凌友鋒¹，霍朋亮¹，王新鳳²

1.中鋼（石家莊）工程技術(shù)有限公司，河北  石家莊

2.中鋼石家莊工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北  石家莊

摘要：對(duì)現(xiàn)有鋼渣熱悶工藝進(jìn)行研究對(duì)比，提出反向浸水鋼渣熱悶工藝的應(yīng)用方案，通過給排水方式以及熱悶坑的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在不使用壓力容器的前提下提高鋼渣熱悶效率，改善熱悶后鋼渣性能指標(biāo)，保證鋼渣熱悶生產(chǎn)過程顆粒物排放指標(biāo)達(dá)到超低排放要求。

關(guān)鍵詞：鋼渣熱悶；反向浸水；常壓熱悶

1  前言

鋼渣是煉鋼生產(chǎn)過程產(chǎn)生的固體廢料，排出量為煉鋼產(chǎn)量的10-15%。隨著國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)迅猛發(fā)展，鋼渣排出量逐年增加。在大力提倡綠色發(fā)展，雙碳雙控政策大背景下，如何無害化處理鋼渣，實(shí)現(xiàn)綠色循環(huán)，變廢為寶，日益得到鋼鐵企業(yè)及環(huán)保部門的關(guān)注。中鋼（石家莊）工程技術(shù)有限公司對(duì)鋼渣熱悶工藝進(jìn)行了深入研究開發(fā)，利用反向浸水技術(shù)對(duì)鋼渣熱悶生產(chǎn)線的建設(shè)及改造提出了新的工藝方案。

2  鋼渣熱悶機(jī)理

鋼渣熱悶處理是在容器內(nèi)利用鋼渣余熱，通過對(duì)熱態(tài)鋼渣打水，使鋼渣中游離態(tài)f-CaO、f-MgO與水或水蒸氣快速反應(yīng)消解，從而達(dá)到渣-鐵分離，游離態(tài)f-CaO、f-MgO穩(wěn)定化處理的目的。熱悶過程中發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)作用，具體特點(diǎn)如下。

1.鋼渣急冷破裂。高溫鋼渣遇到大量水急劇溫降，在快速冷卻過程中，熔渣中各礦物發(fā)生劇烈相變，產(chǎn)生應(yīng)力，使鋼渣破裂。

2. 鋼渣熱悶過程發(fā)生的主要反應(yīng)為游離氧化鈣和游離氧化鎂的反應(yīng)：

f-CaO + H2O → Ca(OH)₂ 體積膨脹97.8%

f-MgO + H2O → Mg(OH)₂ 體積膨脹148%

鋼渣中f-CaO及f-MgO因過燒而結(jié)晶致密，活性差，常溫下消解反應(yīng)慢，自然條件下往往需要數(shù)年的時(shí)間才能全部消解。熱悶過程產(chǎn)生的水蒸氣壓力越高，越有利于其消解反應(yīng)，且溫度越高反應(yīng)速率也較快。

3.可燃?xì)怏w產(chǎn)生。高溫鋼渣在熱悶打水過程中，H₂O與鋼渣中殘余的C產(chǎn)生大量CO及H₂，即水煤氣：

C+H₂O高溫→CO+H₂

C+2H₂O高溫→CO₂+2H₂

可燃?xì)怏w的產(chǎn)生，使鋼渣熱悶過程有爆炸隱患。

4.鋼渣中的金屬鐵暴露在空氣中，進(jìn)一步氧化生成Fe₂O₃，不能通過磁選工藝選出。

3  給排水方式對(duì)鋼渣熱悶的影響

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較多的鋼渣熱悶工藝主要有坑式熱悶和有壓罐式熱悶。其中有壓罐式熱悶，熱悶過程在壓力容器內(nèi)進(jìn)行，利用熱悶過程產(chǎn)生大量過飽和水蒸氣并通過壓力容器保持一定壓力，促進(jìn)了水蒸氣向破裂的鋼渣縫隙內(nèi)擴(kuò)散、滲透，使熱悶效率大幅提高。但兩種工藝均采用的上部噴淋注水，容器底部自流排水給排水的方式，存在如下局限性：

