高溫熔渣干法粒化及余熱回收技術(shù)
>一、研究的背景與問題
鋼鐵行業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱行業(yè)，其能耗占我國工業(yè)總能耗的23%以上，但其能源的一次利用率僅在40%左右，在其生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生了大量的余熱余能，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，絕大多數(shù)的余熱余能得到了很好的利用，但高溫液態(tài)熔渣的顯熱和低溫余熱資源至今未得到很好的回收利用，高溫液態(tài)熔渣是鋼鐵生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，其排出溫度高達(dá)1500℃，蘊(yùn)含大量高溫余熱，是目前鋼鐵行業(yè)中**未能回收的高溫余熱資源。2016年中國生鐵產(chǎn)量為6.91億噸，其中高爐渣總量為2.35億噸，占總?cè)墼?7%，蘊(yùn)含總熱量約為1419萬噸標(biāo)煤。
現(xiàn)有技術(shù)（水淬法）主要對高爐渣進(jìn)行水淬急冷，形成具有高玻璃體含量的礦渣，其潛在的水化活性使其可用于水泥混合材、混凝土摻合料，在建筑材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。但該技術(shù)存在以下三個(gè)問題。
1、“水淬法”處理過程中消耗了大量水資源。為保證渣與水充分接觸，對沖渣水的用量有一定要求，同時(shí)在水與高溫渣的接觸過程中，還存在大量水的蒸發(fā)耗散。據(jù)測算，處理1噸渣約需消耗新水1.2噸，循環(huán)用水10噸。
2、水淬過程中伴有SO2和H2S等酸性氣體污染物的排放，噸渣的硫化物排放在5000mg以上，這部分硫化物主要隨水蒸氣耗散在空氣中，帶來了嚴(yán)重的二次污染。
3、高溫熔渣所蘊(yùn)含的高品質(zhì)顯熱得不到有效回收利用，能源浪費(fèi)巨大。采用水淬工藝處理后，熔渣的高值顯熱（約1500℃）被轉(zhuǎn)化成沖渣水的低溫余熱（約90℃），只能用于冬季供暖等有限場合，由此每年造成了大量高品質(zhì)熱能的損失和浪費(fèi)。
因此,依靠新技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高溫液態(tài)熔渣的顯熱回收和資源化利用，同時(shí)解決環(huán)境污染和水資源浪費(fèi)的問題已迫在眉睫。
二、解決問題的技術(shù)思路與方案
轉(zhuǎn)盤法干法?；c余熱回收核心工藝流程如圖1所示。
工藝流程為：高溫熔渣從冶煉設(shè)備由渣罐運(yùn)輸?shù)皆幚碥囬g，再由行車將渣罐內(nèi)的高溫熔渣倒入高溫熔渣儲存裝置，?；_始后高溫熔渣由儲存裝置定量穩(wěn)定地流入粒化與一次余熱回收裝置的?；D(zhuǎn)盤上，通過轉(zhuǎn)盤的高速旋轉(zhuǎn)把渣制成細(xì)小的液滴，在離心力的作用下實(shí)現(xiàn)一次?；?，一次?；旱芜M(jìn)而在慣性力的作用下與?；浔谂鲎餐瓿啥瘟；?，同時(shí)高溫熔渣在兩次?；^程中與一次冷卻風(fēng)和水冷壁面進(jìn)行強(qiáng)烈的熱交換，使得高溫熔渣由1500℃冷卻到800℃，一次冷卻風(fēng)由常溫加熱到600℃，實(shí)現(xiàn)了高溫熔渣的快速冷卻和一次余熱回收。接下來，高溫渣粒進(jìn)入二次冷卻裝置被二次冷卻風(fēng)冷卻到100℃，二次冷卻風(fēng)則被加熱到600℃，實(shí)現(xiàn)高溫渣粒二次冷卻和二次余熱回收。
基于上述研究方案，本項(xiàng)目的技術(shù)路線如下圖所示。
三、主要技術(shù)創(chuàng)新性進(jìn)展
主要開展轉(zhuǎn)盤法干法?；c余熱回收核心工藝技術(shù)、核心裝備技術(shù)、核心工藝控制技術(shù)、工業(yè)試驗(yàn)與示范應(yīng)用等四方面的研究。
1、轉(zhuǎn)盤法干法?；c余熱回收核心工藝研究
轉(zhuǎn)盤法干法?；c余熱回收核心工藝是“兩步法”工藝（圖1），它涉及的主要研究內(nèi)容包括：轉(zhuǎn)盤法干法粒化連續(xù)供渣技術(shù)研究；熔渣?；椒植家?guī)律及影響因素研究；?；耙淮斡酂峄厥昭b置關(guān)鍵操作參數(shù)之間的相互影響及變化規(guī)律研究；渣粒二次冷卻方式及冷卻規(guī)律研究。
