环保型高炉水渣系统工艺路线选择

供稿|王敏，刘思远 / WANG Min, LIU Si-yuan

作者单位：唐钢国际工程技术股份有限公司炼铁事业部，河北 唐山 063000

内容导读介绍了高炉水渣系统底滤法工艺和机械转鼓法工艺在操作维护、自动化程度、节能环保等方面的优缺点。在新的环保形势下，底滤法工艺和转鼓法工艺均面临着改善生产环境的压力，特别是重点治理水渣系统白色烟羽的要求下，消白工艺应运而生。文章分析了水渣系统白羽产生的机理以及消白工艺的原理，并对环保型底滤法工艺和转鼓法工艺进行了综合对比评价，针对性地提出了选择环保型水渣系统工艺路线的建议。

水渣系统是高炉炼铁工艺的一个重要组成部分，随着各地政府的环保政策日益趋严，水渣系统的环境保护问题也日益突出，特别是部分地方政府环保部门明确要求对高炉水渣系统产生的白羽进行治理，因此水渣系统逐渐成为钢铁企业环境治理的重点关注对象。近年来，伴随钢铁企业转型升级、淘汰落后及过剩产能、实现绿色低碳生产的需要，很多钢铁企业通过产能置换的方式建设了新型现代化高炉， 在新的高炉系统建设中必然面临着如何选择水渣系统工艺的问题，很多钢铁企业都有如下困惑：如何在平衡生产操作、运行维护成本、投资占地、特别是满足环保要求等综合因素的前提下，选择最适宜企业的水渣系统工艺。本文通过对不同水渣系统工艺的对比分析，希望能为钢铁企业合理选择水渣系统工艺提供有益的帮助。

典型高炉水渣系统工艺及运行特点

典型的高炉水渣系统工艺按渣、水分离方式不同，可以分为两种：一是沉淀过滤法，有渣池式、水力输送沉淀池、底滤法、拉萨法等；二是机械过滤法，有转鼓过滤器法、轮法、搅笼法、圆盘法等[1]。目前上述两种方法中，沉淀过滤法应用最多的是底滤法，机械过滤法应用最多的是转鼓过滤器法，这两种方法在现代高炉系统中应用最为广泛，占主导地位。本文着重介绍底滤法、转鼓过滤器法两种方法。

底滤法

渣水混合物流入沉渣池，采用抓斗起重机抓渣，渣池内的水则通过渣池底部的过滤层进行排水，底滤法水渣工艺在1500 m3以下中小型高炉上应用最为广泛。

底滤法优点[2]

1）作业率高：底滤法在线设施没有机械设备，因此设备故障率低，作业率相对比较高，只是需要定期更换渣池过滤层滤料。

2）系统循环水较干净：渣水分离是通过过滤层实现，渣水分离效果好，因此循环水水质好，冲渣泵可以使用清水泵，维护成本低，循环水可以比较方便实现余热回收利用，换热器不易堵塞。

3）维修成本低：渣水分离主线几乎没有机械设备，设备维护成本很低。

底滤法缺点

1）占地面积大，通常是转鼓机械法的两倍以上。

2）环境差，蒸汽排放无序，对人体健康有害。冲渣产生的蒸汽含有多种有害元素和细小悬浮物，主要由H2S、氰化物和水蒸汽构成。H2S是可燃性无色气体，长期反复的吸入会引起嗅觉的减退，以及神经衰弱综合症和植物性神经功能障碍。

3）蒸汽对周边设施损坏较大，蒸汽中含有H2S气体，H2S呈弱酸性，对钢铁设备具有腐蚀性，设备长期处于湿热、弱酸的环境当中，加速了设备的腐蚀老化，电路故障频发。

4）自动化程度低，需要采用抓斗起重机进行抓渣操作，水渣经常需要二次倒运，增加铲车及运输汽车生产费用。

5）抓斗工作效率低，尤其是对大型高炉，随着高炉炉容的加大，留给底滤法水渣系统的清渣时间越来越少，但是处理的渣量是越来越大，人工抓渣以及抓斗设备愈加不能适应其工况，工人劳动强度增大，生产危险性也增大。

6）滤池发生板结，高炉水渣具有水硬凝胶的特性，造成滤池滤料与渣水混合物中的细纤维板结，严重影响过滤层滤水性，长时间的循环富集，造成凝胶物质越来越多，容易导致板结，堵塞过滤层。

