分享：一體化熱熔渣巖棉生產(chǎn)新工藝

我國(guó)每年鋼鐵產(chǎn)量約10億t，噸鐵高爐渣比為0.25~0.3 t，高爐渣作為鐵水的副產(chǎn)品產(chǎn)量很大。高爐渣中SiO2、Al2O3、CaO和MgO等主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占85%~90%，堿度0.9~1.0，屬于硅酸鹽材料。目前，高爐渣處理主要采用水淬法和干渣法。干渣法環(huán)境污染嚴(yán)重，資源利用率低，僅用于事故處理；水淬法因爐渣物理熱無(wú)法回收，且并未解決污染物排放等問(wèn)題而受到限制[1]。高爐渣水淬冷卻后主要用作水泥原料，此處理流程呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：（1）能耗高，出渣溫度1400~1500 ℃，熱焓1550~1750 kJ/kg（約為煉鐵工序能耗的10%）[2]，但是只能將高爐渣冷卻至室溫后才進(jìn)入制備水泥工序；（2）污染嚴(yán)重，H2S和SOx隨蒸汽排入大氣；（3）資源浪費(fèi)嚴(yán)重，水淬生產(chǎn)每噸高爐渣需消耗新水0.8~1.2 t，水淬渣含水率高達(dá)10%，而作為水泥原料仍需干燥，且產(chǎn)品附加值較低。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從高爐渣化學(xué)成分分析、物理熱分析和環(huán)境分析等方面進(jìn)行了大量研究工作，從而將目光轉(zhuǎn)向了附加值較高的巖棉生產(chǎn)[3-5]。

巖棉為人造纖維，細(xì)度4~6 μm，熱導(dǎo)率0.033~0.040 W/（m·K），密度為0.13~0.15 g/cm3，具有優(yōu)良的絕熱、吸聲、防火和抗震等性能，在節(jié)能和環(huán)保領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，廣泛應(yīng)用于石油、電力、冶金和建筑等行業(yè)[6-10]。特別是隨著外墻保溫技術(shù)的推廣應(yīng)用和有機(jī)材料被限制使用，巖棉保溫板多用于建筑和設(shè)備隔熱吸聲、單晶爐、冶金鑄造和石油裂化等領(lǐng)域，亦可作為天然石棉的替代品而用于橡膠增強(qiáng)、高溫密封、高溫過(guò)濾和高溫催化劑載體等，呈現(xiàn)繁榮發(fā)展態(tài)勢(shì)。

目前，高爐渣生產(chǎn)巖棉的主要工藝有“沖天爐”生產(chǎn)工藝和“電爐”生產(chǎn)工藝兩種[7,11]。

“沖天爐”生產(chǎn)工藝以高爐渣和焦炭等為主要原料，在黏度保持10 Pa·s（1450~1500 ℃）的前提下，添加調(diào)質(zhì)劑，調(diào)整酸度系數(shù)(SiO2+Al2O3的質(zhì)量與CaO+MgO的質(zhì)量之比)為1.6~1.8，得到符合要求的熔渣。但是，該生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量CO、CO2和SO2等廢氣，且因沖天爐本身工藝特點(diǎn)而無(wú)法回收，只能焚燒脫硫、脫硝處理后才能排放，造成環(huán)境污染的同時(shí)，提高了成本，給企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的困難。

“電爐”生產(chǎn)工藝?yán)秒姌O加熱，加入粉煤灰或石英砂等輔料在電爐進(jìn)行調(diào)質(zhì)，無(wú)需焦炭、燃?xì)猓粫?huì)產(chǎn)生大量廢氣，但是因高爐并未與電爐緊密相連，高爐渣需采用兩種方式運(yùn)至電爐：（1）高爐渣冷卻后，冷態(tài)運(yùn)至電爐二次熔化，大量顯熱被浪費(fèi)，能耗太高；（2）由拖車(chē)或者抱罐車(chē)運(yùn)送高溫液態(tài)熔渣至電爐，運(yùn)輸時(shí)間較長(zhǎng)，且不穩(wěn)定，熔渣極易凝固，粘渣嚴(yán)重。

