凌友鋒¹，霍朋亮¹，王新鳳²

1.中鋼（石家莊）工程技術有限公司，河北  石家莊

2.中鋼石家莊工程設計研究院有限公司，河北  石家莊

摘要：對現有鋼渣熱悶工藝進行研究對比，提出反向浸水鋼渣熱悶工藝的應用方案，通過給排水方式以及熱悶坑的優化設計，在不使用壓力容器的前提下提高鋼渣熱悶效率，改善熱悶后鋼渣性能指標，保證鋼渣熱悶生產過程顆粒物排放指標達到超低排放要求。

關鍵詞：鋼渣熱悶；反向浸水；常壓熱悶

1  前言

鋼渣是煉鋼生產過程產生的固體廢料，排出量為煉鋼產量的10-15%。隨著國內鋼鐵行業迅猛發展，鋼渣排出量逐年增加。在大力提倡綠色發展，雙碳雙控政策大背景下，如何無害化處理鋼渣，實現綠色循環，變廢為寶，日益得到鋼鐵企業及環保部門的關注。中鋼（石家莊）工程技術有限公司對鋼渣熱悶工藝進行了深入研究開發，利用反向浸水技術對鋼渣熱悶生產線的建設及改造提出了新的工藝方案。

2  鋼渣熱悶機理

鋼渣熱悶處理是在容器內利用鋼渣余熱，通過對熱態鋼渣打水，使鋼渣中游離態f-CaO、f-MgO與水或水蒸氣快速反應消解，從而達到渣-鐵分離，游離態f-CaO、f-MgO穩定化處理的目的。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急劇溫降，在快速冷卻過程中，熔渣中各礦物發生劇烈相變，產生應力，使鋼渣破裂。

2. 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：

f-CaO + H2O → Ca(OH)₂ 體積膨脹97.8%

f-MgO + H2O → Mg(OH)₂ 體積膨脹148%

鋼渣中f-CaO及f-MgO因過燒而結晶致密，活性差，常溫下消解反應慢，自然條件下往往需要數年的時間才能全部消解。熱悶過程產生的水蒸氣壓力越高，越有利于其消解反應，且溫度越高反應速率也較快。

3.可燃氣體產生。高溫鋼渣在熱悶打水過程中，H₂O與鋼渣中殘余的C產生大量CO及H₂，即水煤氣：

C+H₂O高溫→CO+H₂

C+2H₂O高溫→CO₂+2H₂

可燃氣體的產生，使鋼渣熱悶過程有爆炸隱患。

4.鋼渣中的金屬鐵暴露在空氣中，進一步氧化生成Fe₂O₃，不能通過磁選工藝選出。

3  給排水方式對鋼渣熱悶的影響

目前國內應用比較多的鋼渣熱悶工藝主要有坑式熱悶和有壓罐式熱悶。其中有壓罐式熱悶，熱悶過程在壓力容器內進行，利用熱悶過程產生大量過飽和水蒸氣并通過壓力容器保持一定壓力，促進了水蒸氣向破裂的鋼渣縫隙內擴散、滲透，使熱悶效率大幅提高。但兩種工藝均采用的上部噴淋注水，容器底部自流排水給排水的方式，存在如下局限性：

1.不能保證鋼渣與水充分接觸。在給排水過程中，水處于無序自流狀態，尤其是在上部存在大塊鋼渣的情況下，容易形成“傘蓋效應”，下部的鋼渣很難接觸到水。這種現象在坑式熱悶中尤其嚴重，即便通過12-14小時熱悶，仍然不能完全避免有紅渣存在。有壓罐式熱悶工藝雖然在前道工序對鋼渣進行碾壓破碎，但并不能完全消除大塊鋼渣，“傘蓋效應”仍然存在；

2.有壓罐式熱悶壓力容器的作用并不能完全發揮。有壓熱悶一般設定的工作壓力為0.3MPa，實際生產中給水初期水蒸汽迅速達到工作壓力并開始快排，同時不斷注入冷水，使鋼渣溫度迅速降低，后期沒有足夠的熱量保持容器內的工作壓力。據生產數據統計，0.3MPa的工作壓力只能保持60分鐘左右，然后水溫及蒸汽溫度開始下降，至90分鐘左右，已經基本是常壓狀態。同時，由于設備維護、操作等方面原因（比如固態罐排水孔堵塞），壓力容器內蒸汽壓力與鋼渣容器內部壓力不一致，從而造成鋼渣消解反應的程度并不均勻，尾渣指標不穩定；

