转炉钢渣处理中能源利用的探索与研究
前言
转炉钢渣是炼钢过程中产生的副产品，转炉钢渣的产生释放大量的热能。大部分钢渣处理方法都是将热态钢渣进行冷却后进行破碎-筛分-磁选加工，提取金属后再加以利用。而熔融钢渣从1600℃冷却到常温，钢渣中含有丰富热能都被浪费，在冷却过程中浪费大量的水，通过自然冷却的方法处理钢渣则需要大量的占地并造成对周围环境的污染。如能利用熔渣中的显热不但能减少污染，且节约资源巨大，如何利用钢渣显热成为需要攻克的一个难题。
1 钢渣能源利用的战略意义
1.1 环保效益分析
作为全世界共同面对的问题，温室效应严重威胁着人类的生存，二氧化碳的过度排放是产生温室效应的罪魁祸首，低碳经济在世界发展中成为共同关注的话题，2009年联合国在哥本哈根召开世界气候大会，来自192个国家首脑和环境部长讨论如何应对气候变化和温室气体，节能减排在能源发展中具有重大的战略意义，2009年国内钢产量约为5.6亿吨，要产生约10亿吨二氧化碳，全球约4﹪-5﹪的二氧化碳来自钢铁业，减少传统燃料式能源利用新型环保能源将成为未来钢铁业能源发展的方向，工业锅炉每燃烧一吨煤就产生二氧化碳2.7吨,如果将熔融钢渣回收的余热代替燃煤所产生的热量，就会减少燃煤所产生的二氧化碳，同时也减少炼钢过程中二氧化碳的产生， 2009年鞍钢排放钢渣约300万吨，如果将其热能利用代替燃煤，就能减少约13万吨标准煤所产生的35万吨二氧化碳的排放，全国排放的钢渣热量就能减少燃煤所带来大约1000万吨的二氧化碳的排放，熔融钢渣能源的合理利用再发展低碳经济的同时，也减少对不可再生资源的肆意开采，环保意义重大。
1.2 节能效益分析
国家大力提倡循环经济，建资源节约型、清洁型企业，熔渣热能是典型的清洁节约型能源。据测算，2008年钢铁企业电力总消耗为2153亿千瓦时，其中钢厂自发电比例约占总用电量的28﹪，外购电量约占72﹪，即1550亿千瓦时，随着电价的不断升高，钢铁业的电力成本不断加大，积极利用二次能源发电，扩大自发电量成为节约能源和降低成本的最有效措施。如果将2009年全国钢渣热能100﹪回收用于发电，可发电440亿千瓦时，接近全国年发电总量的1/70，相当于3个葛洲坝水电站发电量，相当于22个中等火力发电站的发电量，既减少钢铁企业外购电量，又节约能源，同时大大降低企业成本。熔渣余热除用于发电外，还可以用于余热锅炉的供热、供水、供气等领域，真正实现清洁能源的循环利用。
1.3 经济效益分析
炼钢产生的熔融态钢渣在1600℃ 左右，含有大量热能。据实验测得，每千克钢渣含有热量2000KJ（1600℃）。如全部回收，09年鞍钢产生的300万吨钢渣所蕴含的总热量超过6×1012KJ。单从降低煤耗一点即可为企业每年节省上亿元。而全国每年产生约8千万吨的钢渣，其热量值达1. 6×1014KJ，相当于节省约350万吨标准煤，省煤效益超到28亿元，如热量全部回收用于发电，经济效益超过200多亿元。
钢渣能源利用的战略意义主要体现在既节能减排，减少了能源的浪费，且在环境保护等方面有着重大综合效益，高品质、高效的回收转炉熔渣显热也将成为钢铁企业降低综合能耗的重要手段，给企业带来巨大经济效益的同时，实现低碳经济。
2 钢渣能源利用的可行性
2.1 热闷工艺
热闷法是近些年兴起的一种先进的钢渣预处理工艺，它利用熔融钢渣余热使水汽化，从而达到快速膨胀自解的过程，热闷后钢渣中f-CaO和f-MgO状态发生根本变化，使f-CaO和f-MgO由有害物质变成有用物质，变害为利的同时使钢渣应用的稳定性得到保证。热闷工艺的原理是利用钢渣余热使水迅速汽化，产生饱和蒸汽，饱和蒸汽与钢渣中CaO、MgO以及游离态CaO、MgO迅速发生反应，在这个过程中产生化学应力、相变应力和热应力，在这些力的作用下，钢渣发生迅速自膨现象。
