一种熔融钢渣高炉灰还原改性装置及方法与流程

本发明涉及一种熔融钢渣高炉灰还原改性装置及方法，特别是一种钢铁企业炼钢产生的熔融钢渣直接添加高炉灰作为主要还原改性剂的装置及方法。

背景技术：

每生产1吨钢约产生0.12～0.14吨的钢渣，2019年我国钢渣产生量约1.3亿吨，利用率为30％。大量钢渣尾渣无法得到资源化利用，每年新增钢渣堆弃量超过8000万吨，累计堆存量超过10亿吨，占用大量土地、污染水系、土壤等，具有严重的环境安全隐患。

钢渣的主要化学成分有cao、sio2、feo、fe2o3等氧化物。从化学组成上讲钢渣是具有铁、硅酸钙两类资源回收价值，若全部资源化利用具有重大的经济和社会价值。此外，钢渣出渣温度超过1600℃，吨渣热值超过50kg标煤，具有重大的热能回收价值。总之，钢渣是一种具有铁、硅酸钙及热能3种资源利用价值。钢渣中5～10％的残钢，往往通过粉磨磁选进行部分回收，得到废钢和磁选粉流入冶金流程，剩余近80％的钢渣尾渣无法高附加值利用。关于熔融钢渣余热的回收利用仍往往属于实验室阶段，没有真正工业化应用的突破。

高炉灰是高炉冶炼过程产生的除尘灰，其中往往含有25～40％的c，30～40％的feo、fe2o3以及1～5％的zno等氧化物，具有重要的碳、铁、锌资源回收价值。我国高炉灰年产生量超过3000万吨，若有效的资源化利用具有重大的经济和社会价值。目前高炉灰处理主要有三种工艺。应用最为普遍的是高炉灰直接返回烧结冶炼工序，这种方式存在高炉锌元素富集问题。此外还有回转窑、转底炉两种脱锌处理工艺，其中回转窑处理工艺存在较多的环境问题，而转底炉存在运行成本高等问题。因此，迫切需要更加合理的高炉灰处置工艺方法，降低高炉灰脱锌成本，更好的资源化利用。

在钢渣价值提升方面，以往学者进行了大量研究。采用高温熔态条件下对钢渣还原改性能够充分利用热态钢渣自身的热量，同时回收较多的铁和硅酸钙物料资源，是实现钢渣资源最大化利用的有效手段。但受限于高温冶炼的成本问题，添加常规还原剂等物料存在成本高、冶炼难度大等问题，导致没有实现工业化生产的突破，长期停留在实验室阶段。

本发明基于熔融钢渣和高炉灰物料特性，创造性的提出采用高炉灰对熔融钢渣进行还原改性的方法。通过采用该方法及系统装备可实现熔融钢渣、高炉灰中热能、铁、碳、锌四种资源的最大化回收利用。该方法工艺方法简单，装备难度较低，资源回收价值大，通过该方法处理可望实现钢渣、高炉灰两种大宗钢铁行业难处理固废的全部高附加值利用，该发明具有显著的技术和经济优势。当前我国环境保护政策日益收紧，钢渣、高炉灰等大宗工业固废资源化利用工作受到企业的空前重视。采用新工艺处理钢渣、高炉灰将获得更大的经济效益。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种熔融钢渣高炉灰还原改性装置，所述熔融钢渣高炉灰还原改性装置包括：高炉灰仓(1)、造粒机(2)、钢渣包(4)、炼渣炉(5)、改性料仓(6)、给料机(7)、冲渣槽(8)、水淬池(9)、高压水枪(10)、铁水包(12)和集尘系统(13)；高炉灰仓(1)与造粒机(2)可操作的连接，用于将高炉灰仓(1)中高炉灰均匀送入造粒机(2)进行造粒制备高炉灰球(3)，造粒机(2)与改性料仓(6)可操作的连接，用于将高炉灰球(3)送入改性料仓(6)，改性料仓(6)设置在给料机(7)上方，炼渣炉(5)设置在给料机(7)下方，用于将包括高炉灰球(3)的改性料送入炼渣炉(5)；钢渣包(4)可操作的连接炼渣炉(5)，用于将钢渣包(4)内熔融钢渣倒入炼渣炉(5)；冲渣槽(8)设置在炼渣炉(5)下方，用于将炼渣炉(5)中的上部改性后的熔渣倒入冲渣槽(8)进行出渣操作；铁水包(12)设置在炼渣炉(5)下方，用于将炼渣炉(5)中铁水倒入铁水包(12)中，水淬池(9)设置在冲渣槽(8)顺行方向一侧，高压水枪(10)设置在冲渣槽(8)上方，用于将熔渣在高压水枪(10)的冲力下沿冲渣槽(8)倒入水淬池(9)以进行急冷获得改性渣；集尘系统设置(13)部分连接在炼渣炉(5)的上方，用于将炼渣炉(5)冶炼过程产生烟气抽走。

