1.概述

　　進(jìn)口紅土型氧化鎳礦，采用火法方式冶煉鎳鐵是近年來在國內(nèi)廣泛投資的冶金項(xiàng)目。在國內(nèi)，目前大型鎳鐵冶煉企業(yè)，一般采用回轉(zhuǎn)窯——礦熱爐的方法，生產(chǎn)品位在20％ 以上的鎳鐵。紅土礦一般含鎳在2％左右，以生產(chǎn)20％鎳鐵為例，鎳金屬的綜合回收率按90％ ，可知渣的產(chǎn)生量至少在9l％以上，渣的數(shù)量巨大，同時高溫液態(tài)渣蘊(yùn)含的熱量非常高，合理回收渣的能量對于鎳鐵冶煉的成本影響很大。

　　2.經(jīng)濟(jì)效益

　　某鎳業(yè)有限公司現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯—礦熱爐鎳鐵生產(chǎn)線15條，年產(chǎn)鎳鐵60萬噸，每條鎳鐵生產(chǎn)線每日排渣量234t/d，按運(yùn)轉(zhuǎn)率85%核算，平均每天排渣量為2993.5t/d。排渣溫度為1580℃，所蘊(yùn)含的熱量不僅數(shù)量大，且品質(zhì)高，利用價值，若渣冷卻溫度后為130℃，其每噸顯熱相當(dāng)于標(biāo)煤78kg。如對該熱量合理回收，回收率按照50％ 計(jì)算，則相當(dāng)于每噸渣回收熱量11.455GJ，相當(dāng)于每噸渣節(jié)約標(biāo)煤39.08kg，每天節(jié)約標(biāo)煤116.61t/d，相當(dāng)于發(fā)電94.93萬kWh。

　　3.鎳渣處理的目標(biāo)

　　某鎳業(yè)有限公司目前鎳渣處理采用了熔融渣溜槽排放噴水冷卻的方法，耗水量大，現(xiàn)場環(huán)境差，熔渣蘊(yùn)含的熱能沒有回收。因鎳渣化學(xué)成分的限制，冷卻后的鎳渣用于路基修筑，是性能良好的筑路材料。

　　因此，對鎳渣處理主要應(yīng)實(shí)現(xiàn)三個目標(biāo)：一是實(shí)現(xiàn)無水冷卻，節(jié)水并改善環(huán)境；二是冷卻后的鎳渣成為性能良好的筑路材料；三是實(shí)現(xiàn)高溫熔渣熱能的回收發(fā)電。

　　4  技術(shù)可行性

　　根據(jù)上述目標(biāo)，就必須實(shí)現(xiàn)鎳渣的干法?；に嚕壳霸阪囪F行業(yè)沒有資料表明開展了這方面的研究和應(yīng)用，為此可以借助和借鑒類似行業(yè)，主要是鋼鐵行業(yè)相關(guān)的技術(shù)和成果。

　　干法冷渣即依靠高壓空氣實(shí)現(xiàn)熔融渣冷卻、粒化的工藝。針對濕法處理工藝的缺點(diǎn)，20世紀(jì)70年代國外就已開始研究干式?；郀t渣的方法。前蘇聯(lián)、英國、瑞典、德國、日本、澳大利亞等國都有研究高溫熔渣(包括高爐渣、鋼渣等)干式粒化技術(shù)的記錄。有的方法還進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，有影響力的主要有：滾筒法、風(fēng)淬法和離心粒化法，但這些方法均沒有在鎳鐵冶煉上應(yīng)用實(shí)踐。

　　4.1滾筒法

　　日本鋼管公司(NKK)在福山4號高爐試驗(yàn)的內(nèi)冷雙滾筒法。兩個滾筒在電動機(jī)帶動下連續(xù)反向轉(zhuǎn)動，帶動熔渣形成薄片狀粘附其上，滾筒中通入有機(jī)高沸點(diǎn)的流體工質(zhì)，工質(zhì)吸收熔渣薄片的熱能后汽化，同時熔渣薄片冷卻后粘附在滾筒上，形成渣片以后要由刮板清除，有機(jī)液體蒸汽經(jīng)換熱器冷卻再次返回滾筒，回收的熱量用來發(fā)電。由于渣層薄，所以傳熱速度很快，因此該法的熱效率很高，熱回收率達(dá)77％。

　　但滾筒法設(shè)備處理能力不高、作業(yè)率低，不適合在現(xiàn)場大規(guī)模連續(xù)處理冶金渣，通常只能接受來自渣罐的熔渣，同時排渣溫度偏高，熱回收率低，凝固的薄渣片粘在滾筒上，必須用刮板刮下來，工作效率低并使設(shè)備的熱回收效率和壽命下降。

