冶炼炉渣干法粒化余热回收技术

1、新型高温炉渣余热回收技术研究分析及对策建议2012年7月，国务院正式发布“十二五”国家战略性新兴产业发展规划，在重点发展方向和主要任务中明确提出“积极开发和推广用能系统优化技术，促进能源的梯次利用和高效利用”，确定了“中低品位余热余压回收利用技术”作为高效节能产业发展的重大行动之一。为了贯彻落实国家节约能源，保护环境的政策，建设资源节约型社会和环境友好型社会，实现可持续发展的战略目标，六院自筹资金积极开展冶炼炉渣余热回收利用技术研究。目前我国主要采用水淬工艺处理高温炉渣。水冲渣之后产生大量蒸汽，同时生成污染性酸性气体。蒸汽直接排入大气无法进行热量回收，酸性气体造成大气的污染。由于冲渣后的水温度

2、较低，是一种很难高效利用的低品位热源，使用热泵等技术进行利用效率低、污染大且很难在短期内回收投资。冶炼炉渣显热为高品位余热资源，有很高的回收价值,随着国际竞争的日益加剧和能源的持续紧缺， 冶金行业面临着多项维系可持续发展战略的问题，其中如何高效地回收冶炼炉渣显热是其中的重要问题之一，因此有必要转变思路采用环保高效的余热利用工艺进行余热回收。六院十一所成功开发出一种新型高温炉渣余热回收技术一一离心空气粒化结合两级流化床余热回收工艺，该工艺能够高效环保地进行炉渣的余热回收，代表了国际上最为先进的高温炉渣余热吸收工艺。一、国内外相关研究开展情况高温炉渣余热回收的工艺主要有湿法工艺和干法工艺两种。 湿

3、法工艺是指用水或水与空气的混合物使熔融渣冷却，然后再运输的方案，一般也称为水淬工艺。干法工艺即依靠高压空气或其他方法实现熔融金属冷却、粒化的工艺。湿法处理工艺是将高炉渣作为一种材料来加以利用，并没有对其余热量进行充分的利用。从节能和环保的角度来看，湿法工艺都无法避免处理渣耗水量大的问题。干式粒化工艺是在不消耗新水的情况下，利用高炉渣与传热介质直接或间接接触进行的高炉渣粒化和显热回收的工艺，几乎没有有害气体排出，是一种环境友好的新式处理工艺。（一）国外研究状况20世纪70年代，国外就已开始研究干式粒化炉渣的方法。前苏联、英国、瑞典、德国、日本、澳大利亚等国都开展过高温炉渣（包括高炉渣、钢渣等）干

4、式粒化技术的研究。日本钢管公司（NKK开发的转炉钢渣风淬粒化工艺和双内冷却转筒粒化工艺因为处理能力不高、 运行不稳定、 粒度不均匀等缺点不适合在现场大规模连续处理高炉渣。英国克凡纳金属公司（KvaernerMetals）提出转杯离心粒化气流化床热能回收技术，该法因为热量回收效率高，粒化后渣质量较好，粒度均匀，强度较高，粒径小于2mr#优势具有较好的发展前景。 该法曾经于20世纪80年代初期在英国钢铁公司年产1万吨的高炉上进行了为期数年的工业试验，未实现大范围的工业化应用。澳大利亚也对该法的粒化和传热过程进行过一些数值计算和实验研究工作。对高炉渣中显热的回收目前在国际上仍然处于工业试验性阶段，还

5、没有任何一种干式处理工艺实现了工业应用，但已有的各类技术研究积累了很多相关的理论知识和实践经验。（二）国内研究状况目前，国内冶金企业对于高温炉渣全部采用水淬工艺进行处理。高炉渣水淬工艺亦即水渣处理工艺，就是将熔融状态的高炉渣置于水中急速冷却，限制其结晶，并使其在热应力作用下发生粒化。水淬后得到沙粒状的粒化渣，绝大部分为非品态，是优良的水泥原料。在国内水淬渣处理系统中，水渣比在（815）:1,高炉渣带走的热量约占高炉总能耗的16溢右，经过各种水淬处理工艺回收的仅为炉渣总热量的10%其余热量变为水蒸气放入大气， 造成资源的极大浪费。 国内在干式粒化技术的研究刚刚起步，凤淬法因为在渣粒和空气之间完成

6、的直接换热方式，热回收效率较高是其重要优势，但对炉渣流动性要求较高，处理率有限制。离心粒化法不仅可以回收大量的热能，改善高炉操作，给企业带来可观的经济效益，而且在环保方面的潜力价值是不容低估的，是高炉渣处理利用的发展趋势。在国内，东北大学、青岛理工大学、钢铁研究院对离心粒化法进行了理论和实验研究工作，但是实验所用炉渣流量较小，与生产实际中熔渣流量差距较大，而且未对粒化后渣粒的热量回收工作进行研究。（三）水淬工艺的缺陷1.炉渣余热没有回收。用水淬法对1400c的高炉渣进行降温，会产生大量低压蒸汽以及热水（约80C）,除了极少数企业将热水能量回收用于冬季供暖外，其余能量白白浪费掉了。2.大量的新水

