1 概述
高炉炼铁过程中产生大量的高炉渣，这些高炉渣在冶炼过程中带有大量的显热。2006年北台钢铁厂高炉渣铁比平均460kg/t铁，炉渣热焓按430kcal/kg计算，每炼一吨生铁所产炉渣的显热为460×430×4.18=826804kJ。由于高炉渣的主要成分是CaO*SiO2*MgO等，生成前后化学成分、结构没有变化，因此，可将高炉渣的热焓视为其显热进行计算。如果标准煤按29260kJ/kg计，则北台钢铁厂每炼一吨生铁产生的炉渣显热相当于28.25kg标准煤，又根据焦炭与标准煤的折算系数0.9714，那么每炼一吨生铁产生的炉渣显热相当于29.08kg焦炭。如果北钢年产量按700万t铁计算，则北台钢铁厂每年因高炉渣带走而浪费的热量近19775万kg标准煤，相当于20357万kg焦炭。若焦炭现行价格按1500元/t焦炭计，那么每年因高炉渣显热的浪费而损失约3.05亿元。因此，高炉渣显热的回收利用是十分重要的课题，值得认真研究。
目前，全国高炉渣的热能利用率极低。通常的利用就是北方企业冬季利用高炉热冲渣水进行取暖。由于受供热区域、流量等条件的限制以及冲渣水中大量碱性物质对泵及管道腐蚀等因素的影响，渣的显热利用效率不高。春、夏、秋三季又不能使用，大量热冲渣水、蒸汽得不到利用，不仅浪费炉渣显热，而且影响生产作业。
就北台钢铁厂来讲，渣处理过程中产生大量的水蒸汽和热冲渣水，冲渣池冬季水温达到80℃，影响作业环境。现有的渣处理、渣显热利用法，基本都是采用不同的渣的粒化方法，先把热渣粒化，然后在热渣输送、下落过程中进行气体热交换，提取渣热。这些方法由于采用了粒化、输送、热交换三个步骤过程，因而设备复杂、故障率高、成本也高。因巴法、轮法、明特法等方法尽管各有特点，但是冲渣水量比较大，难以实现炉渣显热的回收利用。北台钢铁厂实际高炉渣处理过程中用水量占整个高炉用水总量的50%以上，渣处理过程中补充新水量占高炉取水量的70%以上，因此，改变现有渣处理工艺是降低高炉用水量，实现节能减排的关键。
新高炉渣处理工艺法把渣的破碎、输送、显热利用、捞渣、过滤、排污工序全部设计在一个系统内，实现了全部工艺要求，因此是独特的工艺技术方法。该方法最大的好处是节水，实现了对炉渣显热的利用，同时减少了污水外排问题。预计可产生0.1MPa、110℃的蒸汽，可用于发电、冬季取暖、冬季北方物料的解冻与保温等多种场合，炉渣显热利用价值前景广阔。
2 一步蒸汽法高炉渣处理工艺
工艺原理
水的比热4.2kJ/kg*℃，水的汽化热2258.4kJ/kg，1kg40℃的水变成80℃时吸收的热量为168kJ，1kg100℃的水变成100℃的蒸汽时吸热2258.4kJ。即1kg100℃的水变成蒸汽吸收的热量是40℃的水变成80℃时吸收热量的13.44倍，1kg40℃的水变成蒸汽吸收的热量是40℃的水变成80℃时吸收热量的14.94倍。如果用40℃的水水淬1kg高炉渣，变成100℃蒸汽所用水量比变成80℃时所用水量降低了93%(理论)。如果高炉渣水淬温度区间控制在100℃时，那么高炉渣水淬吸热过程的用水量就会大大降低。
新高炉渣处理方法利用高炉渣水淬汽化吸热多这一特点，实现了对炉渣显热的利用。新高炉渣处理方法改变了传统高炉渣水淬、水冷却渣工艺，采用高炉渣水淬、靠蒸汽带走炉渣显热的工艺方法，将高炉渣显热一步转换为蒸汽，因此具有独特性。
装置及工艺简介
装置。新高炉渣处理工艺系统主要由炉渣冷却粒化、炉渣输送、供水、除尘过滤、蒸汽利用等部分组成，各部分巧妙地安排在一个整体内，一步实现高炉渣处理、显热利用、除尘多种功能。该系统布置在高炉附近处，出渣沟直接进入系统沸腾釜内。
