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(yùn)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(guī)劃》中也明確指出，要加強(qiáng)對液態(tài)熔渣余熱的回收利用，以及推進(jìn)冶煉渣的規(guī)模化綜合利用。”12月9日，在鋼鐵行業(yè)能效標(biāo)桿三年行動方案現(xiàn)場啟動會上，北京科技大學(xué)教授馮妍卉在做報告時指出，實現(xiàn)液態(tài)高爐渣余熱回收和資源化利是國家戰(zhàn)略需求，對實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。
圖為馮妍卉通過視頻方式作《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余萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。”馮妍卉介紹，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)行粒化，再進(jìn)行余熱回收，根據(jù)粒化方式的不同，可以分為機(jī)械破碎、風(fēng)淬和離心粒化技術(shù)。其中，離心粒化結(jié)合移動床余熱回收技術(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。“但其要在工業(yè)生產(chǎn)中獲得進(jìn)一步的應(yīng)用，仍要解決3個技術(shù)難點。”她特別指出，一是熔渣成分復(fù)雜、溫度高、物性變化大、粒化過程復(fù)雜。二是耦合礦物物相演變的相變顆粒在復(fù)雜條件下非穩(wěn)態(tài)復(fù)合換熱過程難以描述。三是粒化-余熱回收多相多參數(shù)多過程信息傳遞困難。
“針對這些‘瓶頸’問題，我們團(tuán)隊開展了相應(yīng)的基礎(chǔ)研究工作。”馮妍卉介紹，圍繞“變物性多組分液態(tài)熔渣粒化機(jī)制及相變傳熱與物相演化協(xié)同調(diào)控方法”的關(guān)鍵科學(xué)問題，該團(tuán)隊以工藝流程為主線，對各環(huán)節(jié)展開了研究，包括粒化器內(nèi)的高溫熔渣離心粒化機(jī)理與特性、渣粒飛離粒化器后在粒化倉中的碰壁相變沉積特性、面向余熱回收的移動床內(nèi)流動換熱機(jī)理，以及貫穿整個過程的渣粒相變換熱與礦物物相演化耦合作用機(jī)理。
一是針對高溫熔渣離心粒化，該團(tuán)隊建立了轉(zhuǎn)盤法粒化液態(tài)高爐熔渣的數(shù)值模型來探究液絲斷裂機(jī)制和粒化液滴特性。該團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，高溫渣粒粒化從不穩(wěn)定到穩(wěn)定，經(jīng)歷了液膜鋪展、液環(huán)脫落、液指形成、液絲斷裂的過程，且液絲上的不穩(wěn)定毛細(xì)波直接導(dǎo)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(fù)合粒化后，氣淬風(fēng)的垂直剪切作用促進(jìn)了不穩(wěn)定波擾動，強(qiáng)化液絲破碎，加速粒化進(jìn)程。最終，他們建立了同時適用于常規(guī)和復(fù)合離心粒化的通用粒徑預(yù)測關(guān)聯(lián)式，助力復(fù)合粒化技術(shù)的開發(fā)，并優(yōu)化粒化性能。
二是針對熔融渣粒碰壁沉積，該團(tuán)隊通過冷態(tài)工質(zhì)撞擊壁面的替代實驗結(jié)合模擬仿真手段開展研究。經(jīng)過實驗，他們獲得了單/兩個熔融渣粒碰撞壁面的多種現(xiàn)象，包括鋪展、回縮、穩(wěn)定、空氣卷入、破碎、飛濺、重熔等。針對高溫高粘度且復(fù)雜變物性熔融渣粒，他們建立了表征形變程度的鋪展因數(shù)無量綱關(guān)聯(lián)式，并通過調(diào)控工藝參數(shù)降低壁面液滴聚并的可能性；預(yù)測了Nu數(shù)（努塞爾數(shù)），可通過壁面冷卻促進(jìn)渣粒與壁面換熱，有利于渣粒快速凝固后從壁面剝落。
三是針對移動床內(nèi)流動換熱，該團(tuán)隊提出了半熔融渣粒下降換熱的CFD-DEM耦合方法。結(jié)果表明，在顆粒自由沉降階段，中心溫度會急劇降低，但由于凝固潛熱的釋放，表面溫度會回升，出現(xiàn)“再輝”現(xiàn)象；在移動床內(nèi)逐層推移階段，隨著顆粒流率的減小、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。他們針對實際中的渣粒的寬篩分粒徑展開分析，結(jié)果表明相對均一/正態(tài)粒徑，二元混合粒徑系統(tǒng)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(tǒng)的綜合換熱系數(shù)預(yù)測關(guān)聯(lián)式，并在小型埋管移動床上開展實驗驗證，修正了經(jīng)驗預(yù)測式，能更好地預(yù)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(jié)晶，該團(tuán)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(qū)間內(nèi)的）表面平均冷卻速率近似呈線性關(guān)系，并獲得了無晶體析出的臨界表面冷卻速率。“也就是說，控制冷卻速率大于20℃/s才能避免晶體的析出。”馮妍卉介紹，“我們進(jìn)一步從機(jī)理層面上構(gòu)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(yù)測渣粒玻璃體含量。同時還可指導(dǎo)更多參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化，來提高渣粒品質(zhì)。”
“在以上的系列研究中，對工藝每個環(huán)節(jié)都獲得了重要指標(biāo)的預(yù)測關(guān)聯(lián)式。我們以粒化粒徑作為傳遞參量，進(jìn)行各環(huán)節(jié)預(yù)測關(guān)聯(lián)式之間的銜接，最終得到了整個工藝流程最終的熔渣粒徑、品質(zhì)及余熱回收率的終極預(yù)測關(guān)聯(lián)式。相關(guān)小試、中試試驗的結(jié)果也很好地驗證了我們理論關(guān)聯(lián)式的可靠性。”馮妍卉進(jìn)一步解釋，“也就是說，只要有系統(tǒng)裝備的結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)等設(shè)計參數(shù)，用我們的理論公式就能直接預(yù)估粒化粒徑、玻璃體含量、余熱回收率等系列重要技術(shù)指標(biāo)，而且理論公式還可進(jìn)一步指導(dǎo)工藝參數(shù)的優(yōu)化。”
“希望我們的研究能夠為高溫液態(tài)熔渣規(guī)模化綜合利用技術(shù)，包括目前大家關(guān)注的離心粒化、離心-鼓風(fēng)復(fù)合、水淬-鼓風(fēng)復(fù)合等粒化技術(shù)，還有渣粒移動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(tǒng)集成提供理論支持和依據(jù)。”馮妍卉最后說道。
