王敏，劉思遠

內容導讀：介紹了高爐水渣系統底濾法工藝和機械轉鼓法工藝在操作維護、自動化程度、節能環保等方面的優缺點。在新的環保形勢下，底濾法工藝和轉鼓法工藝均面臨著改善生產環境的壓力，特別是重點治理水渣系統白色煙羽的要求下，消白工藝應運而生。文章分析了水渣系統白羽產生的機理以及消白工藝的原理，并對環保型底濾法工藝和轉鼓法工藝進行了綜合對比評價，針對性地提出了選擇環保型水渣系統工藝路線的建議。

水渣系統是高爐煉鐵工藝的一個重要組成部分，隨著各地政府的環保政策日益趨嚴，水渣系統的環境保護問題也日益突出，特別是部分地方政府環保部門明確要求對高爐水渣系統產生的白羽進行治理，因此水渣系統逐漸成為鋼鐵企業環境治理的重點關注對象。近年來，伴隨鋼鐵企業轉型升級、淘汰落后及過剩產能、實現綠色低碳生產的需要，很多鋼鐵企業通過產能置換的方式建設了新型現代化高爐， 在新的高爐系統建設中必然面臨著如何選擇水渣系統工藝的問題，很多鋼鐵企業都有如下困惑：如何在平衡生產操作、運行維護成本、投資占地、特別是滿足環保要求等綜合因素的前提下，選擇最適宜企業的水渣系統工藝。本文通過對不同水渣系統工藝的對比分析，希望能為鋼鐵企業合理選擇水渣系統工藝提供有益的幫助。

典型高爐水渣系統工藝及運行特點

典型的高爐水渣系統工藝按渣、水分離方式不同，可以分為兩種：一是沉淀過濾法，有渣池式、水力輸送沉淀池、底濾法、拉薩法等；二是機械過濾法，有轉鼓過濾器法、輪法、攪籠法、圓盤法等^[1]。目前上述兩種方法中，沉淀過濾法應用最多的是底濾法，機械過濾法應用最多的是轉鼓過濾器法，這兩種方法在現代高爐系統中應用最為廣泛，占主導地位。本文著重介紹底濾法、轉鼓過濾器法兩種方法。

底濾法

渣水混合物流入沉渣池，采用抓斗起重機抓渣，渣池內的水則通過渣池底部的過濾層進行排水，底濾法水渣工藝在 1500 m³ 以下中小型高爐上應用最為廣泛。

底濾法優點^[2]

1) 作業率高：底濾法在線設施沒有機械設備，因此設備故障率低，作業率相對比較高，只是需要定期更換渣池過濾層濾料。

2) 系統循環水較干凈：渣水分離是通過過濾層實現，渣水分離效果好，因此循環水水質好，沖渣泵可以使用清水泵，維護成本低，循環水可以比較方便實現余熱回收利用，換熱器不易堵塞。

3) 維修成本低：渣水分離主線幾乎沒有機械設備，設備維護成本很低。

底濾法缺點

1) 占地面積大，通常是轉鼓機械法的兩倍以上。

2) 環境差，蒸汽排放無序，對人體健康有害。

沖渣產生的蒸汽含有多種有害元素和細小懸浮物，主要由 H₂S、氰化物和水蒸汽構成。H2S 是可燃性無色氣體，長期反復的吸入會引起嗅覺的減退，以及神經衰弱綜合癥和植物性神經功能障礙。

3) 蒸 汽 對 周 邊 設 施 損 壞 較 大 ， 蒸 汽 中 含 有H₂S 氣體，H₂S 呈弱酸性，對鋼鐵設備具有腐蝕性，設備長期處于濕熱、弱酸的環境當中，加速了設備的腐蝕老化，電路故障頻發。

4) 自動化程度低，需要采用抓斗起重機進行抓渣操作，水渣經常需要二次倒運，增加鏟車及運輸汽車生產費用。

5) 抓斗工作效率低，尤其是對大型高爐，隨著高爐爐容的加大，留給底濾法水渣系統的清渣時間越來越少，但是處理的渣量是越來越大，人工抓渣以及抓斗設備愈加不能適應其工況，工人勞動強度增大，生產危險性也增大。

6) 濾池發生板結，高爐水渣具有水硬凝膠的特性，造成濾池濾料與渣水混合物中的細纖維板結，嚴重影響過濾層濾水性，長時間的循環富集，造成凝膠物質越來越多，容易導致板結，堵塞過濾層。

7) 對補充水水質要求較高：由于環保要求，工業廢水不允許直接外排，因此很多企業的工業廢水都提供給水渣系統作為生產補充水，主要來源是焦化水、脫硫水。焦化水中的酚氰類有機物能與許多酸性物質發生反應生成凝膠物質，這些凝膠物與水渣聚集引起結垢。脫硫水懸浮物含量高，降低過濾層過濾效果，加快板結的形成。由此可見，工業廢水不適宜作為底濾法水渣系統的補充水。正常渣池過濾層壽命一般在 1.5~2 a，如果使用工業廢水，濾層壽命僅有 0.5~1 a，因此，很多企業為了提高過濾層壽命，不得不使用工業新水作為水渣系統補充水，提高了生產成本。

