一、研究的背景與問(wèn)題
高爐冶煉產(chǎn)生高溫液態(tài)熔渣（1350-1500℃），作為鋼廠產(chǎn)生的主要固廢之一，伴隨著鋼鐵工業(yè)的不斷發(fā)展，其產(chǎn)生量是巨大的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年我國(guó)高爐生鐵產(chǎn)量約8.68億噸，產(chǎn)生熔渣約3億噸。采用水沖渣工藝將高爐爐渣粒化后作為水泥原料，是高爐爐渣固廢資源化利用的一個(gè)有效途徑。
長(zhǎng)期以來(lái)，渣水分離主要采用傳統(tǒng)底濾法工藝或機(jī)械法工藝。如何以最佳方式完成爐渣?；⑻幚硭疀_渣工藝產(chǎn)生的蒸汽并實(shí)現(xiàn)渣水混合物的高效分離，對(duì)于鋼鐵行業(yè)的綠色發(fā)展和我國(guó)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有非常重要的意義。很多新建、改建高爐工程，由于受場(chǎng)地限制，無(wú)法選用占地面積較大的傳統(tǒng)底濾法工藝，而機(jī)械法工藝又存在投資成本高、維護(hù)工作量大等弊端，市場(chǎng)迫切需要一種新的水渣處理工藝解決方案。
目前，傳統(tǒng)底濾法或機(jī)械法工藝存在的主要問(wèn)題包括：
1、爐渣處理工藝不合理
傳統(tǒng)底濾法工藝和機(jī)械法工藝在爐渣的水淬?；h(huán)節(jié)和渣水分離環(huán)節(jié)沒(méi)有圍繞渣、水、汽進(jìn)行充分研究，導(dǎo)致處理工藝不合理，傳統(tǒng)底濾法水渣系統(tǒng)占地面積大，機(jī)械法工藝存在設(shè)備復(fù)雜、維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題。
2、?；瓦^(guò)濾過(guò)程的蒸汽直接對(duì)空排放造成環(huán)境污染
高溫液態(tài)熔渣在水淬粒化時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量蒸汽，渣水混合物溫度較高在過(guò)濾過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量蒸汽，這些蒸汽直接對(duì)空排放會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。
3、帶水抓渣導(dǎo)致成品水渣含水量高
傳統(tǒng)底濾法工藝采用帶水抓渣的方式清理過(guò)濾池內(nèi)的水渣，導(dǎo)致成品水渣含水量高，嚴(yán)重浪費(fèi)水資源。
4、人工操作抓斗起重機(jī)因作業(yè)環(huán)境惡劣導(dǎo)致生產(chǎn)效率低
對(duì)于人工操作抓斗起重機(jī)，過(guò)濾池上方的大量蒸汽不但對(duì)人體傷害較大，而且導(dǎo)致操作人員的工作環(huán)境非常惡劣，影響作業(yè)效率。很多新建改建高爐工程，由于受場(chǎng)地限制，無(wú)法采用占地面積較大的傳統(tǒng)底濾法工藝，而由于機(jī)械法工藝存在投資成本高、維護(hù)工作量大等原因，迫切需要研究一種新的水渣處理工藝提供解決方案。
二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案
對(duì)傳統(tǒng)底濾法和機(jī)械法進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)械法有些固有問(wèn)題如設(shè)備可靠性、渣中含水量、水中懸浮物含量等難以解決，而傳統(tǒng)底濾法有較好的改進(jìn)空間，因此本項(xiàng)目在傳統(tǒng)底濾法的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論研究、仿真分析、試驗(yàn)研究、三維模擬等研究方法開(kāi)發(fā)新型底濾法爐渣處理工藝和設(shè)備，預(yù)期目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高爐爐渣的節(jié)地處理、環(huán)保治理、高效過(guò)濾和智能運(yùn)行，解決水渣處理工藝普遍存在的共性的關(guān)鍵問(wèn)題。技術(shù)路線如圖1所示。
圖1 技術(shù)路線圖
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、開(kāi)發(fā)了新型底濾法爐渣處理工藝，解決占地面積大的問(wèn)題。
針對(duì)傳統(tǒng)底濾法工藝和機(jī)械法工藝存在的問(wèn)題，圍繞高爐爐渣?；h(huán)節(jié)和過(guò)濾環(huán)節(jié)的渣、水、汽進(jìn)行研究，把?；到y(tǒng)、過(guò)濾系統(tǒng)、抓斗起重機(jī)、冷卻塔、儲(chǔ)水池、循環(huán)泵組高效結(jié)合，首創(chuàng)新型底濾法爐渣處理工藝。解決了傳統(tǒng)底濾法水淬?；妆⒑扛?、占地面積大等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了安全沖渣、高效過(guò)濾、“無(wú)水”抓渣，通過(guò)提高過(guò)濾速度提高單位過(guò)濾面積的過(guò)濾能力，節(jié)省過(guò)濾池占地面積40%。
