轉(zhuǎn)爐鋼渣處理中能源利用的探索與研究
前言
轉(zhuǎn)爐鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，轉(zhuǎn)爐鋼渣的產(chǎn)生釋放大量的熱能。大部分鋼渣處理方法都是將熱態(tài)鋼渣進(jìn)行冷卻后進(jìn)行破碎-篩分-磁選加工，提取金屬后再加以利用。而熔融鋼渣從1600℃冷卻到常溫，鋼渣中含有豐富熱能都被浪費(fèi)，在冷卻過程中浪費(fèi)大量的水，通過自然冷卻的方法處理鋼渣則需要大量的占地并造成對周圍環(huán)境的污染。如能利用熔渣中的顯熱不但能減少污染，且節(jié)約資源巨大，如何利用鋼渣顯熱成為需要攻克的一個(gè)難題。
1 鋼渣能源利用的戰(zhàn)略意義
1.1 環(huán)保效益分析
作為全世界共同面對的問題，溫室效應(yīng)嚴(yán)重威脅著人類的生存，二氧化碳的過度排放是產(chǎn)生溫室效應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)，低碳?jīng)濟(jì)在世界發(fā)展中成為共同關(guān)注的話題，2009年聯(lián)合國在哥本哈根召開世界氣候大會(huì)，來自192個(gè)國家首腦和環(huán)境部長討論如何應(yīng)對氣候變化和溫室氣體，節(jié)能減排在能源發(fā)展中具有重大的戰(zhàn)略意義，2009年國內(nèi)鋼產(chǎn)量約為5.6億噸，要產(chǎn)生約10億噸二氧化碳，全球約4﹪-5﹪的二氧化碳來自鋼鐵業(yè)，減少傳統(tǒng)燃料式能源利用新型環(huán)保能源將成為未來鋼鐵業(yè)能源發(fā)展的方向，工業(yè)鍋爐每燃燒一噸煤就產(chǎn)生二氧化碳2.7噸,如果將熔融鋼渣回收的余熱代替燃煤所產(chǎn)生的熱量，就會(huì)減少燃煤所產(chǎn)生的二氧化碳，同時(shí)也減少煉鋼過程中二氧化碳的產(chǎn)生， 2009年鞍鋼排放鋼渣約300萬噸，如果將其熱能利用代替燃煤，就能減少約13萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤所產(chǎn)生的35萬噸二氧化碳的排放，全國排放的鋼渣熱量就能減少燃煤所帶來大約1000萬噸的二氧化碳的排放，熔融鋼渣能源的合理利用再發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，也減少對不可再生資源的肆意開采，環(huán)保意義重大。
1.2 節(jié)能效益分析
國家大力提倡循環(huán)經(jīng)濟(jì)，建資源節(jié)約型、清潔型企業(yè)，熔渣熱能是典型的清潔節(jié)約型能源。據(jù)測算，2008年鋼鐵企業(yè)電力總消耗為2153億千瓦時(shí)，其中鋼廠自發(fā)電比例約占總用電量的28﹪，外購電量約占72﹪，即1550億千瓦時(shí)，隨著電價(jià)的不斷升高，鋼鐵業(yè)的電力成本不斷加大，積極利用二次能源發(fā)電，擴(kuò)大自發(fā)電量成為節(jié)約能源和降低成本的最有效措施。如果將2009年全國鋼渣熱能100﹪回收用于發(fā)電，可發(fā)電440億千瓦時(shí)，接近全國年發(fā)電總量的1/70，相當(dāng)于3個(gè)葛洲壩水電站發(fā)電量，相當(dāng)于22個(gè)中等火力發(fā)電站的發(fā)電量，既減少鋼鐵企業(yè)外購電量，又節(jié)約能源，同時(shí)大大降低企業(yè)成本。熔渣余熱除用于發(fā)電外，還可以用于余熱鍋爐的供熱、供水、供氣等領(lǐng)域，真正實(shí)現(xiàn)清潔能源的循環(huán)利用。
1.3 經(jīng)濟(jì)效益分析
