我国大型高炉喷吹瓦斯灰的研究进展

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【摘 要】有效回收利用瓦斯灰资源以谋求环境、经济效益的最大化，是冶金行业普遍面临的问题。本文阐述了高炉喷吹重力灰、旋风灰和布袋灰的研究现状和实践应用。在不影响高炉顺行的前提下，完全可以通过控制瓦斯灰的配入比例，替代部分煤粉，实现节煤降耗的目的，为冶金行业低碳生产、节能减排开辟一条有效途径。

【关键词】高炉喷吹；瓦斯灰；重力灰；旋风灰；布袋灰

随着对节能减排、环境保护要求的日益提高，解决冶金行业的二次粉尘回收利用问题迫在眉睫。目前冶金企业对除尘灰的回收利用研究多集中于干熄焦灰的利用，而对高炉瓦斯灰的研究并不多。

高炉瓦斯灰是生产时随高炉煤气从炉顶排出，经各级除尘器收集的粉尘，根据除尘设备的不同主要分为重力灰、旋风灰和布袋灰，其化学成分和粒度高炉炉容、原燃料条件等密切相关，但其主要成分是铁和碳，除此之外还含有少量硅、钙、铝等其它元素的氧化物，具有较高的回收价值[1]。虽然高炉除尘灰在作为烧结、球团生产配料、提取有价值元素等方面得到了一定程度的应用，但普遍还存在问题，如充分利用问题（约60%～70%的粉尘在系统中循环）[2]、烧结矿成分偏析问题[3]等。鉴于高炉除尘灰粒度细、密度小、数量较多[4]，以及国外高炉混喷的成功的工业试验[5，6]，将其直接配加到煤粉中喷入高炉，能简单高效地回收大量的铁碳元素，有效降低生产成本，为我国钢铁企业节能减排、保护环境、发展循环经济开辟一条新的途径[7-8]。

1 高炉喷吹重力灰

重力灰是经由重力除尘器利用重力收集的粉尘，粒度相对较大。重力除尘器可除去粒度大于150μm的颗粒，除尘效率达到50%～80%，出口煤气含尘量可降到8～12g/m3。首秦1200m3高炉日平均重力灰量41t左右，约占总尘量的59%，主要成分为：TFe：52.77%，C：12.60%，SiO2：8.93%，CaO：2.27%，Al2O3：3.66%，Na2O：1.16%，K2O：0.17%，ZnO：0.40%[9]。

李燕江等利用两段式煤粉燃烧炉，模拟高炉的燃烧条件，分析了邯宝公司3200m3高炉的重力灰（TFe：28.7%，C：42.65%，SiO2：5.8%，CaO：4.51%，Al2O3：2.87%，MgO：1.27%，Na2O：0.11%，K2O：0.22%）和混合煤粉（烟煤：无烟煤=4：6，小于0.074mm占70%）的燃烧性能。该高炉重力灰中的碳含量较高，达到了42.65%，经过对其进行煤岩显微组分分析，发现63.76%来源于焦炭，36.24%来源于煤粉。其着火点、爆炸性与混合煤粉相差不大，可磨性、喷流性能明显优于煤粉，但是其燃烧率只有26.46%，远远低于煤粉（煤粉的燃烧率：60.36%）。通过按以上条件对邯宝公司喷吹重力灰（日产60t）的经济效益进行估算，每年可增加铁量6199t，节约成本1000多万元[10]。

2 高炉喷吹旋风灰

旋风灰是经由旋风除尘器利用离心力收集的粉尘，粒度小于重力灰。新建高炉多采用旋风除尘器代替重力除尘器，或在已有重力除尘器后增加旋风除尘器以提高除尘效率，PW公司开发的轴流旋风除尘器旋风灰粒度绝大部分超过25μm。首秦公司1200m3高炉日平均旋风灰量22t左右，约占总尘量的32%。主要成分为：TFe：44.04%，C：22.60%，SiO2：8.64%，CaO：2.37%，Al2O3：3.73%，Na2O：0.97%，K2O：0.20%，ZnO：0.47%[9]。

邵腾飞等在实验室对首秦煤粉添加旋风灰后的燃烧性能进行了实验，分析了富氧3%气氛下配加0、3%、6%和9%的旋风灰（TFe：31.94，C：35.62，SiO2：5.14，CaO：3.26，Al2O3：3.16，Na2O：1.17，K2O：0.43）后的煤粉试样的燃烧情况。实验研究结果表明，富氧3%的条件下，配加6%旋风灰时，煤粉的燃烧率分别达到最大值60.1%；继续增加旋风灰配入量，煤粉的燃烧率明显降低，此时对理论燃烧温度的影响不大。这可能和铁氧化物、碱金属氧化物和氧化钙的助燃催化作用有关[11]。此外，吴小辉等测得空气气氛下添加相同比例的旋风灰后，试样的燃烧率变化趋势和富氧3%时一致，在配加6%旋风灰时，煤粉的燃烧率达到最大值56%，比富氧3%时略低[12]。首秦1号高炉现场喷吹的实践结果证实，在煤粉中添加3%以下旋风灰，高炉各项操作制度、炉况与未添加时没有明显变化，也没有增加后续炼铁工序的碱负荷。