圖2 傳統(tǒng)底濾法過(guò)濾池占地面積大 圖3 環(huán)保底濾法過(guò)濾速度快、占地面積小
新型底濾法爐渣處理工藝通過(guò)高效粒化器和封閉的?；貙?shí)現(xiàn)高爐爐渣粒化的高效安全?；辉O(shè)置兩個(gè)過(guò)濾池，一個(gè)過(guò)濾池執(zhí)行沖渣過(guò)濾功能，一個(gè)過(guò)濾池執(zhí)行抓渣清理功能，兩個(gè)過(guò)濾池交替使用、沖渣過(guò)濾和抓渣清理同時(shí)進(jìn)行，利用高效過(guò)濾池提高過(guò)濾速度、減少過(guò)濾池占地面積；通過(guò)循環(huán)泵組、冷卻塔和儲(chǔ)水池把過(guò)濾水冷卻后循環(huán)利用。
2、開(kāi)發(fā)了蒸汽回收系統(tǒng)，解決蒸汽污染嚴(yán)重的問(wèn)題。
隨著國(guó)家環(huán)保政策的越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)鋼鐵工業(yè)的污染物排放提出了更高的要求，高爐水渣工藝由于熔渣水淬產(chǎn)生如圖4所示的嚴(yán)重蒸汽問(wèn)題越來(lái)越得到重視。
圖4 水渣處理過(guò)程產(chǎn)生大量蒸汽
（1）開(kāi)發(fā)?；姿?。針對(duì)爐渣?；h(huán)節(jié)的蒸汽污染問(wèn)題，開(kāi)發(fā)?；姿?，在?；姿牡撞吭O(shè)置?；赝瓿蔂t渣?；诹；姿纳喜吭O(shè)置蒸汽回收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)蒸汽的消白回收和循環(huán)利用，如圖5所示。
圖5 ?；姿?nèi)的蒸汽溜邊現(xiàn)象
（2）開(kāi)發(fā)過(guò)濾池蒸汽回收系統(tǒng)。針對(duì)渣水分離環(huán)節(jié)的過(guò)濾池蒸汽污染問(wèn)題，開(kāi)發(fā)如圖6所示的過(guò)濾池蒸汽回收系統(tǒng)，在過(guò)濾池上設(shè)置移動(dòng)蒸汽罩，對(duì)正在沖渣的過(guò)濾池進(jìn)行封閉處理，通過(guò)蒸汽回收管道引出過(guò)濾池蒸汽進(jìn)入?；姿?，回收蒸汽實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用。通過(guò)?；h(huán)節(jié)和過(guò)濾環(huán)節(jié)的蒸汽回收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高爐水渣工藝的環(huán)保消白和水資源循環(huán)利用，噸渣耗水量從傳統(tǒng)底濾法的1.05噸降至0.85噸。
圖6 過(guò)濾池蒸汽回收系統(tǒng)
3、開(kāi)發(fā)高效長(zhǎng)壽渣水分離系統(tǒng)，解決渣水分離不徹底的問(wèn)題。
針對(duì)渣水分離不徹底的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)高效長(zhǎng)壽渣水分離系統(tǒng)，把梯級(jí)高效過(guò)濾設(shè)施、模塊化高效過(guò)濾結(jié)構(gòu)與循環(huán)泵組合理匹配實(shí)現(xiàn)“無(wú)水”抓渣，解決了渣水分離不徹底和過(guò)濾水懸浮物含量高的問(wèn)題，過(guò)濾水懸浮物含量<8mg/L、成品水渣含水量<11%，大幅減少水資源的浪費(fèi)。
圖7 傳統(tǒng)底濾法帶水抓渣
4、開(kāi)發(fā)了基于3D掃描識(shí)別技術(shù)的智能抓渣系統(tǒng)，解決人工操作抓斗起重機(jī)作業(yè)環(huán)境惡劣生產(chǎn)效率低的問(wèn)題。
傳統(tǒng)底濾法工藝通過(guò)人工操作抓斗起重機(jī)完成過(guò)濾池渣粒的清理作業(yè)。對(duì)于人工操作抓斗起重機(jī)，過(guò)濾池上方的大量蒸汽不但對(duì)人體傷害較大，而且導(dǎo)致操作人員的工作環(huán)境非常惡劣，影響作業(yè)效率。
針對(duì)人工操作抓斗起重機(jī)作業(yè)環(huán)境惡劣生產(chǎn)效率低的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)基于3D掃描識(shí)別技術(shù)的智能抓渣系統(tǒng)，通過(guò)激光掃描三維成像模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)料堆的掃描建模，根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算出的料堆三維形狀實(shí)現(xiàn)快速抓渣清理作業(yè)，提高作業(yè)效率約15%。
圖8 過(guò)濾池三維數(shù)據(jù)演示 圖9 無(wú)人值守智能天車(chē)
四、應(yīng)用情況與效果