煉鋼產(chǎn)生的熔融態(tài)鋼渣在1600℃ 左右，含有大量熱能。據(jù)實(shí)驗(yàn)測得，每千克鋼渣含有熱量2000KJ（1600℃）。如全部回收，09年鞍鋼產(chǎn)生的300萬噸鋼渣所蘊(yùn)含的總熱量超過6×1012KJ。單從降低煤耗一點(diǎn)即可為企業(yè)每年節(jié)省上億元。而全國每年產(chǎn)生約8千萬噸的鋼渣，其熱量值達(dá)1. 6×1014KJ，相當(dāng)于節(jié)省約350萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，省煤效益超到28億元，如熱量全部回收用于發(fā)電，經(jīng)濟(jì)效益超過200多億元。
鋼渣能源利用的戰(zhàn)略意義主要體現(xiàn)在既節(jié)能減排，減少了能源的浪費(fèi)，且在環(huán)境保護(hù)等方面有著重大綜合效益，高品質(zhì)、高效的回收轉(zhuǎn)爐熔渣顯熱也將成為鋼鐵企業(yè)降低綜合能耗的重要手段，給企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)。
2 鋼渣能源利用的可行性
2.1 熱悶工藝
熱悶法是近些年興起的一種先進(jìn)的鋼渣預(yù)處理工藝，它利用熔融鋼渣余熱使水汽化，從而達(dá)到快速膨脹自解的過程，熱悶后鋼渣中f-CaO和f-MgO狀態(tài)發(fā)生根本變化，使f-CaO和f-MgO由有害物質(zhì)變成有用物質(zhì)，變害為利的同時(shí)使鋼渣應(yīng)用的穩(wěn)定性得到保證。熱悶工藝的原理是利用鋼渣余熱使水迅速汽化，產(chǎn)生飽和蒸汽，飽和蒸汽與鋼渣中CaO、MgO以及游離態(tài)CaO、MgO迅速發(fā)生反應(yīng)，在這個(gè)過程中產(chǎn)生化學(xué)應(yīng)力、相變應(yīng)力和熱應(yīng)力，在這些力的作用下，鋼渣發(fā)生迅速自膨現(xiàn)象。
主要反應(yīng)方程式：
CaO+H2O=CaOH2
MgO+H2O=MgOH2
f-CaO+H2O=CaOH2
f-MgO+H2O=MgOH2
2.2 閃蒸發(fā)電技術(shù)
閃蒸是指水的一種相變過程，即在一定壓力和溫度下的未飽和水，當(dāng)壓力下降至某溫度下的飽和壓力時(shí)，就會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)而開始汽化，并且隨著壓力的下降，其汽化程度不斷提高。閃蒸余熱發(fā)電技術(shù)是在常規(guī)余熱發(fā)電系統(tǒng)的主機(jī)以外增設(shè)閃蒸和閃蒸型除氧器，當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行帶負(fù)荷后，從省煤器集箱中抽取達(dá)到參數(shù)要求的一部分熱水引入閃蒸器，熱水在閃蒸器內(nèi)迅速擴(kuò)容降壓后閃蒸分離出低壓飽和蒸汽和低壓飽和熱水。分離出的低壓飽和蒸汽和余熱鍋爐的主過熱蒸汽分別進(jìn)入多進(jìn)汽汽輪機(jī)的低壓氣缸和高壓氣缸做功發(fā)電，而分離出的低壓飽和水進(jìn)入除氧器作為除氧熱源進(jìn)行充分利用。充分利用余熱發(fā)電緩解電力資源的緊張，利用回收的余熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)火力發(fā)電燃煤所產(chǎn)生的熱量不但減少燃煤對環(huán)境的污染，同時(shí)大大增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
