高溫渣粒余熱回收專利技術(shù)對比分析

付仲亮 樓國鋒，2 肖永力 豆瑞鋒，2 張友平 李鵬元 溫 治，2

(1．北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，2．冶金工業(yè)節(jié)能減排北京市重點實驗室，3．寶鋼研究院能源與環(huán)境研究所，4. 中鋼集團鞍山熱能研究院有限公司)

鋼鐵工業(yè)是資源、能源、資金和勞動密集型行業(yè)及碳排放大戶，據(jù)統(tǒng)計，我國2020年粗鋼產(chǎn)量已達到10.65億t[1]，同時產(chǎn)生大量高溫渣，高溫渣出爐溫度1 400～1 550 ℃，每噸渣含有的熱值相當(dāng)于約60 kgce[2]。因此，高溫渣余熱回收技術(shù)對于實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排具有重要的實際意義和廣闊的應(yīng)用前景。

當(dāng)前鋼鐵工業(yè)高溫渣粒的余熱回收主要有兩種方法：介質(zhì)換熱法和化學(xué)反應(yīng)法?；瘜W(xué)反應(yīng)法[2]是利用冶金渣顯熱來促進化學(xué)反應(yīng)進行，以達到回收渣粒余熱的目的，目前主要有CH4和H2O混合反應(yīng)來生成H2和CO，利用渣粒顯熱促進沼氣制氫反應(yīng)、污泥熱解等的相關(guān)報道。介質(zhì)換熱法是利用高溫渣粒與介質(zhì)進行直接接觸或間接接觸進行換熱，再通過利用吸熱后的高溫介質(zhì)進行發(fā)電或供熱等方式進行熱量回收。

目前高溫渣粒余熱回收裝置主要有豎式床和臥式床兩種類型，冷卻介質(zhì)主要有空氣和水，換熱方式包括直接接觸換熱與間接換熱。不同類型的裝置、冷卻介質(zhì)以及換熱方式可以組合成不同的余熱回收裝置，即便是相同的組合也會有不同的設(shè)計方案，換熱系數(shù)和熱回收效率也會各不相同。文章調(diào)研了大量余熱回收裝置專利文獻，同時參考了前人對顆粒換熱研究方法，對不同的余熱回收方法進行了分析，總結(jié)出影響高溫渣粒余熱回收的因素，分析了各類換熱裝置的優(yōu)缺點，為高溫渣粒余熱回收裝置的研究提供借鑒。

1 豎式床換熱裝置

豎式床換熱裝置高度較高，占地面積較小，其內(nèi)高溫渣運動主要依靠重力驅(qū)動，在處理高溫渣時，由渣粒在爐內(nèi)自行下落或設(shè)置擋板、風(fēng)機等延緩下落，適合于場地狹小，且高溫渣處理量不大的情況。檢索專利結(jié)果表明：豎式床的研發(fā)基礎(chǔ)比臥式床更充分，且通過對諸多發(fā)明的分析來看，豎式床研發(fā)要比臥式床研發(fā)相對容易些，不需要考慮高溫渣的運動情況及其排出方式。

1.1 氣固直接接觸換熱

氣固直接接觸換熱是指顆粒與氣體直接接觸進行熱量交換。在文獻[3]所述的裝置中，?；蟮母邷卦Ｅc空氣進行直接接觸換熱，熔渣?；b置將熔渣粒化，一次空氣首先與熔渣液滴換熱，使得熔渣快速凝固；凝固的熔渣顆粒進入下部渣罐，與二次空氣進行換熱。空氣比熱容和熱導(dǎo)率比較低，標(biāo)況下(101 325 Pa，20 ℃)分別為：1.005 kJ/(kg·K)和0.025 9 W/(m·K)，所以僅以空氣為冷卻介質(zhì)時，渣粒冷卻速率較低，熱回收率僅為35%～45%。為提高熱回收率，有專利采用噴射顆粒與空氣的混合物進行熔渣的破碎[4]，可以重復(fù)對顆粒進行換熱。

