協(xié)同處理鋼廠固廢工藝的物質(zhì)流和能量流分析

1、引言鋼鐵企業(yè)存在很多固體廢棄物，包括煤氣化、焦化過程產(chǎn)生的焦油渣，熱軋產(chǎn)生的熱軋污泥、冷軋產(chǎn)生的冷軋酸泥和冷軋堿泥，以及高爐布袋除塵灰、轉(zhuǎn)爐除塵灰、電爐除塵灰等固廢。2021年，中國鋼材量為13.37億t，全國年生產(chǎn)軋鋼油泥約為115萬t，焦油渣約為47萬t，粉塵量為8424~12636萬t，這些廢棄物長期積累對(duì)社會(huì)和環(huán)境產(chǎn)生越來越大的影響。近年來，含鋅粉塵返回?zé)Y(jié)工藝處理會(huì)造成燒結(jié)和高爐生產(chǎn)能耗增高、爐況不順，也會(huì)給鋼廠的環(huán)境帶來巨大的危害，利用轉(zhuǎn)底爐和回轉(zhuǎn)窯來處理含鋅粉塵，具有較高的生產(chǎn)效率和較低的環(huán)境成本。目前焦油渣的主要處理工藝有溶液萃取技術(shù)、離心分離技術(shù)和熱解分離制備活性炭技術(shù)，溶劑萃取法分離油渣后可以實(shí)現(xiàn)資源的高效轉(zhuǎn)化和利用，但萃取劑的提取能力、經(jīng)濟(jì)性及其危害限制了其應(yīng)用；離心分離技術(shù)分離效率低，對(duì)后續(xù)處理影響較大；熱解分離技術(shù)對(duì)不同結(jié)構(gòu)焦油渣適應(yīng)性強(qiáng)，無二次污染，但能耗高，分離所得的高碳?xì)堅(jiān)捎糜诨钚蕴康闹苽洹＼堜撐勰嗟闹饕幚砉に囉袡C(jī)械分離技術(shù)、焙燒技術(shù)、溶劑萃取熱分解技術(shù)、生物處理技術(shù)和高溫蒸餾等，這些處理方法在技術(shù)、工藝、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等各方面都有自己的特點(diǎn)，熱解技術(shù)既能回收污泥中的油，實(shí)現(xiàn)含油污泥的資源化處理，又能適用于所有污泥，但缺乏成熟的處理設(shè)備。鋼廠既要進(jìn)一步發(fā)展鋼鐵產(chǎn)品的制造功能，又要高度重視能源轉(zhuǎn)換功能的推廣，充分發(fā)揮廢物消耗、處理和資源再利用的功能。在冶金流程工程學(xué)方面，殷瑞鈺將“流”作為本體論，用“流”觀察動(dòng)態(tài)變化，解決了冶金企業(yè)的綠色智能潛力，提出了鋼鐵工業(yè)綠色化的定義和內(nèi)涵。LIUJY等為鋼鐵企業(yè)開發(fā)了一種能量流分析模型，指出能量流的輸入和輸出值對(duì)能量分析和評(píng)價(jià)有很大的影響，因此要注意各工序之間的密切配合，減少各類能量介質(zhì)的耗散，及時(shí)合理地回收工藝廢熱和廢能，從而以最大的效率優(yōu)化利用這些資源，實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。OSTROVSKIO等對(duì)直接煉鐵工藝的能量進(jìn)行了分析，認(rèn)為在尾氣利用率較低的情況下，通過提高傳熱效率和后燃比(post-combustionratio)，可以有力地提高直接煉鐵工藝的燃料效率，當(dāng)尾氣得到有效利用時(shí)，后燃比和傳熱效率對(duì)總?cè)剂闲实挠绊憣?huì)小得多。劉鵬等建立了回轉(zhuǎn)窯-電爐冶煉鎳鐵合金的物質(zhì)流和能量流分析模型，采用協(xié)同分析方法評(píng)價(jià)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)程度。在鋼廠智能化、綠色化發(fā)展過程中，物質(zhì)流與能量流協(xié)同優(yōu)化是亟需解決的問題，建立鋼廠固廢協(xié)同處理模型對(duì)鋼廠固廢的研究有重大意義。對(duì)于鋼廠固廢中含水率高、熱值低的焦油渣、軋線油泥等可通過多膛爐進(jìn)行熱解處理，高爐布袋灰、轉(zhuǎn)爐干灰等含鋅鉛難處理固廢采用成熟的轉(zhuǎn)底爐工藝進(jìn)行高溫直接還原，電爐粉塵等高鋅鉛固廢可通過熔態(tài)電爐進(jìn)行熔融還原。因此，針對(duì)煉鋼廠不同類型固廢的特點(diǎn)，本文提出了一種多膛爐-轉(zhuǎn)底爐-熔態(tài)電爐協(xié)同處理鋼廠固廢的工藝流程。本文基于質(zhì)量守恒和能量守恒定律，建立了新工藝的物質(zhì)和能量流動(dòng)解析模型，分析了不同爐料結(jié)構(gòu)對(duì)協(xié)同系統(tǒng)的影響，對(duì)不同指標(biāo)參量的協(xié)同度變化進(jìn)行了研究，得出了協(xié)同度較好時(shí)新工藝的原料組成方式。

2、精選圖表3、結(jié)論本文提出了一種多膛爐-轉(zhuǎn)底爐-熔態(tài)電爐協(xié)同處理鋼廠固廢的工藝流程，對(duì)該工藝進(jìn)行了物質(zhì)流和能量流分析，研究了不同爐料結(jié)構(gòu)對(duì)此工藝流程的影響，對(duì)不同指標(biāo)參量的協(xié)同度變化進(jìn)行了探究。得出以下結(jié)論：1)多膛爐、轉(zhuǎn)底爐和熔態(tài)電爐的協(xié)同處理工藝包括多膛爐熱解焦油渣、轉(zhuǎn)底爐直接還原和熔態(tài)電爐冶煉3個(gè)單元，工藝的協(xié)同可以達(dá)到節(jié)能減排的效果。2)電爐粉塵生球團(tuán)與金屬化球團(tuán)1∶1投入熔態(tài)還原電爐生產(chǎn)1t鐵水，隨著金屬化球團(tuán)金屬化率的增加，渣量和所得二次鋅粉量變化不大，金屬化率的變化對(duì)熔態(tài)電爐系統(tǒng)煙氣量的生成影響較大，隨著金屬化球團(tuán)金屬化率的增加煙氣量明顯降低，金屬化率為80%的熱裝金屬化球團(tuán)的系統(tǒng)耗電量低至1124.0kW·h/t。3)隨著熔態(tài)電爐入爐料中電爐粉塵生球團(tuán)質(zhì)量占比增加，所得煙氣量、渣量、二次鋅粉量分別呈不同斜率線性增長，噸鐵電耗增加，熱裝金屬化球團(tuán)的大量使用對(duì)于能耗的減少作用更為顯著,電爐粉塵生球團(tuán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由30%增長到80%，冷、熱裝料電耗差由相差200kW·h/t