钢渣处理与余热回收技术的分析.docx

第 卷 第 期年 月中国冶金 ，：钢渣处理与余热回收技术的分析张宇， 张健， 张天有， 刘银梅， 韩自博（中冶建筑研究总院有限公司 ，北京 ）摘 要：对国外和中国钢渣处理的余热回收技术和余热回收装置应用案例进行了大量列举 、系统比较和分析 。 通 过比较和分析表明 ：熔融钢渣中的余热可以通过 各种不同的钢渣处理工艺 ，结 合 科 学 、经 济 、合理的热能回收技术 将余热加以回收和利用 ，成 果十分显著。同时 ，指出了由于受钢渣固有特性和 物化条件的制约 ，目前钢渣余热资源 的回收存在着许多问题 ，有待于钢铁行业和热能 开发领域的研究者继续探讨和解决。 最 后 ，对钢渣余热回收的前 景进行了展望 ，建议政府和相关领域予以足够的重视和支持 。关键词：钢渣处理；余热回收技术；比较分析文献标志码 ： 文章编号 ：（） ， ， ， ， （，）：， ， ， ， ， ， ：；中国是世界钢铁生产大户， 余年来一直稳居 世界第一，并 且产量逐年呈上升趋势。 年钢产 量已突破亿，年预计中国粗钢产量将达到 亿左 右。 在 炼 钢 工 艺 中，钢 渣 是 炼 钢 生 产 的 副 产 品，每吨钢产生钢渣；如果每吨钢产渣量按 计，中国年总产钢渣量可达万以上。钢渣是由 、 等各种矿 物 组 分 组 成，在 炼 钢 高 温 溶 解 和 化 学反应过程中形成的复合氧化物 ，主 要以 （硅 酸 三钙）、（硅酸二钙）、（游离氧化钙）、（游离氧化镁）等组成，并以温 度 为 的 液体形态被排放炉外。钢渣中不仅含有多种有益的矿物组分 ，而 且含 有大量 热 资 源。 熔 融 钢 渣 的 比 热 容 约 为 （），如 果 回 收 热量前后熔渣的 温度分别 以和 计，则 每 吨 钢 渣 可 回 收 的 显热，大约相当 于 标准煤完全 燃烧后所产生的 热量。假如全国钢厂产生的钢渣的显热都加以回收 利用的话，中国每年至少可节省 万 标 准 煤。即使按的余热回收率 考虑，全 国范围内回收钢 渣显热的节能量将达到近 万标准煤。钢铁企业余热资源的高效回收和利用多年来一 直是世界各国冶金行业关注的焦点。随着能源瓶颈 问题的日益加剧，开发利用和高效回收高温熔渣的 显热资源，将会成 为中国钢铁行业未来重要的节能 任务之一。 根 据 中 国 节 能 技 术 政 策 大 纲 和 国 家 “十一五”规划纲 要明确提出 ：开发高温渣显热回收 发电技 术，要 实 现 “中 国 单 位 生 产 总 值 能 耗 降 低，主要污 染物排放总量减少 ”的 约 束 性 指 标，并提出“在钢铁等行业开展余热余压利用和能量 系统优化，使企业 综合能耗达到或接近世界先进水 平”的具体指标。显然，钢渣的资源化利用和熔融渣作者简介：张 宇（），男 ，硕士，高级工程师；：；收稿日期 ：中国冶金第 卷显热的回收利用是钢铁企业实施能源回收利用和节 能减排措施的最好途径 ，也是钢铁企业节能技术研 发的重要方向，前景十分广阔。 国外钢渣处理余热回收现状以欧美、俄 罗 斯、日 本 等 为 代 表的钢铁生产大 国，不仅钢铁产品品质优良 ，而且在节能、减排、环保 等方面都非常重视。 据有关资料介绍，相 关国家的 钢铁企业和能源研究机构早已率先从事熔渣显热回 收技术的研发和试验工作 ，并且取得了显著成效 ，下 文分别予以列举。 转炉钢渣风淬法余热回收装置日本 和 公 司 于 年 联 合 研制了转炉钢渣风淬法显热回收工艺装备，并 于 年月在福山制铁所 建成世界上第 套转炉 钢渣风淬法余热回收装置。 其工作原理是：熔 融钢 渣由渣罐倒入溜渣槽，然后由溜渣槽下落至锅炉 ；在 下落的过程中经高压风将流渣吹成小颗粒状 ，渣 粒 在气流中被冷 淬 固 化，渣 温 由 降 到， 落入锅炉后渣 温 经 热 交 换 后 降 到 左 右，由 输 送机运经冷渣 机 继 续 冷 却 至 左 右，最 后 送 至 储渣场。