1  前言

鋼渣是伴生煉鋼過(guò)程產(chǎn)生的固體廢棄物，每冶煉一噸約產(chǎn)生12~15%的鋼渣。2018年我國(guó)鋼渣總產(chǎn)生量約1.2億噸，鋼渣產(chǎn)生量十分巨大。鋼渣主要成分由硅酸鈣類(lèi)礦物、金屬鐵和鐵氧化物等化學(xué)物質(zhì)組成。硅酸鈣類(lèi)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(lái)了鋼渣作為建筑等材料的安性性問(wèn)題，致使大量的鋼渣無(wú)法有效利用。2019年，我國(guó)鋼渣實(shí)際利用率不到30%，鋼渣資源浪費(fèi)，占用大量土地，并可能污染環(huán)境，迫切需要合理的處理方式和消化途徑。近年來(lái)我國(guó)環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)日益提高，鋼渣的資源化和環(huán)境排放要求的提高對(duì)鋼渣處理利用技術(shù)也提出了更高的要求。本文對(duì)鋼渣處理技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了闡述，詳細(xì)介紹了鋼渣輥壓破碎余熱有壓熱悶工藝及開(kāi)發(fā)歷程，并針對(duì)鋼渣輥壓破碎余熱有壓熱悶理術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行了闡述。

2  鋼渣熱悶原理和技術(shù)發(fā)展

2.1  鋼渣熱悶原理

 煉鋼過(guò)程添加大量石灰，由于造渣時(shí)間較短，過(guò)量的CaO、MgO還未能完全熔化，以游離態(tài)在鋼渣中包裹。鋼渣熱悶處理是在密閉容器內(nèi)利用鋼渣余熱，對(duì)熱態(tài)鋼渣進(jìn)行打水產(chǎn)生過(guò)飽和水蒸氣，促進(jìn)鋼渣中f-CaO和水蒸氣快速反應(yīng)消解。熱悶過(guò)程中發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)作用，具體特點(diǎn)如下：

    （1）鋼渣急冷破裂。高溫鋼渣遇到大量水產(chǎn)生急劇溫降，熔渣快速冷卻過(guò)程中各礦物發(fā)生劇烈的相變，產(chǎn)生應(yīng)力使鋼渣破裂。

    （2）汽蒸作用。高溫渣和熱悶打水反應(yīng)產(chǎn)生大量溫度在105℃以上、且具有一定壓力的過(guò)飽和水蒸汽。這種環(huán)境促進(jìn)了水蒸汽向破裂的鋼渣縫隙內(nèi)擴(kuò)散、滲透，有利于f-CaO消解反應(yīng)的進(jìn)行。

（3）硅酸二鈣(C2S)晶型轉(zhuǎn)變。在鋼渣從750℃冷卻到650℃過(guò)程中，硅酸二鈣(C2S)由β- C2S轉(zhuǎn)變?yōu)?gamma;- C₂S，體積膨脹10%，鋼渣繼續(xù)碎裂。

（4）鋼渣和過(guò)飽和水蒸氣封閉條件下f-CaO與水反應(yīng)生成Ca(OH)₂，體積膨脹98%，f-MgO與水反應(yīng)生成Mg(OH)₂，體積膨脹98%。

鋼渣熱悶即基于上述的物理化學(xué)作用破碎、粉化，消除了鋼渣不穩(wěn)定性，促進(jìn)了渣鐵分離。鋼渣熱悶過(guò)程發(fā)生的主要反應(yīng)為游離氧化鈣和游離氧化鎂的反應(yīng)。鋼渣中f-CaO因過(guò)燒而結(jié)晶致密，活性差，常溫下水化反應(yīng)慢，自然條件下往往需要數(shù)年的時(shí)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(yīng)，且在反應(yīng)能夠進(jìn)行的條件下溫度越高反應(yīng)速率也較快。

2.2  鋼渣熱悶技術(shù)的發(fā)展

為解決鋼渣快速破碎和安定性問(wèn)題，中冶建筑研究總院與有關(guān)單位于1992年研究成功第一代鋼渣熱悶處理技術(shù)，是將鋼渣熱潑，落地冷卻到400℃左右再鏟運(yùn)傾倒在熱悶裝置內(nèi)，蓋上蓋密封噴水產(chǎn)生蒸汽，和鋼渣發(fā)生物理力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)而開(kāi)裂粉化。但存在鋼渣熱潑落地環(huán)境污染、占地面積大、處理時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

2004年成功開(kāi)發(fā)第二代鋼渣熱悶處理技術(shù)。為了縮短鋼渣處理周期，將液態(tài)鋼渣熱潑落地，冷卻到800℃時(shí)用鏟車(chē)或抓斗機(jī)將鋼渣運(yùn)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(nèi)襯鋼板在800℃易變形，第二代工藝采用耐熱鑄鐵板作內(nèi)襯。存在的問(wèn)題是沒(méi)有徹底解決鋼渣熱潑落地環(huán)境污染、占地大的問(wèn)題，并存在800℃鋼渣損壞抓運(yùn)設(shè)備的問(wèn)題。