其中，所述熔融钢渣高炉灰还原改性装置还包括：改性渣仓(11)和富锌粉仓(14)；水淬池(9)水淬后所得改性渣通过传送带或汽车倒运至改性渣仓(11)内；集尘系统(13)收集所得除尘灰为富锌粉，通过传送带或汽车倒运至富锌粉仓(14)中。

其中，造粒机(2)与改性料仓(6)通过传送带或汽车可操作的连接，用于将造粒机(2)所造高炉灰球经传送带或汽车倒运至改性料仓(6)。所述高炉灰仓(1)采用封闭式料仓，高炉灰仓(1)、改性渣仓(11)、富锌粉仓(14)为混凝土或钢结构。所述造粒机(2)为圆盘造粒机，转速5～30转/分钟，倾角30～50度。所述炼渣炉(5)为电弧冶炼炉，可提供最高冶炼温度超过1800℃，炼渣炉(5)内设置耐火材料。所述给料机(7)为振动给料机，震动频率800～1000转/分钟，倾角15～25度，振幅为5～10mm。所述冲渣槽(8)深度不低于150mm，宽度不低于200mm，内部设置耐火材料。所述水淬池(9)采用混凝土结构水池，水淬池(9)深度不低于800mm，其中水温不超过85摄氏度。所述高压水枪(10)提供最高水压不低于0.3mpa。所述集尘系统(13)具有重力除尘器、布袋灰除尘器、风机和烟筒；重力除尘器、布袋灰除尘器、风机和烟筒依次通过管道连接，集尘系统(13)从炼渣炉(5)的上方开始负压吸尘，先后经重力除尘器进行重力沉降除尘，进而通过布袋除尘器进行除尘、然后经风机、烟囱外排，风机通过引风提供负压条件，实现烟气外排。

本发明涉及一种熔融钢渣高炉灰还原改性方法，优选采用上述的装置进行还原改性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将高炉灰仓(1)中高炉灰均匀送入造粒机(2)进行造粒制备高炉灰球(3)，高炉灰球(3)经自然晾干或烘干，输送至改性料仓(6)，为炼渣炉(5)提供还原改性剂；

(2)给料机(7)将改性料仓(6)内高炉灰球(3)及其他改性剂，比如兰碳、焦炭和/或煤粉先部分倒入炼渣炉(5)，再将钢渣包(4)内熔融钢渣倒入炼渣炉(5)，同时剩余的部分随熔融钢渣一同倒入炼渣炉；

(3)启动炼渣炉(5)进行升温、还原改性冶炼，冶炼持续进行直至满足一次出渣时间，钢渣和高炉灰中铁氧化物经还原沉积进入铁水，炼渣炉(5)内实现了熔渣和铁水上下分层，将上部改性后的熔渣倒入冲渣槽(8)进行出渣操作；