8) 更換濾料時間長，由于渣池過濾層板結，造成更換過濾層特別困難，需要很長時間，一般需要時間為 15~20 d。

轉鼓過濾器法

高爐熔渣被粒化箱噴出的高速水流粒化冷卻，渣水混合物在轉鼓過濾器中進行渣水分離，隨著轉鼓過濾器的旋轉，脫水后的水渣直接落到膠帶運輸機上運至水渣成品槽貯存，濾出的水循環使用。

轉鼓法優點

1) 占地面積小，由于沒有過濾池，只有小型沉淀池，大大減少了占地面積。

2) 自動化程度高，完全實現無人值守，水渣過濾和運輸實現一體化，過濾后的水渣直接由膠帶運輸機自動運輸。脫水轉鼓的轉速能夠根據渣流量大小進行自動調整。

3) 機械設備少，維護作業量小。

4) 環保效果好，相比于底濾法工藝，轉鼓法工藝基本實現全密封，沖渣時產生的蒸汽收集效果好，可以通過煙囪集中排放，大大改善了爐前環境。

5) 脫水轉鼓工藝設備成熟，適應不同級別的高爐爐型，目前已經在 5500 m³ 高爐上進行了成熟的應用。

轉鼓法缺點

1) 轉鼓法的脫水器濾網磨損后需要更換，為不影響生產，一般利用兩次出渣間歇期進行，對工人的操作水平和熟練程度要求比較高。

2) 由于脫水器采用金屬濾網進行渣水分離，過濾精度低，過濾后的水中懸浮物相對比較高，因此，沖渣泵不能采用清水泵，需要采用渣漿泵，投資和維護成本增加。

3) 由于過濾后的水質較差，對沖渣水采暖工藝造成了一定困難，造成采暖工藝水過濾器容易堵塞，轉鼓法沖渣水需要嚴格的過濾工藝才能用于沖渣水采暖。

水渣白羽治理與環保型水渣處理工藝隨著環境治理要求的提高，環保型水渣處理工藝成為目前高爐水渣系統的必備配置，水渣系統環保治理的重點對象就是沖渣時產生的白羽。

水渣白羽

水渣白羽的形成

煉鐵高爐水沖渣系統產生大量濕度大的濕空氣，或含濕量大的煙氣，在排放過程中遇到冷空氣迅速放熱降溫，濕空氣、煙氣中部分汽態水凝結成細小水滴，在可見光及太陽照射下表現為白色煙羽(簡稱白羽)。從熱力學機理上，白羽就是不飽和 (無白羽) 或飽和 (臨界點) 的濕空氣、濕煙氣與空氣混合后，迅速傳熱傳質過程，濕空氣、濕煙氣進入到了過冷狀態，就出現了白羽，如圖 1 所示。

白羽的危害

1) 冬季生產水渣系統會產生大量白羽，特別是底濾法水渣工藝，白羽排放無組織，四處彌漫，對高爐出鐵場生產環境影響極大，操作工人視覺收到極大影響，造成安全隱患。

2) 白羽對出鐵場周邊建筑物及工業管道腐蝕性強，經常 3 a 左右就要更換出鐵場鋼結構外墻封板以及工業管道，提高了生產維護成本。

3) 視覺效果差，對高爐系統的美觀造成了破壞，極大影響了環保生產的效果，亟需治理。

如何消除白羽

從機理上，治理白羽，就是使濕煙氣在與空氣混合后的傳熱傳質過程中，混合氣體的狀態點軌跡不進入到飽和線下的白羽可見區域。由圖 2 可見，處理后的煙氣工況點濕度小于排煙點，溫度高于排煙點。因此，消除白羽的措施是，脫濕、加熱。目前消白工藝已經在北方地區進行了應用，取得了很好的環保效果，改善了高爐爐前操作環境。

環保型底濾法渣處理工藝

在傳統底濾法渣處理工藝的基礎上，逐漸發展出了環保型底濾法渣處理工藝，主要是采取了如下環保提升措施：在熔渣溝沖渣點處設計粒化塔，充分收集沖渣點處的大量水蒸汽，縮短沖渣溝，減少蒸汽飄逸，底濾池進行封閉，沖渣水設計冷卻塔，降低沖渣水溫度，降低沖渣水的汽化量，各水蒸汽發生點封閉后統一收集進行消白處理。采用消白工藝等環保措施后，底濾法渣處理工藝的生產環境大幅提升，夏季基本沒有視覺白羽產生，冬季生產環境也大幅改善，但是，環保型底濾法工藝在冬季仍存在白羽飄逸的問題，主要是底濾池部位，在抓渣時仍然不可避免的會產生白羽，這是底濾法工藝目前采用抓斗起重機進行人工抓渣操作不可避免的缺陷。

