高溫液態(tài)熔渣離心?；芯窟M(jìn)展

＊王治龍

（重慶科技學(xué)院 機(jī)械與動力工程學(xué)院 重慶 400000）

鋼鐵生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的高溫熔渣，熔渣的排放溫度高達(dá)1400～1550℃，每噸熔渣蘊(yùn)含的熱值相當(dāng)于60kg標(biāo)煤發(fā)熱量[1]，是一種高品質(zhì)余熱資源。液態(tài)熔渣的來源可分為高爐渣和鋼渣兩種。高爐渣是高爐煉鐵的主要副產(chǎn)物，鋼渣是在冶金工業(yè)中生成的廢渣。其中高爐渣占熔渣總產(chǎn)量的64%，鋼渣則占據(jù)了36%[2]，所以高爐渣才是余熱回收的重點。根據(jù)中國統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)顯示，2022年我國的生鐵產(chǎn)量為8.63億噸[3]，按每噸生鐵產(chǎn)生0.3t高爐渣計算[4]，僅2022年的高爐渣產(chǎn)量就達(dá)2.6億噸，其蘊(yùn)含的熱能資源相當(dāng)于1560萬噸標(biāo)煤的發(fā)熱量，相當(dāng)于鋼鐵生產(chǎn)行業(yè)綜合能耗的11%，而我國對高爐渣的余熱回收率不到10%[5]。因此，對于高爐渣的余熱進(jìn)行回收顯得尤為重要。

1.高爐渣干法處理工藝

20世紀(jì)70年代，國外針對鋼鐵行業(yè)頒布了一系列的環(huán)境保護(hù)法規(guī)，導(dǎo)致國外許多學(xué)者對干式?；酂峄厥占夹g(shù)開始了大量研究。

（1）風(fēng)淬法。風(fēng)淬法是由日本NKK與Mitsubishi合作開發(fā)[6]，其工藝流程如圖1所示。熔融高爐渣被風(fēng)機(jī)吹出的高速氣流（100m/s）破碎成0.5～3mm的渣粒，渣粒與換熱器中的介質(zhì)進(jìn)行換熱。經(jīng)過換熱后，渣粒的熱能30%被空氣吸收，40%被水吸收，得到了400℃的空氣和250℃的飽和蒸汽，而渣粒的溫度則降至200℃，被下方的傳送裝置送入渣粒槽，冷卻后得到渣粒玻璃體含量高。風(fēng)淬法的余熱回收率為45%，由于風(fēng)機(jī)消耗了大量的電能，且風(fēng)淬量巨大，因此得到的空氣溫度并不高，最后導(dǎo)致利用率較低，所以現(xiàn)目前對于風(fēng)淬法的研究已基本沒有。

圖1 風(fēng)淬法余熱回收技術(shù)示意圖[6]

（2）機(jī)械攪拌法。機(jī)械攪拌是由日本住友金屬研發(fā)[7]，其工藝流程圖如圖2所示。熔融高爐渣流入攪拌器內(nèi)部后，在旋轉(zhuǎn)軸上的葉片攪拌和擠壓作用下被粒化，并與旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)部和水套中的水進(jìn)行換熱。冷卻后的渣粒隨著旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動被輸送到攪拌器外部。該技術(shù)的余熱回收率不到50%，得到的渣粒玻璃體含量低，不利于后續(xù)利用，導(dǎo)致該技術(shù)沒有被工業(yè)化應(yīng)用。

圖2 機(jī)械攪拌法余熱回收技術(shù)示意圖[7]

（3）轉(zhuǎn)鼓法。轉(zhuǎn)鼓法最早是由日本佳友金屬與石川島重工提出[8]，其工藝流程如圖3所示。熔融高爐渣在旋轉(zhuǎn)的滾筒上被?；瘨伋觯；蟮脑＿M(jìn)入捕集罐，與內(nèi)部的空氣進(jìn)行對流換熱，換熱后的空氣溫度可達(dá)到500℃，得到的渣粒粒徑小于10mm（95%），余熱回收率約為60%。但該技術(shù)存在渣粒玻璃體含量低、熔融高爐渣處理量低、轉(zhuǎn)筒上容易結(jié)渣等缺點，因此難以工業(yè)化應(yīng)用。

圖3 轉(zhuǎn)鼓法余熱回收技術(shù)示意圖[8]

（4）離心?；?。英國Teesside開發(fā)了離心粒化技術(shù)[9]，如圖4所示。熔融高爐渣在?；鬟吘壛；稍＃?mm左右）并甩出，渣粒在空中與下部吹入的空氣進(jìn)行對流換熱（換熱后空氣溫度可到達(dá)400～600℃），?；瘋}外圍設(shè)有水冷壁，帶走打在內(nèi)壁上渣粒的熱量并冷卻渣粒，以防止渣粒黏連在?；瘋}壁。渣粒撞擊?；瘋}內(nèi)壁后反彈到主流化床進(jìn)行換熱，在此余熱回收率為43%，換熱后渣粒則在副流化床進(jìn)行二次換熱，在此余熱回收率為20%，因此總的余熱回收率約為60%。冷卻完后的渣粒通過副流化床排除，其玻璃體含量大于95%。