(4)倒出的熔渣在高压水枪(10)的冲力下沿冲渣槽(8)倒入水淬池(9)，进行急冷获得改性渣，进行收集到改性渣仓(11)；

(5)一次出渣完成后，炼渣炉(5)再按照步骤(3)再添加熔融钢渣和改性剂，进行冶炼、出渣若干次，最后一次出渣完成后将炼渣炉(5)中铁水倒入铁水包(12)中；

(6)炼渣炉(5)生产过程中采用集尘系统(13)处理生产过程烟气获得富锌粉，统一收集到富锌粉仓(14)。

其中，造粒机(2)制备高炉灰球(3)直径5～50mm，自然晾干或烘干后的高炉灰球(3)含水率不超过3％，2m落下强度超过6次。高炉灰球(3)冶炼物料主要是钢渣、高炉灰以及硅质改性剂三种物料，其中高炉灰添加量占全部物料的10％～30％(重量百分数)，钢渣添加量占全部物料的65～90％(重量百分数)，其余为硅质改性剂，硅质改性剂中氧化硅含量超过60％(重量百分数)。炼渣炉(5)冶炼温度为1500～1700摄氏度，一次冶炼出渣时间20～50分钟，每个冶炼周期出渣1～5次。炼渣炉(5)每次出渣时间2～10分钟，高压水枪(10)供水量超过出渣量5倍进行冲渣操作，水压为0.1～0.25mpa。铁水包(12)中mfe含量超过90％，铁元素回收率超过95％。富锌粉仓(14)中锌质量含量超过40％，锌元素回收率超过95％。改性渣仓(11)中改性渣活性指数超过90％，满足一级钢渣粉活性指标要求。集尘系统(13)外排烟气粉尘含量低于10mg/m³。

优选，其中，所述冲渣槽深度不低于150mm，宽度不低于200mm，坡度不低于5％，内部设置耐火材料。集尘系统设置(13)在炼渣炉(5)的上方，一般在炼渣炉(5)的上方设置大的集尘罩，负压将炼渣炉(5)冶炼过程产生烟气抽走；集尘系统(13)和富锌粉仓(14)一般是重力除尘器、布袋灰除尘器收集所得除尘灰为富锌粉，一般是通过传送带或汽车倒运富锌粉仓(14)中；水淬池(9)和改性渣仓(11)，水淬池(9)水淬后所得改性渣通过传送带或汽车倒运至改性渣仓内；造粒机(2)和改性料仓(6)，造粒机所造高炉灰球经传送带或汽车倒运至改性料仓(6)。可操作的连接通常为传动带或汽车或者天车传送等连接方式。富锌粉为经集尘系统(13)的重力除尘器、布袋灰除尘器收集所得除尘灰，冶炼过程产生的除尘灰就是富锌粉。所述水淬池采用混凝土结构水池，水淬池深度不低于800mm，其中水温不超过85摄氏度。所述高压水枪提供最高水压不低于0.3mpa。所述集尘系统具有重力除尘器、布袋灰除尘器以及风机、烟筒。

优选，本发明还涉及一种熔融钢渣高炉灰还原改性方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将高炉灰仓中高炉灰均匀送入造粒机进行造粒制备高炉灰球，高炉灰球经自然晾干或烘干，输送至改性料仓，为炼渣炉提供还原改性剂。

(2)给料机将改性料仓内高炉灰球及其他改性剂先部分倒入炼渣炉，再将钢渣包内熔融钢渣倒入炼渣炉，同时剩余改性剂随熔融钢渣一同倒入炼渣炉。

(3)启动炼渣炉进行升温、还原改性冶炼，冶炼持续进行直至满足一次出渣时间，钢渣和高炉灰中铁氧化物经还原沉积进入铁水，炼渣炉内实现了熔渣和铁水上下分层，将上部改性后的熔渣倒入冲渣槽进行出渣操作。