7）对补充水水质要求较高：由于环保要求，工业废水不允许直接外排，因此很多企业的工业废水都提供给水渣系统作为生产补充水，主要来源是焦化水、脱硫水。焦化水中的酚氰类有机物能与许多酸性物质发生反应生成凝胶物质，这些凝胶物与水渣聚集引起结垢。脱硫水悬浮物含量高，降低过滤层过滤效果，加快板结的形成。由此可见，工业废水不适宜作为底滤法水渣系统的补充水。正常渣池过滤层寿命一般在1.5～2 a，如果使用工业废水，滤层寿命仅有0.5～1 a，因此，很多企业为了提高过滤层寿命，不得不使用工业新水作为水渣系统补充水，提高了生产成本。

8）更换滤料时间长，由于渣池过滤层板结，造成更换过滤层特别困难，需要很长时间，一般需要时间为15～20 d。

转鼓过滤器法

高炉熔渣被粒化箱喷出的高速水流粒化冷却，渣水混合物在转鼓过滤器中进行渣水分离，随着转鼓过滤器的旋转，脱水后的水渣直接落到胶带运输机上运至水渣成品槽贮存，滤出的水循环使用。

转鼓法优点

1）占地面积小，由于没有过滤池，只有小型沉淀池，大大减少了占地面积。

2）自动化程度高，完全实现无人值守，水渣过滤和运输实现一体化，过滤后的水渣直接由胶带运输机自动运输。脱水转鼓的转速能够根据渣流量大小进行自动调整。

3）机械设备少，维护作业量小。

4）环保效果好，相比于底滤法工艺，转鼓法工艺基本实现全密封，冲渣时产生的蒸汽收集效果好，可以通过烟囱集中排放，大大改善了炉前环境。

5）脱水转鼓工艺设备成熟，适应不同级别的高炉炉型，目前已经在5500 m3高炉上进行了成熟的应用。

转鼓法缺点

1）转鼓法的脱水器滤网磨损后需要更换，为不影响生产，一般利用两次出渣间歇期进行，对工人的操作水平和熟练程度要求比较高。

2）由于脱水器采用金属滤网进行渣水分离，过滤精度低，过滤后的水中悬浮物相对比较高，因此，冲渣泵不能采用清水泵，需要采用渣浆泵，投资和维护成本增加。

3）由于过滤后的水质较差，对冲渣水采暖工艺造成了一定困难，造成采暖工艺水过滤器容易堵塞，转鼓法冲渣水需要严格的过滤工艺才能用于冲渣水采暖。

水渣白羽治理与环保型水渣处理工艺

随着环境治理要求的提高，环保型水渣处理工艺成为目前高炉水渣系统的必备配置，水渣系统环保治理的重点对象就是冲渣时产生的白羽。

水渣白羽

水渣白羽的形成

炼铁高炉水冲渣系统产生大量湿度大的湿空气，或含湿量大的烟气，在排放过程中遇到冷空气迅速放热降温，湿空气、烟气中部分汽态水凝结成细小水滴，在可见光及太阳照射下表现为白色烟羽（简称白羽）。从热力学机理上，白羽就是不饱和（无白羽）或饱和（临界点）的湿空气、湿烟气与空气混合后，迅速传热传质过程，湿空气、湿烟气进入到了过冷状态，就出现了白羽，如图1所示。

图1 白羽形成示意图

白羽的危害

1）冬季生产水渣系统会产生大量白羽，特别是底滤法水渣工艺，白羽排放无组织，四处弥漫，对高炉出铁场生产环境影响极大，操作工人视觉收到极大影响，造成安全隐患。

2）白羽对出铁场周边建筑物及工业管道腐蚀性强，经常3 a左右就要更换出铁场钢结构外墙封板以及工业管道，提高了生产维护成本。

3）视觉效果差，对高炉系统的美观造成了破坏，极大影响了环保生产的效果，亟需治理。

如何消除白羽

从机理上，治理白羽，就是使湿烟气在与空气混合后的传热传质过程中，混合气体的状态点轨迹不进入到饱和线下的白羽可见区域。由图2可见，处理后的烟气工况点湿度小于排烟点，温度高于排烟点。因此，消除白羽的措施是，脱湿、加热。目前消白工艺已经在北方地区进行了应用，取得了很好的环保效果，改善了高炉炉前操作环境。

