鋼渣余熱回收方法分析

李德軍，劉清海,許孟春，李曉偉，劉祥,于賦志

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司 遼寧 營(yíng)口115007）

負(fù)能煉鋼是轉(zhuǎn)爐實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，降本增效的重要技術(shù)之一。目前，鞍鋼生產(chǎn)過(guò)程中的高溫鋼渣含有大量的顯熱能量沒(méi)有回收，造成很大浪費(fèi)。以轉(zhuǎn)爐為例，轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中所產(chǎn)生的高溫液態(tài)鋼渣一般約占轉(zhuǎn)爐裝入量的10%～15%，以裝入量100 t的轉(zhuǎn)爐來(lái)說(shuō)，在冶煉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生10～15 t的高溫熔融態(tài)鋼渣，溫度達(dá)到1 450～1 650℃，熱焓值約為1 670 MJ/t渣[1-2]。以鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠一分廠為例，該廠年產(chǎn)300萬(wàn)t粗鋼,每年可產(chǎn)30～45萬(wàn)t高溫鋼渣，則鋼渣產(chǎn)生的熱能可達(dá)到 5.01×105～7.52×105GJ。 若將鋼渣產(chǎn)生的熱能按60%回收，將回收的熱能轉(zhuǎn)換成電能，按1 GJ熱能可轉(zhuǎn)化成277.78（kW·h）的電能，電能以0.53元/（kW·h）的市場(chǎng)價(jià)格計(jì)算，則全年可額外創(chuàng)效4 428～6 108萬(wàn)元，具有很高的回收價(jià)值，若能將轉(zhuǎn)爐鋼渣的熱能回收創(chuàng)效，對(duì)于我國(guó)鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 鋼渣熱能回收現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的高溫鋼渣的熱量由于難以儲(chǔ)存，目前大多數(shù)鋼廠都采用露天潑渣打水冷卻，對(duì)鋼渣進(jìn)行降溫或自然冷卻，在其溫度降至80～100℃后運(yùn)到鋼渣場(chǎng)進(jìn)行儲(chǔ)存。個(gè)別鋼廠采用淺盤熱潑法、悶罐法、粒化輪水淬法、滾筒法以及風(fēng)淬法等對(duì)鋼渣進(jìn)行處理，但是這些處理方法的鋼渣熱能回收效率都比較低，個(gè)別方法幾乎沒(méi)有得到回收[3-5]。

2 鋼渣熱能物理回收方法

高溫鋼渣熱能物理回收是指在熱能回收過(guò)程中，采用的回收介質(zhì)沒(méi)有發(fā)生化學(xué)變化的一種回收方式?；厥赵砭褪峭ㄟ^(guò)回收介質(zhì)（通常是水和空氣）與高溫鋼渣發(fā)生接觸或間接接觸，利用回收介質(zhì)與高溫鋼渣之間存在的溫度差，將熱量從高溫鋼渣中轉(zhuǎn)移出來(lái)，從而達(dá)到高溫鋼渣熱能回收的目的。目前，鋼渣熱能物理回收方法有機(jī)械破碎法、風(fēng)淬法、離心式回收方法。

2.1 機(jī)械破碎法

通過(guò)機(jī)械破碎對(duì)鋼渣熱能回收的主要方法有固體顆粒沖擊法、機(jī)械攪拌法和轉(zhuǎn)鼓法，國(guó)外已經(jīng)有了相關(guān)研究[6-8]。固體顆粒沖擊法由瑞典Merotec公司開(kāi)發(fā)，基本原理就是利用已固化的循環(huán)渣粒將新渣進(jìn)行淬碎?；?，粒化后的鋼渣被送入流化床換熱，然后對(duì)其熱量進(jìn)行回收，固體顆粒沖擊法熱能回收裝置示意圖如圖1所示。此方法可產(chǎn)生大約250℃的飽和蒸汽，熱能的回收效率大約在65%左右。