綜合分析以上兩種工藝，“沖天爐”工藝污染環(huán)境嚴(yán)重、成本過(guò)高，受制于政策和工藝本身，發(fā)展已嚴(yán)重受限；“電爐”工藝因需二次熔化，生產(chǎn)每噸熱熔渣消耗電量800~1000 kW，每噸熱熔渣消耗石墨電極5 kg，加工成本居高不下，且兩種生產(chǎn)工藝均未解決CO2等廢氣排放問(wèn)題。本文從經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境保護(hù)的角度考慮，以降低生產(chǎn)成本、兼顧環(huán)境友好為準(zhǔn)繩，提出了一體化的熱熔渣巖棉生產(chǎn)工藝，合理配置系統(tǒng)組成，擴(kuò)大生產(chǎn)原料，適應(yīng)靈活多變的市場(chǎng)。

1.   新工藝系統(tǒng)概述

擁有堿度和顯熱優(yōu)勢(shì)的冶金熱熔渣制備巖棉的熔煉熱效率高，在業(yè)界受到了廣泛關(guān)注。在熱熔爐—調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐—巖棉生產(chǎn)流程中涉及大量連續(xù)和離散的過(guò)程變量，生產(chǎn)單元本身可變因素較多，存在時(shí)間不確定、溫度波動(dòng)、設(shè)備狀況等外界可變因素，使得過(guò)程非常復(fù)雜。其中冶煉爐與巖棉生產(chǎn)線之間距離較長(zhǎng)，熱熔渣多采用拖車(chē)或者抱罐車(chē)運(yùn)輸，運(yùn)輸過(guò)程中溫度迅速降低，極易凝固，能源散失的同時(shí)增加了巖棉加工難度，因此如何使冶煉爐與巖棉生產(chǎn)線有機(jī)組合，縮減運(yùn)輸距離，建立連續(xù)緊湊、動(dòng)態(tài)有序的熱熔渣運(yùn)輸系統(tǒng)，確保巖棉生產(chǎn)流程連續(xù)順暢，運(yùn)行成本大幅降低是研究的重點(diǎn)。

一體化熱熔渣巖棉生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括熱熔爐、熱熔渣運(yùn)輸系統(tǒng)、調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐及巖棉生產(chǎn)系統(tǒng)（圖1），具體方案為：

（1）熱熔爐布置于熱熔爐區(qū)域，熱熔爐設(shè)有出渣口和出渣位；

（2）調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐布置于調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨中，調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨與熱熔爐區(qū)域毗鄰布置，跨內(nèi)還布置有熔渣傾翻區(qū)和渣罐維修區(qū)；

（3）巖棉生產(chǎn)線布置在巖棉跨中，巖棉跨與調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨垂直布置；

（4）熱熔渣運(yùn)輸系統(tǒng)包括渣罐、渣罐車(chē)及運(yùn)輸線、渣罐自動(dòng)全程加揭蓋裝置和渣罐烘烤器。渣罐用于盛裝熱熔爐產(chǎn)生的熱熔渣，渣罐車(chē)承載渣罐通過(guò)運(yùn)輸線在熱熔爐與巖棉生產(chǎn)線之間進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。

2.   新工藝生產(chǎn)特點(diǎn)

冶金熱熔渣通過(guò)出渣口出渣至渣罐內(nèi)，渣罐經(jīng)運(yùn)輸線上的渣罐車(chē)直線運(yùn)輸至調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨，跨內(nèi)行車(chē)吊運(yùn)熱熔渣至調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐，經(jīng)調(diào)溫調(diào)質(zhì)后進(jìn)行成棉，生產(chǎn)出合格巖棉，實(shí)現(xiàn)了熱熔渣生產(chǎn)巖棉的一體化生產(chǎn)工藝。具體生產(chǎn)流程為：在線烘烤后的渣罐車(chē)承載空渣罐運(yùn)行至熱熔爐的出渣位等待出渣，1450~1500 ℃熱熔渣經(jīng)由熱熔爐的出渣口出渣至渣罐中，渣罐車(chē)承載滿罐的熔渣運(yùn)行至渣罐自動(dòng)全程加揭蓋（Ⅰ）裝置處自動(dòng)加蓋，并直接運(yùn)行至調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨；經(jīng)過(guò)自動(dòng)全程加揭蓋裝置（Ⅱ）揭蓋后，通過(guò)調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨內(nèi)的行車(chē)吊運(yùn)渣罐至調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐，并將渣罐內(nèi)的渣加至調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐內(nèi)，調(diào)溫調(diào)質(zhì)后進(jìn)入成棉等巖棉生產(chǎn)工序；加完熱熔渣的空渣罐經(jīng)行車(chē)吊運(yùn)至渣罐運(yùn)輸線上，通過(guò)自動(dòng)加揭蓋裝置（Ⅱ）加蓋后，渣罐車(chē)運(yùn)行至熱熔爐區(qū)域的自動(dòng)加揭蓋裝置（Ⅰ）處揭蓋后，出渣前進(jìn)行在線烘烤，出渣前運(yùn)行至出渣口處等待出渣；進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