图2 白羽治理原理图

环保型底滤法渣处理工艺

在传统底滤法渣处理工艺的基础上，逐渐发展出了环保型底滤法渣处理工艺，主要是采取了如下环保提升措施：在熔渣沟冲渣点处设计粒化塔，充分收集冲渣点处的大量水蒸汽，缩短冲渣沟，减少蒸汽飘逸，底滤池进行封闭，冲渣水设计冷却塔，降低冲渣水温度，降低冲渣水的汽化量，各水蒸汽发生点封闭后统一收集进行消白处理。采用消白工艺等环保措施后，底滤法渣处理工艺的生产环境大幅提升，夏季基本没有视觉白羽产生，冬季生产环境也大幅改善，但是，环保型底滤法工艺在冬季仍存在白羽飘逸的问题，主要是底滤池部位，在抓渣时仍然不可避免的会产生白羽，这是底滤法工艺目前采用抓斗起重机进行人工抓渣操作不可避免的缺陷。

环保型转鼓法渣处理工艺

转鼓法渣处理工艺相比于底滤法工艺具备先天环保优势，但冬季也有局部蒸汽弥漫，同时脱水器上方的烟囱也排放出大量白羽，视觉效果较差。环保型转鼓法具体环保提升措施：冲渣水设计冷却塔，降低冲渣水温度，降低冲渣水的汽化量。同时，转鼓法在已有的比较好的封闭效果上，进一步完善封闭后各水蒸汽发生点统一收集进行消白处理，彻底消除视觉白羽，采用消白等环保措施后，转鼓法渣处理工艺环保效果较佳。

从表1中可以看出，两种水渣工艺各有优缺点，由于目前两种工艺投资差距不大，现有企业更多的是从生产作业率、生产操作的连续性为出发点来选择渣处理工艺，但是，在新的环保形式下，如何适应国家和地方政府环保政策，满足企业生存发展需要，合理选择渣处理工艺是钢铁企业面临的问题。

表1 环保型底滤法和转鼓法渣处理工艺对比表

环保型渣处理工艺选择

建议钢铁企业根据如下原则选择渣处理工艺：

1）大型高炉（有效容积2500 m3以上）渣处理工艺选择：建议选择转鼓法渣处理工艺，大型高炉具有3～4个铁口，需要设计两套渣处理系统，选择转鼓法渣处理工艺，发挥转鼓法渣处理系统占地面积小的特点，实现炉前工艺布置紧凑，美观。大型高炉工艺设备配置高，自动化程度要求高，机械转鼓法渣处理工艺代表了炼铁技术发展的方向，而底滤法不适合大型高炉的工艺布置，具体表现在占地面积大，炉前工艺布置拥挤，自动化程度低，环保设施差，与大型高炉的高标准配置不匹配。

2）南方地区钢铁企业渣处理工艺选择：南方地区为非采暖地区，冲渣水采暖的需求不大，因此优先选用转鼓法渣处理工艺，不会受到冲渣水质的限制。冲渣水用作采暖主要是北方冬季使用，采暖用水对水质有一定的要求，若水中杂质不达标，则水中杂质容易淤积、堵塞采暖系统中的管道、阀门及换热器。目前采暖工艺采用的是底滤法的冲渣水，经水渣自身及鹅卵石过滤后，再进入过滤器中滤除其中的微小悬浮物，过滤后进人采暖主管道。从施工角度考虑，南方水资源丰富，地下水水位较浅，底滤法的水渣池占地面积大，地下基础深，会导致土建施工（防水支护）费用升高，南方地区采用底滤法不经济。

3）北方地区钢铁企业渣处理工艺选择：如果地方政府对水渣系统白羽治理要求严格，优先选择转鼓法渣处理工艺，特别是针对北方地区的钢铁企业，冬季治理白羽的难度大，而转鼓法渣处理工艺消白效果更好，实施起来更容易。如果允许白羽适量排放，可以选用环保型底滤法工艺，在满足对白羽进行治理的前提下，又能充分发挥底滤法工艺适宜冲渣水采暖的优势。

结束语

1）高炉渣的水淬处理仍是目前主要的高炉渣处理方法，因此，在日益严格的环保形势下，无论是底滤法还是机械转鼓法，都要进一步提升环保设计，实现绿色生产，通过炼铁工作者的努力，目前高炉水渣系统环保提升已经取得了比较大的技术进步。

2）大型高炉（有效容积2500 m3以上）建议选择转鼓法渣处理工艺，自动化水平高，占地小；南方地区建议选择转鼓法渣处理工艺，原因是冲渣水采暖的需求不大，不会受到冲渣水质的限制，转鼓法施工成本低；北方地区根据地方政府对水渣系统白羽治理要求并结合冲渣水采暖工艺的需求，选择合适的水渣处理工艺。

3）积极研发新的高炉渣处理形式，用干法代替传统水淬[3]，彻底消除水淬法的生产弊端，同时努力回收高炉熔渣显热，提升能源回收效率。