生物質(zhì)灰渣改質(zhì)熔融鋼渣過程的熱平衡計(jì)算

李 婷 ，顧子萱 ，呂寧寧 ，吳六順 ，蘇 暢

（1.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032；2.冶金減排與資源綜合利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243032）

引 言

鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，排放量約為粗鋼產(chǎn)量的10%～15%［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年我國(guó)粗鋼生產(chǎn)總量超過10億噸，鋼渣產(chǎn)量超過1億噸，鋼渣累積總量近10億噸，但其綜合利用率低于30%［2］。熔融鋼渣排出時(shí)的平均溫度可達(dá)1400℃，含有大量的熱資源［3］。據(jù)測(cè)算，1 kg 1600℃的液態(tài)鋼渣約含有2000 kJ的熱量，1噸鋼渣中蘊(yùn)含的顯熱相當(dāng)于66 kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒釋放的熱量，具有可觀的回收利用價(jià)值。

根據(jù)鋼渣種類的不同，鋼渣的處理方式也不盡相同，主要包括熱悶法、水淬法、熱潑法、盤潑法和?；喎?。排出的熔渣冷卻后直接運(yùn)往渣場(chǎng)，熔渣顯熱被全部浪費(fèi)。盡管國(guó)內(nèi)外已研究開發(fā)出多項(xiàng)熔渣顯熱回收技術(shù)，但由于存在的問題和影響因素較多，顯熱回收技術(shù)未能得到推廣，只有少數(shù)技術(shù)得到了應(yīng)用［4-6］。

近年來，有許多冶金工作者考慮到熔渣資源和能源的綜合利用［7］，提出向熔渣中加入改質(zhì)劑改善鋼渣性能的方法，這對(duì)熔渣資源化利用具有重要的意義［8］。饒磊等［9］通過工業(yè)實(shí)驗(yàn)，利用含量為 5%的粉煤灰對(duì)熱態(tài)鋼渣進(jìn)行改質(zhì)，并對(duì)改質(zhì)后鋼渣進(jìn)行風(fēng)淬冷卻處理。結(jié)果表明，改質(zhì)后鋼渣中Ca2Fe2O5，2CaO·SiO2和 Ca3MgSi2O8的含量升高，金屬Fe，RO和f-CaO量降低，同時(shí)，改質(zhì)后鋼渣的易磨性得到了提高。盧翔等［8］采用熱態(tài)改質(zhì)方法，利用河沙對(duì)熔融鋼渣進(jìn)行改質(zhì)，結(jié)果表明，改質(zhì)后的熔渣流動(dòng)性好，鋼渣中f-CaO的含量降低。因此，鋼渣改質(zhì)技術(shù)可以在一定程度上改變鋼渣的化學(xué)成分和礦物組成，達(dá)到改善鋼渣性能的目的，提高鋼渣的利用率，對(duì)鋼渣資源化利用具有較大的促進(jìn)作用。Du等［10］的研究發(fā)現(xiàn)，通過向鋼渣中添加K2CO3進(jìn)行改質(zhì)，可促進(jìn)含磷富集相的生成以及磷在酸中溶出，然而純化合物改質(zhì)成本偏高，不利于工業(yè)化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

生物質(zhì)灰渣是電廠焚燒植物秸稈后產(chǎn)生的固廢，富含鉀、磷、鈣、鎂、硅等多種有價(jià)元素，K2O含量在20%以上，可用來改質(zhì)鋼渣。然而目前有關(guān)生物質(zhì)灰渣改質(zhì)鋼渣的研究較少，改質(zhì)過程熔渣理化性質(zhì)的變化規(guī)律尚不明確。本文選取玉米秸稈灰對(duì)熔融鋼渣進(jìn)行改質(zhì)，通過熱平衡計(jì)算，研究高溫下改質(zhì)劑摻量對(duì)鋼渣顯熱的影響，分析鋼渣顯熱熔解生物質(zhì)灰渣的能力，利用FactSage計(jì)算改質(zhì)鋼渣黏度，分析改質(zhì)劑摻量對(duì)鋼渣流動(dòng)性的影響，從熱力學(xué)角度為生物質(zhì)灰渣改質(zhì)鋼渣技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 原料與研究方法

1.1 原料成分

原料的化學(xué)組成如表1所示，其中鋼渣的堿度為1.86，玉米秸稈灰中w（K2O）為24.91%。

表1 原料的化學(xué)組成/%

1.2 假設(shè)條件

對(duì)利用玉米秸稈灰改質(zhì)熔融鋼渣的過程進(jìn)行熱平衡計(jì)算分析，了解在改質(zhì)過程中熔渣顯熱熔解玉米秸稈灰的能力。為了方便計(jì)算，對(duì)次要因素作近似處理，得出以下假設(shè)條件［11］：