圖1 固體顆粒沖擊法熱能回收裝置示意圖

日本的川崎鋼鐵公司開(kāi)發(fā)了一種以機(jī)械攪拌為破碎方式的鋼渣熱能回收系統(tǒng)，機(jī)械攪拌法熱能回收裝置示意圖如圖2所示。在該熱能回收系統(tǒng)中，高溫熔渣在一個(gè)碗狀的容器中被攪拌破碎并飛向容器的側(cè)壁，通過(guò)布置在容器側(cè)壁的換熱水管將鋼渣熱能進(jìn)行回收，破碎后的鋼渣細(xì)粉被送入到流化床，鋼渣細(xì)粉與流化床中的空氣完成熱量交換，被加熱的空氣送往熱能鍋爐，該回收系統(tǒng)可使鋼渣顯熱回收率達(dá)到59%左右。

圖2 機(jī)械攪拌法熱能回收裝置示意圖

NKK公司用的另一種熱回收設(shè)備是將熔融的鋼渣通過(guò)渣溝或管道注入到兩轉(zhuǎn)鼓之間，轉(zhuǎn)鼓在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)鼓中通入熱交換空氣，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)輸入空氣吸收熱量實(shí)現(xiàn)能量回收，轉(zhuǎn)鼓法熱能回收裝置示意圖如圖3所示。受設(shè)備的限制該方法的熱量回收效率波動(dòng)比較大，一般在35%～45%。

圖3 轉(zhuǎn)鼓法熱能回收裝置示意圖

2.2 風(fēng)淬法

風(fēng)淬法與機(jī)械碎渣法類似，其原理是通過(guò)向鋼渣內(nèi)吹入高速空氣，將鋼渣擊碎，然后對(duì)其熱量進(jìn)行回收，風(fēng)淬法鋼渣熱能回收裝置示意圖如圖4所示。Mitsubishi和NKK對(duì)此方式進(jìn)行了研究[9]，首先將液態(tài)鋼渣倒入傾斜的渣溝里，在渣溝下面設(shè)有鼓風(fēng)機(jī)，當(dāng)鋼渣從渣溝末端流出時(shí)與鼓風(fēng)機(jī)噴出的高速空氣流接觸被?；?，隨之被吹到熱交換器內(nèi)，完成對(duì)鋼渣熱量的回收。該方法的熱回收率可達(dá)40%～45%。

圖4 風(fēng)淬法鋼渣熱能回收裝置示意圖

2.3 離心式法

20 世紀(jì) 80 年代，Pickering[10]等人發(fā)現(xiàn)利用離心力能夠很好地將鋼渣進(jìn)行?；幚恚o熱能回收創(chuàng)造了良好條件，并提出了轉(zhuǎn)杯法熱能回收系統(tǒng)，轉(zhuǎn)杯法熱能回收裝置示意圖如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)杯法熱能回收裝置示意圖

該方法的熱能回收率可達(dá)到60%。隨后，日本北海道大學(xué)的Akiyama提出了轉(zhuǎn)碟法，2002年澳大利亞CSIRO的研究組對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)[11]，采用高壓空氣破碎轉(zhuǎn)碟甩出的渣膜，加熱空氣完成部分熱量交換，破碎的渣粒落入到下部的填充床內(nèi)，再對(duì)其進(jìn)行熱能回收，轉(zhuǎn)碟法熱能回收裝置示意圖見(jiàn)圖6，該方法的熱能回收率可達(dá)58.5%。

圖6 轉(zhuǎn)碟法熱能回收裝置示意圖

2.4 物理回收方法中存在的不足

鋼渣熱能物理回收方法中普遍存在的問(wèn)題就是熱能回收效率低，通常不超過(guò)60%。此外，為了提高鋼渣熱回收效率，要對(duì)鋼渣進(jìn)行細(xì)化處理，以便更好地提取回收熱量。但隨著細(xì)化程度的提高，需要額外消耗更多的能量，結(jié)果降低了熱量回收率。由于物理方法存在這樣的問(wèn)題，所以很難提高熱能回收效率。

