中國冶金報 中國鋼鐵新聞網(wǎng)
記者 趙萍 報道
記者 朱亞明 通訊員 譚承溫 攝影
“高溫液態(tài)熔渣作為冶金工業(yè)的副產(chǎn)物，溫度高，產(chǎn)量大，蘊含有豐富的余熱亟待回收。工信部印發(fā)的《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規劃》中也明確指出，要加強對液態(tài)熔渣余熱的回收利用，以及推進(jìn)冶煉渣的規?；C合利用?！?2月9日，在鋼鐵行業(yè)能效標桿三年行動(dòng)方案現場(chǎng)啟動(dòng)會(huì )上，北京科技大學(xué)教授馮妍卉在做報告時(shí)指出，實(shí)現液態(tài)高爐渣余熱回收和資源化利是國家戰略需求，對實(shí)現“雙碳”目標具有重要意義。
圖為馮妍卉通過(guò)視頻方式作《高爐渣高溫高效回收利用技術(shù)進(jìn)展》的報告
“去年，我國的高爐渣總量為3.55億噸，余熱資源折合約為1300余萬(wàn)噸標準煤?！瘪T妍卉介紹，高爐熔渣主要由四種氧化物組成，對其進(jìn)行快速冷卻后形成高含量的玻璃體，可用于水泥和混凝土摻合料。其主要處理工藝包括水淬法和干法。
馮妍卉進(jìn)一步介紹，水淬法冷卻速率快，易得到高玻璃體含量的渣粒，但存在浪費水資源、浪費熔渣余熱等弊端。干法則是先對渣液進(jìn)行?；?，再進(jìn)行余熱回收，根據?；绞降牟煌?，可以分為機械破碎、風(fēng)淬和離心?；夹g(shù)。其中，離心?；Y合移動(dòng)床余熱回收技術(shù)，不消耗水量、能耗低，獲得渣粒尺寸小、品質(zhì)高，冷卻速率快，余熱回收率高，是液態(tài)高溫熔渣處理的優(yōu)選方案?！暗湟诠I(yè)生產(chǎn)中獲得進(jìn)一步的應用，仍要解決3個(gè)技術(shù)難點(diǎn)?！彼貏e指出，一是熔渣成分復雜、溫度高、物性變化大、?；^(guò)程復雜。二是耦合礦物物相演變的相變顆粒在復雜條件下非穩態(tài)復合換熱過(guò)程難以描述。三是?；?余熱回收多相多參數多過(guò)程信息傳遞困難。
“針對這些‘瓶頸’問(wèn)題，我們團隊開(kāi)展了相應的基礎研究工作?！瘪T妍卉介紹，圍繞“變物性多組分液態(tài)熔渣?；瘷C制及相變傳熱與物相演化協(xié)同調控方法”的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，該團隊以工藝流程為主線(xiàn)，對各環(huán)節展開(kāi)了研究，包括?；鲀鹊母邷厝墼x心?；瘷C理與特性、渣粒飛離?；骱笤诹；瘋}中的碰壁相變沉積特性、面向余熱回收的移動(dòng)床內流動(dòng)換熱機理，以及貫穿整個(gè)過(guò)程的渣粒相變換熱與礦物物相演化耦合作用機理。
一是針對高溫熔渣離心?；?，該團隊建立了轉盤(pán)法?；簯B(tài)高爐熔渣的數值模型來(lái)探究液絲斷裂機制和?；旱翁匦?。該團隊研究發(fā)現，高溫渣粒?；瘡牟环€定到穩定，經(jīng)歷了液膜鋪展、液環(huán)脫落、液指形成、液絲斷裂的過(guò)程，且液絲上的不穩定毛細波直接導致液絲斷裂形成液滴，是根本原因。進(jìn)而在加入鼓風(fēng)技術(shù)復合?；?，氣淬風(fēng)的垂直剪切作用促進(jìn)了不穩定波擾動(dòng)，強化液絲破碎，加速?；M(jìn)程。最終，他們建立了同時(shí)適用于常規和復合離心?；耐ㄓ昧筋A測關(guān)聯(lián)式，助力復合?；夹g(shù)的開(kāi)發(fā)，并優(yōu)化?；阅?。
