钢铁熔融渣余热利用技术发展现状与展望

吴文斌

【摘 要】文章分析了国内外在钢铁熔融渣余热回收方面的技术现状，并分析了在钢渣熔融渣余热回收技术方面的难点，展示了熔融渣余热回收技术较好的发展前景。

【关键词】钢渣;高炉渣;热回收

【中图分类号】X757 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）04-0066-02

钢铁冶金工业产生了大量的钢铁渣（高炉渣和钢渣），平均温度为1 500 ℃左右，每吨钢铁渣所含的热量按标准煤计算，约60 kg。2018年我国的粗钢产量达9亿多t，简单估算钢铁渣的总量有4亿t，这些钢铁渣中所含的热量相当于2 400万t标准煤。目前，由于缺乏可靠的技术，处理这些钢铁渣的方式基本就是冷却，也就是说，不仅每年浪费了2 200万t标准煤，还产生了大量的污染：如粉尘、热污染。所以，研究和开展钢铁熔融渣的余热回收利用具有非常重大的意义。

1 概述

从钢铁行业看，目前全世界钢企都比较关注钢铁渣的后期应用，而非冷却过程中余热的回收。而且，由于处理方式不同，所以钢铁渣的物理和化学性质也有所不同。众所周知，急冷的渣活性较好，尤其是高炉渣，急冷时玻璃体含量比较高，活性较好，可以在建材行业得到很好的应用;而钢渣受到成分和处理方式的影响，活性相对较差，同时形成的铁橄榄石等矿物耐磨，在建材行业的应用受到了一定的限制。

相对而言，我国对钢铁渣的处理（破碎、冷却）方式在全世界范围内，是比较先进的。中冶建筑总院研究开发了钢渣有压热焖技术，属于比较先进的第四代钢渣处理技术，具有出渣粒度小（小于20 mm）、安全性好、钢渣活性好等特点，但是也没能很好地实现热焖过程中的余热回收。

从全球范围来看，钢铁渣处理过程中的余热回收利用问题，大多数还处于研究和试验阶段。随着人们对环保的日益重视及企业自身降低成本的需求，钢铁渣的余热利用也被日益重视。

2 余热利用现状

2.1 国外利用情况

俄罗斯采用滚筒法进行钢渣的余热回收开发。钢渣通过渣罐进入滚筒内，生成的蒸汽混合气体温度为90～170 ℃，可直接用于生活设施或将其加热至600 ℃用于发电，热利用系数可达到50%。

俄罗斯乌拉尔钢铁研究院研制了一套附有热能回收的风淬钢渣处理工艺。在钢渣倾倒过程中，渣与空气流接触产生辐射热，通过专用设置收集转换为热水、蒸汽和热空气回收利用。

1977年，Mitsubishi和NKK合作研发了风淬粒化融渣余热回收系统，并于1981年末在日本福山制铁所建成世界上第一套转炉钢渣风淬粒化热回收装置，通过辐射和对流换热，渣温从1 500 ℃降到300 ℃左右时，热回收率可达40%～45%[1]。

日本川崎制铁公司将熔融渣在特制搅拌器内搅拌破碎，搅拌器内排布冷却水管，采用类似锅炉的方式回收热量（一级），再通过渣、空气直接换热方式回收热量（二级），热量回收率达到76%。

英国钢铁公司研制了转杯-流化床法处理熔融渣，试验结果显示：渣粒直径为2 mm，玻璃体含量达95%以上，热回收效率为60%。

2013年，以普锐特冶金技术有限公司为首的研究团队主导开发了一项采用空气冷却熔渣，同时回收损失热量的干法雾化技术。该项目的第一阶段已经完成，2012年建立了一个试验装置。研究结果显示，该工艺适于工业应用，随即计划建造一座半工业化规模的中试装置。自2017年6月起，该中试装置已经进行了批量试生产[2]。

上述这些技术尚未实现大规模推广应用。

2.2 国内利用情况

钢铁熔融渣余热利用回收中，例如将高炉渣注入容器内，容器周围排布换热水管，以类似锅炉的形式回收余热;高炉渣用水冲冷却，高温冲渣水中加换热管，制成热水用于取暖，等等。这些都属于初级的利用，余热回收效率比较低。但近些年来，也出现了一些新颖的工艺方法（思路）。

目前，国内日益重视对钢铁熔融渣余热回收技术的研究开发，多个发明专利和实用新型专利方法获得授权，包括多种钢铁熔融渣余热利用回收的中试装置甚至成套装备设计方法。这些专利方法的特点如下：大多采用惰性气体冷却钢渣，通过惰性气体回收余热;余热回收率低;没有应用案例，大多数甚至连试验都没有[4]。

据相关资料介绍，上海宝钢集团引进俄罗斯滚筒法处理钢渣技术，并进行了改进，开发出了滚筒法处理技术，具有占地小、污染少等特点，但目前少见推广应用[5]。马钢集团建立了钢渣风淬-水淬处理线，处理后钢渣粒度基本在5 mm以下，但是没有回收热能。国内某公司建立了射流转轮法粒化技术（中试）装置，类似钢渣的转杯法，但从介绍的资料看，该技术还存在出料粒度大、耗水量高、热回收效率低等缺陷。