環保型轉鼓法渣處理工藝

轉鼓法渣處理工藝相比于底濾法工藝具備先天環保優勢，但冬季也有局部蒸汽彌漫，同時脫水器上方的煙囪也排放出大量白羽，視覺效果較差。環保型轉鼓法具體環保提升措施：沖渣水設計冷卻塔，降低沖渣水溫度，降低沖渣水的汽化量。同時，轉鼓法在已有的比較好的封閉效果上，進一步完善封閉后各水蒸汽發生點統一收集進行消白處理，徹底消除視覺白羽，采用消白等環保措施后，轉鼓法渣處理工藝環保效果較佳。

從表 1 中可以看出，兩種水渣工藝各有優缺點，由于目前兩種工藝投資差距不大，現有企業更多的是從生產作業率、生產操作的連續性為出發點來選擇渣處理工藝，但是，在新的環保形式下，如何適應國家和地方政府環保政策，滿足企業生存發展需要，合理選擇渣處理工藝是鋼鐵企業面臨的問題。

環保型渣處理工藝選擇

建議鋼鐵企業根據如下原則選擇渣處理工藝：

1) 大型高爐 (有效容積 2500 m³ 以上) 渣處理工藝選擇：建議選擇轉鼓法渣處理工藝，大型高爐具有 3~4 個鐵口，需要設計兩套渣處理系統，選擇轉鼓法渣處理工藝，發揮轉鼓法渣處理系統占地面積小的特點，實現爐前工藝布置緊湊，美觀。大型高爐工藝設備配置高，自動化程度要求高，機械轉鼓法渣處理工藝代表了煉鐵技術發展的方向，而底濾法不適合大型高爐的工藝布置，具體表現在占地面積大，爐前工藝布置擁擠，自動化程度低，環保設施差，與大型高爐的高標準配置不匹配。

2) 南方地區鋼鐵企業渣處理工藝選擇：南方地區為非采暖地區，沖渣水采暖的需求不大，因此優先選用轉鼓法渣處理工藝，不會受到沖渣水質的限制。沖渣水用作采暖主要是北方冬季使用，采暖用水對水質有一定的要求，若水中雜質不達標，則水中雜質容易淤積、堵塞采暖系統中的管道、閥門及換熱器。目前采暖工藝采用的是底濾法的沖渣水，經水渣自身及鵝卵石過濾后，再進入過濾器中濾除其中的微小懸浮物，過濾后進人采暖主管道。從施工角度考慮，南方水資源豐富，地下水水位較淺，底濾法的水渣池占地面積大，地下基礎深，會導致土建施工 (防水支護) 費用升高，南方地區采用底濾法不經濟。

3) 北方地區鋼鐵企業渣處理工藝選擇：如果地方政府對水渣系統白羽治理要求嚴格，優先選擇轉鼓法渣處理工藝，特別是針對北方地區的鋼鐵企業，冬季治理白羽的難度大，而轉鼓法渣處理工藝消白效果更好，實施起來更容易。如果允許白羽適量排放，可以選用環保型底濾法工藝，在滿足對白羽進行治理的前提下，又能充分發揮底濾法工藝適宜沖渣水采暖的優勢。

結束語

1) 高爐渣的水淬處理仍是目前主要的高爐渣處理方法，因此，在日益嚴格的環保形勢下，無論是底濾法還是機械轉鼓法，都要進一步提升環保設計，實現綠色生產，通過煉鐵工作者的努力，目前高爐水渣系統環保提升已經取得了比較大的技術進步。

2) 大型高爐 (有效容積 2500 m³ 以上) 建議選擇轉鼓法渣處理工藝，自動化水平高，占地小；南方地區建議選擇轉鼓法渣處理工藝，原因是沖渣水采暖的需求不大，不會受到沖渣水質的限制，轉鼓法施工成本低；北方地區根據地方政府對水渣系統白羽治理要求并結合沖渣水采暖工藝的需求，選擇合適的水渣處理工藝。

3) 積極研發新的高爐渣處理形式，用干法代替傳統水淬^[3] ，徹底消除水淬法的生產弊端，同時努力回收高爐熔渣顯熱，提升能源回收效率。

參考文獻

[1] 項鐘庸, 王筱留, 湯清華, 等. 高爐設計-煉鐵工藝設計理論與實踐. 北京:冶金工業出版社, 2014：681

[2] 周凡. 高爐水沖渣系統降本增效、清潔生產的設計與實踐. //第九屆中國鋼鐵年會論文集. 北京: 冶金工業出版社, 2013

[3]王海風, 張春霞, 齊淵洪, 等. 高爐渣處理技術的現狀和新的發展趨勢. 鋼鐵, 2007(6)：83