（1）轉(zhuǎn)盤法干法粒化連續(xù)供渣技術(shù)研究
冶金行業(yè)的煉鐵高爐、鎳鐵礦熱爐等典型冶煉設(shè)備都是間斷出渣，但是對于粒化及一次余熱回收裝置而言，由于后續(xù)連接余熱鍋爐和發(fā)電機(jī)組，因此要求工作模式是連續(xù)的，因此轉(zhuǎn)盤法干法?；c余熱回收核心工藝首先要研究解決這個(gè)矛盾。解決這個(gè)矛盾的基本思路是設(shè)置熔渣緩沖裝置，將冶煉設(shè)備的不連續(xù)工作模式，轉(zhuǎn)換為?；鸵淮斡酂峄厥昭b置的連續(xù)工作模式。
（2）熔渣?；椒植家?guī)律及影響因素研究
轉(zhuǎn)盤法干法?；脑硎抢酶咚傩D(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤將高溫熔融渣液粒化，增加熱交換面積，并采用空氣將渣液快速冷卻產(chǎn)生熱風(fēng)，高效回收余熱.因此,渣滴大小直接決定渣滴的風(fēng)冷效果和渣制品中玻璃相的含量。前期對轉(zhuǎn)盤法的基礎(chǔ)研究已表明渣溫、轉(zhuǎn)盤上渣膜厚度、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對?；笤牧接兄苯佑绊?。
本項(xiàng)目將在前期實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，通過仿真模擬，結(jié)合現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證，研究不同的渣流量、不同尺寸轉(zhuǎn)盤和不同轉(zhuǎn)速對渣粒徑分布的影響，得出工業(yè)生產(chǎn)條件下適宜的工藝操作條件。
（3）?；耙淮斡酂峄厥昭b置關(guān)鍵操作參數(shù)之間的相互影響及變化規(guī)律研究
前期實(shí)驗(yàn)室研究表明，?；耙淮斡酂峄厥昭b置的關(guān)鍵操作參數(shù)主要包括：處理渣量、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、進(jìn)渣溫度、出渣溫度、進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)風(fēng)流量等。本項(xiàng)目將在前期實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，建立工業(yè)規(guī)模?；耙淮斡酂峄厥昭b置的多參數(shù)耦合計(jì)算機(jī)模擬仿真模型，研究關(guān)鍵操作參數(shù)之間的相互影響關(guān)系及各自變化規(guī)律，為工業(yè)試驗(yàn)積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)工業(yè)試驗(yàn)過程。同時(shí)，通過工業(yè)試驗(yàn)反過來驗(yàn)證關(guān)鍵操作參數(shù)之間的相互影響關(guān)系及各自變化規(guī)律，*終得到工業(yè)生產(chǎn)條件下?；耙淮斡酂峄厥昭b置的工藝操作條件和以排風(fēng)溫度和排渣溫度為目標(biāo)參數(shù)的控制模型，為轉(zhuǎn)盤法干法粒化與余熱回收工業(yè)試驗(yàn)與示范應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。
（4）渣粒二次冷卻方式及冷卻規(guī)律研究
根據(jù)前期試驗(yàn)室研究得到的?；笤囟群土椒植?，通過模擬仿真的手段，研究、優(yōu)化并確定渣粒二次冷卻方式及冷卻規(guī)律，提高二次冷卻效果和二次余熱回收率，為渣粒二次冷卻裝置的研制提供理論依據(jù)。
由于渣粒二次冷卻裝置后續(xù)連接余熱鍋爐及發(fā)電機(jī)組，因此在研究渣粒二次冷卻方式過程中，要充分考慮渣粒二次冷卻裝置要具有一定的儲存渣粒的功能，以適應(yīng)后續(xù)余熱鍋爐及發(fā)電機(jī)組的定期維修需求。
2、轉(zhuǎn)盤法干法?；c余熱回收核心裝置開發(fā)
轉(zhuǎn)盤法干法?；c余熱回收核心裝置如圖2所示，主要包括：液態(tài)熔渣緩沖儲存裝置、?；c一次余熱回收裝置和渣粒二次余熱回收裝置。以及三個(gè)連接設(shè)備之間的鏈接設(shè)備中間罐、事故溜槽及渣罐、渣粒收集與輸送裝置。
