武建院钢铁渣及化工渣综合利用新技术研究与开发.doc

钢铁渣及化工渣综合利用新技术研究与开发1概述1.1项目概况1.2研究依据与范围1.3项目背景1.4项目的特点及意义2国内外研究现状及发展趋势2.1国内外现状2.2发展趋势3研究工作主要内容3.1技术方案3.2钢渣预处理3.3造块3.4熔分还原改性3.5新型建材4技术特点及创新点4.1技术特点4.2创新点5技术应用实践6经济及社会效益分析6.1经济效益分析6.2社会效益分析6.3推广应用7结论名词术语解释原料钢渣：特指高温钢渣经降温、初级处理后的低品位钢渣。渣钢：特指高温钢渣经降温、初级处理回收的全铁（TFe）含量70%钢渣，可直接返回炼钢。预选钢渣：特指原料钢渣经初级磁选回收的粒径100mm，全铁（TFe）含量39.5%的钢渣。大粒钢渣：特指预选钢渣经磁选回收的粒径6mm的钢渣，全铁（TFe）含量39.5%。小粒钢渣：特指预选钢渣及尾料钢渣经磁选回收的粒径6mm，全铁(TFe)含量39.5%的钢渣。尾料钢渣：特指钢渣经磁选除铁后全铁(TFe)含量16%的钢渣。钢渣砂：特指尾料钢渣经破碎、干燥、粉磨、风选分级、磁选后回收的粒径0.16mm的粒状钢渣。钢渣粉：特指尾料钢渣经破碎、干燥、粉磨、风选分级、磁选后回收的粒径0.1mm的粉状钢渣。瓦斯灰:钢铁生产过程中产生的煤气经除尘后收集的固体废弃物。除尘灰：钢铁生产过程中排放的大气污染物经除尘设备处理后收集的固体废弃物。硫酸渣：硫酸渣又称黄铁矿烘渣或烧渣，是用黄铁矿制造硫酸或亚硫酸过程中排出的固体废渣。OG泥：转炉煤气经OG法处理后收集的湿泥状废弃物。造块：特指钢铁渣、化工渣烧结成型渣的生产工艺。型渣：特指钢铁渣、化工渣经造块工艺制得的中间产品，作为熔分还原改性炉使用的原料。型渣机：特指用于造块工艺生产型渣的一种专用设备。型渣粉：粒径6mm的型渣。熔分还原改性：特指将型渣及大粒钢渣中化合状态的铁、锰等还原成单质并进行渣铁分离，同时将炉渣改性成硅酸盐材料的生产工艺。熔分还原改性炉：特指进行熔分还原改性生产工艺过程中使用的专用炉。熔分还原铁：特指经熔分还原改性生产工艺后分离出来的以铁为主要成分，同时含有锰、磷、硫、硅、碳等成分的金属铁。炉渣：特指熔分还原改性生产工艺过程中排出的高温熔渣。水渣：特指熔分还原改性生产工艺排出的高温熔渣经水淬成粒后的一种活性高、安定性好的硅酸盐材料。水渣微粉：特指水渣加入一定的外加剂后经烘干、粉磨工艺加工成的一种微粉。混凝土免烧砖：特指混凝土中加入了一定比例的水渣、水渣微粉、钢渣砂、钢渣粉生产的一种用于承重墙体的新型建材制品。泡沬混凝土砌块：特指利用水渣微粉、钢渣粉为主要原材料生产的一种用于非承重墙体的新型轻质建材制品。砌筑水泥：特指利用水渣微粉、钢渣粉为主要原材料生产的一种用于配制砂浆的水泥。振动磁选机：特指用于尾料钢渣干燥粉磨风选分级后从0.16mm的钢渣颗粒中分离小粒钢渣和钢渣砂的磁选机。悬浮磁选机: 特指尾料钢渣干燥粉磨风选分级后从0.1mm以下的钢渣粉中分离小粒钢渣和钢渣粉的磁选机。1概述世界经济的持续增长带来的“资源危机”、“资源安全”问题，早已受到国内外科学家和政治家们的广泛重视，纷纷从人口、环境、社会、经济发展等不同角度，探索缓解资源危机的各种途径，提出可持续发展和循环经济、资源集约型经济等不同理念。随着我国经济的快速增长，资源、能源、环保等结构性矛盾更加突出，只有采用循环经济的发展模式，搞好资源的综合利用，大力推行循环经济，采取措施以尽可能少的资源消耗和尽可能小的环境污染，取得最大的经济收益和最少的废弃物，才能缓解我国资源、能源和环境的压力。目前我国每年产生的钢铁渣达四亿多吨，化工渣五千多万多吨。