從2008年申請(qǐng)首個(gè)發(fā)明專(zhuān)利，經(jīng)歷不斷的技術(shù)提升，最終形成現(xiàn)在成套的第二代環(huán)保底濾法高爐爐渣處理技術(shù)，其發(fā)展歷程如下圖所示。
圖10 環(huán)保底濾法高爐爐渣處理技術(shù)發(fā)展歷程
環(huán)保底濾法高爐爐渣處理技術(shù)2009年首次在江陰興澄特鋼3200m3高爐獲得成功應(yīng)用，隨后廣泛應(yīng)用于馬鋼、包鋼、河鋼樂(lè)亭鋼鐵等35家鋼鐵公司及唐山凱源鎳鐵合金生產(chǎn)線的近八十套水渣系統(tǒng)，在業(yè)內(nèi)獲得廣泛認(rèn)可。
圖11 環(huán)保底濾法高爐爐渣處理技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況
對(duì)水渣系統(tǒng)的蒸汽進(jìn)行環(huán)保消白處理，消白前和消白后的對(duì)比情況如圖12、圖13所示。
圖12 消白前后的對(duì)比情況1
圖13 消白前后的對(duì)比情況2
帶水抓渣和“無(wú)水”抓渣的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比情況如圖14所示。
圖14 帶水抓渣和“無(wú)水”抓渣的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比情況
沖渣水過(guò)濾前后的對(duì)比情況如圖15所示。
圖15 應(yīng)用本技術(shù)過(guò)濾前后的沖渣水對(duì)比情況
對(duì)于國(guó)際主流的機(jī)械法，其主體設(shè)備是直徑、長(zhǎng)度可達(dá)五六米的大型轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓上安裝篩網(wǎng)，水濾出轉(zhuǎn)鼓外、渣粒被篩網(wǎng)擋在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，在轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)作用下，實(shí)現(xiàn)渣水分離。大型轉(zhuǎn)鼓需要常年連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)配合高爐生產(chǎn)，耗費(fèi)大量電能。
由于過(guò)濾時(shí)間較短（~1min），導(dǎo)致過(guò)濾水雜質(zhì)多（~1000mg/L）、渣中帶水量＞17%，噸渣耗水量~1噸，噸渣耗電量~15.2度，維護(hù)成本~350萬(wàn)元/年套，整體系統(tǒng)容錯(cuò)性差，機(jī)械設(shè)備可靠性直接影響高爐生產(chǎn)。
與機(jī)械法相比，采用環(huán)保底濾法高爐爐渣處理技術(shù)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠性高，過(guò)濾時(shí)間長(zhǎng)達(dá)~1h，過(guò)濾池也是緩沖池，能存2~4次沖渣，整體系統(tǒng)容錯(cuò)性好，過(guò)濾效果好，生產(chǎn)及維護(hù)成本低，過(guò)濾水懸浮物含量＜8mg/L，成品水渣含水量從＜11%，噸渣耗水量0.85噸，噸渣耗電量~11.9度，維護(hù)成本僅需~50萬(wàn)元/年套。
經(jīng)歷不斷的技術(shù)提升最終形成了現(xiàn)在的第二代環(huán)保底濾法高爐爐渣處理技術(shù)，累計(jì)申請(qǐng)專(zhuān)利44項(xiàng)，其中申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利27項(xiàng)（國(guó)外4項(xiàng)），已獲得發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)8項(xiàng)、實(shí)用新型專(zhuān)利授權(quán)17項(xiàng)。本技術(shù)的核心發(fā)明專(zhuān)利“一種環(huán)保型底濾法高爐爐渣處理設(shè)備及處理方法”獲得2018年第二十屆中國(guó)專(zhuān)利優(yōu)秀獎(jiǎng)。“自動(dòng)取渣系統(tǒng)”于2016年獲得第二屆中國(guó)金屬學(xué)會(huì)冶金青年創(chuàng)新創(chuàng)意大賽企業(yè)組一等獎(jiǎng)。
中冶京誠(chéng)環(huán)保底濾法高爐爐渣處理技術(shù)解決了高爐爐渣處理領(lǐng)域的多項(xiàng)技術(shù)難題，在減少投資、節(jié)省占地、節(jié)水、節(jié)電、減少維護(hù)費(fèi)用、環(huán)保消白等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，符合我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)和綠色發(fā)展的需求，是新建、改建各級(jí)別高爐水渣設(shè)施的優(yōu)選方案。