（1）液態(tài)熔渣緩沖儲存裝置
液態(tài)熔渣緩沖儲存裝置的作用主要是解決冶煉設(shè)備間斷出渣與熔渣粒化與一次余熱回收裝置連續(xù)工作模式的矛盾，確保向?；b置連續(xù)、定量供應(yīng)液態(tài)熔渣。由于熔渣的粘度與溫度密切相關(guān)，因此液態(tài)熔渣緩沖儲存裝置要具有加熱和保溫功能，確保在整個(gè)粒化處理過程中熔渣需要的理想溫度和流動性。
（2）粒化與一次余熱回收裝置
?；c一次余熱回收裝置的作用是將進(jìn)入?；b置的液態(tài)熔渣粒化成要求的粒度范圍，實(shí)現(xiàn)熔渣快速冷卻固化，確保粒化后渣粒的玻璃相含量大于95%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)熔渣余熱的一次高效回收是核心問題。
①前期研究已經(jīng)優(yōu)化確定了?；业慕Y(jié)構(gòu)形式，本項(xiàng)目將運(yùn)用模擬計(jì)算手段，研究不同工況下?；覂?nèi)的流場分布、溫度場分布、壓力場分布、渣粒運(yùn)行軌跡和冷卻過程等，優(yōu)化并確定在熔渣處理能力為20-30噸/小時(shí)的工業(yè)生產(chǎn)條件下?；业慕Y(jié)構(gòu)尺寸；
②前期研究表明?；彝鈧}壁的冷卻結(jié)構(gòu)形式、熔渣碰撞面材料性質(zhì)和表面處理方式對熔渣二次?；Ч?，避免熔渣粘連粘結(jié)都具有重要影響，本項(xiàng)目將通過工業(yè)試驗(yàn)研究確定工業(yè)生產(chǎn)條件下?；彝鈧}壁冷卻結(jié)構(gòu)形式、選材和表面處理工藝，研究?；瘋}內(nèi)壁高溫條件下的熔渣侵蝕和磨損機(jī)理，驗(yàn)證?；瘋}結(jié)構(gòu)的合理性、長期工作的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)適用性；
③前期研究表明?；D(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)形式、選材、冷卻結(jié)構(gòu)等對?；D(zhuǎn)盤的冷卻效果、熔渣高溫侵蝕和磨損程度、使用壽命等影響顯著，本項(xiàng)目將運(yùn)用模擬計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證的手段，確定工業(yè)生產(chǎn)條件下?；D(zhuǎn)盤的使用效果；
④前期研究表明，在核心操作參數(shù)匹配不合適的情況下，會產(chǎn)生一定量的渣粒粉塵和渣棉，因此本項(xiàng)目將運(yùn)用模擬計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，研制與一次冷卻裝置排出的熱風(fēng)特性相匹配的一次除塵裝置和簡單方便的渣棉清除設(shè)備。
（3）渣粒二次余熱回收裝置
渣粒二次余熱回收裝置的主要作用是將從?；鸵淮卫鋮s裝置排出的溫度800℃左右的?；＿M(jìn)一步冷卻回收余熱，提高整個(gè)系統(tǒng)的熱效率。
①根據(jù)渣粒的粒度分布情況，通過模擬計(jì)算的方式研究、優(yōu)化并確定渣粒二次余熱回收方式和結(jié)構(gòu)尺寸，確保余熱回收效率和裝備尺寸緊湊高效；
②由于“兩步法”工藝需要將高溫渣粒從?；鸵淮卫鋮s裝置運(yùn)輸?shù)蕉卫鋮s裝置，因此需要研究確定合理的銜接方式，研制相關(guān)銜接設(shè)備，確保在渣粒輸運(yùn)過程中熱量損失小，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、可靠、運(yùn)輸效率高。
③由于渣粒二次余熱回收裝置的后續(xù)銜接設(shè)備余熱鍋爐和發(fā)電機(jī)組都可能發(fā)生短期事故處理，因此需要研究確定渣粒二次余熱回收裝置的緩沖能力和實(shí)現(xiàn)模式。
3、轉(zhuǎn)盤法干法?；c余熱回收核心工藝及控制技術(shù)研究
轉(zhuǎn)盤法干法?；c余熱回收核心工藝控制技術(shù)主要包括：高溫熔渣流量測量和控制技術(shù)研究，轉(zhuǎn)盤法干法?；^程控制技術(shù)及數(shù)學(xué)模型研究，高溫渣粒二次余熱回收過程自動控制技術(shù)研究，轉(zhuǎn)盤法干法?；c余熱回收核心設(shè)備供配電及工藝參數(shù)檢測技術(shù)研究。