主要有钢渣、瓦斯灰、除尘灰、硫酸渣、磷石膏、粉煤灰、铜渣、赤泥、炉渣、高炉渣、电石渣、煤矸石等数十种工业废渣。在冶金渣中排量大的主要有高炉水淬矿渣、钢渣、高炉重矿渣等，其中高炉水淬矿渣和高炉重矿渣利用率较高，而钢渣利用率较低，仅有20%左右。未得到利用的冶金渣长期堆放而未及时综合利用，一方面冶金渣逐渐失去活性增加再利用的难度，另一方面占用大量土地、严重污染环境。建设资源节约型、环境友好型社会，节约资源作为基本国策，把工业废弃物和城市生活废弃物作为新的再生资源重新纳入传统的动脉产业之中，进一步构建和谐和完善“静脉产业”体系，这是国家节能中长期专项规划中提出的十大重点节能工程，国家并把冶金工业废弃物处理列为资源再利用鼓励项目。科学发展观呼唤循环经济，尤其要确立资源循环利用的理念，坚持可持续发展战略。以全面建设小康社会为目标的中国，必须开拓新的资源思路，着眼于资源利用方式和经济发展模式的转变，寻求以最有效利用资源和保护环境为基础的循环经济之路，实现资源、环境与经济社会的全面、协调、可持续发展。振昌公司是一家处理、加工工业废渣的专业化公司，成立于上世纪90年代，致力于钢铁渣及化工渣的加工与处理。随着处理量的增加，在加工过程中发现经处理后的钢铁渣及化工渣中残留有大量的金属铁无法通过磁选、分级等传统方法进行回收。产生的废渣量依旧太多，需要大量的人力、财力予以填埋，同时也占用大量的土地资源。针对这种困惑，振昌公司开始尝试利用不同方法对这些废弃尾渣进行反复研究与实验。经过十几年的不懈努力，终于摸索出一套综合利用钢铁渣及化工渣的加工处理办法，并通过多处生产线对这些固体废渣进行工业化实验，达到了预期目标，成果显著。为进一步拓宽工业废渣的利用范畴，振昌公司于2009年10月与中冶京诚、中冶北方、中冶武建院、宝冶工业炉及天益顺德公司联合成立了工业废渣综合利用研究与开发项目组。按照“资源化、循环化、全利用和零废弃”的原则，共同完成钢铁渣及化工渣综合利用新技术的研究与开发。项目的特点及意义一、本项目所采用的工业废渣综合利用技术属国内首创、国际领先的新工艺、新技术，拥有完全的自主知识产权。项目原料全部使用冶金、化工废弃物，通过先进的工艺、技术及装备实现工业废渣及新生废渣、废气、废水的高效综合利用。项目实施后每年可利用冶金、化工工业废渣160万吨，回收金属铁及其深加工产品钢坯65万吨，生产高活性水渣72万吨，生产30万m新型环保混凝土砖，高活性水渣还可进一步加工成水渣微粉和多种新型建材制品。二、本项目所采用的技术科学、巧妙地利用各种渣的成分，通过调整渣的配比，最有效、最大化地还原回收其中的金属，充分利用渣中的二次能源。它利用钢粒粉、除尘灰、硫酸渣、泥浆、瓦斯灰等工业废渣烧结造块成型渣。该型渣生产工艺具有碱度适中、强度高、返矿率低的特点；瓦斯灰含碳量高可取代焦炭作燃料使用；钢粒粉含钙高可取代石灰作熔剂使用，从而可使型渣生产成本低，根本上解决传统的单一渣处理工艺成本高、难度大、尾渣多的难题，在工艺技术上，是一次巨大的飞跃。三、钢渣经破碎、筛分、磁选等工艺处理后，全铁含量50%的大块钢渣直接进入熔分还原改性炉进行还原改性；全铁含量小于50%的钢粒粉进行造块。工业废渣造块和熔分还原改性工艺利用的是钢渣含氧化钙高的特点。钢渣可取代传统烧结、冶炼中的石灰，用作熔剂、改性剂。同时，本工艺方法可彻底回收钢渣中的金属铁（传统磁选方法不能回收非磁性铁，一般残留15%左右）。另外，我们利用尾料钢渣含钙高和水渣需要高碱度材料激发的特点，复合配制出一种新型水硬性胶凝材料，用该种胶凝材料可生产各种新型建材产品。因此本项目对工业废渣的利用水平最高，真正做到全利用、零排放，解决了这一世界性难题。