丁汝才等在实验室进行添加2%、4%、6%和8%旋风灰和不同富氧率对煤粉燃烧率影响的研究。采用首秦旋风灰，在成分和条件与邵腾飞和吴小辉等所做研究相似的情况下，得出了类似的结论：空气条件下，配加4%的旋风灰，燃烧率最大，为40.42%；富氧3%时，最大燃烧率也基本保持在配加4%旋风灰的情况。工业试验证明每年可节省煤粉1500t，回收600～800t铁，经济意义和社会意义重大[4]。

3 高炉喷吹布袋灰

布袋除尘是一项比较成熟的技术，该除尘器置于重力除尘器或旋风除尘器之后，各种高孔隙率的织布或滤毡，对粒度较小的粉尘进行收集，除尘效率在99%以上。大型高炉的布袋除尘器后净煤气的含尘量一般小于5mg/m3。首秦公司1200m3高炉日平均布袋灰量6t左右，约占总尘量的9%。主要成分为：TFe：26.04%，C：19.2%，SiO2：11.88%，CaO：5.07%，Al2O3：7.87%，Na2O：1.72%，K2O：1.52%，ZnO：1.54%。铅锌在炉内极易还原，凝结物大部分集中在极细粉尘中，因此布袋灰中含量较高。为防止其在炉内循环累计，破坏炉衬或在炉身上部和炉顶煤气管结瘤，应严格控制入炉量[9]。

刘仁生等将长钢9号1080m3高炉布袋除尘灰（FC：61.08%，Ad：31.75%，Vdaf：10.51%，S：0.99%，发热量：22.14MJ/kg）和煤粉混合后，进行了热重分析和高炉喷煤燃烧模拟试验。该布袋灰灰分和硫分都很高，但是其含碳量高，具有较高的发热量。其在600℃时的燃烧率为40.75%，将其配入屯留煤粉中，20%布袋灰是试样燃烧率最高的合适比例，燃烧率达到51.82%，说明此时布袋灰中氧化铁等金属氧化物的释放会加快屯留煤样的燃烧过程，缩短燃烧时间，从而利于增加喷煤量， 降低焦比。当布袋灰、府谷煤和屯留煤混合时，三者的比例为1：1：8时的煤样的燃烧率最高（600℃），达到69.86%，最利于高炉喷吹。喷煤的模拟试验结果证实了同样的趋势，但是由于气氛和温度条件的不同，导致燃烧率的数值有所不同[13]。

韩庆等通过对高炉喷吹煤粉中添加2～8%的布袋灰（C：约20%）的研究，发现在富氧率小于3%时，宜添加4%左右的布袋灰，以充分利用布袋灰中的碳和铁氧化物的催化作用，提高煤粉的燃烧率；富氧率大于3%，布袋灰的添加量可以达到8%。在高炉风温高于1150℃时，布袋灰配入比例每增加2%，富氧率需增大1%，风口前的理论燃烧温度下降3.1℃。在1200m3高炉进行喷吹煤粉与布袋灰混合喷吹，风压0.3MPa、风量2800m3/min、富氧率2.0%，压力0.7MPa，风温1180℃，焦比350kg/t，产量3000t/d，渣量280kg/t，配入4%的布袋灰，保持煤粉和灰的混合物在150kg/t，生铁合格率100%，高炉的生产参数保持不变。按煤粉价格630元/t，喷煤量150kg/t，吨铁添加布袋灰6.0kg，在年产105万吨生铁的情况下，每年喷吹6300吨的布袋灰，代替部分煤粉和含铁炉料，直接经济效益362万元[14]。

4 结论

瓦斯灰是钢铁企业主要固体排放物之一，不但含有大量的铁碳资源，还含有少量的有害杂质，在节能环保要求的不断提高的今天，实现固废循环利用成为高炉固废清洁生产的目标。本文通过对高炉喷吹重力灰、旋风灰和布袋灰的探讨分析，发现瓦斯灰完全可以作为辅助燃料，代替煤粉。相比较之下，这三种灰中，重力灰粒度较粗，铁碳含量较高，布袋灰的粒度最细，含有的有害元素也最多，因此，必须根据这些元素的含量决定是否直接利用。

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[3]邓永春，李亮，韦严勇，巩猛.高炉瓦斯灰综合利用研究现状[J].2014，30（5）：25-28.

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[10]李燕江，吕庆，卢建光，刘小杰，黄宏虎，王岩.高炉喷吹重力除尘灰研究[J].钢铁钒钛，2015，36（6）：57-62.

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[12]吴小辉，吴铿，张二华，邵腾飞，杜瑞岭，任海亮，王梦.高炉旋风灰作为自产喷吹煤粉添加剂的相关研究[J].环境工程，2012，30：272-275.

[13]刘仁生，曹晨忠，赵兵，湛燕.长钢9 号高炉布袋灰与煤混喷的最佳配比选择[J].中国冶金，2011，21（5）：31-35.

[14]韩庆，丁汝才，吴铿，郑涛，吴燕一，江东才，王效东，李志毅.一种高炉喷煤添加布袋灰的方法[P]. CN 1743465 A，2003，3.