杨铧杨文崧

1.工业熔渣显热利用的必要性

目前我国能源形势严峻，产品能耗指标过高，主要用能产品的单位产品能耗比发达国家高25～90%(加权平均高40%左右)；其次是产值能耗高，中国的产值能耗是世界上最高的国家之一，例如每千克油当量的能源，日本企业平均可以创造出10。2美元的产值，中国只能创造出0。7美元，仅为日本的1/15；我国单位能源使用产生的GDP,目前只有发达国家平均水平的1/5～1/16左右。另一方面，我国矿产资源和能源的利用率都很低，据有关资料显示，我国矿产资源总回收率仅为30～50%，比世界平均水平低10～20个百分点；单位产值能耗为世界平均水平的2。3倍，主要用能产品单位能耗比国外先进水平高40%，这是造成产品生产成本上升、经济效益差的重要原因之一。按照生态工业的概念，通过将上一生产过程中的废料或副产品作为下一生产过程的投入原料，必将大幅度降低企业的能源资源消耗，从而降低产品的生产成本、提高总体经济效益。

自从改革开放以来，我国对于工业废料的利用比较重视，特别在近十几年对于工业废渣的利用取得了可喜的成绩，工业废渣利用率不断上升。按照常规，工业炉废渣大致有下列用途：固态干(块)渣主要用于修筑公路、铁路、地基工程、熔炼矿棉的原料或作混凝土骨料，水淬渣大量用作水泥混合材(填料)，还有少量炉渣转化成膨珠用作建材轻骨料。无论上述那种利用方式，他们的共同特点是：只是利用了经过冷却、呈常温冷凝状态的工业炉渣，而这些炉渣从原本高温熔融状态下冷却过程所释放出来的热能(也就是它们的熔融显热)却没有得到丝毫的利用，全部被白白浪费了。与此同时，在熔渣冲成水淬渣的过程中还耗费了大量的水资源，并形成不同程度的环境污染。如果对于工业炉渣的利用不仅仅停留在冷态废渣的利用上，而将炉渣从高温状态冷却至常温状态时所释放出来的热量(即显热)同时利用起来，生产相应的产品，就将大幅度降低该产品的生产能耗。也就是不仅利用冷态废渣，同时也利用了工业熔渣的显热

随着我国国民经济的飞速发展，近几年冶金、电力等工业有了突飞猛进的增长，随之而来的是各种工业熔渣的产生量也将达到了空前的数量，再加上其它熔渣，预计2005年全国工业熔渣的产生总量有可能达到3～3。5亿吨。其中包括炼铁高炉熔渣、炼钢熔渣、铁合金熔渣、有色冶炼熔渣、电厂旋风燃烧室液态排渣……等等，这些熔渣的出炉温度均在1300～1400℃左右，最高可达1500～1600℃。一般而言，1吨熔渣带有1600～1800MJ热量，大约相当于55～61kg标准煤完全燃烧后所产生的热量。如果以2005年全国工业熔渣预计产生量3。5亿为计算基础，这部分熔渣因完全没有利用其显热，所浪费的热能大致相当于2800万吨原煤。如果再加上固体炉渣转化为水泥、矿渣棉等二级制品所消耗的能源，其数量就更多了。假设这一部分熔渣显热全部被利用起来，虽然从节能的绝对量来看并不是很多，大约占全国年总能源消耗量的1～2%，由于是显热利用，就有可能取得举一反三的效果。由于处理高温熔融物有一定难度，因此在过去生产上采取的各种处理工艺都无法回收熔渣的显热。但是从节能的观点出发，回收这一部分显热并有效地加以利用是十分必要的，即便只能够回收一部分，也将能够得到可观的回报。

2.工业熔渣显热利用的历史及现状

对于工业废渣一般是着眼于冷凝之后的固体状态废渣的利用。而工业熔渣显热利用却是着眼于对高温熔渣显热的利用，也就是在熔渣凝固过程中，利用其潜在的显热将熔渣直接转化为有用的制品，这样就能够节省了炉渣二次熔融所消耗的能源，在节能的同时也大大降低了制品的生产成本。