其工艺流程见图。图 日本风淬粒化熔融钢渣 显 热回收装置 通过辐射和对流与锅炉水管进行换热 ，获 取热 水用于供热等用途。 同时，热 空气 （）输 送用于干燥物料，总 热回收率为 。 该热 能回收技术成果已处于工业化应用阶段。 双内冷转筒粒化热能回收装置该技术由 日 本 钢 管 公 司 开 发，其 基 本 原理是：将熔渣通过 溜槽注入 个反向转鼓之间挤 压成渣饼，转鼓中通入空气，渣饼在圆筒表面被转筒 内部循环的热媒介质迅速冷却 ，介 质从熔渣中置换 出热量，然后通过热交换从热媒介质中回收其显热 ， 生产蒸汽进行发电。其工艺流程见图。滚筒内的热媒介质是以二苯醚为主的高沸点冷图 日本 双内冷滚筒粒化熔渣热能回收装置 却液，沸点为。该法的热效 率较高，热 回收率 达。该热 能 回 收 技 术 成果已处于工业化 应 用 阶段。 “连铸连轧”干式粒化和 余热锅炉熔渣热能回 收装置年乌克 兰德聂伯彼得罗 夫斯克冶金学院 基于连铸连轧的原理，开发研 制了熔渣连铸后再进 行碎渣，并利用余 热锅炉回收熔渣热能的熔渣粒化 显热回收技术。该技术通过试验装置得 到应用， 其工作原理是：在处理工艺中，钢渣由渣槽经供渣嘴 被连续流到水冷网辊之间 ，再进入链式输送机，输送 机下部通入冷空气，将渣的热量传递给冷空气和膜 式水冷壁，冷却后的渣在碎渣机中破碎 。 软水经轧 辊吸热后，由水泵压到省煤器再进入汽包 ，然后饱和 水经循环泵压入模式水冷壁 ，加热汽化后回到汽包， 从汽包出来的蒸汽进入过热器 ，成 为过热蒸汽。 其 工艺流程见图。图 连铸式余热锅炉熔渣热能回收装置 经热平衡计算表明 ，该法热回收率可达。 该热能回收技术成果已处于工业化应用阶段。 风淬粒化流化床式熔融钢渣热能回收装置俄罗斯乌拉尔钢铁研究院曾为查布洛什钢铁厂第 期张 宇等 ：钢渣处理与余热回收技术的分析开发了套附有热能回收装置的风淬熔融钢渣工艺 技术。其基本原理是：液态钢渣被高压风冷 淬后， 进入第余热回收室收集辐射热 ，在熔渣冷却成晶 体小颗粒 后，进 入 第 余 热 回 收 室 进 一 步 冷 却 至 ，钢渣粒放 热后经链板输送机输送至储渣槽。其工艺流程见图。图 俄罗斯乌拉尔风淬粒化流化床熔融钢渣热能回收装置 经回收的余热用于生产热水和蒸汽等 ，同 时还 回收部分热空气，其热 回收率达可达 以上。 该 热能回收技术成果已处于工业化应用阶段。除此 之 外，英 国 钢 铁 公 司 实 验 室 与 大学联合研制的转杯 连 铸式流化床 熔 渣显热回收装置，钢 渣在粒化过程中将热传递给空气和床内水管，热回 收率为 。 该热能回收技 术成果已处于工业化应用阶段。中国钢渣处理余热回收现状随着能源瓶颈问题的加剧 ，中 国许多钢铁企业 和能源开发研究机构也都在从事钢渣余热回收技术 的研究，经多年的努力，已经研发出了多种钢渣显热 回收工艺技术，并且得到了工业验证和应用 。例如： 熔融钢渣粒化轮法和显热回收工艺技术 ，液 态钢渣 滚筒法和热能回收工艺技术 ，钢渣 热闷法和余热回 收工艺技术，液态钢渣“高压 风导 热油”热 能回收技 术等，下文分别予以介绍 。 熔融钢渣粒化轮法和显热回收工艺装置粒化轮法工 艺 技 术由俄 罗 斯国立冶金工厂 设计院设计，又 名 图 拉 法。 世 纪 年 代 宝 山 钢 铁公司从俄罗斯引进后 ，在中国扩展应用到钢渣处 理领域中。有关公司在用该技术处理熔融钢渣过程 中，对钢渣的显热加以回收利用 。其工作原理是：液 态钢渣均匀流经粒化轮上 ，被高速 旋转的粒化轮强 制切削成小颗粒，飞溅落入转鼓脱水器里 ，液态渣粒与水冷却固化，转 鼓在不断旋转过程中使渣粒提升 脱水后翻落到出料溜槽 ，冷渣再进入磁选机实施渣 铁分离。