基于TRIZ理论的环保底滤法高炉炉渣处理系统创新设计

2019-04-04娄娟娟王得刚

冶金与材料 2019年1期

关键词：水渣冲渣炉渣

娄娟娟，王得刚

（中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176）

高炉炼铁会得到主产品——铁水，还会产生副产品——高温液态熔渣，目前普遍采用水冲渣工艺对熔渣进行粒化处理。水冲渣工艺根据渣水分离方式的不同，大致可归为沉淀过滤和机械过滤两种。水冲渣工艺的主要流程如图1所示。

图1 水冲渣工艺的主要流程

传统底滤法炉渣的冲制与淬化在冲渣沟内完成，利用过滤池进行渣水分离，存在下列缺陷：

（1）冲渣沟冲渣易爆炸，安全性差。

（2）蒸汽排放量大，环境差。

（3）过滤池占地面积大。

（4）带水抓渣，水渣外运时有渣水溢撒，环境影响恶劣。

随着机械化和自动化的发展，包括转鼓法在内的一系列机械过滤冲渣工艺在高炉上得到应用。其主要缺点包括：

（1）工艺设备复杂，一次性投资及运营维护成本高。

（2）作业率较低、故障率较高。

（3）渣水分离效果差。

（4）蒸汽排放量大，环境差。

传统底滤法和机械过滤法对高炉炉渣进行渣水分离处理，普遍存在安全性较差、含硫蒸汽排放量大环境差、占地面积大、渣水分离效果差等主要问题。随着我国环保形势越来越严峻，以及用户对安全、成本重视程度的不断提高，为了满足市场需求，有必要研发一种新型高炉炉渣处理系统。

1 TRIZ理论概述

TRIZ是“发明问题解决理论”的俄文简称，前苏联人Altshuller分析数以万计的专利（后来扩展到250万份），提出专利中解决的问题只涉及到39个技术参数之间的矛盾，可应用40个发明原理中的若干项来解决。

利用TRIZ理论解决问题时，设计者首先将待解决的冲突和问题表达成为TRIZ问题，然后利用TRIZ中的工具，如发明原理、标准解等，求出该TRIZ问题的普适解或称模拟解；最后再把该解转化为技术领域内的解或特解，从而达到技术系统的进化。

2 解决方案

解决问题的总体思路：针对国内外高炉炉渣处理方法普遍存在的问题，在传统底滤法基础上进行创新，利用TRIZ理论，通过封闭的粒化池解决安全问题，设置蒸汽冷凝喷淋装置解决含硫蒸汽排放量大的环保问题，优化过滤池的滤料粒级分布、提高过滤效率解决占地面积问题，研究新工艺解决渣水分离效果差、水渣外运时的渣水溢撒问题；设置摆动渣沟，控制水渣流向。通过一系列的创新设计，形成全新的环保底滤高炉渣处理系统。

环保底滤高炉炉渣处理系统工艺流程如图2所示，该系统针对传统炉渣处理方法普遍存在的问题，将粒化塔与过滤池相结合，采用封闭式粒化池及蒸汽喷淋冷却系统，将过滤池、冷却塔、循环泵组结合起来，采用全新的操作工艺，实现无水抓渣。

环保底滤法高炉炉渣处理系统的主要科技创新如下：

2.1 设置安全封闭的粒化池，确保安全冲渣

图2 环保底滤法高炉炉渣处理系统工艺流程

根据TRIZ创新方法理论，运用预先作用原理和预先防范原理（TRIZ发明原理10、11），将熔渣粒化放置在相对封闭的粒化池内，在池内有一定高度的保护水位，入口处设置防护罩，从一定程度上消除了传统冲渣沟头意外爆炸产生的安全隐患；渣水混合物从粒化池下方流出，溢流水从上方的溢流口流出。与传统底滤法的冲渣沟相比，环保底滤高炉炉渣处理系统确保了冲渣安全。

图3 熔渣粒化-粒化池示意图

如图3所示，熔渣在粒化池内进行粒化，粒化池内有保护水位，可以确保冲渣安全；同时，粒化池工艺较冲渣沟工艺系统循环水量减小，节省系统运营成本约30%；且系统产生的蒸汽能够集中高空排放，为炉前清洁生产提供保障。

2.2 设置蒸汽冷凝喷淋装置，实现环保冲渣

根据TRIZ创新方法理论，运用预先防范原理和变害为利原理（TRIZ发明原理11、22），如图4所示在粒化池上部设置高空烟囱，烟囱内设置蒸汽冷凝喷淋装置，利用冲渣补充水对蒸汽进行喷淋冷凝。实现蒸汽有组织高空排放的同时减少含硫蒸汽排放量15%，进而减少冲渣水消耗量。

2.3 优化过滤池滤料粒级分布，减小过滤池面积

底滤法工艺的特点在于利用过滤层实现渣水的自然分离，过滤池过滤模型如图5所示；采用过滤池进行渣水分离工艺，以粒状滤料层截留水中悬浮物，通过多孔介质过滤层的水经过滤管汇集到过滤主管，水中悬浮物含量＜30mg/L。

图4 粒化池上方设置蒸汽冷凝喷淋装置

图5 渣水分离-过滤池过滤模型

根据TRIZ创新方法理论，运用非对称原理和组合原理（TRIZ发明原理4、5），中冶京诚通过试验研究，优化过滤池滤料粒级分布及过滤管结构，提高过滤速度，减少过滤池数量，节省了占地面积，该系统过滤效果好，冲渣水可以不经过处理，直接进行换热采暖。环保底滤高炉炉渣处理系统得到的冲渣水情况如图6所示。

图6 环保底滤高炉炉渣处理系统得到的冲渣水

2.4 采用全新的操作工艺，实现无水抓渣

根据TRIZ创新方法理论，运用分割原理和周期性作业原理（TRIZ发明原理1、19），采用链斗机构取渣装置，将过滤后的干渣抓取到机上皮带机上。运用中介物原理和预先作用原理（TRIZ发明原理24、10），使机上皮带机随链斗机构一起移动，通过预先设定的自动控制系统达到无死角抓渣作业，并运送到旁边的干渣运输皮带上。

2.5 设置摆动渣沟，控制水渣流向

环保底滤系统包括2个过滤池和分别与之对应的水渣沟阀门，2个过滤池轮换使用。水渣沟阀门（图7）的密封面长期使用后易产生磨损，造成阀门不严、漏水的问题。

图7 水渣沟阀门结构三维图

根据TRIZ创新方法理论，运用分割原理、多用性原理、动态化原理、中介物原理、气压与液压结构原理（TRIZ 发明原理 1、6、15、24、29），研发全新的设备——摆动渣沟。

新研发的摆动渣沟（如图8所示）利用底部液压杆的伸缩带动槽体做以轴承为圆心的扇形范围转动，从而控制水渣流向不同的过滤池。

图8 摆动渣沟

新设备克服了水渣沟阀门长期使用后产生磨损，造成阀门不严、漏水的问题，避免工作人员进入过滤池中进行检修时被高温冲渣水烫伤的危险，减少了安全隐患。

3 实施效果

环保底滤高炉炉渣处理系统2009年首次应用于江阴兴澄特钢，兴澄特钢工作人员在2016年全国高炉炼铁学术年会上介绍了该系统在兴澄特钢的实施效果。环保底滤法水渣工艺在兴澄3200 m3高炉稳定运行7年，具有明显节水和减少蒸汽污染的效果。该系统投产7年仅更换过1次过滤1层的少量滤料，低运行成本和低维护作业受到用户的一致好评。