（1）高溫熔渣流量測量和控制技術(shù)研究
前期實(shí)驗(yàn)室研究表明，單位時(shí)間內(nèi)高溫熔渣的處理量發(fā)生變化，就要求諸如?；D(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、冷卻風(fēng)量等核心操作參數(shù)也要跟著變化，否則熔渣的?；Ч陀酂峄厥招识紝⒆儔?，因此，隨時(shí)檢測和控制高溫熔渣的流量就顯得非常重要。本項(xiàng)目將在前期實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，研究一種適合于工業(yè)生產(chǎn)條件、簡單可靠的高溫熔渣流量測量和控制技術(shù)，以便于熔渣?；^程實(shí)現(xiàn)自動化操作，確保熔渣?；Ч陀酂峄厥崭咝?。
（2）轉(zhuǎn)盤法干法?；^程控制技術(shù)及數(shù)學(xué)模型研究
前期實(shí)驗(yàn)室研究表明，?；b置的主要操作參數(shù)之間是互相關(guān)聯(lián)和相互影響的，這就要求要建立轉(zhuǎn)盤法干法?；^程的控制數(shù)學(xué)模型，這樣才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤法干法?；^程的自動化和智能化操作。本項(xiàng)目將在實(shí)驗(yàn)室研究基礎(chǔ)上，充分考慮工業(yè)生產(chǎn)條件下核心操作參數(shù)檢測控制方法的可靠性，研究和建立轉(zhuǎn)盤法干法?；^程數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤法干法?；I(yè)試驗(yàn)過程的自動化和智能化。
（3）高溫渣粒二次余熱回收過程自動控制技術(shù)研究
與高溫熔渣?；c一次余熱回收技術(shù)相比，高溫渣粒二次余熱回收技術(shù)相對成熟，可以有多種技術(shù)方案選擇。本項(xiàng)目將根據(jù)確定的二次余熱回收方式和回收設(shè)備的特點(diǎn)，研究建立基于二次余熱回收效率*大化的渣量、渣溫、二次冷卻風(fēng)量和風(fēng)溫等核心操作參數(shù)的檢測和控制技術(shù)及模型，實(shí)現(xiàn)高溫渣粒二次余熱回收過程的自動化和智能化。
（4）轉(zhuǎn)盤法干法?；c余熱回收核心設(shè)備供配電及工藝參數(shù)檢測技術(shù)研究
除上述與轉(zhuǎn)盤法干法?；c余熱回收核心工藝過程相關(guān)的核心操作參數(shù)外，在生產(chǎn)過程中還包括一些其他參數(shù)檢測和控制要求，例如：用電設(shè)備的控制、工藝過程的連鎖控制，各種公輔介質(zhì)的流量、壓力、溫度監(jiān)測和控制，過程參數(shù)的檢測等，因此本項(xiàng)目將設(shè)計(jì)研制一整套轉(zhuǎn)盤法干法?；c余熱回收核心工藝參數(shù)的檢測和控制技術(shù)，對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控。
四、主要創(chuàng)新成果
1、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
圍繞熔渣?；^程及渣粒移動床內(nèi)復(fù)雜多相流動、相變傳熱和物料物相演化及其相互耦合作用機(jī)制與特性等科學(xué)問題，闡明急冷條件下變物性液態(tài)熔渣的離心粒化及液絲延遲斷裂機(jī)制，獲得熔渣粒徑預(yù)測關(guān)聯(lián)式；建立熔渣顆粒在相變冷卻過程中物相演化預(yù)測模型，揭示?；墼旱?顆粒運(yùn)動、碰撞及局部熔合過程中非穩(wěn)態(tài)相變換熱及物相演變的耦合作用機(jī)理及特性；揭示高溫渣粒在移動床中的多相流動與換熱機(jī)理，發(fā)展半熔融-寬篩分顆粒群多相流動及傳熱模型，建立傳熱強(qiáng)化與物料品質(zhì)協(xié)同關(guān)系；構(gòu)建液態(tài)熔渣離心粒化機(jī)制及相變傳熱與物相演化協(xié)同調(diào)控新理論。
2、控粒徑、抑渣棉、防粘結(jié)的熔渣高效緊湊離心粒化及其自適應(yīng)調(diào)控技術(shù)