3.以上兩種工藝都存在可燃氣體富集的傾向，有爆炸隱患；

4.有壓罐式熱悶首先需要對熱態鋼渣攤平進行碾壓破碎及冷卻，鋼渣中的金屬鐵較長時間暴露在空氣中，一部分形成Fe₂O₃，降低了磁選工序金屬鐵的收得率；

5.以上兩種工藝，對蒸汽的回收利用都沒有很好的解決方式。

4  反向浸水工藝的優勢

 反向浸水工藝的主要特點是，區別于傳統頂部噴淋底部排水的給排水方式，通過特制的給排水裝置，實現在容器底部給水并排水，熱悶過程不排水并保持水位浸泡鋼渣，充分利用鋼渣余熱產生的高溫水對鋼渣進行“水煮”，從而達到促進鋼渣消解反應，縮短鋼渣熱悶時間。該工藝具有如下優勢：

1.熱悶效率高。采用反向浸水工藝，容器內水溫始終保持在100℃ 以上，鋼渣完全浸泡在熱水中。而且，注水初期產生的蒸汽上浮對上部鋼渣有“汽蒸”作用，較高的水溫和“汽蒸”均有利于消解反應。坑式熱悶5-6小時，罐式熱悶3-3.5小時左右，就可以獲得更好的熱悶效果；

2.粉化效果好。反向浸水避免了大塊鋼渣對下部鋼渣形成的“傘蓋效應”以及冷卻水無序流動，鋼渣與水無死角完全接觸，消解反應更充分而且均勻。熱悶后的鋼渣中粒徑~25mm以下的鋼渣占比達到80％以上，同時確保出渣時不會有紅渣存在，可以不經過堆存冷卻，直接使用皮帶運輸。較好的粉化效果，有利于金屬鐵的回收，采用該工藝熱悶的鋼渣，經磁選后尾渣的金屬鐵含量可以達到1%以下；

3.消解反應均勻徹底，熱悶后鋼渣指標穩定，為尾渣進一步深加工創造了有利條件。采用反向浸水工藝后，尾渣的浸水膨脹率可以穩定在2%以下，深加工后作為建筑材料原料或筑路材料，已經有比較多的應用案例；

4.水耗低。根據實際生產統計，坑式熱悶采用上部噴淋工藝，供水方式為連續供水，循環水量約2.3t/h.t渣，如果采用反向浸水工藝，則供水方式為間斷供水，循環水量僅為0.5t/h.t渣，可以有效降低熱悶濁環水設施的投資及能耗；

5.避免可燃氣體聚集，消除爆炸隱患。由于反向浸水過程中產生的可燃氣體自然上浮，此時鋼渣表面仍是紅熱狀態，可燃氣體充分燃燒，不存在聚集爆炸的隱患；

6.余熱回收更容易實現。首先，工藝本身更充分利用了鋼渣余熱。同時，可燃氣體燃燒后產生大量顯熱，通過對高溫煙氣回收換熱可制造潔凈的飽和蒸汽，用于發電或直接拖動除塵主電機，甚至通過SHRT技術實現對其他用電設備反向送電。

5  反向浸水工藝的應用

1.熱悶坑改造

目前國內采用坑式熱悶的企業，因煉鋼產能提高，普遍存在現有鋼渣處理設施能力不足的問題，從而被迫壓縮熱悶時間，造成鋼渣二次處理破碎困難，金屬鐵回收率低。通過反向浸水工藝改造，熱悶時間5-6小時就可以達到理想的熱悶效果，把原有熱悶坑的處理能力提高30%以上。由于鋼渣熱悶后粉化效果提升，可以簡化二次處理工藝設備，并使金屬鐵回收率大幅提高。目前已有多家鋼鐵企業實施了改造，并成功取得顯著效果。

某廠改造前后鋼渣粒徑對比：

2.反向浸水一體化熱悶坑

在對原有熱悶坑反向浸水改造成功的基礎上，中鋼（石家莊）工程技術有限公司針對坑式熱悶工藝裝渣過程煙氣難收集的問題，對熱悶坑進行熱悶坑-受料槽-集塵罩一體化設計，通過控制集塵罩蓋板的開閉，實現裝渣、出渣過程在半封閉空間操作，熱悶過程在全封閉空間操作，從而保證了煙氣有效捕集。同時，鋼渣出渣采用皮帶運輸，鋼渣處理全過程“渣不落地”，保持車間地面整潔。