2.1工业熔渣显热回收的历史为了充分利用这一部分显热，技术工作者虽然经过长期不懈的努力，仍然未能够找到较好的解决方法。到目前为止，已知的、以高炉熔渣显热回收工艺为代表的熔渣显热回收工艺有以下两种：

1)喷吹法高炉矿渣棉生产工艺

我国在上一世纪五十年代之前，就在高炉渣沟末端，在喷嘴中通以压缩空气或高压蒸汽作为喷吹介质，将未经任何调质、调温处理的熔融高炉渣直接喷吹成矿渣棉纤维。虽然此方法充分利用了熔渣的显热，生产成本很低，价格也便宜，但因我国的高炉渣均为碱性渣，料性短，并不适合直接成纤，所以这种矿渣棉纤维直径短且粗，加之生产和施工过程对环境污染严重，不为用户欢迎，早已经被淘汰；

2)风淬造粒显热回收工艺

20多年前，日、德、英等国开始进行高炉熔渣显热回收技术的开发研究工作，其主要内容为熔渣的干式造粒和流动床热交换技术，回收的热量可转换成蒸汽或高温热风。据介绍可回收熔渣显热的70%左右，同时产生的粒状渣球也可作为水泥填料或轻骨料使用，但是这些产品仅属于半成品，经济价值仍然不是很高，在国内也未见有类似使用的报道。

2.2工业熔渣显热回收现状——利用高炉熔渣显热的新一步法矿棉生产技术

为了节约建筑物的使用能耗，二十多年来我国在建筑业大力推广建筑用矿棉制品，但是由于矿棉制品生产成本偏高，制品价格难以为建筑业所接受，推广收效甚微。时至今日我国矿棉生产量仍然徘徊在53～55万吨上下，2004年我国人均消费矿棉制品量为0。41公斤，仅为上一世纪八十年代瑞典、丹麦人均矿棉制品消耗量的九十分之一，澳大利亚的九分之一。可见矿棉制品的市场前景非常广阔，预计我国在2010年矿棉制品的需要量将达到80～85万吨，从长远来看，将达数百万吨之多。

面对这样广阔的市场前景，矿棉技术工作者的首要任务是将生产成本减低至建筑业能够接受的水平上来。其中的关键是降低矿棉制品的生产能耗。近三、四年来焦炭价格成倍增长。对于以焦炭为唯一燃料的冲天炉矿棉来讲，焦炭的涨幅已经使矿棉生产企业背上越来越沉重的包袱，必须寻求一种能够大幅度降低单位能耗的矿棉生产途径。从目前情况看，只有将矿棉生产的这一需要与高炉熔渣显热回收利用结合起来，才能够从根本上解决问题，是获得低能耗矿棉制品最为重要的发展方向之一。

为此，从2001年开始起，对利用高炉熔渣显热的新一步法矿棉生产技术进行了探索，在对温度控制、调质处理、熔体均化和质量控制等关键技术进行反复试验后，终于取得了成功，2003年在某钢铁集团形成了年产2万吨粒状棉的连续生产能力(注：粒状棉是用于生产建筑吸声板的主要矿棉原料)，其单位能耗和生产成本较冲天炉矿棉有了大幅度的降低。经过两年多生产实践证明，利用高炉熔渣显热的新一步法矿棉生产技术具有以下三个基本特点：

①高炉熔渣显热回收率高达70%以上，大幅度节约了矿棉的熔炼能耗。以生产1吨粒状棉的熔炼能耗为基准，冲天炉矿棉一般为320～380kg标准煤/t粒状棉(国内能耗最低为200～250kg标准煤/t粒状棉),新一步法矿棉为160kg标准煤/t粒状棉，熔炼能耗减少幅度20～60%；

②具有可观的经济效益(见下表)

经济效益比较

生产工艺

熔炼能耗

kg标煤/t粒状棉

生产成本

元/t粒状棉

销售利润

[注]