有裝置采用了填充床形式的換熱器[5-6]，該裝置至少要有兩個換熱罐。將高溫顆粒倒入換熱罐中儲存，并向換熱罐內(nèi)部通入冷氣與高溫顆粒進行熱交換。冷卻后的顆粒通過排料管道排出，冷氣吸熱后通過熱氣管道排出。這種設(shè)計提高了顆粒的熱回收率，能夠通過增減換熱罐的方式來處理不同流量的顆粒，填充床通常也用于儲熱，此時冷的顆粒裝入儲罐中，高溫氣體(如煙氣)進入儲罐，與顆粒進行換熱，將熱量存儲在顆粒中，從而達到顆粒儲熱的作用[7]，對于使用顆粒儲熱的裝置，無論顆粒是否需要被立刻取出，填充床(或悶罐)式換熱設(shè)備都比較方便，且運行簡單，此外也可在填充床內(nèi)部增加擾流裝置以增加換熱效率。

有裝置采用了移動床形式的換熱器[8]，顆粒在豎式移動床內(nèi)豎直向下運動，通過出口裝置來控制顆粒的流量。但是在移動床中，顆粒的運動普遍存在偏流現(xiàn)象，對換熱不利?？梢栽谝苿哟矁?nèi)增加導(dǎo)流裝置，不僅延長顆粒在移動床內(nèi)的停留時間，還改善了偏流現(xiàn)象，也可以將多個移動床進行串聯(lián)以達到增加熱回收效率的目的。

有裝置采用了流化床形式的換熱器[9]，空氣帶動顆粒懸浮，換熱系數(shù)較高(45～140 W/(m2·K))，余熱回收率較高(55%左右)，但風(fēng)機功耗較大。

氣固直接接觸傳熱避不開“除塵”，這使得余熱回收系統(tǒng)更加復(fù)雜。而有些裝置將固體顆粒分離與氣固換熱兩道工序整合到一起，達到了很好的效果[10]；可以設(shè)置具有多級換熱器和旋風(fēng)分離器的換熱分離裝置，即每完成一次換熱便進行一次熱風(fēng)與固體顆粒的分離，不僅提高了熱量轉(zhuǎn)換效率，而且有效分離了氣體和固體顆粒。

1.2 液固直接接觸換熱

液固直接接觸換熱是指液體(一般是水)與高溫顆粒通過直接接觸的方式進行熱量交換[11]。由于一個大氣壓下飽和水的比熱容為4.220 kJ/(kg·K)，比標(biāo)況下的空氣比熱容為1.005 kJ/(kg·K)大的多，且存在潛熱，液固直接接觸換熱一般要比氣固直接接觸換熱效率高，因此同等溫度下能夠?qū)⒏邷卦鋮s到更低的溫度。但是水與高溫顆粒直接接觸換熱時，生成的蒸汽或熱水中會夾帶粉塵，需要對蒸汽或熱水進行過濾，否則容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，對管道和水泵等有一定的磨損，降低使用壽命。

1.3 間接換熱

間接換熱指的是冷卻介質(zhì)與高溫顆粒通過管壁或換熱板進行熱量傳遞。間接接觸換熱采用的冷卻介質(zhì)通常為水。豎式間接接觸換熱研究較多的是管殼式換熱，顆粒走殼程，冷卻水走管程，二者通過管壁進行熱量交換[12]。這類換熱器結(jié)構(gòu)比較緊湊，很多專利采用管殼式換熱器。

豎式移動床中固體顆粒移動主要受重力影響，考慮到顆粒在移動床中的停留時間，可以采用布風(fēng)系統(tǒng)，通過在高溫段噴射常溫空氣，實現(xiàn)渣粒的急速冷卻，既提高了系統(tǒng)的換熱效率，又保證了渣粒具有較高的玻璃體含量，也增加了顆粒停留時間；被加熱的空氣進入省煤器與水進行換熱，省煤器中的水進入氣液分離器充作補給水，從而提高了整個系統(tǒng)的熱回收效率。有裝置會在上述基礎(chǔ)上增加布風(fēng)系統(tǒng)用以延長高溫渣的停留時間以增大熱回收效率，但這類余熱回收裝置中排出的熱風(fēng)也帶有一部分的熱，因此可增加熱風(fēng)的熱量回收環(huán)節(jié)。另外也可以通過設(shè)計擋板來延長顆粒在爐內(nèi)的停留時間[13]，這類熱回收系統(tǒng)需要考慮擋板的傾角，擋板與水平面的夾角過大則停留時間不足，顆粒下落速度過快，換熱不充分，而夾角過小則顆粒堆積層較厚，換熱不均。Liu Junxiang等[14]提出了重力床余熱鍋爐直接回收高溫渣粒余熱，冷卻介質(zhì)為水，用以生產(chǎn)水蒸氣的技術(shù)方法。渣粒在重力作用下向下流動，換熱管中的水流與管外的渣流形成逆流，渣粒和水進行換熱冷卻后從鍋爐底部排出，水被加熱成蒸汽后用于汽輪機發(fā)電。作者研究了換熱管內(nèi)水的雷諾數(shù)、渣粒粒徑和鍋爐換熱管布置方式對換熱特性的影響，發(fā)現(xiàn)渣粒側(cè)的熱阻比水側(cè)熱阻高得多，同時得出了爐渣顆粒與鍋爐換熱管之間傳熱系數(shù)的半經(jīng)驗關(guān)系式：

