摘要：研究探討熱態(tài)鋼渣余熱回收技術(shù)的工藝流程、經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益，并對(duì)熱態(tài)鋼渣的特性進(jìn)行分析，提高能源利用效率、減少環(huán)境污染，同時(shí)鋼渣經(jīng)過(guò)處理后不僅能變廢為寶創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，還能大力推動(dòng)鋼鐵行業(yè)的低碳可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：熱態(tài)鋼渣；余熱利用；經(jīng)濟(jì)效益；節(jié)能降碳

引言

鋼鐵工業(yè)雖然是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)，但當(dāng)前的鋼鐵行業(yè)發(fā)展卻受到了資源、能源、環(huán)境等多方面的嚴(yán)重制約，綠色低碳轉(zhuǎn)型成為“雙碳”目標(biāo)背景下鋼鐵行業(yè)發(fā)展的重中之重。鋼渣作為鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的主要廢棄物，如果對(duì)其熱態(tài)渣余熱進(jìn)行回收及有效利用，不僅會(huì)對(duì)鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排工作起到重要作用，也能為鋼鐵行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展助力。

目前，鋼鐵企業(yè)主要采用熱悶法、陳化法、熱潑法、滾筒法、風(fēng)淬法、水淬法、輥壓法等方式先對(duì)熱態(tài)鋼渣進(jìn)行預(yù)處理，然后再通過(guò)化學(xué)、物理、熱力活化等方式激發(fā)鋼渣活性，進(jìn)而提取有價(jià)值組分、冶煉溶劑、做充填材料、做建材及應(yīng)用于農(nóng)業(yè)等方式進(jìn)行綜合利用[1]。因此，熱態(tài)鋼渣余熱利用技術(shù)，如鋼渣熱悶蒸汽余熱利用、不銹鋼高溫鋼渣余熱利用、高爐沖渣水余熱利用、高爐沖渣水余熱供暖等余熱利用技術(shù)的研究也方興未艾。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前雖然有些鋼鐵企業(yè)利用了熱態(tài)鋼渣中的部分余熱，但其對(duì)于熱態(tài)鋼渣的余熱利用效率僅在30%左右，500～1500℃高溫段的余熱由于受到各種因素的限制卻沒有得到有效的利用，加之設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率低，造成了煉鋼工序能耗浪費(fèi)嚴(yán)重。因此，在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)和國(guó)際貿(mào)易碳壁壘的雙重要求下，鋼鐵行業(yè)節(jié)能減碳任務(wù)更為突顯，研究熱態(tài)鋼渣余熱回收與循環(huán)利用，對(duì)鋼鐵行業(yè)低碳可持續(xù)發(fā)展而言意義重大。

1熱態(tài)鋼渣的利用現(xiàn)狀

由于熱態(tài)鋼渣具有產(chǎn)量大、穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，因而在國(guó)外，歐美的一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)熱態(tài)鋼渣的處理都以鋼渣體積穩(wěn)定性為前提，以自然陳化和蒸汽陳化的方式處理熱態(tài)鋼渣，并將處理后的熱態(tài)鋼渣用于道路、建材等領(lǐng)域；在國(guó)內(nèi)，對(duì)熱態(tài)鋼渣的處理主要采用熱悶、罐悶、風(fēng)碎、滾筒等濕法工藝進(jìn)行鋼渣一次?；幚韀2]，因此我國(guó)對(duì)熱態(tài)鋼渣的循環(huán)利用率僅有30%左右，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家90%的循環(huán)利用率。

此外，國(guó)外在熱態(tài)鋼渣冷卻?；^(guò)程中回收顯熱方面的研究也早于我國(guó)、多于我國(guó)，國(guó)外的研究主要包括機(jī)械破碎余熱回收、風(fēng)碎余熱回收、轉(zhuǎn)杯?；酂峄厥占盎瘜W(xué)法熔渣顯熱回收[2]。我國(guó)對(duì)熱態(tài)鋼渣余熱利用的應(yīng)用方式多以熱態(tài)鋼渣余熱自解技術(shù)為主，使得熱態(tài)鋼渣中的絕大部分熱量散失于空氣之中，熱態(tài)鋼渣的余熱利用率低下。

2熱態(tài)鋼渣資源化利用的難點(diǎn)

