高炉熔渣高值资源化的现状及展望

段闫超，邢宏伟，孙瑞靖，康 月，邵 宸

（华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063009）

高炉渣是高炉冶炼过程中排出的废渣，主要应用于建材原料、机械制造和农业微肥等[1]。目前处理高炉渣的方式是将其粒化，干法避免了熔渣与水直接换热产生的气体污染，熔渣高品质余热得到了回收，节约了大量新水，风淬法和离心粒化法得到的固态渣粒品质跟水淬渣相当，离心粒化法和风淬法成为最有发展前景的粒化技术[2]。在干法的基础上衍生出一种了气-水混淬法，有效避免大量熔渣显热的浪费，减少了环境污染，制备得到的玻璃微珠应用更广，实现了中国冶金固废高附加值利用新技术的革新[3]。

1 高炉渣的处理工艺

1.1 高炉渣简介

高炉渣是高炉冶炼过程中排出的废渣，其主要化学成分是二氧化硅、氧化钙、氧化镁和三氧化二铝。

1.2 高炉渣湿法处理

湿法处理是处理高炉渣最普遍的方法，此方法最大好处就是能高效回收利用高炉渣，湿法大致分为4种，国内大多采用底滤法，国外则大多采用因巴法。其中底滤法(OCP)占地面积较大，投资额低，水渣质量好；因巴法(INBA)能有效解决蒸汽对环境造成的污染，但需引进技术，投资成本高；拉萨法(RASA)工艺较复杂，设备多，涉及到的维护费高，大多企业不采纳；图拉法(TYNA)工艺简单，耗水量低，运行效率高，但其配套系统不完整，需进行改进和完善才能大规模应用。图1可以看出湿法处理缺点在于消耗大量水资源，一吨液态渣需大约10吨水；在水淬过程中也伴随着含硫气体的排放，水淬处理排放气体污染物约40万吨；大量显热被浪费，熔渣的高温显热在水淬过程中转化为冲渣水的低温余热。

图1 高炉渣湿法处理方法

1.3 高炉渣干法处理

1.3.1 离心粒化法

离心粒化法是将熔渣经粒化器粒化后，再被冷却形成固态渣粒，国内外学者纷纷采用实验和数值模拟的方法对其展开讨论研究。Wu等人[4]和Ahmed等人[5]研究了粒化器结构对临界转变流速及平均液滴直径的影响，明确了旋转杯产生的颗粒最小，粒化效果也最好，同时研究了高炉熔渣的离心粒化特性，提高转速以及减小流量能够获得小而均匀的液滴。王东祥[6]等人，基于流体体积函数法(VOF)，建立了空气-熔渣液膜两相流流动的二维数值模型，分析了熔渣在离心力作用下成膜、成丝、成滴机理。杨银凯[7]基于流体体积函数法(VOF)对熔渣离心粒化进行了数值模拟，建立了气-渣两相流的数学模型，研究离心粒化效果的影响因素，研究表明转盘直径越大，转速越快，渣粒平均直径越小。

1.3.2 风淬法

利用高速高压气流对液态高炉渣进行气淬破碎，使其破碎完成换热成为液滴。王子兵[8]等人以高炉渣为原料，空气为风淬介质，利用空气和水进行冷却换热，经回转冷渣器，进行高温渣粒余热回收试验，研究调质剂、气淬压力和喷嘴结构对系统回收效率的影响。

1.3.3 气-水混淬法

利用气-水在喷嘴内完成混合，以气淬力保证熔渣的破碎和粒度分布，以雾化冷却水保证其降温速率，粒化后制备出玻璃微珠。万新宇[9]等人提出一种新的“高炉渣气-水混淬干法粒化及余热回收新工艺”，并进行了300kg/h扩大试验，探究了空气流量，雾化冷却水对粒化效果的影响。

1.4 高炉渣处理工艺发展趋势

目前国内的钢厂主要还是采用湿法处理高炉渣，水淬粒化后可作为生产水泥的原料，但这种处理方式消耗了大量水资源；其次水淬过程中伴随着SO2等酸性污染气体的产生；水淬后的高炉渣内高值余热得不到回收，造成熔渣所携带的大量高品质热能被浪费。

同时干法工艺下的风淬法处理能力大、冷却速度很慢，防止设备渣粘就要加大设备尺寸，导致投资也相应提高，若将风淬工艺中的熔渣粒化和颗粒冷却分开处理，解决冷却介质导热系数低的问题，即可减少高压造粒风机的投入，降低风量并减少动力消耗，气-水混淬法将成为高炉渣处理工艺的未来发展趋势。

