宋明銘

（攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司二次資源綜合利用中心，四川 攀枝花 617000）

高碳粉煤灰是指固定碳含量較高的粉煤灰，該項(xiàng)目所指的高碳粉煤灰產(chǎn)自攀鋼能動(dòng)中心，年產(chǎn)生量約為8 ~ 10萬(wàn)t，固定碳含量在8% ~ 20%之間，能動(dòng)中心發(fā)電鍋爐在回收轉(zhuǎn)爐和高爐煤氣發(fā)電時(shí)由于燃料不足而補(bǔ)充煤粉發(fā)電，煤粉在鍋爐中不充分燃燒造成粉煤灰碳含量較高。

高碳粉煤灰目前主要采用汽車(chē)運(yùn)往巴關(guān)河渣場(chǎng)按廢棄物處理。造成資源浪費(fèi)，同時(shí)每年還需200多萬(wàn)元的運(yùn)輸堆放費(fèi)用。而且粒度較細(xì)的粉煤灰堆放在渣場(chǎng)，對(duì)周?chē)h(huán)境也產(chǎn)生一定的危害。

高碳粉煤灰以前采用浮選工藝浮選粉煤灰中的碳粉[1]，由于成本較高，浮選工藝已經(jīng)棄之不用，由于高碳粉煤灰含碳量高，活性較差，在水泥混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用首先，需要找到一條經(jīng)濟(jì)合理有效的綜合利用途徑，有效解決高碳粉煤灰的堆放問(wèn)題。

1 高碳粉煤 灰的性質(zhì)及利用現(xiàn)狀

1.1 高碳粉煤灰的性質(zhì)

高碳粉煤灰呈褐色，而普通發(fā)電粉煤灰呈灰色。與普通粉煤灰相比，高碳粉煤灰含碳量較高，其他成分與普通粉煤灰成分接近，為硅鋁質(zhì)，高碳粉煤灰物相組成主要為不定型碳、不定型二氧化硅、石英、莫來(lái)石、硅酸鈣相，與普通粉煤灰物相組成接近，粉煤灰化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 粉煤灰化學(xué)成分對(duì)比Table 1 Chemical composition comparison of fly ash

由于高碳粉煤灰含碳量較高，對(duì)粉煤灰的熱值進(jìn)行了測(cè)定，最高可達(dá)到1400 cal/g，最低僅為344 cal/g，平均為690 cal/g。

1.2 攀鋼鐵水保溫劑利用現(xiàn)狀

鐵水保溫劑主要用在鐵水罐上，起到鐵水保溫作用，生產(chǎn)原料主要有蛭石、碳粉、漂珠、碳化稻殼、粉煤灰、煙塵灰等，在國(guó)內(nèi)中小鋼鐵企業(yè)使用較普遍[2-3]。

鐵水保溫劑在攀鋼現(xiàn)場(chǎng)一直在使用，使用品種也較多，達(dá)到6 ~ 7種，鐵水保溫劑使用量約為1.3公斤每t鐵水，年保溫劑使用量4千余t，費(fèi)用近500萬(wàn)元，折合保溫劑每噸售價(jià)1140元，投入成本較高。

目前使用的保溫劑主要成分為硅鋁系材料，部分保溫劑含有10%以上的固定碳，可以作為鐵水的發(fā)熱劑，保溫劑的熔點(diǎn)在1400 ~ 1500℃之間。在鐵水罐內(nèi)加入鐵水保溫劑能不能起到較好的保溫效果一致沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)查，為了弄清鐵水保溫劑的保溫效果，2011年底攀鋼釩組織對(duì)高爐鐵水罐內(nèi)加入保溫劑效果進(jìn)行了全面調(diào)查，調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 現(xiàn)場(chǎng)使用的保溫劑保溫效果Table 2 Thermal insulation eあect of thermal insulation agent used on site