其工艺流程见图 。图 熔融钢渣粒化轮法和显热回收装置 熔渣在与水混合后将热量直接传递给冷却水， 热回收率为 左 右。 该 热能回收技术正处 于 设 计研发阶段。 液态钢渣滚筒法和热能回收装置钢渣滚筒法是上海宝山钢铁公司从俄罗斯引进 的技术，经消化、吸收和技术改进后成功研制 。其工 作原理是：将流动 性的高温熔渣连续倒入旋转滚筒 内，并向连续回转的筒体内连续喷水冷却 ，钢渣落下 时被滚筒内钢球挤压破碎成粒 ，被急速冷却、破碎的 渣粒和冷却水连续由滚筒下端排出。以冷却水为传 热介质，经沉淀和处理并经换热后循环使用 ，蒸汽也 可加以回收，钢渣余热 回水率在 以上。 其工艺流程见图。该热能回收技 术已处于工业化应用阶段，但由于滚筒法工艺在国内未能推广 ，故该热能回 收技术也没有得到广泛应用。图 熔融钢渣滚筒法和余热回收工艺装置 液态钢渣“高压风导热油”热能回收装置某公司研究的该技术是以高压风和导热油为传 热介质，对钢渣的显热 进行综合回收利用。 其基 本原理是：液态钢渣经过高压风离心粒化 ，粒化过程 中产生热空气，经过净化换热回收的热能可再利用 ； 冷却的空气由高压离心风机加压循环用于钢渣粒化 作业。在离心力的作用下 ，渣粒被抛落到流化床上， 通过黑体导热油换热将钢渣冷却至较低的温度 ，导中国冶金第 卷热油将携带的热能通过用来加热水和产生蒸汽后， 用于发电或取暖。 还可根据生物热解原理 ，通 过热 解技术制取生物热解燃料。 利用该技术，热 回收率高达。据悉，该热能回收 技术成果已被工业化 广泛推广应用。其工艺流程见图。图 液态钢渣“高 压风 导 热油”热 能回收装置 “ ” 钢渣热闷法和余热回收工艺装置钢渣热闷法 是 中国中冶建筑研究总院 研 究 开 发的液态钢渣处理技术，该技术适用于各种温度的钢 渣处理，被 广泛应用于全国 有 关 大、中 型 钢 铁 企 业， 如：首都钢铁公司、本溪钢铁公司、鞍山钢铁公司等。在热闷工艺线的热闷回水环节中 ，采 用“水水” 热交换装置进行换热。 此外，钢渣 在热闷打水过程 中会 产生大量的水蒸气 ，中 冶建筑研究总院拟在排气总管的中部设置扩容室 ，通过 “汽水”交 换换取大 量热水。其工艺流程见图 。图 液态钢渣热闷处理及热能回收装置 经种方式换取的热水可用于加工生产线和办 公室等冬季采暖，以及用于职工洗澡等，综合热回水 率为以 上。 该 热 能 回 收技术成果已处于 工 业 化示范阶段，有待于推广应用。技术比较与分析钢渣处理技术是多种多样的，当采用不同的钢 渣处理方法处理钢渣时 ，钢渣的冷却方式和余热的 传媒介质不尽相同，所采用的余热回收技术也不尽 相同。通过列表予以对照和分析 ，详见表。表 钢渣处理及余热回收技术比较 机构名称处理粒化方法方式工艺特点优点缺点换热介质热回收率日本 和风淬法高压液态渣受高压风强吹被粒化 ，热 渣 工艺流程简单 ，占 对渣流动性好要 空气 、冷 却 鼓风和热空气 通过余热锅炉进 行 热 交 地少 ，热 回收率较 求高 ，处 理率低水换 ，回 收钢渣余热高日本内冷滚筒法固化液态渣经两反向滚筒挤压粉碎，并被 热回收率高设备寿命低 ，处 理 有 机 液 体机械破碎转筒内部循环的热媒介质冷却，然后从热媒介质中换热产生蒸汽发电量小 ，渣 片不宜利 烷基联苯用乌克兰德聂连铸连轧法固化液态渣被连续压轧粉碎 ，热 由冷 却 热回收率高工艺流程较复杂，空气 、冷 却伯披得罗夫斯克冶金学院机械破碎系统和余热锅炉冷水壁吸收 ，产 生过热蒸汽回收热能 投资高水俄罗斯 乌拉尔风淬法高压 鼓风液态钢渣被高压风击淬 ，进 入两 级 渣粒稳定无污染，对渣流动性要求 