1.不能保證鋼渣與水充分接觸。在給排水過程中，水處于無序自流狀態(tài)，尤其是在上部存在大塊鋼渣的情況下，容易形成“傘蓋效應(yīng)”，下部的鋼渣很難接觸到水。這種現(xiàn)象在坑式熱悶中尤其嚴(yán)重，即便通過12-14小時(shí)熱悶，仍然不能完全避免有紅渣存在。有壓罐式熱悶工藝雖然在前道工序?qū)︿撛M(jìn)行碾壓破碎，但并不能完全消除大塊鋼渣，“傘蓋效應(yīng)”仍然存在；

2.有壓罐式熱悶壓力容器的作用并不能完全發(fā)揮。有壓熱悶一般設(shè)定的工作壓力為0.3MPa，實(shí)際生產(chǎn)中給水初期水蒸汽迅速達(dá)到工作壓力并開始快排，同時(shí)不斷注入冷水，使鋼渣溫度迅速降低，后期沒有足夠的熱量保持容器內(nèi)的工作壓力。據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，0.3MPa的工作壓力只能保持60分鐘左右，然后水溫及蒸汽溫度開始下降，至90分鐘左右，已經(jīng)基本是常壓狀態(tài)。同時(shí)，由于設(shè)備維護(hù)、操作等方面原因（比如固態(tài)罐排水孔堵塞），壓力容器內(nèi)蒸汽壓力與鋼渣容器內(nèi)部壓力不一致，從而造成鋼渣消解反應(yīng)的程度并不均勻，尾渣指標(biāo)不穩(wěn)定；

3.以上兩種工藝都存在可燃?xì)怏w富集的傾向，有爆炸隱患；

4.有壓罐式熱悶首先需要對(duì)熱態(tài)鋼渣攤平進(jìn)行碾壓破碎及冷卻，鋼渣中的金屬鐵較長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，一部分形成Fe₂O₃，降低了磁選工序金屬鐵的收得率；

5.以上兩種工藝，對(duì)蒸汽的回收利用都沒有很好的解決方式。

4  反向浸水工藝的優(yōu)勢(shì)

 反向浸水工藝的主要特點(diǎn)是，區(qū)別于傳統(tǒng)頂部噴淋底部排水的給排水方式，通過特制的給排水裝置，實(shí)現(xiàn)在容器底部給水并排水，熱悶過程不排水并保持水位浸泡鋼渣，充分利用鋼渣余熱產(chǎn)生的高溫水對(duì)鋼渣進(jìn)行“水煮”，從而達(dá)到促進(jìn)鋼渣消解反應(yīng)，縮短鋼渣熱悶時(shí)間。該工藝具有如下優(yōu)勢(shì)：

1.熱悶效率高。采用反向浸水工藝，容器內(nèi)水溫始終保持在100℃ 以上，鋼渣完全浸泡在熱水中。而且，注水初期產(chǎn)生的蒸汽上浮對(duì)上部鋼渣有“汽蒸”作用，較高的水溫和“汽蒸”均有利于消解反應(yīng)?？邮綗釔?-6小時(shí)，罐式熱悶3-3.5小時(shí)左右，就可以獲得更好的熱悶效果；

2.粉化效果好。反向浸水避免了大塊鋼渣對(duì)下部鋼渣形成的“傘蓋效應(yīng)”以及冷卻水無序流動(dòng)，鋼渣與水無死角完全接觸，消解反應(yīng)更充分而且均勻。熱悶后的鋼渣中粒徑~25mm以下的鋼渣占比達(dá)到80％以上，同時(shí)確保出渣時(shí)不會(huì)有紅渣存在，可以不經(jīng)過堆存冷卻，直接使用皮帶運(yùn)輸。較好的粉化效果，有利于金屬鐵的回收，采用該工藝熱悶的鋼渣，經(jīng)磁選后尾渣的金屬鐵含量可以達(dá)到1%以下；

3.消解反應(yīng)均勻徹底，熱悶后鋼渣指標(biāo)穩(wěn)定，為尾渣進(jìn)一步深加工創(chuàng)造了有利條件。采用反向浸水工藝后，尾渣的浸水膨脹率可以穩(wěn)定在2%以下，深加工后作為建筑材料原料或筑路材料，已經(jīng)有比較多的應(yīng)用案例；

4.水耗低。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，坑式熱悶采用上部噴淋工藝，供水方式為連續(xù)供水，循環(huán)水量約2.3t/h.t渣，如果采用反向浸水工藝，則供水方式為間斷供水，循環(huán)水量?jī)H為0.5t/h.t渣，可以有效降低熱悶濁環(huán)水設(shè)施的投資及能耗；