新型一體化熱熔渣巖棉生產(chǎn)工藝（簡(jiǎn)稱“一體化工藝”）中，熱熔爐與巖棉車(chē)間毗鄰布置，且零距離銜接，通過(guò)一條渣罐運(yùn)輸線相互連接，渣罐車(chē)行走于出渣位和巖棉車(chē)間之間，加速了渣罐周轉(zhuǎn)，縮短了物流運(yùn)輸，工序順暢、降低運(yùn)行成本。

2.1   渣罐運(yùn)輸周期短

運(yùn)輸線承擔(dān)著兩個(gè)功能：①運(yùn)送從熱熔爐至調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐的承裝熱熔渣的渣罐和空罐返回；②運(yùn)送空渣罐至調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨維修。

渣罐運(yùn)輸線長(zhǎng)度指的是從出渣口至調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨之間的距離。鑒于此長(zhǎng)度直接決定了熱熔渣溫度能否滿足調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐的溫度要求和渣罐能否在有限的時(shí)間內(nèi)返回?zé)崛蹱t并及時(shí)出渣，故需嚴(yán)格控制此長(zhǎng)度。一體化工藝方案為熔融爐區(qū)域毗鄰調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨布置，即實(shí)現(xiàn)了上下游工序的無(wú)縫對(duì)接，最大限度地提高熔渣溫度和加快渣罐周轉(zhuǎn)。根據(jù)山西某工程實(shí)例，應(yīng)用此生產(chǎn)工藝，渣罐運(yùn)輸線長(zhǎng)度縮減至30 m，渣罐車(chē)運(yùn)行速度為30 m/min，運(yùn)輸周期分析見(jiàn)表1。

通過(guò)表1分析，熱熔渣罐運(yùn)送至調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨僅需要2 min，而常規(guī)的冶金行業(yè)冶煉爐至調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨均采用抱罐車(chē)或渣罐平車(chē)（非軌道式）操作，距離較遠(yuǎn)，運(yùn)輸時(shí)間約32 min，且無(wú)保溫措施，增加了熱熔渣的凝固風(fēng)險(xiǎn)。

2.2   熱熔渣溫降慢

合適的熔化性溫度、較好的流動(dòng)性和適宜的黏度是高溫液態(tài)熔融液體重要的物理特性。根據(jù)文獻(xiàn)[12]典型鐵合金熱熔渣的黏度-溫度關(guān)系分析熱熔渣黏度特性發(fā)現(xiàn)，T≥1410 ℃時(shí)，黏度保持在1 Pa·s左右；而當(dāng)T＜1410 ℃時(shí)，隨著溫度降低，熱熔渣黏度值均出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)，黏度急劇上升。此拐點(diǎn)即為熱熔渣的熔化性溫度，只有當(dāng)溫度大于熔化性溫度時(shí)熱熔渣才擁有良好的流動(dòng)性；而當(dāng)溫度低于熔化性溫度時(shí)，熱熔渣流動(dòng)性極差，渣罐向外傾倒熱熔渣時(shí)非常困難，使得調(diào)溫調(diào)質(zhì)工序需要二次加熱，浪費(fèi)大量能源。分析表明，溫度對(duì)熱熔渣的流動(dòng)性影響極大。在一體化工藝中，熱熔渣區(qū)域與巖棉區(qū)域的零距離布置，在線烘烤器的布置和渣罐全程加蓋的措施均為T≥1410 ℃提供了強(qiáng)有力的保證：①渣罐運(yùn)輸線上設(shè)置在線烘烤器以減少空罐凝渣和提高空渣罐溫度；②借鑒煉鋼廠的出鋼系統(tǒng)，渣罐運(yùn)輸線上設(shè)置自動(dòng)加揭蓋裝置，降低出鋼溫度和減少能耗。

熱熔爐出渣后，快速運(yùn)行至渣罐自動(dòng)加揭蓋（I）處自動(dòng)加蓋，運(yùn)送至自動(dòng)加揭蓋（II）后自動(dòng)揭蓋，運(yùn)送至調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐加渣，返回渣罐運(yùn)輸線并重新加蓋和揭蓋，最大限度地減少了渣罐的空蓋時(shí)間，提高了空渣罐內(nèi)的紅包率（即空渣罐內(nèi)的耐火材料溫度高）。