7、消耗。以钢铁生产过程为例，炼铁工序消耗新水占新水总耗量的1/3左右，是消耗新水最多的工序。在炼铁工序中，冲渣消耗的新水又占到本工序新水消耗总量的50%以上，冲制1吨水渣消耗新水0.81.2吨。3.产生大气污染。水淬过程中会产生大量的气态硫化物SO和HS,促进酸雨的形成。即使是最环保的水渣工艺一一环保型INBA法，吨渣排放硫化物也有5g4.额外消耗大量能量。使用水淬法进行急冷得到的固态高炉渣含水量较高，粉磨时必须烘干，需要额外消耗大量能量。由于存在根本性的缺陷，水淬处理工艺只是适用于特定阶段的过渡性工艺，随着近年来国家对节能减排的重视程度不断提高，高炉渣处理方法必然向着更为节能、环保的方向发展，

8、其中干式粒化工艺就是发展重点方向之一。二、六院高温炉渣余热回收技术研究的基本情况和进展2011年6月，十一所与金川集团有限公司签订高温炉渣余热回收工艺研究课题，拟通过研究开发高效的余热回收工艺，为实现我国整个冶炼行业废渣处理及余热回收工业化应用奠定基础。（一）十一所进行的工艺流程设计该余热回收系统工艺流程为第一步采用离心粒化技术将液态的熔渣粒化成大小均匀且粒径为3m在右的颗粒， 根据实际生产中熔渣的流量通过调整粒化装置的关键参数，得到所需粒度范围的高附加值渣粒；第二步粒化后的颗粒与来自流化床的冷空气直接接触进行换热，在处理过程中颗粒与空气接触面积较大，热交换较为充分，可使得热量回收率大大提高，

9、热空气将炉渣释放出的热量带走出口温度可达600700C,到余热锅炉产出蒸汽加以利用。考虑系统的热空气中可能存在酸性气，在系统运行过程中酸性气的浓度需要进行实时测量，如果酸性气浓度不超标则进行循环使用，当酸性气浓度达到处理浓度时转入酸性气脱除装置，保证系统运行过程中的环保性。（以沉降电炉和闪速炉为例）该项目实施分三个阶段，第一阶段进行炉渣基本特性研究和雾化过程研究，第二阶段进行炉渣换热过程和渣粒流态化过程研究，第三阶段进行小型工业化试验研究及产业化建设。（二）技术优势炉渣干式粒化工艺应在运行成本和粒化渣质量两方面的指标达到与水渣工艺相当的水平，才能具有竞争力。它必须满足5个条件：能使炉渣粒化到需

10、要的尺寸，粒化过程中炉渣损失的能量少，粒化过程消耗的能量少，能够有效地回收热量，处理后的粒化渣可以有效利用。离心空气粒化结合两级流化床的余热回收工艺具有单体设备简单、布置紧凑、处理能力大、操作参数少的优点。通过改变转杯的转速即可调整粒化程度，可获得尺寸小、瑞主器水番气;用途待复）沉降电炉热空气余热锅炉济空气谎化床流化床去戚住气体府赊装胃流化床/水松壁软优水轼化水去风机余热回收系统原理图球形度好、玻璃化程度高的均质高附加值成品渣。 粒化室内高温渣粒可以采用与空气直接接触的方法吸热， 根据国外研制经验，两级流化方法可以使高温炉渣持有的热量较彻底地转化为空气含有的热量，即高效地将炉渣显热转变成为洁净

11、的热能。余热吸收后形成的高温空气可以作为洁净的热源进行多种方法的二次利用，如：高温空气可以通入余热锅炉进行换热从而产出高压蒸汽，蒸汽直接利用或者推动汽轮机发电；高温空气可以预热进入冶炼炉的助燃空气或者直接进入炉膛参与燃烧，节省冶炼过程燃料的消耗量并提高炉膛内温度。在初始冷却速度足够大的条件下渣粒中玻璃体含量较高，同时由于离心粒化产生的渣粒直径小且分布均匀，渣粒可以直接作为水泥生产的原料，提高产品的附加值。三、技术综合效益分析“十二五”期间，我国的高温炉渣产量约23.2亿吨，其中蕴含显热1.35亿吨标煤。若采用离心粒化结合两级流化床余热回收技术，则可以将其中60%勺热量进行回收，并可大幅减少酸性