水淬渣

——

——

<50元/t水渣

冲天炉粒状棉

200～380

800～1000

<200元/t粒状棉

新一步法粒状棉

160

<550

>450元/t粒状棉

注：粒状棉市场销售价按最低1000元/t粒状棉计算

从表中可见，新一步法矿棉不仅熔炼能耗有较大幅度的降低，而且生产成本也同步下降，利润则成倍提高。充分显示了新工艺的优越性。它不仅仅对矿棉生产企业有利，对于炼铁厂来讲，用同样数量高炉渣可以产生出比水淬渣好得多的经济效益。

③有利于生态环境的改善。目前利用矿棉冲天炉生产矿棉熔体，每生产1吨矿棉就会产生工业废气约4000m³和1公斤烟尘，如果按照全国年产55万吨矿棉制品的规模进行推算，一年里矿棉冲天炉将产生烟气22亿立方米和烟尘550吨左右。以新一步法矿棉生产工艺替代矿棉冲天炉工艺，将会大幅度降低生产过程对环境造成的污染。

由此可见，利用高炉熔渣显热的新一步法矿棉生产技术在上述基本方面具无可争辩的优越性。但是它也仅仅是熔渣显热利用种种方式中的一叶，作为可以利用来生产矿棉的工业熔渣除高炉熔渣外，铁合金熔渣、电厂旋风燃烧室液态排渣等均可利用，在从某种意义上它们比高炉熔渣具有更大的优越性。

3.利用工业熔渣及其显热生产节能型建筑材料的可能性探讨

3.1利用工业熔渣及其显热生产节能型建材符合国内能源形势的迫切需要

如前所说，目前国内一年产生的各种工业熔渣量多达3亿吨以上。到2010年我国矿棉年产量达到85万吨时，假设全部利用工业熔渣显热的新一步法矿棉生产技术，也只能够消化不足150万吨工业熔渣，不到熔渣年产生总量的0。5%。即使将来我国人均矿棉消费量达到1.8kg/人·年(相当于20年前澳大利亚人均量的一半)，届时矿棉年产量可达240万吨左右，所能消化的工业熔渣量也只有不到400万吨，况且也不可能全部应用这一技术。所以有待于利用的工业熔渣显热潜在前景极为广阔。对于如何有效的利用这些大量的、有待于开发利用的工业熔渣显热，是一个全新的课题。建筑行业是我国最大的耗能大户，建筑业在建造和使用过程中直接消耗的能源占全社会总能耗的30%左右，使用钢材、水泥等建材的生产能耗占16。7%，这两者相加为46。7%，单位建筑面积能耗是发达国家的2～3倍。所以建材行业的节能已经刻不容缓。笔者认为是否应将这工业熔渣显热用于使用最广泛、产品产量最大和耗能较多的生产项目上，也即应用于建材业的节能上。而在建材行业里，首当其冲符合上述条件的建材产品当属实心粘土砖。

尽管在几年前国家已经明文规定在一百多个城市分批分期地禁用实心粘土砖，并要求逐步取消实心粘土砖，其年产量也由原来的7000多亿块减少至目前的6000亿块左右，但是其绝对量仍然庞大，对能源、环境和资源造成的恶劣影响不容忽视：①据不完全统计，目前仍有9万多家实心粘土砖瓦企业在继续生产，累计占地超过500多万亩；②每年用于实心粘土砖烧成的煤炭量多达9000万吨标煤左右，大约相当于国内能耗总量的4～5%；③每年毁田和占用耕地95万亩；④对环境造成严重的污染，每年排放粉尘100万吨以上，占我国全年工业烟尘、粉尘排放总量的5%左右，另外还排放二氧化硫115万吨左右；⑤此外，由于实心粘土砖存在表观密度大、砖型小等自身固有的缺陷，所以在用于建筑时带来了建筑砂浆用量多、工人劳动强度高、施工速度慢、墙体自重大、建筑有效使用面积相对较小等问题。