熱悶法是通過打水將熱悶裝置內(nèi)的高溫熔渣冷卻的過程，閃蒸技術(shù)是利用高溫蒸汽、熱水帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，即熱能→動(dòng)能→電能的過程，將1600℃的熔渣通過噴淋降溫至200℃以下，其本身是一種熱能浪費(fèi)過程，而閃蒸發(fā)電技術(shù)恰恰能夠利用熔渣降溫的熱能，將鋼渣熱悶技術(shù)和閃蒸發(fā)電技術(shù)有效結(jié)合不但能夠解決熱能的浪費(fèi)，也減少熱悶噴淋打水過程中大量水資源的浪費(fèi)，鋼渣熱能用于發(fā)電是鋼渣顯熱回收的一種新途徑。
3 熱悶法顯熱回收構(gòu)想
熱悶顯熱回收總體上可以分為兩個(gè)過程，第一個(gè)過程是以余熱水的方式回收，另一個(gè)回收過程是對蒸汽的回收。回收顯熱除用于發(fā)電外，還可用于工業(yè)余熱鍋爐和民用的供暖、供熱等。
將熔融鋼渣從渣罐倒入熱悶裝置中，啟動(dòng)悶渣池壁和液壓推拉桿中水循環(huán)系統(tǒng)，使水注入其中并保持動(dòng)態(tài)循環(huán)，啟動(dòng)液壓系統(tǒng)推動(dòng)液壓推拉桿向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)液壓推拉桿均勻而有效的分布在悶渣池中并充分接觸熔融鋼渣，推拉桿和悶渣池壁中的水循環(huán)系統(tǒng)充分吸收熱能并將其輸送出去，將回收的余熱水通入發(fā)電裝置內(nèi)進(jìn)行發(fā)電，待悶渣池內(nèi)鋼渣溫度達(dá)到熱悶要求時(shí)，打開水霧噴淋裝置進(jìn)行熱悶，同時(shí)打開蒸汽回收裝置進(jìn)行蒸汽回收，同樣將回收的蒸汽也通入發(fā)電裝置，待悶渣結(jié)束后，關(guān)閉蒸汽回收裝置，使液壓推拉桿向下運(yùn)動(dòng)至悶渣池底，停止所有水循環(huán)系統(tǒng)，打開熱悶蓋，將鋼渣清出。
4 熱悶顯熱回收的問題和技術(shù)可行性
4.1 熱悶顯熱回收的問題
硅酸鹽類爐渣有如下特點(diǎn)：①導(dǎo)熱系數(shù)低，1400～1500℃的液相階段約為0.1～0.3 W／m·K；②粘度隨溫度降低急劇升高。雖然熔渣熱焓大，但是由于其導(dǎo)熱率低，換熱慢，換熱介質(zhì)難以選擇，鋼渣中的熱含量隨著渣的溫度變化波動(dòng)很大見圖4，其中液態(tài)階段溫度為1400℃~1600℃，當(dāng)溫度進(jìn)一步下降，逐漸喪失流動(dòng)性。
4.2 熱悶顯熱回收的技術(shù)可行性
由于鋼渣導(dǎo)熱性差，粘度隨溫度降低急劇升高，鋼渣冷卻成坨后中心熱量不易回收，導(dǎo)致顯熱回收效率低，液壓推拉桿法采用均勻分布的多個(gè)水冷系統(tǒng)與熔渣內(nèi)外部充分接觸的方式，從而有效的吸收鋼渣不易被吸收的中心熱量，克服熔渣粘度大、導(dǎo)熱性差的缺點(diǎn)，充分回收鋼渣釋放的熱量，顯熱回收率高，并且克服傳統(tǒng)熱悶法熱能和水資源大量浪費(fèi)的缺點(diǎn)。
5.結(jié)論
熱悶法顯熱回收采用水冷壁與熔渣內(nèi)外部充分接觸的熱能回收方式，利用水冷璧和蒸汽回收裝置回收余熱水和熱蒸汽，從根本上解決傳統(tǒng)顯熱回收中熱能回收率低的弊端，其回收率預(yù)計(jì)可達(dá)80﹪，從經(jīng)濟(jì)效益上看，按2009年鞍鋼的鋼渣排放量300萬噸計(jì)算，熱量回收值可超過4.8×1012KJ，回收的熱量相當(dāng)于14億千瓦時(shí)的電量，發(fā)電創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)6億元，由此可見，熔融鋼渣熱能回收是非常必要的。
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