12、气体的排放。该技术既节约能源，又可保护环境，是资源综合利用的典范，可为企业带来可观的经济效益。如果此项关键技术得到突破，将为该技术的系统工程应用提供直接理论及技术支撑，最终在余热回收领域开拓新技术，形成市场前景较好的产业化项目。离心空气粒化结合两级流化床余热回收工艺如果能够成功完成技术开发，并逐步完成工业化，未来将替代高温炉渣水冲渣处理工艺。应用此项技术可为该企业节约大量资金和能源，以金川集团公司冶炼厂沉降电炉、闪速炉和铜冶炼炉的炉渣量进行估算，分析企业年节能和环保效益。采用离心空气粒化工艺后在处理过程中不喷水，每年节省70万吨的冲渣水，按每吨0.5元，每年可节省水费35万元。基本没有硫化物的

13、排放，对于闪速炉和顶吹炉每年可节省用于中和炉渣中的硫形成的酸水的工业碱液合计1000吨，每吨价格700元，共70万元。若在1350150C的范围内回收炉渣热量，因成分不同炉渣的放热量约为1500kJ/kg。若有60%的热量被回收弁有效利用，则实际回收热量0.9GJ/t,每年可以节约能量折合标煤约6万吨（每吨标准煤为29.27GJ）。整个工艺系统主要耗能装置包括：电机、风机和泵，根据估算可得到该部分能耗占可回收能量的份额小于10%随着国家环保政策的日益严格， 若能将该项目成功开发， 推广应用到整个钢铁、冶金企业行业，可对生产过程产生的高温炉渣进行高效环保的热量回收，能够为企业节约大量的资金和能源

14、，效益明显，同时符合国家所倡导的节能环保政策，根据我国目前钢铁和有色金属的产量和增长率， 估算可节约的能源具体数据如下表所示。冶金行业综合能效表20112012201320142015总和粗钢产量（亿吨）6.70007.10207.52817.97988.458637.7685生铁产量（亿吨）6.20006.82007.50208.25229.077437.8516有色金属产量（亿吨）0.33000.34980.37080.39300.41661.8602总产量（亿吨）13.2314.271815.400916.625017.952677.4804炉渣产量（亿吨）3.9694.28154.62

15、034.98755.385823.2441显热折算标煤（亿吨）0.23020.24830.26800.28930.31241.3482节能60%（亿吨）0.13810.14900.16080.17360.18740.8089推广率20%（亿吨）0.02760.02980.03220.03470.03750.1618据统计，2010年底， 我国粗钢产量为6.27亿吨， 占全球粗钢总产量的44.3%,同比增长9.3%。 “十二五”期间我国钢铁工业的发展将由“高速粗放”型转为“减速精细”型， 按较为乐观的8.5亿吨产量峰值计算， 年均增速只有6%较“十一五”期间降低一半左右。钢渣是炼钢过程中的必然副

16、产物，具排出量约为粗钢产量的15%-20%钢渣目前的利用率只有大约36%用作建筑材料、烧结溶剂和高炉炼铁熔剂、铁水预处理渣剂等，但都只是一种末端处理方法。高炉渣是冶炼生铁时产生的废渣,也是冶金行业产生数量最多的一种废渣。2010年，我国生铁产量5.9亿吨，同比增长8.5%,“十二五”期间，增长率继续保持在10溢右。按平均每吨生铁产生0.3t渣来计算，高炉渣产量为1.77亿吨。高炉渣的出炉温度在14001500C,每吨渣含（12601880）x103kJ的显热，相当于60kg标准煤的热值。由于高炉熔渣温度高，产量很大，如果得不到合理的处理和利用，不但是对二次能源及环境会造成很大的污染。有色金属产

17、量稳步增长，2010年，包括铝、铜、铅、锌等在内的十种有色金属工业产量达到3135万吨，同比增长20.4%,产量消费量占世界三分之一。其中尤以铝为典型，产能超过2100万，增速为16.7%。氧化铝综合能耗为632.4千克标煤/吨，比上年下降3.7%;铜冶炼综合能耗为360.3千克标煤/吨，比上年下降2.4%;铅冶炼综合能耗为453.5千克标煤/吨，比上年下降4.4%;电解锌综合能耗为946.6千克标煤/吨，比上年下降1.1%。四大主要有色金属节能减排都取得显著成效，这是有色金属行业实现可持续发展的有力保障。 按照有色金属行业“十二五”规划草案， 到2015年， 十种有色金属 （铜、铝、铅、锌、银、锡、锦、镁、海绵钛、汞）产量控制在4100万吨以内，则“十二五”期间有色金属的平均增长率为6炬右。在有色金属“十二五”规划中将明确主要品种产量：粗铜冶炼控制在500万吨以内,电解铜控制在650-700万吨之间，氧化铝控制在410万吨以内,电解铝控制在200万吨以内,铅冶炼控制在550万吨以内，锌冶炼控制在670万吨以内。按照余热发电的功率计算，年产百万吨渣的冶炼厂可以发电9000万千瓦时， “十二五”我国炉渣总产量为23.2亿吨， 如果全部用来余热发电则可以产出2000亿千瓦时电量。如