叉排管：

Nu=0.008 8Fr-0.297Pe0.592Ct0.150

順排管：

Nu=0.005 2Fr-0.363Pe0.696Ct0.104

式中：Fr為弗勞徳數(shù)；Pe為佩克萊數(shù)，表示無量綱速度；Ct為無量綱溫度，計算公式為：

間接換熱時多了間接接觸部分的熱阻，間接換熱系數(shù)一般在50～120 W/(m2·℃)低于直接接觸系數(shù)，所以重點增大換熱系數(shù)，可以有效提高換熱效率。經(jīng)分析可知：顆粒—管壁—水或水蒸氣之間的換熱熱阻主要位于顆粒側(cè)，可采取顆粒湍流化來減少顆粒側(cè)換熱熱阻，但這種方式不可避免地增加了管道的磨損。有專利采用蛇形管膜式壁來增大顆粒側(cè)的換熱面積，從而減少顆粒側(cè)熱阻。

提高流體和固體間接換熱的換熱系數(shù)是亟待解決的問題。對于豎式床來講，顆粒的處理量一般不大，而且顆粒對金屬管壁有一定的磨損。但間接接觸換熱的優(yōu)點就是無需除塵或過濾，吸熱后的水或水蒸氣可以直接用于發(fā)電或供熱。

1.4 其他類型的豎式床余熱回收裝置

除了采用物理方法回收顆粒中的熱量外，還有些發(fā)明利用了化學(xué)過程回收顆粒中的熱量。文獻[15]利用煤粉氣化反應(yīng)，吸收高溫熔渣的熱量，同步實現(xiàn)煤氣化和熔渣冷卻的效果。

文獻[16]將間接接觸換熱與直接接觸換熱相結(jié)合進行顆粒的熱量回收，水通過水管與渣罐中的高溫渣換熱，換熱之后的熱水進入熱水收集罐；吸熱后的熱空氣通過氣體收集罐回收。

2 臥式床余熱回收裝置

臥式床余熱回收裝置占地面積較大，高度相對較小。臥式床中顆粒的移動主要靠機械帶動，如螺旋推送、振動推動等，由于消耗了機械功，設(shè)計較為復(fù)雜，臥式床的研究并不多。但臥式床中顆粒停留時間增加，為提高熱回收率提供了可能，而且顆粒處理量越大，臥式床在處理效率上的優(yōu)勢越明顯。

2.1 氣固直接接觸換熱

臥式床中高溫渣粒與空氣的接觸時間一般要比豎式床中顆粒與氣體接觸時間長。但考慮到空氣比熱較小，熱效率也不高，用于臥式床中時優(yōu)勢不明顯，因此這方面研究不多。

文獻[17]裝置中，熔渣經(jīng)過高壓空氣破碎?；筮M入振動輸送機，與冷卻空氣進行逆流換熱，最終臥式床中的熱空氣與噴射的空氣混合后進入后續(xù)工序回收熱量。

有裝置采用了臥式氣固換熱，鍋爐底渣通過傳送帶進行輸送，與空氣逆向運動直接接觸換熱，降溫后的干渣輸送至渣倉，冷空氣吸熱后進入爐膛。在輸送的過程中設(shè)計了翻渣組件，提高了高爐渣與空氣的接觸充分性。有利用滾筒傾斜旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)顆粒的移動的發(fā)明，通過重力帶動顆粒移動，減少了金屬消耗；也有采用回轉(zhuǎn)式余熱回收系統(tǒng)來回收渣粒熱量的例子，如王婷婷等[18]開發(fā)的回轉(zhuǎn)窯換熱裝置，采用氣固換熱方式對?；蟮母邷卦＿M行余熱回收，爐渣通過螺旋葉片進行破碎和輸送，同時與空氣進行換熱。而且采用有限元分析軟件及歐拉雙流體模型對裝置內(nèi)氣固兩相流場進行了數(shù)值模擬，研究了入口風(fēng)速及回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速對氣固換熱效率的影響，得出當(dāng)轉(zhuǎn)速為16 r/min、風(fēng)速為4.31 m/s時氣固傳熱效率最理想的結(jié)論。

