问题描述

经过多年研究，高炉熔渣依然是钢铁企业最大宗未有效回收的余热资源，目前广泛采用的水淬法存在多种问题，导致高炉熔渣余热资源的极大浪费，因此发展高炉熔渣干式余热回收技术及其工业化正当其时。

本项目提出了液态熔渣缓存及流量控制技术方案，以熔渣保温、煤气补热、渣液中固体和漂浮物分离、风冷塞棒控流等为核心，优化熔渣缓存包设计方案，解决高炉间歇出渣造成的熔渣流量、温度波动与粒化及余热回收工艺连续运行不匹配的关键技术瓶颈问题，为高炉渣干式余热回收利用技术工业化应用提供关键支撑。

问题背景

冶金行业排放的高温液态熔渣具有产量大，温度高的特点，其余热资源量大且品质高。钢铁工业是我国国民经济的支柱产业， 也是能源和资源密集型产业。长期以来，提高能源与资源的利用效率一直是钢铁工业的工作重心。

炉渣是钢铁流程生产过程中排放的主要固体废弃物，排放温度 1450℃左右，其既是一种资源，又蕴含大量的高品质显热，每吨熔渣的潜热相当于57kg标准煤。然而，传统的高炉渣水淬处理工艺只注重得到非晶态的高炉渣产品，对于蕴含的热量基本没有回收， 而且还需要大量新水，对周边环境造成较大危害。因此，在高效回收余热的同时充分兼顾炉渣品质的调控，实现高炉渣资源和热源的最大化利用，对钢铁工业提高能源效率和减少资源消耗意义非凡。

在各国研究的干式粒化方法中，主要包括风淬粒化工艺、转鼓粒化技术、Merotec法、机械搅拌粒化工艺、连铸连轧工艺、干式离心粒化法等，但至今都没有进行工业化应用。而在这些技术中，干式离心粒化法产生的颗粒直径小，球形度好，玻璃化程度高，是一种具有发展潜力的高炉渣处理工艺。干式离心粒化法的总体思路如下：首先高温熔渣掉落到高速旋转的粒化器上，在离心力的作用下熔渣会破碎成小的熔渣液滴，破碎后的小液滴颗粒较小，冷却速度快，会迅速凝固，之后可利用换热装置对渣粒进行进一步的热量回收。

最新进展（截止问题发布年度）

经调研，国内外高炉熔渣余热回收技术多数处于实验室研究，极少数进入中试研究阶段。通过对国内外相关研究成果分析，可将其余热回收方式分为物理热回收法和化学热回收法。其中前者根据熔渣前处理方法的不同，又分为滚筒法、风淬法、连铸式余热锅炉法、机械搅拌法和转杯法、钢球冷淬法等。

滚筒法：NKK的研究人员将高炉渣倒在两个反向旋转的的滚筒之间，形成薄膜，滚筒内的低沸点有机工质快速冷却薄膜并形成玻璃质渣产品。液体炉渣的热量通过冷却剂的循环以蒸汽形式进行回收，用于发电。该方法的主要缺点是必须用刮渣器去除粘在滚筒上的渣膜，否则将会导致传热效率的急剧下降；冷渣以片状形式排出，不利于后续利用。其工艺流程如图1所示。

图1 NKK滚筒熔渣热回收装置

风淬法：日本六大钢铁公司自1982年开始在新日本制铁名古屋制铁所进行熔融高炉渣风淬法试验，具体工艺如图2所示。高炉熔渣被倒入换热器（呈箱形，25*13*4m，又称风洞），风洞由高速气流将高炉渣粉态化。渣粒的大部分与风洞內配置的分散板及风洞内壁相碰撞，下落并被下部吹入空气冷却，从风洞排出。渣粒由震动筛筛出大颗粒后，装入热渣粒储存仓，再经过二次热交换器的多段流动床被冷却。排出渣的玻璃化率由风洞内渣的冷却速度加以保证，回收风洞及二次热交换器冷却空气的显热用来生产蒸汽或发电。该风淬法高炉渣热回收系统的热回收率>70%；渣粒作为水泥原料，其质量与高炉水淬渣相同。但这一系统的投资回收时间较长，约为5.5年,因而制约了该工艺的推广和应用。

图2 高炉渣风淬法工艺流程图

连铸式余热锅炉熔渣热能回收法：国内专家根据乌克兰研制的炉渣干式粒化方案，结合我国国情开发连铸式余热锅炉熔渣热能回收工艺，见图3。该工艺是由渣罐车运来的熔渣倒入渣池,熔渣从供渣嘴连续流到水冷平辊和水冷网辊，然后进入链式输送机。在运输机下部通入冷空气，渣的热量传给冷空气和膜式水冷壁，冷却后的渣在碎渣机中破碎。软化水经轧辊流入水箱，经给水泵压入省煤器，然后进入汽包，饱和水经循环泵压入膜式水冷壁,加热汽化后回到汽包，从汽包出来的饱和蒸汽进入过热器，成为过热蒸汽。