该系统主要由凉水池1、热水池2、沸腾釜3、喂料机4、提升机5、引风机6、除尘器8(另一设备图上无)、进渣口9、水泵10、渣仓11、泄水阀13、安全阀14、挡料板15、温度表及压力表等16部分组成，其中沸腾釜3是密闭容器，喂料机4普通星形喂料机改进而成，安装在入渣口部位，实现高温渣口的喂料和压力密封作用，使用时可根据实际压力需求进行取舍。该装置预计可产生0.1～0.15MPa、120℃的低压蒸汽。
(2) 系统工作过程。渣处理前，先启动水泵向沸腾釜注满水(水位计控制水位)，到达水位后，水泵自动转换开始单台小流量高压供水，超过水位多余的水从溢流孔流回热水池内。高炉出渣前启动喂料机使其高速旋转。高炉出渣经渣沟直接流入喂料机，经喂料机破碎、甩入沸腾釜中进行泡渣，红渣遇水急冷粒化，同时使沸腾釜内的水温升至100℃开始沸腾，并产生大量蒸汽，转换为蒸汽的水量恰好是水泵补给的水量。也就是说沸腾釜内始终保持水位恒定、100℃沸腾状态，水泵后补充的水量吸收高炉渣显热全部变成了蒸汽，即相当于水蒸汽带走了全部炉渣显热。随着炉渣不断流进，水泵水的不断补充，高炉渣显热全部被水吸收转换为热蒸汽，热蒸汽经过沸腾釜上部管道出口经釜内部的除尘结构除尘后由引风机输出，再到除尘器除尘、脱水后输出加以利用。产生的粒渣通过提升机提升捞渣输出。
上述沸腾釜是密闭容器，入渣口采用喂料机进行密封，喂料机由特殊材料制作而成，安装在入渣口部位，下部浸在水中，实现高温渣口的喂料和压力密封作用。出渣口采用水柱密封。高炉红渣遇水产生蒸汽，蒸汽的压力大小通过出口压力调节阀进行调节。
水中的粒渣由提升机输出，输送机设计能力略大于高炉渣产出量，沸腾釜内不存渣，以确保即使渣流量突然增加几倍也不会造成沸腾釜内渣堆积，从而影响粒化效果。
小型高炉出铁不连续，一次出完渣后，关闭水泵，一个工作周期结束；再次出渣前，一般应先启动水泵加水，确保沸腾釜内的水始终处于注满状态，防止高炉红渣落到沸腾釜壁上，造成粘渣现象。大型高炉出铁连续，渣处理系统工作也是连续的。
系统工艺参数
(1) 炉渣流量的计算：(以450m3高炉计算)
高炉每日产铁1800t，其中每日出铁15次，每次出铁120t，该高炉渣铁比按460kg/t铁计算，则每次出铁渣55.2t。每次出铁渣按45min计，那么炉渣平均流量为1.226t/min。
(2) 热效率的计算(以450m3高炉计算)
假定凉水池水温40℃，热水池水温80℃，水的比热4.2kJ/kg.℃，水的汽化热L=2258.4kJ/kg，水的比重1kg/m3，沸腾釜水容积66t，出渣温度60℃，出渣含水率20%。根据热量计算公式Q=c×m×△t，水的汽化热计算公式Q=m×L及热平衡原理，计算可得每次出铁渣的显热全部被水吸收转变为100℃蒸汽需要的水量m。
则：55.2×1000×430×4.18=4.2×66×1000×(100-80)+4.2×m×(100-40)+2258.4×m+4.2×55.2×(1+20%)×1000×(100-60)，解得m=328880.8kg。
(3) 理想状态下(忽略热量损耗)的热效率：
?=(4.2?328880.8?(100-40)+2258.4?328880.8)/(460?430?4.18?120)?100%=83.2%
3 一步蒸汽法渣处理工艺评价
现有的渣处理方法共同特点是水量大、水温高，必须靠冷却塔冷却及排污、补充新水降温等措施得以长时间运行。实际生产处理吨渣新水耗量约0.8～1.2t，造成污水外排、环境污染、能源利用率低。而一步蒸汽法渣处理工艺具有以下优点：
