一、研究的背景與問題

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，2021年我國高爐生鐵產(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?；笞鳛樗嘣希歉郀t爐渣固廢資源化利用的一個有效途徑。

長期以來，渣水分離主要采用傳統(tǒng)底濾法工藝或機械法工藝。如何以最佳方式完成爐渣?；?、處理水沖渣工藝產(chǎn)生的蒸汽并實現(xiàn)渣水混合物的高效分離，對于鋼鐵行業(yè)的綠色發(fā)展和我國的循環(huán)經(jīng)濟具有非常重要的意義。很多新建、改建高爐工程，由于受場地限制，無法選用占地面積較大的傳統(tǒng)底濾法工藝，而機械法工藝又存在投資成本高、維護工作量大等弊端，市場迫切需要一種新的水渣處理工藝解決方案。

目前，傳統(tǒng)底濾法或機械法工藝存在的主要問題包括：

1、爐渣處理工藝不合理

傳統(tǒng)底濾法工藝和機械法工藝在爐渣的水淬?；h(huán)節(jié)和渣水分離環(huán)節(jié)沒有圍繞渣、水、汽進行充分研究，導致處理工藝不合理，傳統(tǒng)底濾法水渣系統(tǒng)占地面積大，機械法工藝存在設備復雜、維護費用高等問題。

2、?；瓦^濾過程的蒸汽直接對空排放造成環(huán)境污染

高溫液態(tài)熔渣在水淬?；瘯r會產(chǎn)生大量蒸汽，渣水混合物溫度較高在過濾過程會產(chǎn)生大量蒸汽，這些蒸汽直接對空排放會造成嚴重的環(huán)境污染。

3、帶水抓渣導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濾池內(nèi)的水渣，導致成品水渣含水量高，嚴重浪費水資源。

4、人工操作抓斗起重機因作業(yè)環(huán)境惡劣導致生產(chǎn)效率低

對于人工操作抓斗起重機，過濾池上方的大量蒸汽不但對人體傷害較大，而且導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，由于受場地限制，無法采用占地面積較大的傳統(tǒng)底濾法工藝，而由于機械法工藝存在投資成本高、維護工作量大等原因，迫切需要研究一種新的水渣處理工藝提供解決方案。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

對傳統(tǒng)底濾法和機械法進行對比分析，發(fā)現(xiàn)機械法有些固有問題如設備可靠性、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空間，因此本項目在傳統(tǒng)底濾法的基礎(chǔ)上，通過理論研究、仿真分析、試驗研究、三維模擬等研究方法開發(fā)新型底濾法爐渣處理工藝和設備，預期目標是實現(xiàn)高爐爐渣的節(jié)地處理、環(huán)保治理、高效過濾和智能運行，解決水渣處理工藝普遍存在的共性的關(guān)鍵問題。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1  技術(shù)路線圖

三、主要創(chuàng)新性成果

1、開發(fā)了新型底濾法爐渣處理工藝，解決占地面積大的問題。

針對傳統(tǒng)底濾法工藝和機械法工藝存在的問題，圍繞高爐爐渣?；h(huán)節(jié)和過濾環(huán)節(jié)的渣、水、汽進行研究，把?；到y(tǒng)、過濾系統(tǒng)、抓斗起重機、冷卻塔、儲水池、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?、含水量高、占地面積大等問題，實現(xiàn)了安全沖渣、高效過濾、“無水”抓渣，通過提高過濾速度提高單位過濾面積的過濾能力，節(jié)省過濾池占地面積40%。

圖2  傳統(tǒng)底濾法過濾池占地面積大      圖3  環(huán)保底濾法過濾速度快、占地面積小

新型底濾法爐渣處理工藝通過高效?；骱头忾]的?；貙崿F(xiàn)高爐爐渣?；母咝О踩；?；設置兩個過濾池，一個過濾池執(zhí)行沖渣過濾功能，一個過濾池執(zhí)行抓渣清理功能，兩個過濾池交替使用、沖渣過濾和抓渣清理同時進行，利用高效過濾池提高過濾速度、減少過濾池占地面積；通過循環(huán)泵組、冷卻塔和儲水池把過濾水冷卻后循環(huán)利用。

2、開發(fā)了蒸汽回收系統(tǒng)，解決蒸汽污染嚴重的問題。

隨著國家環(huán)保政策的越來越嚴格，對鋼鐵工業(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所示的嚴重蒸汽問題越來越得到重視。