2008年成功第三代熔融鋼渣熱悶處理技術(shù)，是將1650℃左右的鋼渣直接傾翻在熱悶裝置內(nèi)，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(shí)熱悶結(jié)束。該技術(shù)基本解決了以往的占地和環(huán)保排放問(wèn)題，但仍存在裝備自動(dòng)化水平不夠高、熱悶周期仍較長(zhǎng)的問(wèn)題。

2012年成功研發(fā)第四代鋼渣熱悶處理技術(shù)即熔融鋼渣輥壓破碎—余熱有壓熱悶新技術(shù)。先后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)和中試試驗(yàn)后，并最終在河南省濟(jì)源鋼鐵（集團(tuán)）有限公司建設(shè)了示范生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，在熱悶技術(shù)裝備和自動(dòng)化水平實(shí)現(xiàn)了巨大的進(jìn)步。

3  鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶新技術(shù)

圍繞有壓熱悶工藝，中冶建筑研究總院研發(fā)了系統(tǒng)的工藝裝備技術(shù)，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(shù)大致可分為鋼渣輥壓破碎和余熱有壓熱悶兩個(gè)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(shí)間約30min，經(jīng)過(guò)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(jīng)輥壓破碎后鋼渣的穩(wěn)定化處理，此階段的處理時(shí)間1.5-3h，處理后鋼渣的穩(wěn)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(shù)配套自主研發(fā)的關(guān)鍵工藝裝備主要有：渣罐傾翻車(chē)、輥壓破碎機(jī)、渣槽轉(zhuǎn)運(yùn)臺(tái)車(chē)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(mǎn)足現(xiàn)代煉鋼鋼渣處理高效化、裝備化、安全清潔化生產(chǎn)要求，使得鋼渣處理過(guò)程更加清潔高效，改善了現(xiàn)有鋼渣穩(wěn)定化處理工藝操作環(huán)境差，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大和處理周期長(zhǎng)等不足。

鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶技術(shù)與現(xiàn)有常壓池式熱悶技術(shù)相比，具有以下幾個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：

（1）熱悶周期短，約2h，處理效率高，與普通現(xiàn)有常壓池式熱悶工藝相比縮短7-10h；

（2）自動(dòng)化水平高，工作定員人數(shù)少；

（3）處理過(guò)程潔凈化程度高，作業(yè)環(huán)境好，環(huán)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(wěn)定性好；

（5）鋼渣處理生產(chǎn)過(guò)程煙氣排放濃度<10mg/Nm3，滿(mǎn)足超凈排放要求。

（6）建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本低，運(yùn)營(yíng)成本可節(jié)約40%。

有壓熱悶罐處理是全密閉體狀態(tài)下進(jìn)行的，相比以往鋼渣處理技術(shù)潔凈化程度更高，更加環(huán)保；此外，有壓熱悶罐處理過(guò)程在封閉罐體內(nèi)產(chǎn)生大量蒸汽，可望進(jìn)行整合發(fā)電，為鋼渣顯熱的回收利用創(chuàng)造了條件。

4  有壓熱悶余熱發(fā)電探索試驗(yàn)

在科技部環(huán)保院所技術(shù)開(kāi)發(fā)研究專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)的支持下，自2012年針對(duì)鋼渣余熱回收技術(shù)進(jìn)行研究。有壓熱悶工藝為鋼渣余熱回收發(fā)電提供了連續(xù)、有壓、可控的高溫蒸汽，具備進(jìn)行發(fā)電回收鋼渣余熱的物質(zhì)條件基礎(chǔ)。

2015年起，項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)在滄州中鐵進(jìn)行有壓熱悶發(fā)電中試試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作，于2016年初完成中試試驗(yàn)線(xiàn)建設(shè)。本發(fā)電熱源來(lái)源于滄州中鐵鋼鐵公司鋼渣處理車(chē)間熱悶反應(yīng)罐產(chǎn)生的有壓蒸汽，蒸汽管道共接自?xún)蓚€(gè)熱悶罐，經(jīng)由蒸汽主管道送至汽水熱交換器進(jìn)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(jīng)換熱器加熱其中的密閉循環(huán)水，加熱后的循環(huán)水進(jìn)而加熱發(fā)電工質(zhì)，最終通過(guò)工質(zhì)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。圖2為有壓熱悶余熱發(fā)電中試試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

圖2鋼渣有壓熱悶余熱發(fā)電中試現(xiàn)場(chǎng)

2016年鋼渣有壓熱悶余熱發(fā)電中試試驗(yàn)結(jié)果表明，該試驗(yàn)線(xiàn)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠，通過(guò)整合有壓熱悶蒸汽可進(jìn)行發(fā)電；通過(guò)該方式進(jìn)行鋼渣余熱發(fā)電可望實(shí)現(xiàn)噸鋼渣發(fā)電量3~5kWh，未來(lái)可進(jìn)行更大規(guī)模的發(fā)電工業(yè)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)鋼渣余熱的回收利用。