空气余热回收室逐步放热 ，热 能以空 气 热回收率高 ，渣 粒 高 ，处 理率低为媒介传导 ，经交换加以回收 度小且均匀英国转杯固化液态渣被机械粉碎固化后 ，在 空 气 热回收率高对渣流动性要求 空气（流 化 连铸法机械破碎流化床和冷却水系中冷却 ，热 能 经交换回收利用高 ，处 理率低床 ）、冷 却水中国宝山钢铁公司粒化轮法机械冲击液态钢渣 由高速旋转的粒 化 轮 切 流 程 简 单 ，占 地 处理率低 ，故 障率 冷却水削成渣粒 ，并 落池水淬 、固 化 ，热 能 少 ，排 渣 快 ，污 染 和维修费用高 ，金通过水水交换回收小属回收率低中国宝山钢铁公司滚筒法机械力液态钢渣在高速旋转的滚筒内 ，在 流 程 简 单 ，占 地 处理率低 ，渣 粒不 冷却水水的作用下 急 冷 水 淬 、固 化 ，热 能 少 ，排 渣 快 ，渣 粒 均匀 ，设 备复杂通过水水交换回收 性能稳定 ，污 染小中国某公司高压风高压鼓风液态渣在 离心力和高压风 冲 击 下 设 备 简 单 ，能 耗 导热油泄露易爆 黑 体 导 热导热油及离心力被破碎 ，通 过 导 热油进行热交换，小 ，粒 度 小 且 均 炸油 （流 化回收余热匀 ，热 回收率高床）、空 气中国本溪钢厂热闷法热闷高温渣利用余热与水反应 ，产 生 热 粉化率高 ，渣 钢分 占地面积大 ，投 资 冷却水首都钢厂鞍山钢厂粉化水和蒸汽 ，通过换热器回收余热 离效果好 ，渣 稳定 高 ，热 利用率低性好 ，污 染小第 期张 宇等 ：钢渣处理与余热回收技术的分析 目前存在的主要问题钢渣的处理方法直接影响着钢渣的处理率 、钢 渣的产品质量、热 能回收技术的应用和热能回收率 等。由于钢渣的特性极其复杂和特殊 ，尽 管研究者 们多年来想尽千方百计 ，竞相研究出各种技术对钢 渣的热能进行回收，但仍然存在着各种问题 ，目前还 没有可靠、成熟、经 济、高效的方法和技术被市场大 力推广应用。主要存在下列几方面的问题制约钢渣 显热回收技术的发展。 钢渣处理方法对处理率的影响根据上述介绍，钢渣处理方法主要分风淬法 、连 铸连轧法、滚 筒挤压法、水 淬法、滚 筒法、粒 化轮法、 热闷法等。除热闷法以外，其余所 有的钢渣处理方 法均存在个共同的问题：即对钢 渣的流动性要求 高，会严重影响到钢渣的处理率 。对于流动差、半液态和固态高温渣，只能采用热泼或热闷法来解决 ，不 仅大量的热能得不到回收利用 ，而 且还会造成二次 污染，增加渣处理的投资费用和运营成本 。 钢渣处理方法对热回收率的影响无论是水淬法，还 是滚筒法、粒 化轮法、热 闷 法 等，钢渣在处理过 程中直接通过大量的水介质加以 冷却，钢渣与水结合后其热能大部分由冷却水吸收 ， 成为热水或产生蒸汽。 热介质不仅热量较低 （一 般不大于 ），而且含 有大量颗粒杂质和悬浮物， 使其品质很低而不能直接被应用。热介质只能通过 清洁介质为热载体进行间接二次热交换 ，才 能将热 能加以回收利用。 显然，经过二次热交换后的热能 利用率会大打折扣。 换热器的选择问题钢渣中主要成分是 （氧 化钙 ），处 理后的冷 却回 水 碱 度 很 高 （），而 且有很多的悬浮物 （），换热器和 输送管道内表面结垢现象 十分严重，直接影响换热器的使用性能 ，给换热器和 管网的设计和选择带来很大的困难。 建议和展望由于钢渣中含有丰富的矿产资源和显热资源， 同时钢渣具有复杂的特性 ，如何合理、有效地对钢渣 的热能进行开发和利用 ，是钢铁企业长期而又艰巨 的任务。建议有关企业和领域加大研发力度 ，成 立 专项研究机构，投入专项研究资金，为钢渣的显热资 源开发和回收利用 ，提供强劲动力和创造有利条件 。鉴于资源的匮乏和能源的短缺是世界各国都面 临的同样问题，中国政府已予以