吳龍 郝以黨 吳躍東
(1.中冶建筑研究總院有限公司 北京 100088；
2.中冶節能環保有限責任公司 北京 100088)
摘 要：我國鋼渣產生量大，環保要求日益嚴格，鋼渣的潔凈化處理及資源利用日益迫切。本文介紹了鋼渣輥壓破碎余熱有壓熱悶技術的工藝路線和配套專用裝備，并進行了有壓熱悶蒸汽余熱發電中試試驗，對鋼渣余熱利用進行了工藝探索，實現了鋼渣余熱回收的突破。鋼渣輥壓破碎余熱有壓熱悶技術裝備自動化水平高，鋼渣處理效果好，是一種新型綠色環保的現代緊湊流程渣處理方式，具有清潔化、裝備化、資源化、鋼渣不落地、占地面積小等特點，將鋼渣處理由工程機械作業方式提升為裝備化、自動化作業，為鋼渣的環保處理提供了條件，應大力推廣應用。
關鍵詞：鋼渣；資源利用；熱悶
1 前言
鋼渣是伴生煉鋼過程產生的固體廢棄物，每冶煉一噸約產生12~15%的鋼渣。2018年我國鋼渣總產生量約1.2億噸，鋼渣產生量十分巨大。鋼渣主要成分由硅酸鈣類礦物、金屬鐵和鐵氧化物等化學物質組成。硅酸鈣類礦物及其他成分主要由硅酸二鈣（2CaO·SiO2）、硅酸三鈣（3CaO·SiO2）、橄欖石（CaO·RO·SiO2）、薔薇輝石（3CaO·RO·2SiO2）以及RO相（MgO、MnO、FeO的固溶體）等組成。
目前鋼渣主要作為建筑材料和道路用料，但由于鋼渣中含有一定的游離鈣鎂氧化物，鈣鎂氧化物遇水膨脹，帶來了鋼渣作為建筑等材料的安性性問題，致使大量的鋼渣無法有效利用。2019年，我國鋼渣實際利用率不到30%，鋼渣資源浪費，占用大量土地，并可能污染環境，迫切需要合理的處理方式和消化途徑。近年來我國環境排放標準日益提高，鋼渣的資源化和環境排放要求的提高對鋼渣處理利用技術也提出了更高的要求。本文對鋼渣處理技術的發展進行了闡述，詳細介紹了鋼渣輥壓破碎余熱有壓熱悶工藝及開發歷程，并針對鋼渣輥壓破碎余熱有壓熱悶理術的應用實踐進行了闡述。
2 鋼渣熱悶原理和技術發展
2.1 鋼渣熱悶原理
煉鋼過程添加大量石灰，由于造渣時間較短，過量的CaO、MgO還未能完全熔化，以游離態在鋼渣中包裹。鋼渣熱悶處理是在密閉容器內利用鋼渣余熱，對熱態鋼渣進行打水產生過飽和水蒸氣，促進鋼渣中f-CaO和水蒸氣快速反應消解。熱悶過程中發生復雜的物理和化學作用，具體特點如下：
（1）鋼渣急冷破裂。高溫鋼渣遇到大量水產生急劇溫降，熔渣快速冷卻過程中各礦物發生劇烈的相變，產生應力使鋼渣破裂。
（2）汽蒸作用。高溫渣和熱悶打水反應產生大量溫度在105℃以上、且具有一定壓力的過飽和水蒸汽。這種環境促進了水蒸汽向破裂的鋼渣縫隙內擴散、滲透，有利于f-CaO消解反應的進行。
（3）硅酸二鈣(C2S)晶型轉變。在鋼渣從750℃冷卻到650℃過程中，硅酸二鈣(C2S)由β- C2S轉變為γ- C2S，體積膨脹10%，鋼渣繼續碎裂。
（4）鋼渣和過飽和水蒸氣封閉條件下f-CaO與水反應生成Ca(OH)2，體積膨脹98%，f-MgO與水反應生成Mg(OH)2，體積膨脹98%。
鋼渣熱悶即基于上述的物理化學作用破碎、粉化，消除了鋼渣不穩定性，促進了渣鐵分離。鋼渣熱悶過程發生的主要反應為游離氧化鈣和游離氧化鎂的反應。鋼渣中f-CaO因過燒而結晶致密，活性差，常溫下水化反應慢，自然條件下往往需要數年的時間才能全部消解。水蒸氣濃度含量越大，壓力越高越有利于f-CaO的消解反應，且在反應能夠進行的條件下溫度越高反應速率也較快。
2.2 鋼渣熱悶技術的發展
為解決鋼渣快速破碎和安定性問題，中冶建筑研究總院與有關單位于1992年研究成功第一代鋼渣熱悶處理技術，是將鋼渣熱潑，落地冷卻到400℃左右再鏟運傾倒在熱悶裝置內，蓋上蓋密封噴水產生蒸汽，和鋼渣發生物理力學和化學反應而開裂粉化。但存在鋼渣熱潑落地環境污染、占地面積大、處理時間長等缺點。