5  工業(yè)生產(chǎn)推廣應(yīng)用

 鋼渣輥壓破碎余熱有壓熱悶處理工藝技術(shù)在經(jīng)過(guò)一系列系統(tǒng)化研究和工業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)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(yè)，并出口至“一帶一路”沿線(xiàn)馬來(lái)西亞聯(lián)合鋼鐵集團(tuán)，累計(jì)建設(shè)鋼渣處理生產(chǎn)線(xiàn)54套，合同金額23.54億元。

2012年10月，河南濟(jì)源鋼廠完成了首套產(chǎn)業(yè)化示范推廣應(yīng)用工程?，F(xiàn)已投產(chǎn)運(yùn)行超過(guò)8年，生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，采用該技術(shù)鋼渣處理效果良好，實(shí)現(xiàn)處理后的鋼渣中-20mm粒級(jí)超過(guò)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(jì)源鋼鐵60萬(wàn)噸/年鋼渣處理生產(chǎn)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)

2017年由中冶節(jié)能環(huán)保有限責(zé)任公司EPC總承包的江蘇鑌鑫鋼鐵集團(tuán)70萬(wàn)噸/年鋼渣有壓熱悶處理及加工提純生產(chǎn)線(xiàn)工程一次帶料成功，順利投產(chǎn)，該項(xiàng)目首次采用鋼渣立式有壓熱悶技術(shù)。鋼渣立式有壓熱悶技術(shù)是中冶節(jié)能環(huán)保有限責(zé)任公司在臥式有壓熱悶技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)工藝流程重新進(jìn)行優(yōu)化，取消裝渣車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)與軌道對(duì)接等工序，大多縮短了原有工藝流程。該技術(shù)在未經(jīng)過(guò)任何工業(yè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上直接在實(shí)際過(guò)程中應(yīng)用，運(yùn)行效果取得了業(yè)主的認(rèn)可與好評(píng)。

2019年5月，首鋼京唐鋼鐵有限公司設(shè)計(jì)能力60萬(wàn)噸/年鋼渣處理生產(chǎn)線(xiàn)正式投產(chǎn)。系統(tǒng)裝備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，鋼渣處理效果良好。項(xiàng)目針對(duì)鋼渣生產(chǎn)過(guò)程煙氣治理實(shí)施濕式電除塵器濕法除塵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋼渣處理過(guò)程煙氣排放濃度穩(wěn)定達(dá)到<10mg/Nm³的超低排放效果。項(xiàng)目是本技術(shù)及裝備成功首次應(yīng)用于國(guó)內(nèi)一流鋼鐵企業(yè)，有力的推動(dòng)國(guó)內(nèi)鋼渣處理利用項(xiàng)目開(kāi)拓。

 

圖4 首鋼京唐60萬(wàn)噸/年鋼渣處理生產(chǎn)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)

聯(lián)合鋼鐵（大馬）集團(tuán)鋼渣處理生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)能力50萬(wàn)噸/年，該生產(chǎn)線(xiàn)于2018年6月正式投產(chǎn)，現(xiàn)已投產(chǎn)運(yùn)行2年多。系統(tǒng)裝備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，鋼渣處理效果良好。項(xiàng)目針對(duì)鋼渣生產(chǎn)過(guò)程煙氣治理實(shí)施濕式電除塵器濕法除塵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋼渣處理過(guò)程煙氣排放濃度穩(wěn)定達(dá)到<10mg/Nm³的超低排放效果。項(xiàng)目是本技術(shù)及裝備成功出口至“一帶一路”沿線(xiàn)馬來(lái)西亞，為鋼渣處理技術(shù)的國(guó)際市場(chǎng)應(yīng)用建立了典型示范。

圖5 聯(lián)合鋼鐵（大馬）集團(tuán)60萬(wàn)噸/年鋼渣處理生產(chǎn)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)

6  結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，我國(guó)工業(yè)發(fā)展迅速，環(huán)境問(wèn)題也日益嚴(yán)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(shù)為代表的鋼渣預(yù)處理技術(shù)具備更高的裝備化、自動(dòng)化水平，可實(shí)現(xiàn)鋼渣處理的高效化、連續(xù)化生產(chǎn)，鋼渣處理效果好，系統(tǒng)裝備占地少，配套土建、公輔投資低。新技術(shù)在鋼渣處理具有更為顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。此外，本技術(shù)應(yīng)用過(guò)程更加環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足我國(guó)日益提高的環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)，符合裝備化自動(dòng)化提升需求，是未來(lái)鋼渣處理技術(shù)應(yīng)用的可靠選擇。目前國(guó)內(nèi)50%以上的鋼渣處理仍采用落后的熱潑生產(chǎn)工藝，當(dāng)前形勢(shì)下鋼鐵企業(yè)應(yīng)提高鋼渣處理的技術(shù)水平和裝備水平，以滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的環(huán)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(shù)技術(shù)，早日實(shí)現(xiàn)鋼渣的清潔化、高效化、裝備化處理。