中國冶金報 中國鋼鐵新聞網
記者 趙萍 報道
記者 朱亞明 通訊員 譚承溫 攝影
“高溫液態熔渣作為冶金工業的副產物，溫度高，產量大，蘊含有豐富的余熱亟待回收。工信部印發的《“十四五”工業綠色發展規劃》中也明確指出，要加強對液態熔渣余熱的回收利用，以及推進冶煉渣的規模化綜合利用。”12月9日，在鋼鐵行業能效標桿三年行動方案現場啟動會上，北京科技大學教授馮妍卉在做報告時指出，實現液態高爐渣余熱回收和資源化利是國家戰略需求，對實現“雙碳”目標具有重要意義。
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余萬噸標準煤。”馮妍卉介紹，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粒化，再進行余熱回收，根據粒化方式的不同，可以分為機械破碎、風淬和離心粒化技術。其中，離心粒化結合移動床余熱回收技術，不消耗水量、能耗低，獲得渣粒尺寸小、品質高，冷卻速率快，余熱回收率高，是液態高溫熔渣處理的優選方案。“但其要在工業生產中獲得進一步的應用，仍要解決3個技術難點。”她特別指出，一是熔渣成分復雜、溫度高、物性變化大、粒化過程復雜。二是耦合礦物物相演變的相變顆粒在復雜條件下非穩態復合換熱過程難以描述。三是粒化-余熱回收多相多參數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的基礎研究工作。”馮妍卉介紹，圍繞“變物性多組分液態熔渣粒化機制及相變傳熱與物相演化協同調控方法”的關鍵科學問題，該團隊以工藝流程為主線，對各環節展開了研究，包括粒化器內的高溫熔渣離心粒化機理與特性、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，該團隊建立了轉盤法粒化液態高爐熔渣的數值模型來探究液絲斷裂機制和粒化液滴特性。該團隊研究發現，高溫渣粒粒化從不穩定到穩定，經歷了液膜鋪展、液環脫落、液指形成、液絲斷裂的過程，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。進而在加入鼓風技術復合粒化后，氣淬風的垂直剪切作用促進了不穩定波擾動，強化液絲破碎，加速粒化進程。最終，他們建立了同時適用于常規和復合離心粒化的通用粒徑預測關聯式，助力復合粒化技術的開發，并優化粒化性能。
二是針對熔融渣粒碰壁沉積，該團隊通過冷態工質撞擊壁面的替代實驗結合模擬仿真手段開展研究。經過實驗，他們獲得了單/兩個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量綱關聯式，并通過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），可通過壁面冷卻促進渣粒與壁面換熱，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“再輝”現象；在移動床內逐層推移階段，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，結果表明相對均一/正態粒徑，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聯式，并在小型埋管移動床上開展實驗驗證，修正了經驗預測式，能更好地預測顆粒質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性關系，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系，表征渣粒的冷卻快慢；從工藝層面上建立了關聯式，可直接預測渣粒玻璃體含量。同時還可指導更多參數的協同優化，來提高渣粒品質。”
“在以上的系列研究中，對工藝每個環節都獲得了重要指標的預測關聯式。我們以粒化粒徑作為傳遞參量，進行各環節預測關聯式之間的銜接，最終得到了整個工藝流程最終的熔渣粒徑、品質及余熱回收率的終極預測關聯式。相關小試、中試試驗的結果也很好地驗證了我們理論關聯式的可靠性。”馮妍卉進一步解釋，“也就是說，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粒化粒徑、玻璃體含量、余熱回收率等系列重要技術指標，而且理論公式還可進一步指導工藝參數的優化。”
“希望我們的研究能夠為高溫液態熔渣規模化綜合利用技術，包括目前大家關注的離心粒化、離心-鼓風復合、水淬-鼓風復合等粒化技術，還有渣粒移動床余熱回收及資源化利用技術等，以及相關裝備的研發乃至系統集成提供理論支持和依據。”馮妍卉最后說道。