5.避免可燃?xì)怏w聚集，消除爆炸隱患。由于反向浸水過程中產(chǎn)生的可燃?xì)怏w自然上浮，此時(shí)鋼渣表面仍是紅熱狀態(tài)，可燃?xì)怏w充分燃燒，不存在聚集爆炸的隱患；

6.余熱回收更容易實(shí)現(xiàn)。首先，工藝本身更充分利用了鋼渣余熱。同時(shí)，可燃?xì)怏w燃燒后產(chǎn)生大量顯熱，通過對(duì)高溫?zé)煔饣厥論Q熱可制造潔凈的飽和蒸汽，用于發(fā)電或直接拖動(dòng)除塵主電機(jī)，甚至通過SHRT技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)其他用電設(shè)備反向送電。

5  反向浸水工藝的應(yīng)用

1.熱悶坑改造

目前國(guó)內(nèi)采用坑式熱悶的企業(yè)，因煉鋼產(chǎn)能提高，普遍存在現(xiàn)有鋼渣處理設(shè)施能力不足的問題，從而被迫壓縮熱悶時(shí)間，造成鋼渣二次處理破碎困難，金屬鐵回收率低。通過反向浸水工藝改造，熱悶時(shí)間5-6小時(shí)就可以達(dá)到理想的熱悶效果，把原有熱悶坑的處理能力提高30%以上。由于鋼渣熱悶后粉化效果提升，可以簡(jiǎn)化二次處理工藝設(shè)備，并使金屬鐵回收率大幅提高。目前已有多家鋼鐵企業(yè)實(shí)施了改造，并成功取得顯著效果。

某廠改造前后鋼渣粒徑對(duì)比：

2.反向浸水一體化熱悶坑

在對(duì)原有熱悶坑反向浸水改造成功的基礎(chǔ)上，中鋼（石家莊）工程技術(shù)有限公司針對(duì)坑式熱悶工藝裝渣過程煙氣難收集的問題，對(duì)熱悶坑進(jìn)行熱悶坑-受料槽-集塵罩一體化設(shè)計(jì)，通過控制集塵罩蓋板的開閉，實(shí)現(xiàn)裝渣、出渣過程在半封閉空間操作，熱悶過程在全封閉空間操作，從而保證了煙氣有效捕集。同時(shí)，鋼渣出渣采用皮帶運(yùn)輸，鋼渣處理全過程“渣不落地”，保持車間地面整潔。

以鋼渣處理能力80萬噸/年生產(chǎn)線為例，主要工廠設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

由上表對(duì)比可見，經(jīng)過一體化設(shè)計(jì)的反向浸水熱悶坑，所需的除塵器總風(fēng)量相同，排放指標(biāo)達(dá)到同樣標(biāo)準(zhǔn)。在解決煙氣捕集前提下，反向浸水熱悶坑的方案具有以下優(yōu)勢(shì)：

1) 占地面積小，建設(shè)成本低。首先，反向浸水熱悶坑的主要工藝設(shè)備以混凝土及鋼坯為主，考慮主廠房面積、起重設(shè)備、設(shè)備基礎(chǔ)、裝機(jī)容量、電氣儀表等因素，建設(shè)成本具有明顯的優(yōu)勢(shì)。其次，有壓罐式熱悶對(duì)于鑄余渣等不易破碎的鋼渣、脫硫渣，需配套熱潑工藝及其他設(shè)備處理，不但存在環(huán)保死角，進(jìn)一步推高了建設(shè)成本。以鋼渣處理能力80萬噸/年生產(chǎn)線建設(shè)為例，綜合投資低30-40%；

2) 反向浸水熱悶坑沒有大型機(jī)械設(shè)備，制造工藝簡(jiǎn)單，總裝機(jī)容量小，尤其是沒有壓力容器，所以維護(hù)及運(yùn)行成本要低得多；

3) 經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，反向浸水熱悶坑漏風(fēng)面積小于有壓罐式熱悶；

4) 采用一體化熱悶坑熱悶鋼渣，裝渣、出渣、熱悶各工序所需除塵風(fēng)量存在較大差異。通過共用除塵器，各支管煙氣流量控制與工藝設(shè)備連鎖，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)除塵系統(tǒng)各支管風(fēng)量?jī)?yōu)化配置，節(jié)能效果明顯；