以鋼渣處理能力80萬噸/年生產線為例，主要工廠設計參數如下：

由上表對比可見，經過一體化設計的反向浸水熱悶坑，所需的除塵器總風量相同，排放指標達到同樣標準。在解決煙氣捕集前提下，反向浸水熱悶坑的方案具有以下優勢：

1) 占地面積小，建設成本低。首先，反向浸水熱悶坑的主要工藝設備以混凝土及鋼坯為主，考慮主廠房面積、起重設備、設備基礎、裝機容量、電氣儀表等因素，建設成本具有明顯的優勢。其次，有壓罐式熱悶對于鑄余渣等不易破碎的鋼渣、脫硫渣，需配套熱潑工藝及其他設備處理，不但存在環保死角，進一步推高了建設成本。以鋼渣處理能力80萬噸/年生產線建設為例，綜合投資低30-40%；

2) 反向浸水熱悶坑沒有大型機械設備，制造工藝簡單，總裝機容量小，尤其是沒有壓力容器，所以維護及運行成本要低得多；

3) 經過優化設計，反向浸水熱悶坑漏風面積小于有壓罐式熱悶；

4) 采用一體化熱悶坑熱悶鋼渣，裝渣、出渣、熱悶各工序所需除塵風量存在較大差異。通過共用除塵器，各支管煙氣流量控制與工藝設備連鎖，自動實現除塵系統各支管風量優化配置，節能效果明顯；

5) 有壓罐式熱悶產生的蒸汽顆粒物含量高，且有腐蝕性，直接發電效率低。采用反向浸水工藝，可燃氣體燃燒產生大量顯熱，通過換熱制造純凈蒸汽效率高，用途更廣泛。

3.反向浸水常壓罐式熱悶

首先將液態或半液態鋼渣在相對封閉空間內進行初步冷卻及碾壓破碎，然后將破碎后的固態鋼渣接入固態罐，再進行熱悶處理。這種方式很好解決了煙氣的有效捕集，顆粒物排放容易達標。如果后續的熱悶處理不使用壓力容器，仍采用上部噴淋注水的方式，則熱悶后鋼渣各項指標遠達不到有壓熱悶的水平，不利于金屬鐵回收及鋼渣深加工。中鋼（石家莊）工程技術有限公司利用反向浸水技術，設計開發了鋼渣反向浸水常壓罐式熱悶工藝以及相關工藝設備，即使不使用壓力容器，熱悶后鋼渣各項指標不低于有壓罐式熱悶。

工藝流程：鋼渣經過碾壓破碎收集在固態罐中，固態罐內裝配有給排水裝置及快速連接裝置；將固態罐吊運至集成了反向浸水裝置及集塵罩的熱悶工位，與反向浸水裝置自動連接，實現鋼渣反向浸水熱悶。該工藝具有以下特點：

1) 實際是使用可以吊裝的固態渣罐代替熱悶坑作為熱悶容器，熱悶效果、可燃氣體控制、余熱利用等方面與采用反向浸水技術的坑式熱悶具有同樣的優勢；

2) 保留了碾壓破碎系統處理液態鋼渣的優勢。同時，前期的冷卻及碾壓破碎工序只需要使液態鋼渣固化即可，相對有壓熱悶工藝，破碎工序的工作效率更高；

3) 鋼渣在碾壓床停留時間短，減少了鋼渣中金屬鐵的氧化程度，有利于金屬鐵回收；

4) 對固態罐的形狀大小沒有特殊要求，使用原有渣罐或渣盤進行簡單改造，安裝相應的反向浸水裝置即可滿足需要；

5) 由于前道工序經過碾壓破碎，熱悶時間比使用熱悶坑更短，為3-3.5h左右。

該工藝已經過工廠實驗證實安全可靠，熱悶時間、熱悶后鋼渣指標不低于有壓罐式熱悶。

6  結語

綜上所述，反向浸水技術通過給排水方式的改變，大幅提升了坑式熱悶工藝的生產效率，并改善了熱悶后鋼渣的性能指標，為鋼渣深加工提供了原料保障。經一體化設計的反向浸水熱悶坑，保證了鋼渣處理過程顆粒物排放達標。坑式熱悶對各類鋼渣的適應性強，能處理包括鑄余渣在內的所有鋼渣，罐式熱悶配套碾壓破碎設備，更適合處理液態鋼渣。考慮鋼鐵企業除10-15%轉爐渣需要處理外，還有2-5%鑄余渣需要處理，因此對于鋼渣年處理量60萬噸以下的企業，推薦采用反向浸水一體化熱悶坑方案。鋼渣年處理量60萬噸以上，或液態鋼渣占比高的企業，推薦采用反向浸水一體化熱悶坑及反向浸水常壓熱悶結合的方案，保留碾壓破碎設備的優勢，既保證以最環保的方式處理所有鋼渣，又可以降低建設成本。