四、除铁后的工业废渣在高温下进行液相反应，生成硅酸钙等活性产物，其活性和安定性得到了质的改变，炉内熔分还原改性为工艺废渣生产新型建材产品解决了稳定性问题，这一技术创新促进了新型建筑材料产业的发展。五、本项目由于采用的工艺技术先进，变废为宝，每年可新增产值24.79亿元，新增利税7.15亿元，故经济效益十分显著。六、本项目生产的新型建筑材料完全可以替代传统的粘土砖，每年可减少4亿块粘土砖的生产量，从而每年减少植被破坏300亩、减少燃煤用量7万吨，该项目推广后可以大大降低二氧化碳的排放及对大气的污染，极大地改善生态环境。七、本项目投产以后，社会效益十分显著，可以拉动当地机械制造、运输、物流、建筑及服务等行业的发展，增强地方经济的实力。八、本项目积极贯彻了国家促进循环经济发展的思路，实现了节能、减排、降耗的环保目标。对我国循环经济发展有引领和示范的作用。九、本项目的实施开创了一个全新的工业废渣综合利用的新行业。2国内外研究现状及发展趋势2.1钢铁渣及化工渣的主要种类及特性钢渣：一种工业固体废弃物，依炉型主要有平炉渣、转炉渣、电炉渣，排出量约为粗钢产量的15-20%。钢渣在温度 15001700下形成，高温下呈液态，缓慢冷却后呈块状，一般为深灰、深褐色。有时因所含游离钙、镁氧化物与水或湿气反应转化为氢氧化物，致使渣块体积膨胀而碎裂；有时因所含大量硅酸二钙在冷却过程中(约为675时)由型转变为 型而碎裂。如以适量水处理液体钢渣，能淬冷成粒。钢渣主要由钙、 铁、 硅、镁和少量铝、锰、磷等的氧化物组成。主要的矿物相为硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁铝酸钙以及硅、镁、铁、锰、磷的氧化物形成的固熔体，还含有少量游离氧化钙以及金属铁、氟磷灰石等。有的地区因矿石含钛和钒，钢渣中也稍含有这些成分。钢渣中各种成分的含量因炼钢炉型、钢种以及每炉钢冶炼阶段的不同，有较大的差异。目前我囯各类钢渣每年排放量约8000万吨，其中转炉钢渣量占90%以上，堆积的旧渣4亿吨。高炉矿渣：高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣。在高炉冶炼生铁时，高炉加入的原料，除了铁矿石和燃料(焦炭)外，还要加入助熔剂。当炉温达到1400-1600时，助熔剂与铁矿石发生高温反应生成生铁和矿渣。高炉矿渣是由脉石、灰分、助熔剂和其他不能进入生铁中的杂质组成的，是一种易熔混合物。从化学成分来看，高炉矿渣是属于硅酸盐质材料。每生产1t生铁，高炉矿渣的排放量随着矿石品位和冶炼方法不同而变化。例如采用贫铁矿炼铁时，每吨生铁产出1.0-1.2t高炉渣；用富铁矿炼铁时，每t生铁只产出0.25t高炉渣。由于近代选矿和炼铁技术的提高，每t生铁产出的高炉矿渣量已经大大下降。由于炼铁原料品种和成分的变化以及操作工艺因素的影响，矿渣的组成和性质也不同。按照冶炼生铁的品种，高炉矿渣可分为铸造生铁矿渣、炼钢生铁矿渣和特种生铁矿渣。按照高炉矿渣化学成分中的碱性氧化物的多少高炉矿渣又可分为碱性矿渣、中性矿渣和酸性矿渣。瓦斯灰：钢铁生产过程中产生的煤气经除尘后收集的一种含有铁矿、焦碳、煤粉的固体废弃物，据统计钢铁企业每年大约产生瓦斯灰类固体废弃物量为100180kg/t钢。按照目前我国的钢产量近6亿吨估算，我国每年将产生约8000万吨瓦斯灰类固体废弃物。除尘灰：钢铁生产过程中排放的大气污染物经除尘设备处理后收集的固体废弃物，据统计钢铁企业每年大约产生除尘灰类固体废弃物量为100180kg/t钢。按照目前我国的钢产量近6亿吨估算，我国每年将产生约8000万吨除尘灰类固体废弃物。