　　20世紀(jì)8O年代，日本的住友金屬公司曾經(jīng)建立了采用滾筒法處理高爐渣能力為40t／h的試驗(yàn)工廠。當(dāng)渣流沖擊到旋轉(zhuǎn)著的單滾筒外表面上時被破碎化，?；俾涞搅骰采线M(jìn)行熱交換，可以回收50％ 一6O％的熔渣顯熱。

　　單滾筒工藝的缺點(diǎn)在于單筒的破碎?；芰Σ蛔悖斐稍５牧椒植挤秶?，導(dǎo)致在流化床上與換熱介質(zhì)的換熱面積小，換熱效率低，冷卻速度不足。

　　1995年，寶鋼購買了俄羅斯烏拉爾鋼鐵研究院在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模內(nèi)研究開發(fā)的滾筒法液態(tài)鋼渣處理技術(shù)。經(jīng)過3年的技術(shù)轉(zhuǎn)化攻關(guān)，于1998年5月在寶鋼三期工程的250t轉(zhuǎn)爐分廠，建成了世界上臺滾筒法處理液態(tài)鋼渣的工業(yè)化裝置。

　　高溫熔渣順著溜槽倒人滾筒時，滾筒邊旋轉(zhuǎn)邊向筒內(nèi)急速噴淋，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊，不會引發(fā)爆炸，安全可靠。當(dāng)高溫爐渣進(jìn)入簡體，爐渣間分子聚合力較小，同時滾筒勻速旋轉(zhuǎn)時，鋼渣與內(nèi)部鋼球介質(zhì)碰撞時被充分破碎，所以在較小能量碰撞下能將鋼渣破碎成較小顆粒，其中90％顆粒的粒徑在10mm 以下。應(yīng)用該裝置，寶鋼的鋼渣資源得到了綜合利用，但是鋼渣所蘊(yùn)含的能量沒有得到有效回收。

　　4.2風(fēng)淬法

　　利用循環(huán)空氣回收爐渣顯熱，通過余熱鍋爐以蒸汽的形式回收顯熱，稱為風(fēng)淬法。風(fēng)淬法常用于處理鋼渣。1977年， 日本鋼管公司(NKK)和三菱重工合作研發(fā)了風(fēng)淬?；墼@熱回收系統(tǒng)，并于1981年末在福山制鐵所建成世界上套轉(zhuǎn)爐鋼渣風(fēng)淬?；療峄厥昭b置，熔渣熱能回收率40～45％ 。

　　由于鋼渣自身的性質(zhì)，風(fēng)淬法處理鋼渣不考慮?；Ａw含量的問題，而更關(guān)注熱能的回收。當(dāng)然，風(fēng)淬法也能應(yīng)用于高爐渣的處理。

　　新日鐵、日本鋼管、川崎制鐵、神戶制鋼、住友金屬和日新制鋼6家公司從1982年開始在新日鐵名古屋3號高爐上進(jìn)行了為期6年的風(fēng)淬法高爐渣干式粒化試驗(yàn) ，其主要性能為：渣處理量4Ot／h，蒸汽量7t／h，蒸汽參數(shù)1．5MPa／220℃ ，熱回收率65％ ～79％。

　　風(fēng)淬法的缺點(diǎn)也是比較明顯的，由于空氣的比熱容比水要小，所以干燥?；^程中動力消耗很大、與水淬相比冷卻速度很慢。為了防止?；诠探Y(jié)之前粘結(jié)到設(shè)備表面上，還必須加大設(shè)備的尺寸，從而造成設(shè)備體積龐大、復(fù)雜，加工制造困難，而且造價高。

　　4.3 離心?；?br />
　　英國克凡納金屬公司(Kvaemer Metals)開發(fā)了一種轉(zhuǎn)杯?；瘹饬骰矡崮芑厥占夹g(shù)。熔渣通過覆有耐火材料的流渣槽從渣溝流至轉(zhuǎn)杯中心，在離心力作用下熔渣在轉(zhuǎn)杯的邊緣被?；缓笤Ｔ陲w行中被冷卻，渣粒碰到粒化器內(nèi)壁時已經(jīng)足夠硬，不會粘到壁上，這一點(diǎn)因水冷壁的存在得以強(qiáng)化。

　　從裝置上方排出的氣流溫度可達(dá)400—600℃ ，在集氣罩上設(shè)有余熱回收系統(tǒng)。離心?；ㄔ?jīng)于20世紀(jì)80年代初期在英國鋼鐵公司Redes年產(chǎn)1萬t的高爐上進(jìn)行了為期數(shù)年的工業(yè)試驗(yàn)。

