凌友锋¹，霍朋亮¹，王新凤²

1.中钢（石家庄）工程技术有限公司，河北  石家庄

2.中钢石家庄工程设计研究院有限公司，河北  石家庄

摘要：对现有钢渣热闷工艺进行研究对比，提出反向浸水钢渣热闷工艺的应用方案，通过给排水方式以及热闷坑的优化设计，在不使用压力容器的前提下提高钢渣热闷效率，改善热闷后钢渣性能指标，保证钢渣热闷生产过程颗粒物排放指标达到超低排放要求。

关键词：钢渣热闷；反向浸水；常压热闷

1  前言

钢渣是炼钢生产过程产生的固体废料，排出量为炼钢产量的10-15%。随着国内钢铁行业迅猛发展，钢渣排出量逐年增加。在大力提倡绿色发展，双碳双控政策大背景下，如何无害化处理钢渣，实现绿色循环，变废为宝，日益得到钢铁企业及环保部门的关注。中钢（石家庄）工程技术有限公司对钢渣热闷工艺进行了深入研究开发，利用反向浸水技术对钢渣热闷生产线的建设及改造提出了新的工艺方案。

2  钢渣热闷机理

钢渣热闷处理是在容器内利用钢渣余热，通过对热态钢渣打水，使钢渣中游离态f-CaO、f-MgO与水或水蒸气快速反应消解，从而达到渣-铁分离，游离态f-CaO、f-MgO稳定化处理的目的。热闷过程中发生复杂的物理和化学作用，具体特点如下。

1.钢渣急冷破裂。高温钢渣遇到大量水急剧温降，在快速冷却过程中，熔渣中各矿物发生剧烈相变，产生应力，使钢渣破裂。

2. 钢渣热闷过程发生的主要反应为游离氧化钙和游离氧化镁的反应：

f-CaO + H2O → Ca(OH)₂ 体积膨胀97.8%

f-MgO + H2O → Mg(OH)₂ 体积膨胀148%

钢渣中f-CaO及f-MgO因过烧而结晶致密，活性差，常温下消解反应慢，自然条件下往往需要数年的时间才能全部消解。热闷过程产生的水蒸气压力越高，越有利于其消解反应，且温度越高反应速率也较快。

3.可燃气体产生。高温钢渣在热闷打水过程中，H₂O与钢渣中残余的C产生大量CO及H₂，即水煤气：

C+H₂O高温→CO+H₂

C+2H₂O高温→CO₂+2H₂

可燃气体的产生，使钢渣热闷过程有爆炸隐患。

4.钢渣中的金属铁暴露在空气中，进一步氧化生成Fe₂O₃，不能通过磁选工艺选出。

3  给排水方式对钢渣热闷的影响

目前国内应用比较多的钢渣热闷工艺主要有坑式热闷和有压罐式热闷。其中有压罐式热闷，热闷过程在压力容器内进行，利用热闷过程产生大量过饱和水蒸气并通过压力容器保持一定压力，促进了水蒸气向破裂的钢渣缝隙内扩散、渗透，使热闷效率大幅提高。但两种工艺均采用的上部喷淋注水，容器底部自流排水给排水的方式，存在如下局限性：

1.不能保证钢渣与水充分接触。在给排水过程中，水处于无序自流状态，尤其是在上部存在大块钢渣的情况下，容易形成“伞盖效应”，下部的钢渣很难接触到水。这种现象在坑式热闷中尤其严重，即便通过12-14小时热闷，仍然不能完全避免有红渣存在。有压罐式热闷工艺虽然在前道工序对钢渣进行碾压破碎，但并不能完全消除大块钢渣，“伞盖效应”仍然存在；

2.有压罐式热闷压力容器的作用并不能完全发挥。有压热闷一般设定的工作压力为0.3MPa，实际生产中给水初期水蒸汽迅速达到工作压力并开始快排，同时不断注入冷水，使钢渣温度迅速降低，后期没有足够的热量保持容器内的工作压力。据生产数据统计，0.3MPa的工作压力只能保持60分钟左右，然后水温及蒸汽温度开始下降，至90分钟左右，已经基本是常压状态。同时，由于设备维护、操作等方面原因（比如固态罐排水孔堵塞），压力容器内蒸汽压力与钢渣容器内部压力不一致，从而造成钢渣消解反应的程度并不均匀，尾渣指标不稳定；