基準(zhǔn)期鐵水溫降速度為0.50℃/min，在所添加的6種保溫劑中，E型保溫劑溫降速度最低為0.45℃/min，A、D、F均為0.48℃/min，C最高為0.50℃/min，與基準(zhǔn)相同，調(diào)查結(jié)果表明E型保溫劑保溫效果較好，其他保溫劑保溫效果不理想。

1.3 高碳粉煤灰綜合利用思路

針對(duì)高碳粉煤灰的綜合利用，課題組提出了利用高碳粉煤灰開(kāi)發(fā)鐵水保溫劑，應(yīng)用于攀鋼現(xiàn)場(chǎng)，替代價(jià)格較高的商品保溫劑，實(shí)現(xiàn)降本增效。

分析國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)使用的保溫劑和攀鋼現(xiàn)場(chǎng)使用的多種鐵水保溫劑，材質(zhì)多為硅鋁質(zhì)，通過(guò)添加熔劑材料、發(fā)泡材料、自發(fā)熱材料、保溫材料等復(fù)合而成，具有熔點(diǎn)適中、堆密度輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、保溫效果好、可以實(shí)現(xiàn)自發(fā)熱的特點(diǎn)，而且有利于鐵水罐的翻罐和清渣操作，減輕現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)強(qiáng)度。

通過(guò)對(duì)高碳粉煤灰性質(zhì)分析，認(rèn)為高碳粉煤灰是做鐵水保溫劑的優(yōu)質(zhì)原料，本身為硅鋁系材料，在高溫下燒結(jié)形成空心微珠，體密輕，導(dǎo)熱系數(shù)低，保溫效果好，而且高碳粉煤灰本身含有8% ~ 20%的碳，具有自發(fā)熱作用，高碳粉煤灰熔點(diǎn)適中，可以通過(guò)添加適量熔劑改善保溫劑的熔點(diǎn)和粘度，使保溫劑效果更好。高碳粉煤灰鐵水保溫劑開(kāi)發(fā)思路見(jiàn)圖1。

圖1 高碳粉煤灰鐵水保溫劑開(kāi)發(fā)思路Fig.1 Development idea of hot metal insulation agent for high carbon fly ash

利用高碳粉煤灰開(kāi)發(fā)鐵水保溫劑，可以有效實(shí)現(xiàn)廢渣資源的高效綜合利用，而且能降低現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)降本增效，如果成功后能在攀鋼內(nèi)部（攀鋼釩、西昌鋼釩、攀成鋼等），每年可有效利用高碳粉煤灰接近1萬(wàn)t。

2 實(shí)驗(yàn)原料及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用原料主要有高碳粉煤灰、蛭石、螢石、現(xiàn)場(chǎng)用的商品保溫劑、石灰石、碳酸鈉等，見(jiàn)表3。

表3 實(shí)驗(yàn)材料Table 3 Test materials

2.2 實(shí)驗(yàn)料制備及實(shí)驗(yàn)方法

保溫劑主要原料采用高碳粉煤灰，通過(guò)添加添加劑螢石、石灰石，調(diào)整粉煤灰的熔化特性，將原料混合均勻按一定比例混合均勻即可用于實(shí)驗(yàn)，保溫劑的配比見(jiàn)表4。

表4 粉煤灰保溫劑配比Table 4 Fly ash insulation ratio

在實(shí)驗(yàn)室模擬鐵水罐的溫降，測(cè)定不同保溫劑對(duì)鐵水的保溫效果，保溫劑采用高碳粉煤灰保溫劑Ⅰ型和Ⅱ型，并與現(xiàn)場(chǎng)使用的商品保溫劑A、B、C、D、E、蛭石做對(duì)比，測(cè)試裝置見(jiàn)圖2。

圖2 保溫劑保溫性能測(cè)定裝置Fig.2 Schematic diagram of heat preservation performance measurement device of heat preservation agent

在石墨坩堝中加入3 kg的生鐵顆粒，采用氣氛爐將生鐵熔化為鐵水，溫度為1400℃，保溫1 h，然后將鐵水立即取出，在表面加100 g保溫劑，用鉑銠熱電偶測(cè)定鐵水隨時(shí)間的溫降，與空白樣（不添加保溫劑）做對(duì)比分析添加保溫劑對(duì)鐵水溫降效果的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 高碳粉煤灰保溫劑的性質(zhì)