2.2 液固直接接觸換熱

因為臥式床的結(jié)構(gòu)，水與顆?；旌虾笕菀自诖矁?nèi)粘滯阻塞，不利于流動與傳熱，設(shè)計困難，成本高，目前研究液固直接接觸換熱的臥式床換熱器的比較少。

固體渣粒溫度普遍在200～600 ℃，將液態(tài)水和渣粒直接混合進行熱量交換后過濾實現(xiàn)固液分離[19]，最終得到的熱回收產(chǎn)物主要是熱水。

2.3 間接換熱

雖然臥式床間接接觸換熱系數(shù)不高，但由于高溫渣在換熱器內(nèi)停留時間一般要比豎式床長且易于控制，因此其熱回收效率更高，而且操作靈活，只是機械功耗可能要比豎式床大。

臥式床間接接觸換熱的研究主要集中在如何增強換熱系數(shù)方面。如文獻[20]中采用了螺旋葉片來增大水側(cè)的換熱系數(shù)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，熱阻主要位于顆粒側(cè)，所以有研究提出從改變顆粒流動的角度減小顆粒側(cè)熱阻[21]。這種增加機械構(gòu)件以強化換熱的方法是有效的，但也要考慮機械功耗的增加。

有裝置[22]通過布風(fēng)裝置將顆粒流態(tài)化后與管內(nèi)的冷卻介質(zhì)進行換熱?？紤]到顆粒的堵塞風(fēng)險，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上進行了探討研究，內(nèi)殼輸運顆粒，外殼輸運冷卻介質(zhì)，增設(shè)固定螺旋葉片可增加換熱系數(shù)，也可以減少顆粒的堵塞。

3 其他類型裝置研究情況

考慮到豎式床與臥式床各自的優(yōu)缺點，將二者結(jié)合，研發(fā)了一種液態(tài)渣余熱回收及尾渣超微粉化的方法及設(shè)備系統(tǒng)[23]，先將高溫液態(tài)渣與冷渣進行混合，使之固態(tài)化和顆?；?，混合后的溫度控制在900～1 100 ℃，然后依次在流化床式換熱塔和回轉(zhuǎn)筒式換熱器中與氣體進行換熱，最后渣粒經(jīng)過篩分、破碎和選鐵后送去超微粉化。換熱后的高溫氣體送去余熱鍋爐間接換熱產(chǎn)生蒸汽，而蒸汽先用做尾渣超微粉化的動力介質(zhì)，后用做預(yù)熱余熱鍋爐給水熱源。

李華等[24]提出了寬篩分離心?；郀t渣，并按粒徑分級冷卻排渣的技術(shù)路線，研發(fā)了噴動床與鼓泡床組合的復(fù)合式流化床余熱回收裝置，高溫渣粒由中間進渣管道進入噴動床分選艙室，在流化風(fēng)和擋板的作用下將粗渣和細渣進行分離。同時也對渣粒的流動特性進行了實驗研究，流化床余熱回收可以讓空氣和渣粒直接接觸，換熱效率較高。

4 結(jié)論

顆粒的換熱研究前景十分廣闊，包括但不限于渣粒余熱回收和顆粒儲熱等技術(shù)，隨著能源利用與環(huán)境保護的發(fā)展需要，顆粒換熱研究日益引起廣大科研人員的重視，高溫渣粒的余熱回收一直是我國鋼鐵企業(yè)研究的難點，儲能研究領(lǐng)域也使用固體顆粒充當(dāng)儲熱介質(zhì)，提升儲放熱效果。

渣粒余熱回收技術(shù)的研發(fā)日益成熟化，在換熱方式的研究上，與渣粒直接接觸換熱的介質(zhì)主要以空氣為主，與渣粒間接接觸換熱的冷卻介質(zhì)以水為主；在換熱裝置床型的研究上，豎式床的研究要比臥式床多，因為臥式床通常需要借助額外動力來驅(qū)動渣粒的運動，這就增加了一些工序和額外功耗。

文章在總結(jié)近十幾年來高溫渣粒余熱回收裝置研究成果的基礎(chǔ)上，參考顆粒換熱研究文獻，分類并對比了不同裝置類型、不同冷卻介質(zhì)、不同換熱方式對渣粒余熱回收的影響，為后續(xù)高溫渣粒換熱的研發(fā)提供借鑒。