2004年成功開發第二代鋼渣熱悶處理技術。為了縮短鋼渣處理周期，將液態鋼渣熱潑落地，冷卻到800℃時用鏟車或抓斗機將鋼渣運往熱悶裝置傾翻，然后蓋上蓋密封噴水熱悶。第一代熱悶裝置內襯鋼板在800℃易變形，第二代工藝采用耐熱鑄鐵板作內襯。存在的問題是沒有徹底解決鋼渣熱潑落地環境污染、占地大的問題，并存在800℃鋼渣損壞抓運設備的問題。
2008年成功第三代熔融鋼渣熱悶處理技術，是將1650℃左右的鋼渣直接傾翻在熱悶裝置內，噴水使其表面固化，然后蓋上裝置蓋間斷噴水，直到鋼渣溫度降到65℃左右時熱悶結束。該技術基本解決了以往的占地和環保排放問題，但仍存在裝備自動化水平不夠高、熱悶周期仍較長的問題。
2012年成功研發第四代鋼渣熱悶處理技術即熔融鋼渣輥壓破碎—余熱有壓熱悶新技術。先后進行實驗室模擬實驗和中試試驗后，并最終在河南省濟源鋼鐵（集團）有限公司建設了示范生產線，實現了工業化生產，在熱悶技術裝備和自動化水平實現了巨大的進步。
3 鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶新技術
圍繞有壓熱悶工藝，中冶建筑研究總院研發了系統的工藝裝備技術，其中核心裝備主要有鋼渣輥壓破碎裝置和有壓熱悶罐，具體如圖1所示。
圖1鋼渣有壓熱悶主要裝備
熔融鋼渣高效罐式有壓熱悶處理技術大致可分為鋼渣輥壓破碎和余熱有壓熱悶兩個階段。輥壓破碎階段主要是完成熔融鋼渣的快速冷卻、破碎，此階段的處理時間約30min，經過此階段的處理，可將熔融鋼渣的溫度由1600℃左右冷卻至600℃左右，粒度破碎至300mm以下。余熱有壓熱悶階段主要是完成經輥壓破碎后鋼渣的穩定化處理，此階段的處理時間1.5-3h，處理后鋼渣的穩定性良好，其游離氧化鈣含量小于2.5%，浸水膨脹率小于1.5%。
鋼渣余熱有壓熱悶技術配套自主研發的關鍵工藝裝備主要有：渣罐傾翻車、輥壓破碎機、渣槽轉運臺車和鋼渣有壓熱悶裝置。此種鋼渣處理新工藝與目前使用比較廣泛的鋼渣池式熱悶工藝相比較，滿足現代煉鋼鋼渣處理高效化、裝備化、安全清潔化生產要求，使得鋼渣處理過程更加清潔高效，改善了現有鋼渣穩定化處理工藝操作環境差，工人勞動強度大和處理周期長等不足。
鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶技術與現有常壓池式熱悶技術相比，具有以下幾個獨特優勢：
（1）熱悶周期短，約2h，處理效率高，與普通現有常壓池式熱悶工藝相比縮短7-10h；
（2）自動化水平高，工作定員人數少；
（3）處理過程潔凈化程度高，作業環境好，環保水平高；
（4）熱悶后的鋼渣粉化率高，粒度小于20mm的鋼渣含量大于70%，浸水膨脹率小于2%，穩定性好；
（5）鋼渣處理生產過程煙氣排放濃度<10mg/Nm3，滿足超凈排放要求。
（6）建設成本和運營成本低，運營成本可節約40%。
有壓熱悶罐處理是全密閉體狀態下進行的，相比以往鋼渣處理技術潔凈化程度更高，更加環保；此外，有壓熱悶罐處理過程在封閉罐體內產生大量蒸汽，可望進行整合發電，為鋼渣顯熱的回收利用創造了條件。
4 有壓熱悶余熱發電探索試驗
在科技部環保院所技術開發研究專項經費的支持下，自2012年針對鋼渣余熱回收技術進行研究。有壓熱悶工藝為鋼渣余熱回收發電提供了連續、有壓、可控的高溫蒸汽，具備進行發電回收鋼渣余熱的物質條件基礎。
2015年起，項目研發團隊在滄州中鐵進行有壓熱悶發電中試試驗的準備工作，于2016年初完成中試試驗線建設。本發電熱源來源于滄州中鐵鋼鐵公司鋼渣處理車間熱悶反應罐產生的有壓蒸汽，蒸汽管道共接自兩個熱悶罐，經由蒸汽主管道送至汽水熱交換器進行換熱。