（1）熔融鋼渣排放時(shí)溫度為1873 K，且組分均勻、流動(dòng)性好，玉米秸稈灰初始溫度為298 K。

（2）熔融鋼渣熔化玉米秸稈灰是一個(gè)絕熱過程，不與外界進(jìn)行任何熱交換，熔渣顯熱完全用于熔化玉米秸稈灰。

（3）熔融鋼渣熔化玉米秸稈灰的速率快，不受動(dòng)力學(xué)因素限制，即當(dāng)熔渣的顯熱大于玉米秸稈灰熔化所吸收的熱量時(shí)，玉米秸稈灰可完全熔化，熔化后的改質(zhì)熔渣組分均勻。

（4）熔融鋼渣由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟哪虧摕釣?02.4 kJ/kg，與玉米秸稈灰的熔解潛熱在數(shù)值上相等，但符號(hào)相反。

（5）經(jīng)計(jì)算可知，熔融鋼渣改質(zhì)過程中化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)小于鋼渣顯熱，故反應(yīng)生成熱忽略不計(jì)。

1.3 計(jì)算方法

利用熱力學(xué)軟件Factsage7.2計(jì)算加入不同摻量玉米秸稈灰后熔渣的液相線溫度，熔渣顯熱提供玉米秸稈灰在該摻量下熔化時(shí)所吸收的熱量，熔渣能夠提供的顯熱為：

式中Qs為熔渣顯熱；Tt為熔渣排放時(shí)的溫度；T1為熔渣與玉米秸稈灰完全融化時(shí)的溫度；

ms為熔渣的質(zhì)量；Cp為熔渣的比熱容。

改質(zhì)過程中玉米秸稈灰吸收的熱量為：

式中Qen為玉米秸稈灰吸收的熱量；Ti為玉米秸稈灰的初始溫度；ni為玉米秸稈灰各組元的物質(zhì)的量；Ci為玉米秸稈灰各組元的摩爾比熱容；mi為玉米秸稈灰各組元的質(zhì)量；Hi為玉米秸稈灰的熔解潛熱。

通過查閱實(shí)用無機(jī)物熱力學(xué)數(shù)據(jù)手冊(cè)［12-13］，玉米秸稈灰各組元的摩爾熱容參數(shù)如表2所示，其計(jì)算公式如下式所示：

表2 玉米秸稈灰各組元的摩爾熱容參數(shù)

取鋼渣為100 g，計(jì)算其在1873 K時(shí)的顯熱，鋼渣中各組元的摩爾熱容如表3所示。

表3 鋼渣各組元的摩爾熱容

根據(jù)以下公式：

將鋼渣各組元的摩爾熱容分別換算成質(zhì)量熱容，再計(jì)算得出鋼渣的質(zhì)量熱容為：

以玉米秸稈灰的摻量為5%為例，即玉米秸稈灰質(zhì)量為5 g，由FactSage7.2計(jì)算得出該摻量下改質(zhì)熔渣液相線溫度為1699 K，代入式（1）可得鋼渣顯熱為：

玉米秸稈灰各組元的物質(zhì)的量為如表4所示，根據(jù)式（2）計(jì)算出玉米秸稈灰完全融化所需的熱量。

表4 玉米秸稈灰各組元的物質(zhì)的量

由計(jì)算結(jié)果可知QS＞Qen，所以熔渣顯熱可熔化5%的玉米秸稈灰。

2 結(jié)果與分析

2.1 FactSage計(jì)算改質(zhì)鋼渣的黏度

FactSage熱力學(xué)軟件擁有爐渣、熔锍和熔鹽體系的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，處理模塊多，廣泛應(yīng)用于冶金領(lǐng)域的熱力學(xué)研究?？梢杂脕碛?jì)算計(jì)算不同渣系的液相線溫度、黏度以及相應(yīng)相圖的繪制。許多研究學(xué)者利用該軟件對(duì)不同渣系的黏度進(jìn)行研究，對(duì)改質(zhì)鋼渣黏度的計(jì)算主要利用Equilib和Viscosity兩個(gè)模塊，再利用Einstein-Roscoe公式：