OG泥：OG泥是钢铁厂转炉炼钢的副产品，它的回收利用一直备受关注。按照宝钢的生产数据，每产1t钢，约产生16kg转炉尘，由于国内炼钢转炉尾气绝大多数系采用湿式收尘，所以得到的是含水量较大的OG泥。宝钢每年可产生OG泥近70万吨，全国每年产生的OG泥约1600万吨。它的主要成分是：Fe(56)，其次是CaO和Al2O3，其特点是粒度细，粘性大，水分高(30)。硫酸渣：硫酸渣又称黄铁矿烘渣或烧渣。化工废渣的一种，用黄铁矿制造硫酸或亚硫酸过程中排出的废渣，主要化学成分为Fe2O3：20-50%，SiO2：15-65%，Al2O3：10%，CaO：5%，MgO1000）,最终表现为固体碳作为还原剂的还原反应：FeO+COFe+CO2FeO+C Fe+CO2CO2+C2CO总反应：Fe2O3+COFe+CO2由于使用的燃料和还原剂中有氢的存在，因此在高温和低温还原反应中氢也参与了还原反应。3.4.2.2 锰的还原提取锰氧化物的还原也是从高价到低价逐级进行的：MnO2- Mn2O3- Mn3O4- MnO-Mn从MnO2MnO比较容易，用CO和H2间接还原即可；而从MnOMn则比FeOFe困难得多，需要在高温区域用C进行直接还原：MnO+CMn此反应一般在1400以上进行，需要消耗较大量的固体碳。还原后的锰将进入以铁元素为主题的金属熔体中。3.4.2.3 炉渣的改性处理 实现渣铁分离后的炉渣通过水淬处理，使其改性成高活性水渣。炉渣经快速水淬、烘干粉磨后可以形成水渣微粉，也可以生产成新型建材产品。3.4.3 新型熔分还原工艺应用实践本项目在江苏泰州振昌工业废渣综合利用有限责任公司建设了两座熔分还原改性炉及相应的公辅设施，年处理工业废渣能力约为160万吨。3.4.3.1 熔分还原工艺路线及系统组成由于需要采用高温竖炉还原工艺进行熔分处理，粉料不能直接入炉，因此需要对呈粉状的含铁废渣进行造块处理，造块原理及工艺过程见造块工艺介绍材料。采用的工艺路线为：原燃料及热风供应熔分炉还原冶炼渣铁分离及炉渣水淬处理工艺系统由以下几个部分组成：-熔分还原改性炉本体-矿槽系统-斜桥上料及布料系统-热风供应及余热回收系统-煤气处理系统-渣铁分离系统-炉渣处理-铸铁系统3.4.3.2 熔分还原改性车间各工艺系统概述熔分还原改性车间的每座炉子由熔分炉本体、炉顶和上料系统、矿焦槽系统、风口平台出铁场、水冲渣、热风炉、粗煤气除尘器等系统组成，配套设施由煤气干式布袋除尘、原燃料供应系统以及鼓风机房、熔分还原改性炉水循环系统等部分组成。两座炉子共用的设施有铸铁机和铁水罐修理库。考虑建设厂具体条件和本着 “优质、低耗、长寿、高产”的方针，在节省投资的前提下，多采用成熟、先进、实用的技术，使熔分炉在工艺技术和装备等方面达到先进水平，从而获得良好的经济效益，并有效提高企业的环保水平。3.4.3.2.1 熔分还原改性炉本体熔分还原改性炉本体是生产设施的重要组成部分，为了适应强化冶炼的要求，在炉体设计中采用成熟、先进、实用的技术是非常必要的。(1) 熔分还原改性炉内型在内型设计中，考虑到原燃料条件，适当缩小炉腹角，加深死铁层，采用适宜的Hu/D、Vu/A、D/d等参数，使设计炉型适应工业废渣熔分还原生产要求，保证在特定冶炼条件下的低燃料消耗，实现稳定高产。每座熔分还原改性炉设出铁口一个，渣口一个、进风口十二个。 (2) 内衬选择耐材既要考虑节约投资又要考虑保证长寿，因此根据熔分炉不同部位要求采用不同的耐火材料。炉底炉缸部位采用优质耐火材料- 在炉底采用高导热性、高强度的半石墨炭块，在炉缸区域采用高导热、高强度、抗铁水侵蚀、能消除不均匀热膨胀的模压炭砖，并在炉底炉缸的热面采用小块陶瓷杯技术。