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。

（下转第35页）E -1.
第5期郑建新等：橡胶坝在工程施工质量控制措施135
消力池水平段混凝土施工工艺流程：基础的开挖→铺设好反滤土工布→铺设中粗砂→铺设碎石→齿槽砌石→混凝土垫层→铺设沥青油毛毡→钢筋网制作安装→安装模板→混凝土浇筑→拆模→养护。

②下游消力池斜坡段混凝土施工
消力池斜坡段的混凝土施工工艺流程为：凿毛及清洗基面→止水带的安装→钢筋网制作安装→安装模板→浇筑混凝土→拆模→养护。

混凝土施工浇筑时，由低向高处施工，其他施工方法同消力池水平段混凝土浇筑施工。

（7）坝底板抗冲蚀、抗磨部位的施工
为了防止高速水流产生空蚀，施工过程中需要严格控制底板的表面平整度：
①进出口结构的混凝土表面要求光滑，与施工图纸所示理论线的偏差不得大于3mm/1.5m；
②一般过水混凝土凹凸不能超过6ra m，凸部应磨平；
③与坝袋接触的冲刷部位，混凝土表面必须高强光滑．以减少坝袋冲刷磨损。

应采取特殊措施，如将此部位的混凝土表面浮浆清除，用水冲净晾干刷涂3~5mm的高标号环气水泥砂浆，达到强度后，用磨光机打磨平整光滑。

4．止水及埋件施工
橡胶止水带质量必须有保证，橡胶止水的连接需要根据图纸或产品的使用说明要求进行实际操作。

在埋件安装中，我们需要安装供排水管和套管、电气管道及电缆、设备基础、支架、吊架、坝袋锚固螺栓、垫板锚钩等固定件、接地装置等。

5．坝袋安装
本工程坝袋安装包括1号橡胶坝25m和2号橡胶坝28m。

坝袋安装主要是将坝袋周边同定在锚同槽内。

坝袋的安装程序为：垫板和坝袋底板的清理→铺设底板垫片→水帽安装→铺垫好止水胶条→吊送后展开坝袋→安装、固定好导水胶管→坝袋安装就位→安装压板固定坝袋→检查验收。

6．电气设备及其埋件工程
电气埋件主要包括：电缆管及电缆，接地系统，控制屏柜埋件。

机电设备地脚螺栓和各种固定架等。

电缆敷设：在电缆敷设前，应对照图纸并结合实际情况分析电路走向和电缆敷设位置。

确定敷设方法。

然后安排人员分工实施。

操作室屏、柜、箱安装：右岸泵房操作室内有水泵专用控制柜1个，电动阀门控制屏1个，照明配电箱1个。

照明及单相设备包括：室内照明灯具、室外照明灯具、吊扇、插座、开关等。

供排水设备、风机、电动葫芦安装，供排水设备主要有：离心水泵及电机、油浸潜水泵，阀门和仪表，电动蝶阀等。

电气设备系统调试：当全部电气设备安装完成后，可进行通电调试。

系统整体试运行：本项工程全部完成后，在业主和监理工程师许可的情况下，进行排水试运行，以了解排水系统的运行情况。

7．橡胶坝的养护措施
橡胶坝是一种柔性结构，在运行时要严格按照规定的方案和操作规程进行，要注意坝袋内的充水（充气）压力不能超过设计压力，以免坝袋爆破。

在日常运行管理中应加强对坝袋的维护，进行科学的运行管理。

防止坝袋磨损：找出坝袋在运行时发生磨损的条件，避免坝袋在这些条件下运作；及时清除坝袋塌落区底板上积存的沙石；修建隔离带。

防止坝袋老化：在坝袋的表面涂刷防老化涂层，阻碍外界的老化因素；为保持高温季节坝袋的表面温度，应在挡水面保持一定的溢流水深。

四、结束语
橡胶坝工程因其再经济、社会和生态环境方面优势较为明显，故现今得到了广泛的应用，它能在不影响河道基本情况下，起到美化环境、灌溉用水发电的作用。

实践已经证明，橡胶坝的优点很多，用途非常广泛，具有很强实践应用前景。

随着我国科学技术的发展，橡胶坝工程必将更加体现出社会经济价值。

参考文献
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[3]陈永贵，尹东飞，葛志霞．橡胶坝工程施工及运用管理
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（上接第108页）
参考文献
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