計(jì)算出渣系的黏度。

圖1為在1873K下，改質(zhì)鋼渣黏度與灰渣摻量的關(guān)系。由圖可知，隨著灰渣摻量的增加，改質(zhì)鋼渣黏度逐漸升高；由 0.379 Pa·s增大到 0.509 Pa·s。盛力等［14］認(rèn)為當(dāng)高溫區(qū)熔渣黏度小于 0.5 Pa·s時(shí)，熔渣的流動(dòng)性較好，保證了生物質(zhì)灰渣改質(zhì)鋼渣的順利進(jìn)行。考慮到生物質(zhì)灰渣對(duì)改質(zhì)鋼渣黏度的影響，改質(zhì)過程中灰渣摻量不宜過大。

2.2 液相線溫度

通過軟件FactSage7.2計(jì)算不同摻量的玉米秸稈灰改質(zhì)熔渣后的液相線溫度，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由圖可知，當(dāng)玉米秸稈灰摻入熔渣后，改質(zhì)后熔渣的液相線溫度開始降低，這主要是因?yàn)殡S著玉米秸稈灰摻量的增加，體系中CaO，F(xiàn)e2O3的含量逐漸降低，SiO2和K2O含量逐漸升高；當(dāng)玉米秸稈灰摻量較少時(shí)，灰渣中的K2O會(huì)取代熔渣中的CaO，與SiO2生成熔點(diǎn)較低的K2O·SiO2，改質(zhì)熔渣的液相線溫度降低；當(dāng)玉米秸稈灰摻量達(dá)到9%時(shí)，改質(zhì)熔渣的液相線溫度最低，為1685 K；隨著玉米秸稈灰摻量的繼續(xù)增加，熔渣中較多的CaO與少量的SiO2會(huì)生成熔點(diǎn)較高的 2CaO·SiO2和 3CaO·SiO2，導(dǎo)致改質(zhì)熔渣的液相線溫度逐漸升高。

圖2 不同摻量玉米秸稈灰改質(zhì)熔渣時(shí)的液相線溫度

2.3 顯熱變化規(guī)律

按照熱平衡計(jì)算方法可得出不同玉米秸稈灰摻入量時(shí)的熔渣顯熱、玉米秸稈灰熔化所需的吸熱量與改質(zhì)熔渣顯熱，從而模擬計(jì)算分析在1873 K下，改質(zhì)劑摻量對(duì)熔渣顯熱的影響。最終的計(jì)算結(jié)果如圖3所示，由圖可知，隨灰渣摻量的提高，玉米秸稈灰熔化所吸收的熱量逐漸增加；當(dāng)玉米秸稈灰摻量為1%～2%時(shí)，熔渣顯熱略有減少；當(dāng)玉米秸稈灰摻量為3%～15%時(shí)，熔渣顯熱呈先升高后降低的趨勢(shì)，其最大值為22.2 kJ，此時(shí)玉米秸稈灰摻量為9%；當(dāng)玉米秸稈灰摻量為11%，熔渣顯熱小于玉米秸稈灰的吸熱量，說明熔融鋼渣提供的顯熱最多只能熔化10%摻量的玉米秸稈灰。

圖3 不同玉米秸稈灰摻量下熔渣的熱量

3結(jié) 論

本文選取玉米秸稈灰為改質(zhì)劑，利用熱力學(xué)軟件Factsage 7.2計(jì)算改質(zhì)熔渣的液相線溫度，研究了1873 K下，改質(zhì)劑摻量對(duì)熔渣顯熱、改質(zhì)鋼渣黏度的影響規(guī)律，取得的主要結(jié)論如下：

（1）利用FactSage軟件計(jì)算可知，隨著灰渣摻量的增加，改質(zhì)鋼渣黏度逐漸升高，故改質(zhì)過程中灰渣摻量不易過大。

（2）當(dāng)玉米秸稈灰摻入熔渣后，改質(zhì)熔渣的液相線溫度呈先降低后升高的趨勢(shì)；

（3）隨玉米秸稈灰摻量的提高，玉米秸稈灰熔化所吸收的熱量逐漸增加；當(dāng)玉米秸稈灰摻量為3%～15%時(shí)，熔渣顯熱呈先升高后降低的趨勢(shì)。

（4）當(dāng)灰渣摻量為11%，熔渣顯熱小于玉米秸稈灰熔化所吸收的熱量，因此，熔融鋼渣提供的顯熱最多只能熔化10%摻量的玉米秸稈灰。

（5）熔融鋼渣改質(zhì)的理論最佳玉米秸稈灰摻量為9%～10%。此時(shí)熔渣顯熱的利用效率高，改質(zhì)效果好。