3.以上两种工艺都存在可燃气体富集的倾向，有爆炸隐患；

4.有压罐式热闷首先需要对热态钢渣摊平进行碾压破碎及冷却，钢渣中的金属铁较长时间暴露在空气中，一部分形成Fe₂O₃，降低了磁选工序金属铁的收得率；

5.以上两种工艺，对蒸汽的回收利用都没有很好的解决方式。

4  反向浸水工艺的优势

 反向浸水工艺的主要特点是，区别于传统顶部喷淋底部排水的给排水方式，通过特制的给排水装置，实现在容器底部给水并排水，热闷过程不排水并保持水位浸泡钢渣，充分利用钢渣余热产生的高温水对钢渣进行“水煮”，从而达到促进钢渣消解反应，缩短钢渣热闷时间。该工艺具有如下优势：

1.热闷效率高。采用反向浸水工艺，容器内水温始终保持在100℃ 以上，钢渣完全浸泡在热水中。而且，注水初期产生的蒸汽上浮对上部钢渣有“汽蒸”作用，较高的水温和“汽蒸”均有利于消解反应。坑式热闷5-6小时，罐式热闷3-3.5小时左右，就可以获得更好的热闷效果；

2.粉化效果好。反向浸水避免了大块钢渣对下部钢渣形成的“伞盖效应”以及冷却水无序流动，钢渣与水无死角完全接触，消解反应更充分而且均匀。热闷后的钢渣中粒径~25mm以下的钢渣占比达到80％以上，同时确保出渣时不会有红渣存在，可以不经过堆存冷却，直接使用皮带运输。较好的粉化效果，有利于金属铁的回收，采用该工艺热闷的钢渣，经磁选后尾渣的金属铁含量可以达到1%以下；

3.消解反应均匀彻底，热闷后钢渣指标稳定，为尾渣进一步深加工创造了有利条件。采用反向浸水工艺后，尾渣的浸水膨胀率可以稳定在2%以下，深加工后作为建筑材料原料或筑路材料，已经有比较多的应用案例；

4.水耗低。根据实际生产统计，坑式热闷采用上部喷淋工艺，供水方式为连续供水，循环水量约2.3t/h.t渣，如果采用反向浸水工艺，则供水方式为间断供水，循环水量仅为0.5t/h.t渣，可以有效降低热闷浊环水设施的投资及能耗；

5.避免可燃气体聚集，消除爆炸隐患。由于反向浸水过程中产生的可燃气体自然上浮，此时钢渣表面仍是红热状态，可燃气体充分燃烧，不存在聚集爆炸的隐患；

6.余热回收更容易实现。首先，工艺本身更充分利用了钢渣余热。同时，可燃气体燃烧后产生大量显热，通过对高温烟气回收换热可制造洁净的饱和蒸汽，用于发电或直接拖动除尘主电机，甚至通过SHRT技术实现对其他用电设备反向送电。

5  反向浸水工艺的应用

1.热闷坑改造

目前国内采用坑式热闷的企业，因炼钢产能提高，普遍存在现有钢渣处理设施能力不足的问题，从而被迫压缩热闷时间，造成钢渣二次处理破碎困难，金属铁回收率低。通过反向浸水工艺改造，热闷时间5-6小时就可以达到理想的热闷效果，把原有热闷坑的处理能力提高30%以上。由于钢渣热闷后粉化效果提升，可以简化二次处理工艺设备，并使金属铁回收率大幅提高。目前已有多家钢铁企业实施了改造，并成功取得显著效果。

某厂改造前后钢渣粒径对比：

2.反向浸水一体化热闷坑

在对原有热闷坑反向浸水改造成功的基础上，中钢（石家庄）工程技术有限公司针对坑式热闷工艺装渣过程烟气难收集的问题，对热闷坑进行热闷坑-受料槽-集尘罩一体化设计，通过控制集尘罩盖板的开闭，实现装渣、出渣过程在半封闭空间操作，热闷过程在全封闭空间操作，从而保证了烟气有效捕集。同时，钢渣出渣采用皮带运输，钢渣处理全过程“渣不落地”，保持车间地面整洁。