主要反应方程式：
CaO+H2O=CaOH2
MgO+H2O=MgOH2
f-CaO+H2O=CaOH2
f-MgO+H2O=MgOH2
2.2 闪蒸发电技术
闪蒸是指水的一种相变过程，即在一定压力和温度下的未饱和水，当压力下降至某温度下的饱和压力时，就会进入饱和区而开始汽化，并且随着压力的下降，其汽化程度不断提高。闪蒸余热发电技术是在常规余热发电系统的主机以外增设闪蒸和闪蒸型除氧器，当机组正常运行带负荷后，从省煤器集箱中抽取达到参数要求的一部分热水引入闪蒸器，热水在闪蒸器内迅速扩容降压后闪蒸分离出低压饱和蒸汽和低压饱和热水。分离出的低压饱和蒸汽和余热锅炉的主过热蒸汽分别进入多进汽汽轮机的低压气缸和高压气缸做功发电，而分离出的低压饱和水进入除氧器作为除氧热源进行充分利用。充分利用余热发电缓解电力资源的紧张，利用回收的余热代替传统火力发电燃煤所产生的热量不但减少燃煤对环境的污染，同时大大增加企业的经济效益。
热闷法是通过打水将热闷装置内的高温熔渣冷却的过程，闪蒸技术是利用高温蒸汽、热水带动汽轮机发电，即热能→动能→电能的过程，将1600℃的熔渣通过喷淋降温至200℃以下，其本身是一种热能浪费过程，而闪蒸发电技术恰恰能够利用熔渣降温的热能，将钢渣热闷技术和闪蒸发电技术有效结合不但能够解决热能的浪费，也减少热闷喷淋打水过程中大量水资源的浪费，钢渣热能用于发电是钢渣显热回收的一种新途径。
3 热闷法显热回收构想
热闷显热回收总体上可以分为两个过程，第一个过程是以余热水的方式回收，另一个回收过程是对蒸汽的回收。回收显热除用于发电外，还可用于工业余热锅炉和民用的供暖、供热等。
将熔融钢渣从渣罐倒入热闷装置中，启动闷渣池壁和液压推拉杆中水循环系统，使水注入其中并保持动态循环，启动液压系统推动液压推拉杆向上运动，此时液压推拉杆均匀而有效的分布在闷渣池中并充分接触熔融钢渣，推拉杆和闷渣池壁中的水循环系统充分吸收热能并将其输送出去，将回收的余热水通入发电装置内进行发电，待闷渣池内钢渣温度达到热闷要求时，打开水雾喷淋装置进行热闷，同时打开蒸汽回收装置进行蒸汽回收，同样将回收的蒸汽也通入发电装置，待闷渣结束后，关闭蒸汽回收装置，使液压推拉杆向下运动至闷渣池底，停止所有水循环系统，打开热闷盖，将钢渣清出。
4 热闷显热回收的问题和技术可行性
4.1 热闷显热回收的问题
硅酸盐类炉渣有如下特点：①导热系数低，1400～1500℃的液相阶段约为0.1～0.3 W／m·K；②粘度随温度降低急剧升高。虽然熔渣热焓大，但是由于其导热率低，换热慢，换热介质难以选择，钢渣中的热含量随着渣的温度变化波动很大见图4，其中液态阶段温度为1400℃~1600℃，当温度进一步下降，逐渐丧失流动性。
4.2 热闷显热回收的技术可行性
由于钢渣导热性差，粘度随温度降低急剧升高，钢渣冷却成坨后中心热量不易回收，导致显热回收效率低，液压推拉杆法采用均匀分布的多个水冷系统与熔渣内外部充分接触的方式，从而有效的吸收钢渣不易被吸收的中心热量，克服熔渣粘度大、导热性差的缺点，充分回收钢渣释放的热量，显热回收率高，并且克服传统热闷法热能和水资源大量浪费的缺点。
5.结论
热闷法显热回收采用水冷壁与熔渣内外部充分接触的热能回收方式，利用水冷璧和蒸汽回收装置回收余热水和热蒸汽，从根本上解决传统显热回收中热能回收率低的弊端，其回收率预计可达80﹪，从经济效益上看，按2009年鞍钢的钢渣排放量300万吨计算，热量回收值可超过4.8×1012KJ，回收的热量相当于14亿千瓦时的电量，发电创造的经济效益可达6亿元，由此可见，熔融钢渣热能回收是非常必要的。
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