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馮妍卉:實現(xiàn)液態(tài)高爐渣余熱回收和資源化利用是國家戰(zhàn)略需求

2022-12-15 09:40:00

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(guī)劃》中也明確指出,要加強對液態(tài)熔渣余熱的回收利用,以及推進冶煉渣的規(guī)?;C合利用?!?2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?!瘪T妍卉介紹,高爐熔渣主要由四種氧化物組成,對其進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行?;龠M行余熱回收,根據(jù)?;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(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、?;^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?;?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,我們團隊開展了相應(yīng)的基礎(chǔ)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(diào)控方法”的關(guān)鍵科學(xué)問題,該團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?;瘷C理與特性、渣粒飛離粒化器后在?;瘋}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理。
  一是針對高溫熔渣離心粒化,該團隊建立了轉(zhuǎn)盤法?;簯B(tài)高爐熔渣的數(shù)值模型來探究液絲斷裂機制和?;旱翁匦?。該團隊研究發(fā)現(xiàn),高溫渣粒?;瘡牟环€(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)定毛細波直接導(dǎo)致液絲斷裂形成液滴,是根本原因。進而在加入鼓風(fēng)技術(shù)復(fù)合?;?,氣淬風(fēng)的垂直剪切作用促進了不穩(wěn)定波擾動,強化液絲破碎,加速?;M程。最終,他們建立了同時適用于常規(guī)和復(fù)合離心?;耐ㄓ昧筋A(yù)測關(guān)聯(lián)式,助力復(fù)合?;夹g(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渣粒與壁面換熱,有利于渣??焖倌毯髲谋诿鎰兟洹?/div>
  三是針對移動床內(nèi)流動換熱,該團隊提出了半熔融渣粒下降換熱的CFD-DEM耦合方法。結(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?!耙簿褪钦f,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,“我們進一步從機理層面上構(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)?!?/div>
  “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?;阶鳛閭鬟f參量,進行各環(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?!瘪T妍卉進一步解釋,“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?;?、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一步指導(dǎo)工藝參數(shù)的優(yōu)化?!?/div>
  “希望我們的研究能夠為高溫液態(tài)熔渣規(guī)?;C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?;夹g(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)?!瘪T妍卉最后說道。

來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網(wǎng)

編輯:張雨恬

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