5) 有壓罐式熱悶產(chǎn)生的蒸汽顆粒物含量高，且有腐蝕性，直接發(fā)電效率低。采用反向浸水工藝，可燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生大量顯熱，通過換熱制造純凈蒸汽效率高，用途更廣泛。

3.反向浸水常壓罐式熱悶

首先將液態(tài)或半液態(tài)鋼渣在相對(duì)封閉空間內(nèi)進(jìn)行初步冷卻及碾壓破碎，然后將破碎后的固態(tài)鋼渣接入固態(tài)罐，再進(jìn)行熱悶處理。這種方式很好解決了煙氣的有效捕集，顆粒物排放容易達(dá)標(biāo)。如果后續(xù)的熱悶處理不使用壓力容器，仍采用上部噴淋注水的方式，則熱悶后鋼渣各項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)達(dá)不到有壓熱悶的水平，不利于金屬鐵回收及鋼渣深加工。中鋼（石家莊）工程技術(shù)有限公司利用反向浸水技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了鋼渣反向浸水常壓罐式熱悶工藝以及相關(guān)工藝設(shè)備，即使不使用壓力容器，熱悶后鋼渣各項(xiàng)指標(biāo)不低于有壓罐式熱悶。

工藝流程：鋼渣經(jīng)過碾壓破碎收集在固態(tài)罐中，固態(tài)罐內(nèi)裝配有給排水裝置及快速連接裝置；將固態(tài)罐吊運(yùn)至集成了反向浸水裝置及集塵罩的熱悶工位，與反向浸水裝置自動(dòng)連接，實(shí)現(xiàn)鋼渣反向浸水熱悶。該工藝具有以下特點(diǎn)：

1) 實(shí)際是使用可以吊裝的固態(tài)渣罐代替熱悶坑作為熱悶容器，熱悶效果、可燃?xì)怏w控制、余熱利用等方面與采用反向浸水技術(shù)的坑式熱悶具有同樣的優(yōu)勢(shì)；

2) 保留了碾壓破碎系統(tǒng)處理液態(tài)鋼渣的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，前期的冷卻及碾壓破碎工序只需要使液態(tài)鋼渣固化即可，相對(duì)有壓熱悶工藝，破碎工序的工作效率更高；

3) 鋼渣在碾壓床停留時(shí)間短，減少了鋼渣中金屬鐵的氧化程度，有利于金屬鐵回收；

4) 對(duì)固態(tài)罐的形狀大小沒有特殊要求，使用原有渣罐或渣盤進(jìn)行簡(jiǎn)單改造，安裝相應(yīng)的反向浸水裝置即可滿足需要；

5) 由于前道工序經(jīng)過碾壓破碎，熱悶時(shí)間比使用熱悶坑更短，為3-3.5h左右。

該工藝已經(jīng)過工廠實(shí)驗(yàn)證實(shí)安全可靠，熱悶時(shí)間、熱悶后鋼渣指標(biāo)不低于有壓罐式熱悶。

6  結(jié)語(yǔ)

綜上所述，反向浸水技術(shù)通過給排水方式的改變，大幅提升了坑式熱悶工藝的生產(chǎn)效率，并改善了熱悶后鋼渣的性能指標(biāo)，為鋼渣深加工提供了原料保障。經(jīng)一體化設(shè)計(jì)的反向浸水熱悶坑，保證了鋼渣處理過程顆粒物排放達(dá)標(biāo)。坑式熱悶對(duì)各類鋼渣的適應(yīng)性強(qiáng)，能處理包括鑄余渣在內(nèi)的所有鋼渣，罐式熱悶配套碾壓破碎設(shè)備，更適合處理液態(tài)鋼渣。考慮鋼鐵企業(yè)除10-15%轉(zhuǎn)爐渣需要處理外，還有2-5%鑄余渣需要處理，因此對(duì)于鋼渣年處理量60萬噸以下的企業(yè)，推薦采用反向浸水一體化熱悶坑方案。鋼渣年處理量60萬噸以上，或液態(tài)鋼渣占比高的企業(yè)，推薦采用反向浸水一體化熱悶坑及反向浸水常壓熱悶結(jié)合的方案，保留碾壓破碎設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，既保證以最環(huán)保的方式處理所有鋼渣，又可以降低建設(shè)成本。