由表1可知，一體化工藝中渣罐運(yùn)輸時(shí)間僅為2 min，相對(duì)于傳統(tǒng)熱熔渣運(yùn)輸時(shí)間32 min減少30 min。熱熔渣平均溫降速度約1 ℃/min（不同成分的熱熔渣溫降速率不同），減少的運(yùn)輸時(shí)間為運(yùn)送至巖棉車(chē)間的熱熔渣溫度減少溫降創(chuàng)造了條件，使熱熔渣溫降減少了約30 ℃。

此外，雖然熱熔爐為連續(xù)性生產(chǎn)，調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐為間斷生產(chǎn)，但是在線烘烤器和加蓋裝置可預(yù)防調(diào)溫調(diào)質(zhì)工序因檢修或事故引起的大幅溫降，保證熔融爐渣的短暫高溫，以避免熱熔渣傾翻變?yōu)楣虘B(tài)而帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

2.3   界面保證措施

熱熔渣冶煉過(guò)程自身要求連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。而調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐冶煉過(guò)程中的不穩(wěn)定因素較多，不僅受自身可靠性、生產(chǎn)穩(wěn)定性的影響，而且與下游成棉工序的穩(wěn)定性息息相關(guān)，即熔渣需求量波動(dòng)性較大。當(dāng)調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐正常周檢或出事故而不需要熔渣時(shí)，一定時(shí)間內(nèi)需解決熱熔爐渣的去處問(wèn)題。短時(shí)間檢修時(shí)，可利用備用罐作為緩沖。而當(dāng)短時(shí)間內(nèi)調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐不能恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)，需保證熱熔爐內(nèi)的熱熔渣及時(shí)處理：①根據(jù)上下游匹配，采用一個(gè)熱熔爐對(duì)應(yīng)多個(gè)調(diào)溫調(diào)質(zhì)爐的生產(chǎn)方式，避免“一停即停”的剛性冶煉方式；②調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨內(nèi)設(shè)置熱熔渣的潑渣區(qū)域。

界面保證措施極大緩解了熱熔爐連續(xù)且不間斷的生產(chǎn)特性而給工藝流程帶來(lái)的危害，增強(qiáng)了此工藝的適應(yīng)性。

2.4   環(huán)境保護(hù)

一體化工藝中熱熔爐本體設(shè)置完備的除塵系統(tǒng)，且出渣口設(shè)置除塵罩，渣罐運(yùn)輸過(guò)程中均采用加蓋保溫，合格的熱熔渣巖棉生產(chǎn)車(chē)間僅需調(diào)溫調(diào)質(zhì)后即可進(jìn)入巖棉生產(chǎn)線，即本系統(tǒng)中的絕大部分煙塵均產(chǎn)自于熱熔爐，而熱熔爐除塵系統(tǒng)非常完善，故本生產(chǎn)工藝節(jié)能的同時(shí)對(duì)環(huán)境友好。

2.5   土地利用率高

一體化工藝中，熱熔爐與巖棉車(chē)間毗鄰，布置緊湊，土地利用率高。

3.   結(jié)束語(yǔ)

（1）一體化熱熔渣生產(chǎn)新工藝有效解決了熱熔渣運(yùn)輸?shù)臏亟祮?wèn)題，從出渣位出渣后直接運(yùn)至調(diào)溫調(diào)質(zhì)跨，渣罐運(yùn)轉(zhuǎn)周期僅需2 min，比傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝縮短了30 min，相當(dāng)于提高進(jìn)入調(diào)溫調(diào)質(zhì)工序的熱熔渣溫度約30 ℃，有效降低后續(xù)加工難度，提高了巖棉生產(chǎn)效率。（2）熱熔爐與巖棉車(chē)間零距離銜接，占地面積大大減小。（3）通過(guò)靈活調(diào)整渣罐運(yùn)輸線的位置及數(shù)量，可以滿足多種目標(biāo)產(chǎn)量的設(shè)置需求，生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)更加靈活。（4）相對(duì)于傳統(tǒng)的巖棉生產(chǎn)方式，生產(chǎn)系統(tǒng)連續(xù)性增強(qiáng)，渣罐運(yùn)轉(zhuǎn)周期加快，減少了車(chē)間內(nèi)的渣罐數(shù)量，降低了工程投資和運(yùn)行成本。

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