鋼渣余熱有壓熱悶蒸汽溫度120℃，壓力0.2-0.4MPa，采用有壓熱悶蒸汽經換熱器加熱其中的密閉循環水，加熱后的循環水進而加熱發電工質，最終通過工質驅動發電機發電。圖2為有壓熱悶余熱發電中試試驗現場。
圖2鋼渣有壓熱悶余熱發電中試現場
2016年鋼渣有壓熱悶余熱發電中試試驗結果表明，該試驗線運行穩定，可靠，通過整合有壓熱悶蒸汽可進行發電；通過該方式進行鋼渣余熱發電可望實現噸鋼渣發電量3~5kWh，未來可進行更大規模的發電工業試驗，實現鋼渣余熱的回收利用。
5 工業生產推廣應用
鋼渣輥壓破碎余熱有壓熱悶處理工藝技術在經過一系列系統化研究和工業優化設計后，已成功應用于國內首鋼京唐鋼鐵有限公司、江蘇鑌鑫鋼鐵有限公司等26家鋼鐵企業，并出口至“一帶一路”沿線馬來西亞聯合鋼鐵集團，累計建設鋼渣處理生產線54套，合同金額23.54億元。
2012年10月，河南濟源鋼廠完成了首套產業化示范推廣應用工程。現已投產運行超過8年，生產經驗表明，采用該技術鋼渣處理效果良好，實現處理后的鋼渣中-20mm粒級超過75%，游離氧化鈣含量小于2.5%，浸水膨脹率小于1.5%，尾渣中金屬鐵小于1.5%。
圖3 河南濟源鋼鐵60萬噸/年鋼渣處理生產線現場
2017年由中冶節能環保有限責任公司EPC總承包的江蘇鑌鑫鋼鐵集團70萬噸/年鋼渣有壓熱悶處理及加工提純生產線工程一次帶料成功，順利投產，該項目首次采用鋼渣立式有壓熱悶技術。鋼渣立式有壓熱悶技術是中冶節能環保有限責任公司在臥式有壓熱悶技術的基礎上，對工藝流程重新進行優化，取消裝渣車運轉與軌道對接等工序，大多縮短了原有工藝流程。該技術在未經過任何工業試驗的基礎上直接在實際過程中應用，運行效果取得了業主的認可與好評。
2019年5月，首鋼京唐鋼鐵有限公司設計能力60萬噸/年鋼渣處理生產線正式投產。系統裝備運行穩定可靠，鋼渣處理效果良好。項目針對鋼渣生產過程煙氣治理實施濕式電除塵器濕法除塵技術，實現了鋼渣處理過程煙氣排放濃度穩定達到<10mg/Nm³的超低排放效果。項目是本技術及裝備成功首次應用于國內一流鋼鐵企業，有力的推動國內鋼渣處理利用項目開拓。
圖4 首鋼京唐60萬噸/年鋼渣處理生產線現場
聯合鋼鐵（大馬）集團鋼渣處理生產線設計能力50萬噸/年，該生產線于2018年6月正式投產，現已投產運行2年多。系統裝備運行穩定可靠，鋼渣處理效果良好。項目針對鋼渣生產過程煙氣治理實施濕式電除塵器濕法除塵技術，實現了鋼渣處理過程煙氣排放濃度穩定達到<10mg/Nm³的超低排放效果。項目是本技術及裝備成功出口至“一帶一路”沿線馬來西亞，為鋼渣處理技術的國際市場應用建立了典型示范。
圖5 聯合鋼鐵（大馬）集團60萬噸/年鋼渣處理生產線現場
6 結語
近年來，我國工業發展迅速，環境問題也日益嚴重，鋼渣的資源化利用也日益緊迫。以鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶技術為代表的鋼渣預處理技術具備更高的裝備化、自動化水平，可實現鋼渣處理的高效化、連續化生產，鋼渣處理效果好，系統裝備占地少，配套土建、公輔投資低。新技術在鋼渣處理具有更為顯著的技術優勢以及極具競爭力的價格優勢。此外，本技術應用過程更加環保等優點，能夠滿足我國日益提高的環境排放標準，符合裝備化自動化提升需求，是未來鋼渣處理技術應用的可靠選擇。目前國內50%以上的鋼渣處理仍采用落后的熱潑生產工藝，當前形勢下鋼鐵企業應提高鋼渣處理的技術水平和裝備水平，以滿足日益嚴格的環保要求。加快淘汰鋼渣熱潑等落后的處理方式，大力推廣鋼渣輥壓破碎余熱有壓熱悶技術技術，早日實現鋼渣的清潔化、高效化、裝備化處理。