2 高炉渣资源化应用

高炉渣不仅局限于水泥领域，在建筑，道路维修，农业化肥，污水治理，以及阻燃方面都存在应用的潜质。为了提升高炉渣的附加利用值，国内外诸多学者纷纷投入研究。例如：利用高炉渣的吸附性来处理污水[10]，水淬后的高炉渣具有水硬胶凝性，可制备出矿渣硅酸盐水泥，石膏矿渣水泥，石灰矿渣水泥等[11]，水淬高炉渣作为一种急冷产物，具有表面粗糙多孔、质地轻等优点，是作为高品质建筑材料领域硅酸盐类载体的优质材料[12]，调质后的高炉渣在高温液态下通过喷吹或离心等工艺，制得矿渣棉纤维，具有不燃性、化学稳定性好、较低导热性等特性，是有机保温材料理想替代产品[13]。

3 玻璃微珠的应用

3.1 实心玻璃微珠的应用

实心玻璃微珠，它是实心的且表面光滑，抗压性和耐磨性较高，具有较强的酸碱腐蚀性等。

根据其粒度的不同可作为研磨剂；还可作为压力支撑剂，用于石油开采过程中；可以作为固体润滑剂，减少机械磨损；在其表面镀上镍钴后可以改进其对电磁波的吸收和近红外线的反射，在军用防伪涂层中用来屏蔽微波雷达、红外雷达或其它电磁波雷达和声波探测系统的探测[14，15]；将不同粒度的玻璃微珠拌入涂料涂在路面可作反光标识，减少交通事故的发生[16]。

3.2 空心玻璃微珠的应用

空心玻璃微珠主要应用于固体浮力材料、绝热材料以及固体火箭燃料充填剂等。孟凡明等[17]以双酚A环氧树脂E51为基质原料，甲基四氢苯酐为固化剂，采用密度为0.25g/cm3K25空心玻璃微珠为轻质填充物，制备出空心玻璃微珠填充固体浮力材料，随着玻璃微珠填充量的增加，浮力材料的单轴压缩强度和耐静水压强度逐渐降低，玻璃微珠填充量超过18%时,材料性能下降幅度增大。张平等[18]将聚酰亚胺与空心玻璃微珠复合制备出具有优良隔热性能的聚酰亚胺复合薄膜，同时研究空心玻璃微珠对聚酰亚胺薄膜隔热及力学性能的影响。研究结果表明：粒径大且填充量高的空心玻璃微珠，其复合膜隔热效果越好；通过改变空心玻璃微珠填充量和粒径可以调控复合薄膜的导热、热学及力学等性能。

4 高炉渣制备玻璃微珠

将高炉渣气淬成珠后，所形成的玻璃微珠具有较高附加值，同时市场需求和应用范围也较大，而目前关于该方面的研究较少。刘振超[19]建立数学模型，研究高炉渣气淬成珠机理。研究结果表明：高炉渣可以作为制造玻璃微珠的原料；喷嘴直径、气体的流量与压力、高炉渣的表面张力和黏度会影响气淬成珠过程；最佳工艺条件为出渣温度1600℃，调质剂钢渣添加量10%，气淬压力0.3MPa，喷嘴马赫数1.6；多种影响因素作用下与成珠率的多元线性回归方程表明马赫数对成珠率的影响作用最大。王丽丽等[20]通过对气淬高炉熔渣干法粒化进行试验，研究了不同气流速度及熔渣黏度对粒化性能的影响，得出成珠率随着气流速度增加呈现先增加后降低的趋势，主要分布于1mm～3mm，基本呈正态分布，最佳气流速度为550m/s，平均粒径达到1.88mm；低黏度有利于提高粒化性能；气淬过程中存在不稳定波，该波的传播和冷却作用下导致液丝断裂成液滴，气流速度不宜无限增大，将导致液丝再气动力作用下来不及断裂形成液滴。康月等[21]将高炉渣气淬制备的玻璃微珠进行性能分析，结果表明，堆积密度随粒径的增加先增加后减小，并且渣珠粒径主要集中在0.30mm～1.0 mm之间，成珠率较高；渣珠不耐酸，在同一侵蚀溶液中，粒径较大的渣珠的抗侵蚀能力强于粒径较小的渣珠；粒径越小，渣珠筒压强度越大，渣珠承受压力的能力越强，高炉渣珠表面光滑平整，呈圆球状,粒径大小均匀；渣珠非晶相含量较高当渣珠粒径＜0.30mm时，XRD曲线变为馒头峰，基本不再有晶相析出，矿相变为非晶相。

5 总结

发展带来的能源短缺状况不断加剧，国内外学者开始对工业固体废弃物的回收利用展开研究。高炉矿渣作为炼铁行业中的主要副产品，高炉渣的水淬处理目前仍是主要的高炉渣处理方法冲渣水余热的回收利用是当前亟待解决的问题之一，其组成成分中含有多种金属氧化物，具备较高的回收价值。

目前我国对于高炉矿渣的综合利用率仍然远低于国外发达国家，且主要在建筑、道路等行业中充当填料使用，附加值较低。

为了实现高炉矿渣的高附加值利用，我们仍需要针对高炉矿渣中的主要成分开拓新的利用途径。利用高炉渣喷吹制备玻璃微珠具有很好的研究前景，喷吹过程中除了有实心玻璃微珠，空心玻璃微珠也掺杂其中，这种新型干法粒化将成为今后研究的新方向。