3 鋼渣熱能化學(xué)回收方法

按反應(yīng)物和產(chǎn)物的不同，可以將鋼渣熱能化學(xué)回收方式分為兩種，一種是制氫法，一種是煤氣化法。將鋼渣的熱量作為化學(xué)反應(yīng)的熱源進(jìn)行熱能回收，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者也都在此方面進(jìn)行了相關(guān)研究[12-14]，但以何種反應(yīng)才能實(shí)現(xiàn)最佳熱能回收的論述比較少。

3.1 制氫法回收

在制氫法回收鋼渣熱能中，可以利用CH4與H2O（g）或CO2反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱能的轉(zhuǎn)換，其反應(yīng)化學(xué)式如下所示[15]。

式中，△H0為反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)生成焓，kJ/mol；∑△H0生成物為生成物的標(biāo)準(zhǔn)焓之和，kJ/mol；∑△H0反應(yīng)物為反應(yīng)物的標(biāo)準(zhǔn)焓之和，kJ/mol。

通過(guò)文獻(xiàn)查出上述反應(yīng)中各物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)焓，將其代入計(jì)算式（3），得出各反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)生成焓分別為 ：△H01=206.76 kJ/mol，△H02=247.25 kJ/mol。由于反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)生成焓為正值，表示反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，正值越大表示反應(yīng)吸收的熱量越多。

不難理解，為了將鋼渣的熱能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，過(guò)程中所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)初始溫度越低且吸收的熱能越大，對(duì)熱能的轉(zhuǎn)化能力就越好。從以上的計(jì)算可以看出，反應(yīng)（2）中，CH4與 CO2反應(yīng)，不僅反應(yīng)初始溫度最低為642℃，且反應(yīng)過(guò)程中吸收的熱能也最大，為247.25 kJ/mol，回收鋼渣熱能的能力要明顯好于反應(yīng)（1）中 CH4與 H2O（g）的反應(yīng)。

3.2 煤氣化法回收

煤氣化法是利用高溫下C與CO2或H2O（g）反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其反應(yīng)化學(xué)式如下所示[15]。

式中，△G04、△G05為反應(yīng)式（4）和（5）的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能；T為溫度，單位為K。與上述的制氫法相同，計(jì)算如下：

令△G04=0，△G05=0，則可知，反應(yīng)（4）與反應(yīng)（5）的最低反應(yīng)溫度分別為：T4=974 K=701℃，T5=940 K=667℃。通過(guò)式 （3）可分別計(jì)算得出，△H04=172.44kJ/mol，△H05=131.27 kJ/mol。

從熱力學(xué)角度分析，反應(yīng)（4）與反應(yīng)（5）對(duì)于熱能的回收各有利弊。從反應(yīng)的最低溫度上看，反應(yīng)（4）不如反應(yīng)（5）效果好，由于反應(yīng)（4）中 C 與CO2的煤氣化反應(yīng)需要的最低溫度比反應(yīng)（5）中C與H2O（g）的煤氣化反應(yīng)要高，而在反應(yīng)過(guò)程中鋼渣溫度會(huì)逐漸降低，從而會(huì)使反應(yīng)受到限制，不利于對(duì)鋼渣余熱的吸收，但從反應(yīng)吸收熱能的能力角度來(lái)看，反應(yīng)（4）要比反應(yīng)（5）效果好。

3.3 反應(yīng)平衡常數(shù)

從以上的計(jì)算可以看出，在轉(zhuǎn)爐鋼渣溫度范圍內(nèi)，雖然各反應(yīng)都能夠進(jìn)行，但反應(yīng)能否進(jìn)行徹底則關(guān)系到該反應(yīng)能否將熱能最大程度轉(zhuǎn)化成化學(xué)能。眾所周知，反應(yīng)的平衡常數(shù)是衡量反應(yīng)進(jìn)行是否徹底的一個(gè)重要參數(shù)。在不同溫度下對(duì)以上各式的平衡常數(shù)進(jìn)行了比較，不同溫度下的平衡常數(shù)比較如圖7所示。