　　離心粒化法的設(shè)備簡單、動力消耗小、處理能力大、適應(yīng)性好、產(chǎn)品粒度分布范圍窄。離心粒化技術(shù)的原理與目前在鎳鐵冶煉領(lǐng)域使用的鎳鐵?；ㄊ窒嗨?，所不同的是鎳鐵流經(jīng)圓盤撞擊?；螅淙说搅；氐乃壑?，通過水將其進(jìn)一步冷卻，并通過水將其沖到振動篩上脫水、干燥。

　　根據(jù)鋼鐵研究總院對轉(zhuǎn)杯法試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速為3000r/min，熔渣流量為2t/min時，所需要的電機(jī)功率約為12～15kW ，能耗大大低于風(fēng)淬粒化。

　　鋼鐵研究總院2004年就已開始研究高爐渣急冷干式粒化技術(shù)，對離心?；c風(fēng)淬相結(jié)合的工藝也進(jìn)行過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。以離心力保證?；牧６确植?。風(fēng)淬主要保證其降溫速率以控制玻璃體含量并輔助調(diào)節(jié)粒度分布，試驗(yàn)結(jié)果證明該方法具有?；矢?、動力消耗低的優(yōu)點(diǎn)。

　　4.4現(xiàn)有技術(shù)的局限

　　目前高爐渣急冷干式?；夹g(shù)主要是結(jié)合鋼鐵行業(yè)需要開發(fā)的，其需要主要是三點(diǎn)：一是爐渣中含有的渣鐵的回收，這一點(diǎn)要求熔渣粒化時粒度要盡量細(xì)碎，便于渣鐵的分離回收；二是熔渣的淬冷，以使熔渣中活性礦物盡可能多的保存下來，便于資源化利用；三是熔渣中蘊(yùn)熱的回收利用。

　　基于以上三點(diǎn)，上述工藝用于鋼鐵行業(yè)內(nèi)高溫熔渣的干法粒化是可行的。在選擇鎳鐵渣的干法?；に嚂r可以參考，針對高溫鎳鐵渣冷卻處理要實(shí)現(xiàn)的三個目標(biāo)，開發(fā)適合的?；に嚭蜔峄厥占夹g(shù)及裝備。

　　5.粒化設(shè)備

　　借鑒鋼鐵行業(yè)現(xiàn)有干法造粒工藝的思路，結(jié)合高溫鎳鐵渣冷卻處理要實(shí)現(xiàn)的三個目標(biāo)，其核心問題在于開發(fā)出合適的高溫鎳鐵渣造粒設(shè)備，使其經(jīng)過初步換熱形成粒徑合適的固態(tài)渣，進(jìn)而對其進(jìn)行有效的熱回收。

　　5.1粒化設(shè)備的技術(shù)原理

　　從高溫液態(tài)鎳鐵渣的物料特性出發(fā)，其液相粘度很小，流動性很好，可以像水一樣流動，初始溫度為1580℃，蘊(yùn)含顯熱為2496kj/kg，其固化溫度約在1100℃，高溫液態(tài)鎳鐵渣由1580℃高液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)過程中需要放出約758kj/kg的熱量，這些熱量通常需要有其它媒質(zhì)吸收，常用的媒質(zhì)一般是水、空氣及合適的固體材料等，可以采用單一或復(fù)合媒質(zhì)。當(dāng)采用水（25℃）、空氣（25℃）作為單一冷媒時，對于每1kg1580℃的高溫鎳鐵渣冷卻到1100℃時其對應(yīng)的消耗量分別為0.31kg和2.92Nm3（空氣被加熱到200℃）。而當(dāng)采用冷態(tài)鎳鐵渣（130℃）作為單一冷媒時，其用量為1.30kg（假定冷渣被加熱到平均500℃）。

　　考慮到換熱速率的問題，為使高溫液態(tài)鎳鐵渣盡量快的有液態(tài)轉(zhuǎn)化到固態(tài)，就需要有效擴(kuò)大與冷媒的接觸面積和縮小粒徑或料層厚度?？紤]到物料的終利用對物料粒度的要求及設(shè)備的開發(fā)，冷卻的料層厚度應(yīng)保持在合適的范圍內(nèi)。

　　同時還需要考慮到高溫液態(tài)鎳渣在冷卻固化的過程中，其粘度會隨著溫度的下降增加、黏附，增加脫附困難。

　　綜上所述，干法?；に囘^程中，需要從冷媒的選擇、固化過程中物料分布狀態(tài)的控制、物料與設(shè)備接觸方式等方面綜合考慮選擇。

　　本方案擬采用空氣冷卻干法造粒工藝，并使物料與冷媒采用面接觸的方式，以實(shí)現(xiàn)物料的冷卻固化實(shí)現(xiàn)造粒，合理控制料層厚度，使物料與物料與空氣充分接觸，為熱量的回收利用和鎳渣的資源化利用創(chuàng)造條件。

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