(4)倒出的熔渣在高压水枪的冲力下沿冲渣槽倒入水淬池，进行急冷获得改性渣，进行收集到改性渣仓。

(5)一次出渣完成后，炼渣炉再按照步骤再添加熔融钢渣、改性剂，进行冶炼、出渣若干次，最后一次出渣完成后将炼渣炉中铁水倒入铁水包中。

(6)炼渣炉生产过程中采用集尘系统处理生产过程烟气获得富锌粉，统一收集到富锌粉仓。

其中，造粒机制备高炉灰球直径5～50mm，自然晾干或烘干后的高炉灰球含水率不超过3％，2m落下强度超过6次。高炉灰球冶炼物料主要是钢渣、高炉灰球以及硅质改性剂三种物料，其中高炉灰球添加量占全部物料的10％～30％，硅质改性剂中氧化硅含量超过60％。炼渣炉冶炼温度为1500～1700摄氏度，一次冶炼出渣时间20～50分钟，每个冶炼周期出渣1～5次。炼渣炉每次出渣时间2～10分钟，高压水枪供水量超过出渣量5倍(重量百分数)进行冲渣操作，水压为0.1～0.25mpa。铁水包中mfe含量超过90％，铁元素回收率超过95％。富锌粉仓中锌含量超过40％，锌元素回收率超过95％。改性渣仓中改性渣活性指数超过90％，满足一级钢渣粉活性指标要求。集尘系统外排烟气粉尘含量低于10mg/m³。

本发明优点是装置上和方法上实现熔融钢渣中“渣热”全部资源的高附加值利用，同时还原改性采用高炉灰作为主要的还原改性剂，添加量大，能够达到钢渣、高炉灰协同处置，实现以废治废的效果。该发明工艺过程简单，装备化自动化程度高，系统处理周期短，经济成本合理，处理后产品铁、锌等金属元素回收率高，改性渣活性指数高，相比以往技术具有显著的经济优势。该工艺为钢铁企业的钢渣和高炉灰两种大宗难处理固废的资源化利用明确了方向，可望大力推进钢渣、高炉灰零排放。

附图说明

图1为一种熔融钢渣高炉灰还原改性装置示意图。

具体实施方式

一种熔融钢渣高炉灰还原改性装置如附图1所示，其包括：高炉灰仓1，造粒机2，高炉灰球3，钢渣包4，炼渣炉5，改性料仓6，给料机7，冲渣槽8，水淬池9，高压水枪10，改性渣仓11，铁水包12，集尘系统13，富锌粉仓14。高炉灰仓1与造粒机2可操作的连接，用于将高炉灰仓1中高炉灰均匀送入造粒机2进行造粒制备高炉灰球3，造粒机2与改性料仓6可操作的连接，用于将高炉灰球3送入改性料仓6，改性料仓6设置在给料机7上方，炼渣炉5设置在给料机7下方，用于将包括高炉灰球3的改性料送入炼渣炉5；钢渣包4可操作的连接炼渣炉5，用于将钢渣包4内熔融钢渣倒入炼渣炉5；冲渣槽8设置在炼渣炉5下方，用于将炼渣炉5中的上部改性后的熔渣倒入冲渣槽8进行出渣操作；铁水包12设置在炼渣炉5下方，用于将炼渣炉5中铁水倒入铁水包12中，水淬池9设置在冲渣槽8顺行方向一侧，高压水枪10设置在冲渣槽8上方，用于将熔渣在高压水枪10的冲力下沿冲渣槽8倒入水淬池9以进行急冷获得改性渣；集尘系统设置13部分连接在炼渣炉5的上方，用于将炼渣炉5冶炼过程产生烟气抽走。水淬池9水淬后所得改性渣通过传送带或汽车倒运至改性渣仓11内；集尘系统13收集所得除尘灰为富锌粉，通过传送带或汽车倒运至富锌粉仓14中。