(1) 一步蒸汽法渣处理设备简单、占地面积小、节水、投资少。1kg40℃的水升温至80℃时吸热168kJ，从80℃升至100℃时吸热84kJ，100℃的水变成100℃的水蒸汽需吸热2258.4kJ。也就是说1kg40℃的水变成水蒸汽吸收的热量是变成80℃的水吸收热量的14.94倍。因巴法、嘉恒法等用水吸热至80℃使渣冷却，用水量必然大，而蒸汽法靠直接把水变成蒸汽、蒸汽吸收炉渣显热使炉渣冷却，因此用水量大大减少。经计算理想状态下渣水比1：0.59，吨铁耗水273.3kg/t，按补充新水计算，吨铁节水726kg/t，节水率72.6%。由于蒸汽法耗水量少，因此占地面积小，解决了由此带来的污水排放污染环境等一系列问题。
(2) 实现了炉渣显热的二次利用，热效率高。一步蒸汽渣处理法靠炉渣流入沸腾水中产生热蒸汽，吸收提取炉渣显热。在理想状态下，水泵后加入的水全部转换为热蒸汽，沸腾釜中的水始终保持在100℃的注满状态，基本实现炉渣显热100%的热能转换。热损失主要是出渣及渣中水带走的部分热量，这部分热量仅占炉渣全部显热的很少比例，因此热效率高，理论热效率83%。
(3) 污染低。由于蒸汽蒸发本身就是冲渣水的净化过程，同时蒸汽又经过除尘、过滤、脱水等工序处理，因此输出后可以满足一般用户对蒸汽的需要。沸腾釜中的污水经过排污阀过滤器的过滤后回到水池，污水过滤后能满足炉渣处理回用水的要求，因此不会造成污水排放，实现了水的再利用。
由于一步蒸汽法直接将炉渣显热转化为蒸汽，将传统粒化、输送、热交换三个步骤结合为一步，把炉渣破碎、输送、显热利用、捞渣、过滤、排污过程集成于一个系统内，从而降低了设备制造成本，减少了用水量、占地面积，改善了作业环境。因此一步蒸汽法是独特的渣处理工艺方法，适合当前节能减排的形势，具有广泛的开发价值，值得推广。
4 大型高炉实施的可行性
一步蒸汽法最大的好处是节水，同时高效利用了高炉渣的显热，该方法更适用于大型高炉。由于大型高炉出铁渣是连续的，因此沸腾釜工作也是连续的，这样可确保产出蒸汽的连续稳定性，输出的蒸汽也就不需要通过大型储气罐进行稳压，从而使输出设备更加简化。
也可以在现有大型高炉的出渣口下部安装该装置，安装二台，一用一备，以确保高炉不会因炉渣处理设备的损坏而影响正常出渣铁。经过考察各大、中、小高炉均有位置安装。大型高炉安装该装置不需要改变现有的出铁厂及设备，即可进行安装作业，安装过程不影响高炉的正常生产。
5 经济效益(按一台炉估算)
设备投资308万元；土建安装50万元；配套设施30万元；设计费150万元，合计：538万元。
单座450m3高炉年产量按60万t计算，每炼一吨生铁产生的渣的焓热为28.26kg标准煤，按08年现行价格1300元/t计算，热效率按60%计算，则年创效益1322万元。当年可回收全部投资并有盈余。同时降低了水泵功率约300kW，取消了水冷却塔及循环水泵，这部分效益也是不小的。
6 结语
一步蒸汽法渣处理工艺采取一步、一台设备直接利用炉渣显热将水转化为蒸汽，从根本上解决了因巴法、嘉恒法等水淬法耗水量大的问题，以及目前风冷法风量消耗大、热效率低的问题，改变了传统渣处理要经过破碎、输送、捞渣、显热利用等多个工艺过程。由于该工艺用高炉渣显热直接将水转换为热蒸汽，用蒸汽吸热冷却高炉渣，蒸汽热焓多，使得炉渣处理工艺用水量减少，占地面积小，渣处理设备变小，工艺简单，实现了液态炉渣显热的全部回收，降低了钢铁生产的能源消耗，减少了炉渣冷却水的消耗以及由此带来的环境污染问题。
因此，一步蒸汽法渣处理工艺是节能减排、企业挖潜降耗的好项目，具有广泛的开发价值，可作到当年使用，当年回收成本，值得推广。
(来源：炼钢)
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