鉴于实心粘土砖存在的上述种种问题，更应加速以新型建材全面取代实心粘土砖的步伐，其中应包括利用工业熔渣及其显热生产节能型建材的研制。

3.2对于利用工业熔渣及其显热生产节能型建筑材料的要求

对于利用工业熔渣及其显热生产的新型建材(暂命名为XP砖)，与传统地实心粘土砖相比，XP砖应该具有比较突出的优越性，具体是否应该体现在以下几方面：

1)由于充分利用了工业熔渣的显热，应用XP砖具有明显的节能效果，在生产过程中的生产能耗以及在使用过程中的使用能耗均较实心粘土砖有较大幅度的降低；

2)XP砖的表观密度应在1000～1200kg/m³以下(实心粘土砖的表观密度为1650～1750kg/m³)，这样就能够设计出较大的砖型，有利于加快施工速度、减轻墙体自重和提高墙体的保温隔热性能；

3)完全不使用粘土为生产原料，不占用任何耕地；

4)在生产过程中不增加新的污染源；

5)具有较好的企业经济效益和社会效益。

3.3利用工业熔渣及其显热生产节能型建材可行性预测

根据上述对于节能型建筑材料的要求，专门探讨了利用工业熔渣显热生产XP砖的可行性，经测算后认为在一定条件下是完全有可能获得成功的：2005年预计我国工业熔渣产生数量约为3。5亿吨，假设利用其中的70%、即2。5亿吨用于生产XP砖，则可生产3。7亿立方米XP砖，可以替代相当于年产量为6000亿块实心粘土砖的42%左右，也就是每年可以少生产2500亿块实心粘土砖，其经济效益和社会效益是十分显著的：1)由于充分利用了一部分工业熔渣的显热，所以生产XP砖每年可以节约实心粘土砖烧成能耗≥3000万吨标煤；2)生产XP砖完全以工业熔渣为原料，无需使用粘土，所以每年能够少毁田和占用耕地40万亩以上；3)生产XP砖无需以煤炭为燃料，每年可以减少排放烟尘和二氧化硫各50万吨以上；4)XP砖的自重较轻，其表观密度仅为实心粘土砖的1/2～2/3，所以砖型较大，可以是普通实心粘土砖体积的10倍上下，有利于施工速度的提高和减轻工人劳动强度；5)XP砖的保温性能较实心粘土砖有很大的改善，其常温导热系数估计为0。2～0。4W/m·K，仅为实心粘土砖导热系数的1/4～1/2,用于建筑的围护结构，可以大幅度降低建筑物的使用能耗。

4.小结

1)随着国民经济的飞速发展，工业熔渣数量逐年猛增，其所包含的潜在显热能量巨大，拟将其应用于建材生产，以充分挖掘热能潜力，达到降低建材生产能耗和使用能耗的目的。但是利用工业熔渣显热的前提是必须与工业熔炉所属单位合作进行才能够得以实施，节能型建材的生产现场应设置在工业熔炉就近的位置，以利于熔渣显热的及时利用；

2)经过两年多生产实践证明，利用工业熔渣显热生产矿棉制品能够大幅度降低能耗和生产成本，是利用工业熔渣显热在技术上的突破；

3)根据利用工业熔渣显热生产矿棉制品的经验，建议在建筑材料产品的其他品种上，进行节能建材的新探索(如研制节能型XP砖以替代部分实心粘土砖等等)，以期在更广泛的建材生产领域中取得节能降耗和降低生产成本的效果。〔2005。6。13。〕

参考文献：

1.《中国冶金报》2005年4月2日第一版“上半年全国焦炭市场形势分析座谈会2.张德信，《中国建材报》2005年2月21日B3版“我国岩矿棉产业的现状和发展趋势”

3.马昕《能源安全、经济安全与国家安全》2005年“中国能源战略高层论坛”报告

4.吴自强，《新型墙体材料》，武汉理工大学出版社，2002。3。

5.杨铧，《新型建筑材料》2003年第3期54页“高效利用高炉熔渣显热的一步法矿棉生产技术”