铁口区采用复合棕刚玉砖砌筑，结合加深死铁层高度，减少铁水环流，可有效地减少炉底炉缸侵蚀，从而延长炉底炉缸寿命。在风口区域采用复合棕刚玉材质的风口组合砖。炉腹至炉身中下部，根据板壁结合的炉体冷却结构，采用能满足生产要求却价格低廉的高铝砖，在炉身上部采用耐磨性好、价格低廉的致密性粘土砖 ，并在炉身上部的炉壳内喷涂一层不定性耐火材料。炉顶封盖内壁采用焊接锚固件和喷涂一层耐热耐磨的不定形耐火材料。(3) 炉体冷却设备在影响炉体寿命的关键部位- 炉腰至炉身下部，采用经实践证明能有效保证长寿的板壁结合炉体冷却结构，将冷却板的高冷却强度、对炉衬的有效支撑与冷却壁的良好的密封性能相结合，实现对炉衬耐材和炉壳的有效冷却，从而保证熔分还原改性炉的长寿。炉体冷却结构为：炉底、炉缸区域采用4段光面冷却壁，冷却壁材质为普通铸铁，内铸单进单出的蛇形无缝钢管。炉腹、炉腰为带肋镶嵌式冷却壁，内铸双层冷却水管，肋槽内捣打导热性良好的炭素材料。炉腰冷却壁上部满铺一层铸铁冷却板，以保证炉身下部砖衬的有效支撑。炉身中、下部采用板壁结合的冷却结构。冷却板的冷却强度大，能有效支撑炉衬，冷却壁安装时炉皮开孔少，能有效保护炉皮，增强熔分还原改性炉密封性。两者优势互补，保证炉体关键部位的安全、正常生产。熔分还原改性炉炉底采用水冷。（4）炉体冷却采用工业水开路循环冷却系统，设两个净循环水冷却系统。常压工业水冷却系统（包括热风炉设备冷却），循环水冷却水量为Q=2750t/h，其中炉体循环水冷却水量为1900t/h，热风炉设备循环水冷却水量为850t/h。炉前供水点压力0.5MPa。高压工业水冷却系统。主要用于风渣口小套的冷却，循环水量为400t/h。风口平台处的供水压力为1.0Mpa。上述两个系统的排水，由风口平台上的集水箱收集，通过回水管流回水池冷却，然后经熔分还原改性炉循环水泵房供给熔分还原改性炉使用。(5) 炉体检测与控制炉体检测包括炉衬温度、冷却壁温度、炉底温度、炉基温度的测量以及冷却水流量、压力、温度的测量、炉喉断面料面分布测量，依靠这些检测手段可以检测各部位的温度、热负荷及炉顶煤气分布，为布料、炉体维护及炉体设备保护提供信息。3.3.3.2.2 贮矿(焦)槽系统(1) 贮矿(焦)槽系统主要特征为： 设双排贮槽，分别贮存焦炭和成品型渣、钢渣、杂矿。 焦炭在料坑前经过筛分后直接装人焦炭称量漏斗，然后装料车入炉。矿石系统采用胶带运输方式将称量后的料经料坑内“料坑矿石漏斗”装料车入炉。矿石系统中成品型渣、钢渣经筛分后入炉，其余杂矿槽下不过筛，合格料装贮槽。 一座炉子设个焦炭贮槽、7个成品型渣矿槽、2个钢渣矿槽、4个杂矿槽。 所有成品型渣及钢渣贮槽下均设称量漏斗，杂矿装入对应的矿石称量漏斗内,由称量漏斗卸入矿石胶带运输机装入料坑矿石漏斗。 碎焦、碎渣采用胶带运输方式，易于除尘，效果好。碎焦、碎渣用汽车外运 ； 所有炉料均设称量误差自动补偿； 除了装料车和外运碎焦、碎型渣外，所有扬尘点均设罩封闭后抽风除尘；3.4.3.2.3 上料和炉顶布料系统炉顶上料系统采用斜桥式双料车上料和串罐无料钟炉顶装料设备。料车有效容积为3.8m3。(1) 炉顶装料设备的优点：无料钟炉顶装料设备与传统的双钟式炉顶装料设备相比具有如下的优点： 炉顶压力高：能使熔分还原改性炉炉顶操作压力长期维持在较高的压力水平，有利于熔分还原改性炉操作指标的改善。 布料灵活：除了可以进行环型布料外，还可以进行定点布料、扇型布料和单环布料和多环布料。 检修维护方便：在无料钟装料设备中，需要经常更换的主要部件是溜槽和密封阀，但他们比更换大小钟用的时间更短、费用更低、操作更方