以钢渣处理能力80万吨/年生产线为例，主要工厂设计参数如下：

由上表对比可见，经过一体化设计的反向浸水热闷坑，所需的除尘器总风量相同，排放指标达到同样标准。在解决烟气捕集前提下，反向浸水热闷坑的方案具有以下优势：

1) 占地面积小，建设成本低。首先，反向浸水热闷坑的主要工艺设备以混凝土及钢坯为主，考虑主厂房面积、起重设备、设备基础、装机容量、电气仪表等因素，建设成本具有明显的优势。其次，有压罐式热闷对于铸余渣等不易破碎的钢渣、脱硫渣，需配套热泼工艺及其他设备处理，不但存在环保死角，进一步推高了建设成本。以钢渣处理能力80万吨/年生产线建设为例，综合投资低30-40%；

2) 反向浸水热闷坑没有大型机械设备，制造工艺简单，总装机容量小，尤其是没有压力容器，所以维护及运行成本要低得多；

3) 经过优化设计，反向浸水热闷坑漏风面积小于有压罐式热闷；

4) 采用一体化热闷坑热闷钢渣，装渣、出渣、热闷各工序所需除尘风量存在较大差异。通过共用除尘器，各支管烟气流量控制与工艺设备连锁，自动实现除尘系统各支管风量优化配置，节能效果明显；

5) 有压罐式热闷产生的蒸汽颗粒物含量高，且有腐蚀性，直接发电效率低。采用反向浸水工艺，可燃气体燃烧产生大量显热，通过换热制造纯净蒸汽效率高，用途更广泛。

3.反向浸水常压罐式热闷

首先将液态或半液态钢渣在相对封闭空间内进行初步冷却及碾压破碎，然后将破碎后的固态钢渣接入固态罐，再进行热闷处理。这种方式很好解决了烟气的有效捕集，颗粒物排放容易达标。如果后续的热闷处理不使用压力容器，仍采用上部喷淋注水的方式，则热闷后钢渣各项指标远达不到有压热闷的水平，不利于金属铁回收及钢渣深加工。中钢（石家庄）工程技术有限公司利用反向浸水技术，设计开发了钢渣反向浸水常压罐式热闷工艺以及相关工艺设备，即使不使用压力容器，热闷后钢渣各项指标不低于有压罐式热闷。

工艺流程：钢渣经过碾压破碎收集在固态罐中，固态罐内装配有给排水装置及快速连接装置；将固态罐吊运至集成了反向浸水装置及集尘罩的热闷工位，与反向浸水装置自动连接，实现钢渣反向浸水热闷。该工艺具有以下特点：

1) 实际是使用可以吊装的固态渣罐代替热闷坑作为热闷容器，热闷效果、可燃气体控制、余热利用等方面与采用反向浸水技术的坑式热闷具有同样的优势；

2) 保留了碾压破碎系统处理液态钢渣的优势。同时，前期的冷却及碾压破碎工序只需要使液态钢渣固化即可，相对有压热闷工艺，破碎工序的工作效率更高；

3) 钢渣在碾压床停留时间短，减少了钢渣中金属铁的氧化程度，有利于金属铁回收；

4) 对固态罐的形状大小没有特殊要求，使用原有渣罐或渣盘进行简单改造，安装相应的反向浸水装置即可满足需要；

5) 由于前道工序经过碾压破碎，热闷时间比使用热闷坑更短，为3-3.5h左右。

该工艺已经过工厂实验证实安全可靠，热闷时间、热闷后钢渣指标不低于有压罐式热闷。

6  结语

综上所述，反向浸水技术通过给排水方式的改变，大幅提升了坑式热闷工艺的生产效率，并改善了热闷后钢渣的性能指标，为钢渣深加工提供了原料保障。经一体化设计的反向浸水热闷坑，保证了钢渣处理过程颗粒物排放达标。坑式热闷对各类钢渣的适应性强，能处理包括铸余渣在内的所有钢渣，罐式热闷配套碾压破碎设备，更适合处理液态钢渣。考虑钢铁企业除10-15%转炉渣需要处理外，还有2-5%铸余渣需要处理，因此对于钢渣年处理量60万吨以下的企业，推荐采用反向浸水一体化热闷坑方案。钢渣年处理量60万吨以上，或液态钢渣占比高的企业，推荐采用反向浸水一体化热闷坑及反向浸水常压热闷结合的方案，保留碾压破碎设备的优势，既保证以最环保的方式处理所有钢渣，又可以降低建设成本。