熱態(tài)鋼渣自排渣現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)出后，絕大部分經(jīng)不同工藝?yán)鋮s后，再經(jīng)破碎→粉磨→磁選→篩分，回收渣中磁性含鐵原料，導(dǎo)致熱態(tài)鋼渣中的余熱大量散失，熱態(tài)鋼渣余熱回收利用推進(jìn)效果欠佳。另外，熱態(tài)鋼渣資源化利用的難度也較大，受熱態(tài)鋼渣自身性能特點(diǎn)影響，如導(dǎo)熱系數(shù)低、成分波動(dòng)大、高溫、磷含量高、游離CaO含量高、粘度隨溫度降低急劇升高、出渣的間歇性和熱量利用連續(xù)性之間的矛盾等，雖然很多熱態(tài)鋼渣余熱回收技術(shù)研究已經(jīng)取得了成功，但由于存在無(wú)法盈利、難以與煉鋼工序生產(chǎn)節(jié)奏較好地銜接，以及制約了熱態(tài)鋼渣在鋼鐵企業(yè)內(nèi)部循環(huán)利用和資源化利用等問(wèn)題[2]，導(dǎo)致熱態(tài)鋼渣余熱回收技術(shù)無(wú)法推廣應(yīng)用。

3熱態(tài)鋼渣余熱回收與循環(huán)利用工藝流程

現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)，可在獲得鐵水、鋼液等主產(chǎn)品的同時(shí)，產(chǎn)生大量具有高溫顯熱的熔渣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每噸鋼水中都會(huì)產(chǎn)生100～150kg熱態(tài)鋼熔渣，溫度通常高達(dá)1600℃，然而這些熱態(tài)鋼渣的高溫余熱通常都只是被簡(jiǎn)單地排放到大氣中，不僅造成了巨大的能源浪費(fèi)，還帶來(lái)了環(huán)境污染。因此，若能合理回收利用熱態(tài)鋼渣余熱，既可減少能源消耗，又可降低排放量，同時(shí)還可利用鋼渣研發(fā)出具有高附加值的產(chǎn)品材料，擴(kuò)大鋼渣應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用，提高鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性。熱態(tài)鋼渣余熱回收技術(shù)工藝流程如圖 1所示。

3.1熱態(tài)鋼渣入盆

將從轉(zhuǎn)爐中輸送出來(lái)的熱態(tài)鋼渣倒入窯車上的專用渣盆，進(jìn)行氣體換熱，使鋼渣內(nèi)、外部高效冷卻；同時(shí)，在渣盆底配備振動(dòng)裝置，并通過(guò)間歇式振動(dòng)使凝固渣破碎。渣盆總高設(shè)計(jì)不超過(guò)2.5m，寬約4.5m，與窯車相匹配，渣盆內(nèi)側(cè)除有特殊防粘結(jié)構(gòu)、易振動(dòng)破碎結(jié)構(gòu)外，還有鋼渣粉噴涂層，防止粘渣。

3.2在余熱回收系統(tǒng)中完成換熱

熱態(tài)鋼渣盆通過(guò)雙道門進(jìn)入隧道窯式余熱回收系統(tǒng)中完成換熱，如圖2所示。

鋼渣換熱隧道窯包括腔室11、渣盆入口12、渣盆出口13和出風(fēng)口14；腔室11沿渣盆的傳輸方向延伸，出風(fēng)口14設(shè)置在沿傳輸方向遠(yuǎn)離渣盆出口13的位置，渣盆入口12處、沿傳輸方向間隔設(shè)置有可開合的第1擋板門15和第2擋板門16。第1擋板門15和第2擋板門16之間形成容滯空間17，容滯空間17至少可以容納1個(gè)渣盆5，第1擋板門15和第2擋板門16中至少有一個(gè)處于閉合狀態(tài)；出風(fēng)口14通過(guò)連接風(fēng)道與余熱鍋爐相連通。

本技術(shù)設(shè)置換熱隧道窯2條，各長(zhǎng)80m，寬約6m，高度不超過(guò)3m，隧道窯車車底可通冷風(fēng)，窯車邊部與隧道窯體間設(shè)置密封結(jié)構(gòu)和砂封，使窯內(nèi)微負(fù)壓，防止熱風(fēng)外溢。熱態(tài)鋼渣在隧道窯內(nèi)從高溫?fù)Q熱降溫到200℃的設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)為2.5h，確保不超過(guò)4h，可匹配鋼廠生產(chǎn)需求；與鋼鐵企業(yè)目前冷卻后循環(huán)渣包約8h的時(shí)長(zhǎng)相比，可加快煉鋼廠生產(chǎn)節(jié)奏1倍以上。