高碳粉煤灰保溫劑主要原料采用高碳粉煤灰，通過(guò)添加添加劑螢石和石灰石，調(diào)整粉煤灰的熔化特性，適合攀鋼鐵水保溫劑的要求，二次資源的添加量達(dá)到85%以上，具有堆密度輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、保溫效果好、含有大量固定碳，能起到自發(fā)熱作用、熔點(diǎn)和粘度符合保溫劑要求等特點(diǎn)。

高碳粉煤灰保溫劑I、II型的主要性質(zhì)見(jiàn)表5。

表5 高碳粉煤灰保溫劑的性能指標(biāo)Table 5 Performance indexes of high-carbon fly ash insulation agent

主要成分與其他商品保溫劑接近，為硅鋁系材料，固定碳含量接近10%，S和P含量較低，堆密度為0.85 g/cm3，粒度< 2 mm 100%，水分控制在1%左右，全部性質(zhì)符合攀鋼釩鐵水保溫劑標(biāo)準(zhǔn)要求。

高碳粉煤灰保溫劑Ⅰ型和Ⅱ型的外觀，為灰黑色粉末狀，相比于現(xiàn)場(chǎng)使用的商品保溫劑顏色較深，主要是內(nèi)部固定碳含量較多造成。

3.2 高碳粉煤灰保溫劑的保溫性能

與現(xiàn)場(chǎng)目前使用的保溫劑A、B、C、D、E做對(duì)比，在實(shí)驗(yàn)室模擬了高碳粉煤灰保溫劑I型和II型的保溫性能，見(jiàn)圖4。

圖4 保溫劑在鐵水表面結(jié)殼情況Fig.4 Crusting of the heat preservation agent on the surface of molten iron

從個(gè)圖3可以看出，在鐵水表面加保溫劑，與空白樣相比都能起到保溫效果，相比于現(xiàn)場(chǎng)使用的五種保溫劑和蛭石，高碳粉煤灰保溫劑I型和Ⅱ型的保溫效果要明顯能延緩鐵水的溫降，對(duì)鐵水起到較好的保溫作用。

圖3 加保溫劑對(duì)鐵水溫降的影響Fig.3 Effect of adding heat preservation agent on iron water temperature drop

圖4為保溫劑在鐵水表面的結(jié)殼情況，從圖4中看出，保溫劑與鐵水接觸部分呈熔融狀，冷卻后結(jié)殼，靠近空氣部分呈粉狀，沒(méi)有結(jié)殼，結(jié)殼情況說(shuō)明幾種保溫劑熔點(diǎn)范圍接近，形成的殼強(qiáng)度很低，容易清渣。

從高碳粉煤灰保溫劑I型和II型與其他保溫劑的化學(xué)成分、熔點(diǎn)等性質(zhì)分析說(shuō)明，高碳粉煤灰保溫劑I型和II型性質(zhì)與其他保溫劑性質(zhì)接近。模擬現(xiàn)場(chǎng)保溫實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，將高碳粉煤灰保溫劑I型和II型加入高溫狀態(tài)的鐵水表面能較好的擴(kuò)散開(kāi)，高碳粉煤灰保溫劑對(duì)鐵水具有一定的保溫效果，與同類保溫劑相比較優(yōu)。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

4.1 高碳高碳粉煤灰保溫劑I型和II型的準(zhǔn)備

高碳粉煤灰保溫劑I型和II型各準(zhǔn)備10 t，保溫劑加入量控制在1.2 ~ 1.5 kg/t鐵，每個(gè)鐵水罐保溫劑加入量約150 kg。

按圖1生產(chǎn)工藝生產(chǎn)高碳粉煤灰保溫劑，將原料通過(guò)混勻、干燥、包裝等工序包裝成袋，使水分控制在1.0%以下，采用纖維編織袋包裝，纖維袋采用塑料內(nèi)膜，防止空氣中的水分進(jìn)入，每袋重量控制在10 kg，方便加入和計(jì)量。對(duì)高碳粉煤灰保溫劑取樣進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 高碳粉煤灰保溫劑的檢測(cè)指標(biāo)Table 6 Test indexes of high-carbon fly ash insulation agent