圖7 不同溫度下的平衡常數(shù)比較

從圖7看出，在轉(zhuǎn)爐鋼渣溫度范圍內(nèi)，反應(yīng)（2）的平衡常數(shù)最大，表明CH4與CO2的制氫反應(yīng)進(jìn)行得更徹底，熱能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的效率越高。反應(yīng)（1）的平衡常數(shù)最小，表明 CH4與 H2O（g）的制氫反應(yīng)相對(duì)進(jìn)行得不夠徹底，對(duì)鋼渣余熱的回收能力有限。因此，制氫法回收鋼渣余熱應(yīng)該選擇反應(yīng)（2）即CH4與CO2。而煤氣化方法，在鋼渣溫度范圍內(nèi)，反應(yīng)（4）的平衡常數(shù)略高于反應(yīng)（5），因此，煤氣化回收鋼渣余熱選擇反應(yīng)（4）即C與CO2比較理想。

3.4 化學(xué)方法回收存在的問(wèn)題及解決方法

3.4.1 存在的問(wèn)題

鋼渣余熱回收過(guò)程實(shí)質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程，鋼渣余熱化學(xué)回收能量轉(zhuǎn)換示意圖如圖8所示。在化學(xué)方法回收鋼渣余熱方法中，余熱的回收效果與鋼渣的溫度密切相關(guān)，前期鋼渣溫度要遠(yuǎn)高于反應(yīng)的最低溫度，反應(yīng)能夠順利進(jìn)行，但是隨著反應(yīng)物的不斷吹入，鋼渣溫度會(huì)不斷降低，當(dāng)鋼渣溫度低于反應(yīng)的最低溫度，反應(yīng)將不能進(jìn)行，此時(shí)無(wú)法繼續(xù)完成對(duì)鋼渣中剩余熱量的回收，這部分能量就會(huì)損失。而化學(xué)反應(yīng)完成后，生成的氣體溫度一般也要高于反應(yīng)的最低溫度，生成產(chǎn)物氣體中還含有一定顯熱熱能，這部分熱能如果不利用也會(huì)損失。此外，在整個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，也會(huì)有部分能量以輻射的形式損失掉。根據(jù)能量守恒，這些損失掉的能量若是不能得到回收，那么鋼渣的余熱回收效率就要大幅降低。

圖8 鋼渣余熱化學(xué)回收能量轉(zhuǎn)換示意圖

3.4.2 解決的方法

從圖8中能量流的轉(zhuǎn)換來(lái)看，高溫鋼渣的熱能和參加反應(yīng)物的內(nèi)能（化學(xué)能和熱能之和）流入到鋼渣余熱回收化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。通過(guò)化學(xué)反應(yīng)后，以生成物化學(xué)能、生成物顯熱能、鋼渣剩余熱能及反應(yīng)過(guò)程中損失熱能流出。其中，生成物化學(xué)能是以將鋼渣熱能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能固定到反應(yīng)產(chǎn)物的高能化學(xué)鍵中得到回收，而其它流出能量還不能得到回收。調(diào)整后鋼渣余熱化學(xué)回收能量轉(zhuǎn)換示意圖見(jiàn)圖9。

圖9 調(diào)整后鋼渣余熱化學(xué)回收能量轉(zhuǎn)換示意圖

根據(jù)能量守恒，若要提高鋼渣余熱的回收效率，就必須將參加反應(yīng)后鋼渣中剩余的熱量，以及反應(yīng)后生成氣體中的顯熱得到進(jìn)一步充分利用。由于鋼渣余熱化學(xué)回收中的化學(xué)反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，提高反應(yīng)物的初始溫度將有利于反應(yīng)的進(jìn)行，為此，采用反應(yīng)后鋼渣中剩余的熱量、生成氣體中的顯熱以及輻射損失的熱能來(lái)加熱反應(yīng)物，提高參加反應(yīng)物的內(nèi)能，使鋼渣余熱回收化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)流出的能量得到最大程度的回收利用，