圖4  水渣處理過程產(chǎn)生大量蒸汽

（1）開發(fā)?；姿?。針對爐渣?；h(huán)節(jié)的蒸汽污染問題，開發(fā)粒化消白塔，在?；姿牡撞吭O置粒化池完成爐渣?；诹；姿纳喜吭O置蒸汽回收系統(tǒng)實現(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）開發(fā)過濾池蒸汽回收系統(tǒng)。針對渣水分離環(huán)節(jié)的過濾池蒸汽污染問題，開發(fā)如圖6所示的過濾池蒸汽回收系統(tǒng)，在過濾池上設置移動蒸汽罩，對正在沖渣的過濾池進行封閉處理，通過蒸汽回收管道引出過濾池蒸汽進入?；姿厥照羝麑崿F(xiàn)水資源的循環(huán)利用。通過粒化環(huán)節(jié)和過濾環(huán)節(jié)的蒸汽回收系統(tǒng)實現(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 過濾池蒸汽回收系統(tǒng)

3、開發(fā)高效長壽渣水分離系統(tǒng)，解決渣水分離不徹底的問題。

針對渣水分離不徹底的問題，開發(fā)高效長壽渣水分離系統(tǒng)，把梯級高效過濾設施、模塊化高效過濾結(jié)構(gòu)與循環(huán)泵組合理匹配實現(xiàn)“無水”抓渣，解決了渣水分離不徹底和過濾水懸浮物含量高的問題，過濾水懸浮物含量<8mg/L、成品水渣含水量<11%，大幅減少水資源的浪費。

圖7  傳統(tǒng)底濾法帶水抓渣

4、開發(fā)了基于3D掃描識別技術(shù)的智能抓渣系統(tǒng)，解決人工操作抓斗起重機作業(yè)環(huán)境惡劣生產(chǎn)效率低的問題。

傳統(tǒng)底濾法工藝通過人工操作抓斗起重機完成過濾池渣粒的清理作業(yè)。對于人工操作抓斗起重機，過濾池上方的大量蒸汽不但對人體傷害較大，而且導致操作人員的工作環(huán)境非常惡劣，影響作業(yè)效率。

針對人工操作抓斗起重機作業(yè)環(huán)境惡劣生產(chǎn)效率低的問題，開發(fā)基于3D掃描識別技術(shù)的智能抓渣系統(tǒng)，通過激光掃描三維成像模塊實現(xiàn)對料堆的掃描建模，根據(jù)系統(tǒng)計算出的料堆三維形狀實現(xiàn)快速抓渣清理作業(yè)，提高作業(yè)效率約15%。

圖8  過濾池三維數(shù)據(jù)演示       圖9  無人值守智能天車

四、應用情況與效果

從2008年申請首個發(fā)明專利，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高爐獲得成功應用，隨后廣泛應用于馬鋼、包鋼、河鋼樂亭鋼鐵等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)獲得廣泛認可。

圖11  環(huán)保底濾法高爐爐渣處理技術(shù)現(xiàn)場應用情況

對水渣系統(tǒng)的蒸汽進行環(huán)保消白處理，消白前和消白后的對比情況如圖12、圖13所示。

圖12  消白前后的對比情況1

圖13  消白前后的對比情況2

帶水抓渣和“無水”抓渣的現(xiàn)場對比情況如圖14所示。

圖14  帶水抓渣和“無水”抓渣的現(xiàn)場對比情況

沖渣水過濾前后的對比情況如圖15所示。

圖15  應用本技術(shù)過濾前后的沖渣水對比情況

對于國際主流的機械法，其主體設備是直徑、長度可達五六米的大型轉(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，實現(xiàn)渣水分離。大型轉(zhuǎn)鼓需要常年連續(xù)運轉(zhuǎn)配合高爐生產(chǎn)，耗費大量電能。

由于過濾時間較短（~1min），導致過濾水雜質(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，維護成本~350萬元/年套，整體系統(tǒng)容錯性差，機械設備可靠性直接影響高爐生產(chǎn)。

與機械法相比，采用環(huán)保底濾法高爐爐渣處理技術(shù)，系統(tǒng)簡單、可靠性高，過濾時間長達~1h，過濾池也是緩沖池，能存2~4次沖渣，整體系統(tǒng)容錯性好，過濾效果好，生產(chǎn)及維護成本低，過濾水懸浮物含量＜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，維護成本僅需~50萬元/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)，累計申請專利44項，其中申請發(fā)明專利27項（國外4項），已獲得發(fā)明專利授權(quán)8項、實用新型專利授權(quán)17項。本技術(shù)的核心發(fā)明專利“一種環(huán)保型底濾法高爐爐渣處理設備及處理方法”獲得2018年第二十屆中國專利優(yōu)秀獎?！白詣尤≡到y(tǒng)”于2016年獲得第二屆中國金屬學會冶金青年創(chuàng)新創(chuàng)意大賽企業(yè)組一等獎。

中冶京誠環(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、減少維護費用、環(huán)保消白等方面具有明顯優(yōu)勢，符合我國生態(tài)文明建設和綠色發(fā)展的需求，是新建、改建各級別高爐水渣設施的優(yōu)選方案。