為突破高溫液態(tài)熔渣離心?；焚|(zhì)低、易形成渣棉、易粘結(jié)、?；鞲邷厝畚g、可靠性低等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，闡明液態(tài)熔渣離心粒化過程中液膜/液絲破碎及相變換熱原理；揭示?；鞅砻嬖鼩ば纬裳莼匦约捌鋵α；阅艿挠绊懀@得渣殼厚度及形貌的理論預(yù)測模型和調(diào)控方法，原創(chuàng)性的提出具有熱防護(hù)和抑渣棉功能的高效組合式離心?；餍陆Y(jié)構(gòu)；揭示?；w粒撞擊壁面動態(tài)特性對換熱及粘結(jié)的影響機(jī)制，提出?；瘋}內(nèi)熔渣顆粒換熱強(qiáng)化方法，建立?；瘋}內(nèi)渣粒物相結(jié)構(gòu)與換熱的相互關(guān)系，形成協(xié)同渣粒物相調(diào)控的粒化倉高效余熱回收新技術(shù)。*終形成控粒徑、抑渣棉、防粘結(jié)的熔渣高效緊湊離心粒化及其自適應(yīng)調(diào)控新技術(shù)。
3、協(xié)同渣粒品質(zhì)調(diào)控的熔渣顆粒高效余熱回收及資源化利用技術(shù)
探明高溫渣粒移動床內(nèi)多相流動、傳熱和物料物相演化以及渣粒繞流受熱表面的磨損特性，明晰移動床內(nèi)半熔融-寬篩分渣粒繞流受熱面的強(qiáng)化換熱及渣粒品質(zhì)協(xié)同調(diào)控原理，揭示物料品質(zhì)、余熱回收與受熱面磨損交互作用關(guān)系，提出協(xié)同渣粒品質(zhì)調(diào)控的移動床內(nèi)換熱強(qiáng)化新方法，建立移動床內(nèi)渣粒流場和渣粒溫度場的調(diào)控策略，原創(chuàng)性地提出兼顧渣粒品質(zhì)和余熱回收率、抑制受熱面磨損的高效余熱回收方法與裝置，突破高溫渣粒余熱回收率和品位低、渣粒品質(zhì)調(diào)控困難、受熱面磨損嚴(yán)重等技術(shù)瓶頸。
4、適應(yīng)變流量的液態(tài)熔渣離心?；c余熱高效連續(xù)回收及利用系統(tǒng)集成技術(shù)
突破高爐間歇出渣與離心?；B續(xù)余熱回收工藝運(yùn)行不匹配關(guān)鍵瓶頸問題，開發(fā)高溫液態(tài)熔渣緩存及流量控制技術(shù)與裝置，提出適應(yīng)間歇出渣且出渣流量大幅波動的冶煉爐-?；b置-余熱回收裝置界面技術(shù)和控制方法；獲得大型化熔渣離心粒化及余熱高效回收核心裝備的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和方法；提出兼顧系統(tǒng)余熱回收率、渣粒粒徑和玻璃體含量的協(xié)同調(diào)控技術(shù)，形成以離心?；に嚍楹诵牡囊簯B(tài)熔渣余熱高效連續(xù)回收和利用系統(tǒng)集成技術(shù)，建立國際首套具有工業(yè)示范意義的示范裝置。
五、應(yīng)用情況與效果
北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司與江蘇某公司于2018年4月開始合作進(jìn)行的鎳鐵熔渣干法?；c余熱回收工業(yè)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)熔渣處理能力30t/h，2018年底完成工程建設(shè)和設(shè)備安裝調(diào)試。實(shí)驗(yàn)裝備包含熔渣受送系統(tǒng)、離心?；到y(tǒng)、干渣儲運(yùn)系統(tǒng)、冷風(fēng)鼓風(fēng)系統(tǒng)、熱風(fēng)引風(fēng)系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、檢測及控制系統(tǒng)、公用輔助系統(tǒng)等八大系統(tǒng)。從2019年1月18日進(jìn)行**次熱試開始至2019年9月20日共進(jìn)行六次熱試，熱試持續(xù)時(shí)間*長達(dá)到1小時(shí)，*大渣處理量達(dá)到45t/h，正常產(chǎn)品粒徑1.5mm，產(chǎn)生的熱風(fēng)*高達(dá)到300℃，總處理量達(dá)到100t。試驗(yàn)過程中所有設(shè)備經(jīng)受住了考驗(yàn)，各個(gè)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
信息來源：北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 科技創(chuàng)新部