4 結(jié)語(yǔ)

隨著鋼鐵企業(yè)成本壓力的增大，實(shí)現(xiàn)降本增效是迫在眉睫要解決的問(wèn)題，而高溫爐渣尤其是鋼渣的余熱回收技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)降本增效，同時(shí)還能提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，因此得到了鋼鐵企業(yè)的重視。從熱力學(xué)角度對(duì)化學(xué)方式中的制氫方法和煤氣化方法進(jìn)行了計(jì)算分析，得出結(jié)論，制氫方法中采用CH4與CO2反應(yīng)最佳，煤氣化方法中采用C與CO2反應(yīng)最佳，為鋼企在鋼渣余熱化學(xué)回收工作中提供借鑒。

[1]彭寶翠，張炳哲.鋼鐵廠熔渣熱量的回收和利用[J].冶金動(dòng)力,2005（4）:105-109.

[2] 周勇，陳偉.高溫熔融鋼渣顯熱回收分析[J].熱能鍋爐,2010,（2）:1-5.

[3]楊景玲，張宇，朱桂林，等.加快鋼渣“零排放”，努力完成“十一五”規(guī)劃節(jié)能減排的目標(biāo)[C]//2007年中國(guó)鋼鐵年會(huì)論文集.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[4]單志峰.國(guó)內(nèi)外鋼渣處理技術(shù)與綜合利用技術(shù)的發(fā)展分析[J].工業(yè)安全與防塵,2000（2）:27-31.

[5]樊君，趙俊學(xué)，陳艷梅，等.現(xiàn)代轉(zhuǎn)爐煉鋼各工序爐渣的再利用研究綜述[J].中國(guó)冶金,2010,20（12）:43-47.

[6] Purwanto H,Mizuochi T,Akiyama T.Prediction of granulated slag properties producedfrom spinning disk atomizer by mathematically model[J].Materials Transactions,2005,46（6）:1 324-1 327.

[7] Purwanto H,Mizuochi T, Tobo H,et al.Characteristics of glass beads from molten slag produced by rotary cup atomizer[J].Materials Transactions,2004,45（12）:3 266-3 269.

[8] Mizuochi T,Akiyama T,Shimada T,et al.Feasibility of rotary cup atomizer for slag granulation[J].ISIJ International,2001,41（12）:1 423-1 426.

[9]王紹文，梁富智，王紀(jì)曾.固體廢棄物資源化技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2003.

[10]Pickering S J,Hay N，Roylanae T F，et al.New Process for Dry Granulation and Heat Recovery from Molten Blast-furnace Slag[J].Ironmaking and Steelmaking,1985,12（1）:14-18.

[11]王海風(fēng)，張春霞，齊淵洪．高爐渣處理和熱能回收的現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J] .中國(guó)冶金,2007,17（6）:53-58.

[12]Kasai E,Kitajima T,Akiyama T.Rate of Methane-Steam Reforming Reaction on the Surface of Molten BF Slag for Heat Recovery from Molten Slag by Using a Chemical Reaction [J].ISIJ International,1997,37（10）:1 031-1 035.

[13]Shimada T,Kochura V,Akiyama T,et al.Effects of Slag Compositions on the Rate of Methane-steam Reaction [J].ISIJ International,2001,41（2）:111-114.

[14]劉宏雄.利用高爐熔渣作熱載體進(jìn)行煤氣化的探討 [J].節(jié)能,2004,（6）:41-43.

[15]烏帕達(dá)耶，杜布.冶金熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用計(jì)算[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1981.