其中，造粒机2与改性料仓6通过传送带或汽车可操作的连接，用于将造粒机2所造高炉灰球经传送带或汽车倒运至改性料仓6。所述集尘系统13具有重力除尘器、布袋灰除尘器、风机和烟筒；重力除尘器、布袋灰除尘器、风机和烟筒依次通过管道连接，集尘系统13从炼渣炉5的上方开始负压吸尘，先后经重力除尘器进行重力沉降除尘，进而通过布袋除尘器进行除尘、然后经风机、烟囱外排，风机通过引风提供负压条件，实现烟气外排。

其中，高炉灰仓1采用封闭式料仓，高炉灰仓1、改性渣仓11、富锌粉仓14为混凝土或钢结构。其中，造粒机2为圆盘造粒机，转速5～30转/分钟，倾角30～50度。其中，炼渣炉5为电弧冶炼炉，可提供最高冶炼温度超过1800℃，炼渣炉5内设置耐火材料。其中，给料机7为振动给料机，震动频率800～1000转/分钟，倾角15～25度，振幅5～10mm。其中，冲渣槽8深度不低于150mm，宽度不低于200mm，坡度不低于5％，内部设置耐火材料。其中，水淬池9采用混凝土结构水池，水淬池9深度不低于800mm，其中水温不超过85摄氏度。其中，高压水枪10提供最高水压不低于0.3mpa。其中，集尘系统13具有重力除尘器、布袋灰除尘器以及风机、烟筒。

一种熔融钢渣高炉灰还原改性方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将高炉灰仓1中高炉灰均匀送入造粒机2进行造粒制备高炉灰球3，高炉灰球3经自然晾干或烘干，输送至改性料仓6，为炼渣炉5提供还原改性剂。(2)给料机7将改性料仓6内高炉灰球3及其他改性剂先部分倒入炼渣炉5，再将钢渣包4内熔融钢渣倒入炼渣炉5，同时剩余改性剂随熔融钢渣一同倒入炼渣炉5。(3)启动炼渣炉5进行升温、还原改性冶炼，冶炼持续进行直至满足一次出渣时间，钢渣和高炉灰中铁氧化物经还原沉积进入铁水，炼渣炉5内实现了熔渣和铁水上下分层，将上部改性后的熔渣倒入冲渣槽8进行出渣操作。(4)倒出的熔渣在高压水枪10的冲力下沿冲渣槽8倒入水淬池9，进行急冷获得改性渣，进行收集到改性渣仓11。(5)一次出渣完成后，炼渣炉5再按照步骤(3)再添加熔融钢渣、改性剂，进行冶炼、出渣若干次，最后一次出渣完成后将炼渣炉5中铁水倒入铁水包12中。(6)炼渣炉5生产过程中采用集尘系统13处理生产过程烟气获得富锌粉，统一收集到富锌粉仓14。

其中，造粒机2制备高炉灰球3直径5～50mm，自然晾干或烘干后的高炉灰球3含水率不超过3％，2m落下强度超过6次。

其中，高炉灰球3冶炼物料主要是钢渣、高炉灰球3以及硅质改性剂三种物料，其中高炉灰球3添加量占全部物料的10％～30％，硅质改性剂中氧化硅含量超过60％。

其中，炼渣炉5冶炼温度为1500～1700摄氏度，一次冶炼出渣时间20～50分钟，每个冶炼周期出渣1～5次。

其中，炼渣炉5每次出渣时间2～10分钟，高压水枪10供水量超过出渣量5倍进行冲渣操作，水压为0.1～0.25mpa。

其中，铁水包12中mfe含量超过90％，铁元素回收率超过95％。

其中，富锌粉仓14中锌含量超过40％，锌元素回收率超过95％。

其中，改性渣仓11中改性渣活性指数超过90％，满足一级钢渣粉活性指标要求。

其中，外排烟气粉尘含量低于10mg/m³。