水分控制在1.0%以下，S、P、C等含量符合鐵水保溫劑標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 實(shí)驗(yàn)條件及方法

選擇2#高爐為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，高爐出鐵過(guò)程測(cè)試條件為，在高爐出鐵過(guò)程中，當(dāng)?shù)谝还尬谎b滿半罐鐵時(shí)，測(cè)試鐵溝內(nèi)鐵水溫度（作為高爐出鐵鐵水溫度），滿罐時(shí)測(cè)試罐內(nèi)鐵水溫度（作為鐵水罐內(nèi)溫度），鐵水滿罐測(cè)溫時(shí)間作為鐵水罐的初始時(shí)間，2#取樣站在取樣器取完樣后對(duì)鐵水罐進(jìn)行罐內(nèi)溫度測(cè)試，作為統(tǒng)計(jì)最終溫度，2#取樣站測(cè)定時(shí)間作為鐵水罐測(cè)溫最終時(shí)間。第二罐位、第三罐位測(cè)試方法相同。實(shí)驗(yàn)分加保溫劑和基準(zhǔn)期兩組實(shí)驗(yàn)。

4.3 保溫劑加入方式

由于攀鋼鐵水罐的特殊性，鐵水保溫劑不能按常規(guī)方式加入，如在出完鐵水后加入保溫劑，保溫劑堆存在渣面上，無(wú)法鋪展開(kāi)，使得保溫效果變差，見(jiàn)圖5。

圖5 保溫劑加入方式Fig.5 Method of adding insulation agent

實(shí)驗(yàn)采用在鐵水出鐵過(guò)程中加入保溫劑，直至鐵水滿罐時(shí)加完。加入方式是直接將纖維袋加入，避免細(xì)灰被抽走。從渣面狀況可以看出，加入保溫劑渣面顏色較暗，不加保溫劑渣面較亮，散熱較快。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)效果分析

表7為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，加保溫劑I型有效樣本數(shù)量為19個(gè)罐次，加保溫劑II型有效樣本數(shù)量為30個(gè)罐次，基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)有效樣本數(shù)量為39個(gè)罐次。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，基準(zhǔn)期鐵水罐平均溫降為0.62℃/min，加保溫劑I型鐵水罐平均溫降為0.59℃/min，可以減緩鐵水罐平均溫降0.03℃/min，加保溫劑II型鐵水罐平均溫降為0.56℃/min，可以減緩鐵水罐平均溫降0.06℃/min，實(shí)驗(yàn)總樣本數(shù)量88罐統(tǒng)計(jì)表明鐵水罐滿罐至2#取樣站平均時(shí)間間隔為62 min，說(shuō)明鐵水罐加保溫劑I型可以延緩鐵水罐溫降1.9℃，加保溫劑II型可以延緩鐵水罐溫降3.7℃，保溫劑II型優(yōu)于保溫劑I型。

表7 高碳粉煤灰保溫劑的保溫效果Table 7 Thermal insulation effect of high carbon fly ash insulation agent

與表8現(xiàn)場(chǎng)目前使用的商品保溫劑保溫效果相比，保溫劑I型的保溫效果與現(xiàn)場(chǎng)使用的商品保溫劑相當(dāng)，保溫劑II型優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)使用的商品保溫劑。

表8 商品保溫劑的保溫效果Table 8 Thermal insulation effect of commodity insulation agent

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每罐鐵水的保溫劑加入數(shù)量為15袋，每袋重量10 kg，總量為150 kg，折合每噸鐵水保溫劑加入量約為1.2 kg。