設(shè)計(jì)氣體流速控制在8～12m/s，熱窯、鍋爐、引風(fēng)機(jī)和連接風(fēng)道均設(shè)置有保溫結(jié)構(gòu)。隧道窯前后兩端設(shè)溫度檢測(cè)裝置和引風(fēng)機(jī)，均與控制器通信連接。

3.3多次強(qiáng)震破碎結(jié)皮層

當(dāng)液態(tài)鋼渣凝固換熱降溫達(dá)到一定溫度后，渣盆表面有凝固結(jié)皮現(xiàn)象時(shí)，根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔，自動(dòng)控制開啟渣盆底部振動(dòng)裝置，實(shí)施多次強(qiáng)震振動(dòng)。在高頻震動(dòng)器的作用下，鋼渣結(jié)皮層易破碎，并易與盆壁剝離，有利于翻包機(jī)將鋼渣從盆中倒出。

3.4帶溫粗破

將通過(guò)隧道窯后震動(dòng)倒出的鋼渣送入熱破裝置，把大塊固態(tài)帶熱鋼渣破碎成塊度小于100mm的中小塊。

3.5二次換熱回收余熱

如圖3所示，將高溫的熱態(tài)鋼渣降溫到200℃的低溫渣，經(jīng)上述破碎、一次磁選后經(jīng)過(guò)環(huán)冷機(jī)二次換熱。通過(guò)二次換熱，系統(tǒng)的綜合余熱利用率設(shè)計(jì)值為90%，將確保回收率穩(wěn)定在75%以上。系統(tǒng)產(chǎn)生的中溫中壓蒸汽可用于燒結(jié)生產(chǎn)或發(fā)電，此處回收的余熱將用于尾渣直接固碳或分質(zhì)固碳。

3.6細(xì)破選鐵

風(fēng)冷換熱完成后，再對(duì)帶有余溫的鋼渣進(jìn)行細(xì)破，二次選鐵，最終得到金屬鐵塊、鐵粒和鋼渣尾料等產(chǎn)品。剩余的鋼渣尾渣直接固碳生產(chǎn)負(fù)碳材料（高強(qiáng)高性能負(fù)碳骨料、負(fù)碳膠凝材料等），或分質(zhì)固碳生產(chǎn)50%～55%的鐵精粉、超細(xì)碳酸鈣、納米碳酸鈣、超細(xì)氫氧化鎂、硅鋁粉等。

4熱態(tài)鋼渣余熱回收與循環(huán)利用的優(yōu)勢(shì)

4.1獨(dú)特設(shè)計(jì)解決難題

渣盆結(jié)構(gòu)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，解決了熱態(tài)鋼渣冷卻凝固過(guò)程中渣芯內(nèi)部冷卻慢、與外部冷卻速率差距太大而導(dǎo)致的換熱不徹底問(wèn)題。同時(shí)，在每個(gè)盆底均設(shè)置高頻震動(dòng)器，通過(guò)間歇式振動(dòng)使凝固渣破碎分離及強(qiáng)震倒包方式，徹底解決了大塊鋼渣不易破碎的難題，有利于對(duì)渣料進(jìn)行后續(xù)破碎、輥壓粉磨、高磁磁選等處理。

4.2節(jié)能減排獲取高效益

熱態(tài)鋼渣在出爐時(shí)顯熱很大，如果每噸轉(zhuǎn)爐渣以1600℃排出，每噸熔渣的顯熱約相當(dāng)于60kg標(biāo)準(zhǔn)煤[3]，因而如果能對(duì)其進(jìn)行合理的開發(fā)利用，每噸液態(tài)熱鋼渣可回收余熱150kWh以上，可增加發(fā)電量8250萬(wàn)kWh，如電價(jià)按0.65元/kWh計(jì)算，電的生產(chǎn)成本約為0.12元/kWh，則僅鋼渣余熱發(fā)電一項(xiàng)便可獲利4372.5萬(wàn)元。同時(shí)，按節(jié)約1kWh電可減少0.8843kg二氧化碳計(jì)算，可減排二氧化碳7.3萬(wàn)t；按2024年6月全國(guó)碳匯交易96元/t計(jì)算，形成碳匯資產(chǎn)約700.8萬(wàn)元。

