由转鼓内流动空气走。

热量回收后用于发电、供暖等。

其缺点是薄渣片粘在转鼓上需用耙子刮下，工作效率低，且设备的热回收率和寿命明显下降，所得冷渣以片状形式排出会影响其继续利用。

滚筒法与内冷双滚筒法主要差别是当渣流冲击到旋转着的单滚筒外表面上时被破碎(粒化)，粒化渣再落到流化床上进行热交换，可以回收50%～60%的渣显热。

该方法属于半急冷处理，所得产品是混凝土骨料。

住友金属的单滚筒工艺破碎粒化熔渣的能力低，渣粒的粒径分布范围大，与换热介质的换热面积小，换热效率低，粒化渣玻璃体含量不足，不能作水泥原料。

(3)离心粒化法KvaernerMetals发明了一种干式粒化高炉渣热回收法，采用流化床技术，增加热回收率。

它是采用一高速旋转的中心略凹的转杯作为粒化器，液渣通过覆有耐火材料的流渣槽或管道从渣沟流至转杯中心。

当转杯旋转到一定速度时，液渣在离心力作用下从转杯的边缘飞出，粒化成粒。

液态粒渣运行中与空气热交换至凝固，并打在冷却水管的设备内壁上，冷却水将一部分热量带走。

凝固后的高炉渣继续下落到设备底部，凝固的渣在位于底部的流化床内与空气进一步进行热交换，热空气从设备顶部回收。

这种设备可将渣均匀粒化并充分热交换，其处理能力可达到6t/min ，盘子转速为1500r/min ，以空气为热交换介质，其资源丰富、制取简单。

但只用空气冷却，耗气量大，动力消耗亦大。

离心粒化法比其他干式粒化方法更有效，设备简单，动力消耗小，处理能力大，适应性好，产品粒度分布范围窄，而且这种方法易于在实验室进行小规模实验以确定各种工艺参数。

在实验中，当转杯转速为3000r/min，熔渣流量为2t/min时，所需要的电机功率约为12～15kW，能耗大大低于风淬粒化。

若将离心粒化和风淬法相结合，利用机械力和风力同时破碎熔渣，可以避免设置专门的高压造粒风机，减少动力消耗并降低风量。

1.2.3化学法化学粒化工艺是将高炉渣的热量作为化学反应的热源回收利用。

其工艺流程是先使用高速气体吹散液态炉渣使其粒化，并利用吸热化学反应将高炉渣的显热以化学能的形式储存起来，然后将反应物输送到换热设备中，再进行逆向化学反应释放热量。

参与热交换的化学物质可以循环使用。

通过甲烷(CH4)和水蒸汽( H 2O)的混合物在高炉渣高温热的作用，生成一定的氢气(H 2)和一氧化碳 (CO)气体，通过吸热反应将高炉渣的显热转移出来，其化学反应式如下:CH 4(g)+H 2 O(g)=3H 2 (g)+CO(g)此反应所需热量来自于液渣冷却成小颗粒时放出的热量。

用高速喷出的CH 4和 H 2 O混合气体对液渣流进行冷却粒化，二者进行强烈的热交换，液渣经破碎和强制冷却后粒化成细小颗粒，生成的气体进人下一反应器，在一定条件下氢气和一氧化碳气体反应生成甲烷和水蒸汽，放出热量。

高温甲烷和水蒸汽的混合气体经热交换器冷却，重新返回循环使用，其化学反应式如下:3H 2(g)+CO(g)=CH 4(g)+H 2 O(g)热量经处理后可供发电和高炉热风炉等使用。

在回收热量过程中因其伴随化学反应，故热利用率较低。

2转炉渣综合利用转炉钢渣是转炉炼钢过程中产生的废渣，主要来源于铁水与废钢中所含元素氧化后形成的氧化物，金属炉料带入的杂质，加入的造渣剂(如石灰石、萤石、硅石) 、氧化剂、脱硫产物和被侵蚀的炉衬材料等。

根据中国冶金报统计，2010年世界粗钢产量为14.14 亿t，中国粗钢产量为6．2665亿t、排放的转炉渣量约7000万t。

当前国内积存的转炉钢渣已有2亿t 以上。

目前，转炉渣在我国尚未实现真正意义上的完全利用，其利用率中的大部分是建筑回填与道路基础。

2.1 转炉渣的利用历史20世纪70年代前，世界各钢铁企业对转炉渣利用的主要目的是回收其中的金属铁，尾渣多弃置，因产钢量较小，转炉渣对环境和生态带来的影响尚未引起人们的足够重视。

此后，伴随冶金技术的日新月异，一些西方经济发达国家钢产量大幅上升，尤其是当时的冶金大国日本，大工业的冶金生产带来的环境与生态问题凸显。

世界第二次石油危机以后，日本进行了产业结构重组和调整，冶金工业由此开始向“资源节约型”与“生态友好型”方向发展。

为此，解决包括转炉渣资源化在内的各类冶金二次资源利用问题，开始被逐步纳入政府管理的政策与法规范畴内，各冶金企业纷纷成立冶金渣利用研究所或相应的机构，可以认为，这是真正意义上对转炉渣规模化利用的开始，或称转炉渣利用的第一阶段。

而我国钢铁企业建立转炉渣规模化利用研究机构并引起政府层面的的关注与干预，则在本世纪初，晚于西方20 多年。

在转炉渣规模化利用初期，基本采用的是未加处理的粗放式直接利用，在含铁组分回收后，尾渣大都用于建筑回填、铺路、填海造地等。