协同处理钢厂固废工艺的物质流和能量流分析

1、引言钢铁企业存在很多固体废弃物，包括煤气化、焦化过程产生的焦油渣，热轧产生的热轧污泥、冷轧产生的冷轧酸泥和冷轧碱泥，以及高炉布袋除尘灰、转炉除尘灰、电炉除尘灰等固废。2021年，中国钢材量为13.37亿t，全国年生产轧钢油泥约为115万t，焦油渣约为47万t，粉尘量为8424~12636万t，这些废弃物长期积累对社会和环境产生越来越大的影响。近年来，含锌粉尘返回烧结工艺处理会造成烧结和高炉生产能耗增高、炉况不顺，也会给钢厂的环境带来巨大的危害，利用转底炉和回转窑来处理含锌粉尘，具有较高的生产效率和较低的环境成本。目前焦油渣的主要处理工艺有溶液萃取技术、离心分离技术和热解分离制备活性炭技术，溶剂萃取法分离油渣后可以实现资源的高效转化和利用，但萃取剂的提取能力、经济性及其危害限制了其应用；离心分离技术分离效率低，对后续处理影响较大；热解分离技术对不同结构焦油渣适应性强，无二次污染，但能耗高，分离所得的高碳残渣可用于活性炭的制备。轧钢污泥的主要处理工艺有机械分离技术、焙烧技术、溶剂萃取热分解技术、生物处理技术和高温蒸馏等，这些处理方法在技术、工艺、经济和环保等各方面都有自己的特点，热解技术既能回收污泥中的油，实现含油污泥的资源化处理，又能适用于所有污泥，但缺乏成熟的处理设备。钢厂既要进一步发展钢铁产品的制造功能，又要高度重视能源转换功能的推广，充分发挥废物消耗、处理和资源再利用的功能。在冶金流程工程学方面，殷瑞钰将“流”作为本体论，用“流”观察动态变化，解决了冶金企业的绿色智能潜力，提出了钢铁工业绿色化的定义和内涵。LIUJY等为钢铁企业开发了一种能量流分析模型，指出能量流的输入和输出值对能量分析和评价有很大的影响，因此要注意各工序之间的密切配合，减少各类能量介质的耗散，及时合理地回收工艺废热和废能，从而以最大的效率优化利用这些资源，实现钢铁工业的可持续发展。OSTROVSKIO等对直接炼铁工艺的能量进行了分析，认为在尾气利用率较低的情况下，通过提高传热效率和后燃比(post-combustionratio)，可以有力地提高直接炼铁工艺的燃料效率，当尾气得到有效利用时，后燃比和传热效率对总燃料效率的影响将会小得多。刘鹏等建立了回转窑-电炉冶炼镍铁合金的物质流和能量流分析模型，采用协同分析方法评价系统间的协调程度。在钢厂智能化、绿色化发展过程中，物质流与能量流协同优化是亟需解决的问题，建立钢厂固废协同处理模型对钢厂固废的研究有重大意义。对于钢厂固废中含水率高、热值低的焦油渣、轧线油泥等可通过多膛炉进行热解处理，高炉布袋灰、转炉干灰等含锌铅难处理固废采用成熟的转底炉工艺进行高温直接还原，电炉粉尘等高锌铅固废可通过熔态电炉进行熔融还原。因此，针对炼钢厂不同类型固废的特点，本文提出了一种多膛炉-转底炉-熔态电炉协同处理钢厂固废的工艺流程。本文基于质量守恒和能量守恒定律，建立了新工艺的物质和能量流动解析模型，分析了不同炉料结构对协同系统的影响，对不同指标参量的协同度变化进行了研究，得出了协同度较好时新工艺的原料组成方式。

2、精选图表3、结论本文提出了一种多膛炉-转底炉-熔态电炉协同处理钢厂固废的工艺流程，对该工艺进行了物质流和能量流分析，研究了不同炉料结构对此工艺流程的影响，对不同指标参量的协同度变化进行了探究。得出以下结论：1)多膛炉、转底炉和熔态电炉的协同处理工艺包括多膛炉热解焦油渣、转底炉直接还原和熔态电炉冶炼3个单元，工艺的协同可以达到节能减排的效果。2)电炉粉尘生球团与金属化球团1∶1投入熔态还原电炉生产1t铁水，随着金属化球团金属化率的增加，渣量和所得二次锌粉量变化不大，金属化率的变化对熔态电炉系统烟气量的生成影响较大，随着金属化球团金属化率的增加烟气量明显降低，金属化率为80%的热装金属化球团的系统耗电量低至1124.0kW·h/t。3)随着熔态电炉入炉料中电炉粉尘生球团质量占比增加，所得烟气量、渣量、二次锌粉量分别呈不同斜率线性增长，吨铁电耗增加，热装金属化球团的大量使用对于能耗的减少作用更为显著,电炉粉尘生球团质量分数由30%增长到80%，冷、热装料电耗差由相差200kW·h/t