二是針對熔融渣粒碰壁沉積，該團隊通過(guò)冷態(tài)工質(zhì)撞擊壁面的替代實(shí)驗結合模擬仿真手段開(kāi)展研究。經(jīng)過(guò)實(shí)驗，他們獲得了單/兩個(gè)熔融渣粒碰撞壁面的多種現象，包括鋪展、回縮、穩定、空氣卷入、破碎、飛濺、重熔等。針對高溫高粘度且復雜變物性熔融渣粒，他們建立了表征形變程度的鋪展因數無(wú)量綱關(guān)聯(lián)式，并通過(guò)調控工藝參數降低壁面液滴聚并的可能性；預測了Nu數（努塞爾數），可通過(guò)壁面冷卻促進(jìn)渣粒與壁面換熱，有利于渣?？焖倌毯髲谋诿鎰兟?。
三是針對移動(dòng)床內流動(dòng)換熱，該團隊提出了半熔融渣粒下降換熱的CFD-DEM耦合方法。結果表明，在顆粒自由沉降階段，中心溫度會(huì )急劇降低，但由于凝固潛熱的釋放，表面溫度會(huì )回升，出現“再輝”現象；在移動(dòng)床內逐層推移階段，隨著(zhù)顆粒流率的減小、氣流量的增大，余熱回收率升高，析出晶體含量減小/玻璃體含量增加。他們針對實(shí)際中的渣粒的寬篩分粒徑展開(kāi)分析，結果表明相對均一/正態(tài)粒徑，二元混合粒徑系統的余熱回收率和平均溫降速率最大。對此，他們進(jìn)一步建立了適用于寬篩分粒徑系統的綜合換熱系數預測關(guān)聯(lián)式，并在小型埋管移動(dòng)床上開(kāi)展實(shí)驗驗證，修正了經(jīng)驗預測式，能更好地預測顆粒質(zhì)量流率及余熱回收率。
四是針對熔渣顆粒相變結晶，該團隊建立了渣粒相變傳熱耦合礦物物相演化的模型。他們得到了渣粒最終晶體含量與（晶體生成區間內的）表面平均冷卻速率近似呈線(xiàn)性關(guān)系，并獲得了無(wú)晶體析出的臨界表面冷卻速率?！耙簿褪钦f(shuō)，控制冷卻速率大于20℃/s才能避免晶體的析出?！瘪T妍卉介紹，“我們進(jìn)一步從機理層面上構建了渣粒表面冷卻速率與冷卻條件的關(guān)系，表征渣粒的冷卻快慢；從工藝層面上建立了關(guān)聯(lián)式，可直接預測渣粒玻璃體含量。同時(shí)還可指導更多參數的協(xié)同優(yōu)化，來(lái)提高渣粒品質(zhì)?！?/div>
“在以上的系列研究中，對工藝每個(gè)環(huán)節都獲得了重要指標的預測關(guān)聯(lián)式。我們以?；阶鳛閭鬟f參量，進(jìn)行各環(huán)節預測關(guān)聯(lián)式之間的銜接，最終得到了整個(gè)工藝流程最終的熔渣粒徑、品質(zhì)及余熱回收率的終極預測關(guān)聯(lián)式。相關(guān)小試、中試試驗的結果也很好地驗證了我們理論關(guān)聯(lián)式的可靠性?！瘪T妍卉進(jìn)一步解釋?zhuān)耙簿褪钦f(shuō)，只要有系統裝備的結構參數、操作參數等設計參數，用我們的理論公式就能直接預估?；?、玻璃體含量、余熱回收率等系列重要技術(shù)指標，而且理論公式還可進(jìn)一步指導工藝參數的優(yōu)化?！?/div>
“希望我們的研究能夠為高溫液態(tài)熔渣規?；C合利用技術(shù)，包括目前大家關(guān)注的離心?；?、離心-鼓風(fēng)復合、水淬-鼓風(fēng)復合等?；夹g(shù)，還有渣粒移動(dòng)床余熱回收及資源化利用技術(shù)等，以及相關(guān)裝備的研發(fā)乃至系統集成提供理論支持和依據?！瘪T妍卉最后說(shuō)道。
來(lái)源：中國冶金報-中國鋼鐵新聞網(wǎng)
編輯：張雨恬
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