1-供渣嘴；2-水冷平辊；3-水冷网辊；4-输送机；5-膜式水冷壁；6-碎渣机；7-给水泵；8-省煤器；9-汽包；10-循环泵 图3连铸式熔渣热能回收法

机械搅拌法：川崎制铁将液态渣倒入一个搅拌罐中破碎成小于100mm的颗粒，通过辐射与围绕搅拌罐的冷却水管换热。渣从初始温度冷却到1273K，产生的蒸汽可以达到5×106Pa，723K，然后将破碎的渣用提升机送入到气-固换热器中，用空气将其进一步冷却到523K，热空气进入余热锅炉利用，能量回收效率达到76%。

图4 川崎制铁渣余热回收系统

日本住友金属工业开发的一种机械搅拌造粒装置，见图5。熔渣流入造粒装置后，在转动叶片搅拌和挤压的作用下被粒化，并且随着轴的转动被输送到粒化器的外部。水套中的水进行热量的回收。

图5 住友金属熔渣造粒装置

转杯-流化床熔渣显热回收法：20世纪80年代，英国钢铁公司Teesside实验室和Nottingham大学机械工程系研制了转杯-流化床法处理熔渣，图6是能力为40t/h的装置示意图。连续态熔渣由转杯破碎成为液滴，液滴在飞行过程中，与空气和床内水管发生导热、对流和辐射，经过四级冷却成为固态的颗粒。试验结果显示：渣粒直径2mm，玻璃体含量超过95%，热效率60%。

图6 转杯法离心粒化高炉渣

化学法：其原理是将高炉渣的热量作为化学反应的热源进行回收利用。1997年，Kasai等人提出了一种全新概念的熔融渣热利用系统：将熔渣热通过吸热化学反应加以利用回收。他们采用甲烷水蒸气重整反应生产H2和CO，并利用反应余热发电和供热气、热水。

2002年，Mizuochi等人将转杯粒化和甲烷-水蒸气重整反应进行结合，提出了工业化设计图（图7）。

图7 　RCA-甲烷水蒸汽重整工业化设计图

2006年，Purwanto 等人利用熔渣显热进行了甲烷重整制氢反应的试验研究，结果发现：渣粒不仅起到传热介质的作用, 且是一种很好的催化剂, 能促进甲烷(CH4)的分解；随着反应温度的升高,甲烷转化率增大,最高达96%左右,且生成更多的氢气。这一结果意味着一种新型的节能型氢气生产工艺的诞生，它不仅用高温熔渣的显热代替了原有的能耗，而且可以减少二氧化碳的排放。

钢球冷淬法：该方法由卢森堡PAUL WURTH(简称PW)公司提出，工艺流程（见图8）为：将钢球以一定的比例喷射入热态高炉渣中，形成渣球混合物，然后经缓冲区进行渣球破碎，随后进入逆流换热器中，渣球混合物将热量传给冷风，冷却后的渣球混合物经磁选机将钢球和高炉渣进行分离，钢球进入系统继续循环使用，高炉渣送至微粉车间制成矿渣微粉，形成的热风则供给余热锅炉产蒸汽。该技术可节水0.7m3/t渣，同时可有效减少硫化物排放。

图 8 钢球法回收熔融高炉渣余热技术原理

目前，国内外暂无成熟的高炉渣干式余热回收生产线。PW公司、酒钢等少数企业虽已建成半工业化规模的试验生产线，但因各种原因未能实现稳定运行，均处于停产状态。该类试验线均存在高炉间歇出渣与余热连续回收之间的矛盾，国内外一般采用熔渣缓冲包、中间包等方式试图解决熔渣传输问题，已取得一些进展，但仍存在一些技术风险，如熔渣降温快、渣液含固体杂质、流量不稳定、粘度不稳定、工艺衔接困难等问题，已成为高炉渣干式余热回收工艺规模化试验生产关键技术难题。

西安交通大学王树众教授等团队提出了液态熔渣缓存及流量控制技术方案，以熔渣保温、煤气补热、渣液中固体和漂浮物分离、风冷塞棒控流等为核心，优化熔渣缓存包设计方案，解决高炉间歇出渣造成的熔渣流量、温度波动与粒化及余热回收工艺连续运行不匹配的关键技术瓶颈问题，为高炉渣干式余热回收利用技术工业化应用提供关键支撑。

液态熔渣缓存及流量控制技术方案：高炉渣干式离心粒化及余热回收技术总体工艺流程中，首先对1400℃的液态高炉渣进行温度控制和流量控制，使熔渣以稳定的流量进入粒化仓。粒化仓内的离心粒化器将高温炉渣粒化为2-3mm的熔渣颗粒。在加强的辐射换热和对流换热的共同作用下，熔渣颗粒温度迅速降低，固化为球形颗粒。随后，凝固的炉渣颗粒进入换热设备进行换热，温度降至100℃左右排出移动床，最后得到的炉渣颗粒玻璃体含量可达95%，可作为优质的水泥原料，而经过换热的高温空气进入后续余热回收系统进行发电。

重要意义

本问题取得突破后，可解决水淬法存在的各种问题，高炉熔渣这一冶金最大未回收余热将得到有效回收，明显提高企业的能源利用效率和环境友好水平，降低CO2排放和二次污染，经济效益突出，技术成熟后可迅速全面推广至世界所有钢铁企业。