保溫劑加入對(duì)翻罐和清渣的影響：高碳粉煤灰保溫劑的加入有效延緩了鐵水罐特別是鐵水罐上表面鐵水的溫降，不會(huì)形成鐵水表面的結(jié)殼（現(xiàn)場(chǎng)稱作結(jié)大蓋），并有利于降低鐵水罐清渣時(shí)的鐵損，更易于翻罐和清渣。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況反應(yīng)，在鐵水罐中加入保溫劑對(duì)鐵水罐的翻罐和清渣操作無(wú)不良影響，操作順利。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以高碳粉煤灰為主要原料開(kāi)發(fā)的粉煤灰保溫劑Ⅰ型和Ⅱ型能有效減緩鐵水溫降，而且不影響鐵水罐的翻罐和清渣操作，使用效果優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)使用的商品保溫劑，可以代替商品保溫劑應(yīng)用于攀鋼高爐現(xiàn)場(chǎng)。

5 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性分析

5.1 高碳粉煤灰保溫劑Ⅰ型效益分析

鐵水保溫劑使用量約為1.3公斤每噸鐵水，保溫劑使用量4300 t/年，費(fèi)用490萬(wàn)元。實(shí)驗(yàn)分析表明，攀鋼鐵水保溫劑I型可以替代現(xiàn)有的鐵水保溫劑，由于攀鋼鐵水保溫劑I型生產(chǎn)成本很低，能有效降低煉鐵生產(chǎn)成本，并能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。攀鋼鐵水保溫劑I型經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算見(jiàn)表9，總體效益每年可達(dá)到383.7萬(wàn)元以上。

表9 攀鋼鐵水保溫劑I型年經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算Table 9 Economic benefit calculation at Pangang hot metal insulation I years

5.2 攀鋼鐵水保溫劑II型效益分析

以優(yōu)化后的保溫劑為基準(zhǔn)，在原有保溫劑基礎(chǔ)上能增加保溫劑成本75元/t，按噸鐵水保溫劑消耗量1.2公斤計(jì)算，噸鐵增加成本0.09元。

以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)論為依據(jù)，優(yōu)化后的保溫劑可以減緩鐵水罐（基準(zhǔn)）溫降0.06℃/min，相比于原保溫劑減緩溫降0.03℃/min，按鐵水出鐵滿罐到脫硫組罐過(guò)程時(shí)差在50 ~ 120 min之間，按60 min計(jì)算，可提高鐵水溫度1.8℃。根據(jù)煉鋼廠調(diào)研，每噸鐵水提高1.0℃，可降低噸鋼成本0.48元，結(jié)合組罐和脫硫過(guò)程中的熱損失，折算系數(shù)按0.5計(jì)算，計(jì)算公式為：

按煉鐵廠年產(chǎn)鐵水600萬(wàn)t計(jì)算，每年可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益205萬(wàn)元。

6 結(jié) 論

（1）以高碳粉煤灰為主要原料開(kāi)發(fā)的攀鋼鐵水保溫劑I型能有效減緩鐵水溫降0.02℃/min，而且不影響鐵水罐的翻罐和清渣操作，使用效果與現(xiàn)場(chǎng)使用的商品保溫劑效果相當(dāng)，可以代替商品保溫劑應(yīng)用于攀鋼高爐現(xiàn)場(chǎng)。在攀鋼鐵水保溫劑I型基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化而成的攀鋼鐵水保溫劑II型保溫效果更佳，能有效減緩鐵水溫降0.06℃/min，而且不影響鐵水罐的翻罐和清渣操作，使用效果優(yōu)于攀鋼鐵水保溫劑I型和其他商品保溫劑。

（2）以高碳粉煤灰開(kāi)發(fā)的攀鋼鐵水保溫劑I型生產(chǎn)成本較低，僅為86元/t，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益383.7萬(wàn)元/年，攀鋼鐵水保溫劑II型是在攀鋼鐵水保溫劑I型基礎(chǔ)上配比優(yōu)化而成，其經(jīng)濟(jì)效益可在攀鋼鐵水保溫劑I型基礎(chǔ)上增加205萬(wàn)元/年，同時(shí)可以解決一部分高碳粉煤灰堆存問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著。