清华大学张衍国教授研发了“冶金熔渣射流干法粒化新技术”，并于2018年在某地建立了全球首套工业化示范项目，用水为介质，利用高速射流粉碎熔融渣，采用流化床加移动床的梯级热能回收技术，热回收达到80%以上，耗水量仅为传统水淬法的1/50，运行成本低，污染小，安全性好。从前期运行情况看，回收蒸汽的产量、质量均较高，处理后的高炉渣玻璃体含量高达92%以上。该技术的推广前景非常远大，如果能够成功处理钢渣，将成为熔融渣回收余热的革命性技术，占据世界领先地位。

总体来说，国内钢企对熔融渣的热能回收利用比以往更加重视，并且在应用上实现了突破，环保和降低成本的要求是其主要动力，这是一个可喜的变化。

3 熔融渣余热回收存在的难点

国内关于钢铁熔融渣余热回收的專利不少，但是真正能够实现较大规模工业化生产应用的却极少，主要原因不外乎以下几点。

（1）安全性。目前，针对熔融渣余热利用的专利技术大多是针对高炉渣，钢渣的余热回收利用更是空白，原因在于钢渣中含金属铁，如果采用水作介质冷却，易产生易燃气体，在高温下会爆炸。国内钢渣热焖处理生产线偶有发生爆喷事故，所以很多人止于理论研究。为了避免爆喷，许多人提出采用惰性气体（如氮气）做冷却介质，同时回收余热，这个方法不仅成本高，还不能解决钢渣中游离钙镁引起的安定性问题[6]。

（2）技术方面。工艺技术方面存在的难点主要是进料口的堵塞和密闭，倾倒熔融液态渣作业是间歇式的，尤其对钢渣来说，钢渣罐容量有限，如果进入粒化装置需要频繁作业，而熔融渣在高温时流动性比较好，但在1 000 ℃以下时逐渐失去了流动性，造成堵塞进料口。

（3）处理后熔融渣的质量。采用风淬、水淬处理高炉渣，冷却后的高炉渣玻璃体含量都比较高，炉渣的活性较好;但是，如果类似的工艺处理熔融钢渣后，由于渣中的金属铁大多被氧化，所以钢渣中选取的铁粒很少，可回收磁选粉较热泼法处理钢渣的方法大幅减少[7]。

从总体上看，由于熔融渣余热回收在安全、技术等方面存在诸多难题，至今国内外尚未发现具备大规模推广、完善的熔融渣余热回收技术。

4 余热利用技术展望

熔融渣余热回收技术必须和熔融渣的粒化处理技术结合起来。目前，国内流行的一次处理钢渣热焖方式投资很高，有压热焖技术投资更是巨大，加上二次处理的破碎、磁选工艺投资和运行，总体成本还是比较高的。熔融渣余热利用技术通常是将熔融渣粒化，同时回收熔融渣冷却过程中的热量，所以熔融渣余热利用技术的推广将有可能解决钢渣处理投资、运行成本高的难题，更有利于钢渣后续的开发应用，尤其扩大在建材行业的应用。

清华大学张衍国教授开发的“冶金熔渣射流干法粒化新技术”，解决了熔融渣余热技术产业化时碰到的很多难题，如热回收率低、运行成本高、耗水量大、污染大、不安全等，有望得到广泛的推广。如果能进一步成功应用于钢渣处理，将可能解决钢渣活性低、投资高的难题，扩大钢渣的终端应用。

从清华大学射流干法粒化技术实际落地、成功应用的案例看，如果成功应用在钢渣处理上，将使中国钢渣处理和熔融渣余热回收技术处于世界领先地位。

5 结语

熔融渣余热回收技术不仅改变钢铁熔融渣的处理方式，还回收了冶金熔融渣带走的大量热量，它将是冶金行业的革命性的技术进步。新形势下，冶金企业节能降耗的要求越来越高，开发、推广熔融渣干法粒化技术成为钢铁企业非常紧迫的一项工作。

参 考 文 献

[1]赵福才，习晓峰，巨建涛，等.国内外钢渣处理工艺及资源化技术研究[C].2014年全国冶金能源环保生产技术会论文集，2014：624-629.

[2]李顺.国内外熔融高炉渣显热回收方法[J].工业加热，2009（3）：1.

[3]戴晓天，齐渊洪，张春霞.熔融钢铁渣干式粒化合显热回收技术的进展[J].企业节能减排与资源综合利用，2008（7）：5-6.

[4]刘勋赛，周瑜生.高炉熔渣显热回收可行性分析[J].钢铁，1995（12）：25-30.

[5]张宇，张健，张天有，等.钢渣处理与余热回收技术的分析[J].中国冶金，2014（8）：25-29.

[6]王晓娣，刑宏伟，张玉柱.钢渣处理方法及热能回收技术[J].河北理工大學学报（自然科学版），2009（1）：1-3.

[7]冯向鹏，廖洪强，余广炜，等.融熔钢渣显热回收技术现状与展望[C].2008全国能源与热工学术年会论文集，2008：437-438.

[责任编辑：钟声贤]