4.3優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)鋼渣直接固碳

鋼渣直接固碳工藝，按照《國(guó)家工業(yè)和信息化領(lǐng)域節(jié)能降碳技術(shù)裝備推薦目錄（2024年版）》工業(yè)廢氣二氧化碳捕集礦化制備負(fù)碳材料關(guān)鍵技術(shù)實(shí)施。采用常溫礦化固結(jié)技術(shù)，模擬自然界巖石生成過(guò)程，優(yōu)化設(shè)計(jì)工藝參數(shù)，利用含硅含鈣成分的材料，在專有技術(shù)的固碳助劑催化劑作用下，加速與工業(yè)煙氣中的二氧化碳發(fā)生礦化反應(yīng)，生成具有負(fù)碳屬性的建材產(chǎn)品（負(fù)碳石材、負(fù)碳粉料、負(fù)碳生態(tài)水泥、負(fù)碳骨料等），代替天然石材、天然骨料，有效減少山石開采。如此一來(lái)，不但可實(shí)現(xiàn)鋼渣固碳率22%，即1t鋼渣碳化后生成1.22t負(fù)碳材料，而且其中的負(fù)碳骨料強(qiáng)度等性能超過(guò)天然石英砂。

4.4具有較高的利用效率和穩(wěn)定性

通過(guò)二次換熱，可巧妙解決從高溫到低溫?fù)Q熱的時(shí)長(zhǎng)及不同余熱溫度區(qū)間的分級(jí)應(yīng)用問(wèn)題，同時(shí)高溫?fù)Q熱可用于生產(chǎn)高值蒸汽、發(fā)電，風(fēng)冷換熱可用于其他的用途，不僅能使得熱態(tài)鋼渣余熱利用率達(dá)到90％，還能確?；厥章史€(wěn)定在75%以上。

4.5具有良好的環(huán)境效益

與現(xiàn)行的鋼渣熱燜、有壓熱燜、水淬風(fēng)淬等工藝相比，熱態(tài)鋼渣余熱回收項(xiàng)目更為安全節(jié)能，環(huán)境效益更為友好。現(xiàn)場(chǎng)無(wú)熱潑鋼渣帶來(lái)的高溫?zé)彷椛洌捎谠O(shè)置耐高溫鐵絲除塵或陶瓷除塵器，含塵煙氣、水汽均有組織排放，且沒有無(wú)組織排放點(diǎn)，因而不存在水淬引起爆炸等安全隱患。另外，鋼渣處置過(guò)程中不需要使用鉤機(jī)、破拆機(jī)械，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)組織整潔合理，滿足生態(tài)環(huán)境績(jī)效A級(jí)評(píng)審指南標(biāo)準(zhǔn)要求。

結(jié)語(yǔ)

在“雙碳”目標(biāo)下，熱態(tài)鋼渣余熱回收必將是未來(lái)鋼渣處理利用的重要方向。但對(duì)高溫?zé)釕B(tài)鋼渣余熱的利用，應(yīng)緊密結(jié)合鋼渣材料后續(xù)利用途徑，在充分提高鋼渣產(chǎn)品附加值的同時(shí)，以及在當(dāng)前減污降碳背景下，協(xié)同處理好余熱資源的使用方式，將會(huì)更加體現(xiàn)出鋼鐵企業(yè)二次資源在綠色生產(chǎn)和節(jié)能減排領(lǐng)域中的潛在價(jià)值。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷完善和推廣，相信熱態(tài)鋼渣余熱回收技術(shù)必將在鋼鐵行業(yè)中發(fā)揮更大作用，推動(dòng)鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和低碳可持續(xù)發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介

郭新（1983— ），女，漢族，天津人，工程師，經(jīng)濟(jì)學(xué)學(xué)士，主要從事能源、環(huán)保管理工作。

閆燚（1987— ），男，漢族，天津人，工程師，大學(xué)本科，主要從事能源、環(huán)保管理工作。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-06-19