圖4 離心粒化法余熱回收技術(shù)示意圖[9]

綜上所述，每種處理方法都能?；廴诟郀t渣，對其進(jìn)行余熱回收，都有各自的優(yōu)缺點。但都由于某些技術(shù)尚處在瓶頸期，難以工業(yè)化應(yīng)用。相較于其它處理方法，離心?；ㄊ亲罹哂泄I(yè)應(yīng)用前景的方法，因其有以下優(yōu)勢：①系統(tǒng)運行可靠且參數(shù)調(diào)節(jié)簡單；②單體處理量大[10]；③系統(tǒng)能耗低；④投資和占地面積??；⑤渣粒粒徑小等優(yōu)點，因此20世紀(jì)90年代后，各國對干式?；ǖ难芯恐攸c轉(zhuǎn)向了離心?；ā?/p>

2.離心?；芯楷F(xiàn)狀

（1）模擬工質(zhì)離心粒化研究現(xiàn)狀。為了探究高爐渣的離心?；瘷C(jī)理，就必須對粒化過程進(jìn)行觀察分析。但要獲得熔融高爐渣所消耗的能量很大，且由于是高溫實驗，實驗具有一定的危險性，所以學(xué)者大多都采用常溫工質(zhì)或低熔點工質(zhì)進(jìn)行?；瘜嶒?。

①常溫工質(zhì)。Wu等人[11]用水作為工質(zhì)，對轉(zhuǎn)盤離心?；械慕z狀分裂模式的成粒特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)液絲的斷裂長度、直徑隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小，數(shù)量則是增加。液絲的數(shù)量、斷裂長度、直徑隨著流量的增大而增大。液絲破碎后形成的液滴尺寸的不均勻性隨著液絲斷裂長度的增大而增大。Wang等人[12]用WF3（常溫）作為工質(zhì)，對液膜的3種分裂模式間的臨界轉(zhuǎn)換條件進(jìn)行了研究。實驗通過改變轉(zhuǎn)速ω、流量Q、圓盤結(jié)構(gòu)和介質(zhì)，得到了不同分裂模式下的臨界轉(zhuǎn)換條件。V.F.Dumskii等人[13]用水和7%的表面活性劑OP-7水溶液作為工質(zhì)，探究了液膜在轉(zhuǎn)盤中的鋪展面積對粒化效果的影響，如圖5所示。結(jié)果表明液膜在轉(zhuǎn)盤上未完全鋪展時，也可能?；纬删鶆虻念w粒。

圖5 不同工況下轉(zhuǎn)盤上的液膜鋪展[13]

②低熔點工質(zhì)。Zhao等人[14]用熔融錫作為工質(zhì)，對不同結(jié)構(gòu)的?；鬟M(jìn)行了離心造粒性能的對比，結(jié)果表明轉(zhuǎn)杯?；鞅绒D(zhuǎn)盤?；鳟a(chǎn)生的顆粒尺寸小25%。Zhu等人[15]采用松香/石蠟的混合物，并對實驗進(jìn)行了改進(jìn)，增加了空氣噴射來冷卻工質(zhì)，發(fā)現(xiàn)增大鼓風(fēng)量會導(dǎo)致顆粒尺寸和液絲的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。Peng等人[16]采用松香/石蠟的混合物，研究了不同工況下圓盤的粒化性能，發(fā)現(xiàn)流量的變化對渣粒粒徑分布影響不大。Dhirhi等人[17]進(jìn)一步采用了該工質(zhì)，通過改變轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速、直徑和工質(zhì)流量等參數(shù)得到了不同直徑的顆粒，并觀察到了纖維絲的生成，纖維絲附著在轉(zhuǎn)軸上，會對轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動產(chǎn)生影響。

（2）高爐渣離心?；芯楷F(xiàn)狀。模擬工質(zhì)的物理性質(zhì)并不完全和熔融高爐渣相同，為了探究熔融高爐渣的離心?；瘷C(jī)理，實驗必須采用真實工質(zhì)。

Tan等人[18]隨后又對膜狀分裂模式下的?；瘷C(jī)理進(jìn)行了探究，并與絲狀分裂模式下的渣粒粒徑進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)相同轉(zhuǎn)速下兩種分裂模式得到的粒徑幾乎沒有差異，說明膜狀分裂模式在大流量下也有著很好的粒化性能。Cheng等人[19]對不同表面粗糙度的轉(zhuǎn)盤進(jìn)行了離心造粒研究，?；^程如圖6所示。結(jié)果表明表面粗糙度越小，?；傻男〕叽缭１壤黾?，渣棉形成量減少，且渣粒的玻璃體含量越高。Chen等人[20]在?；b置下增加了冷卻水，探究了冷卻水對?；蟮脑Ｔ斐傻挠绊?，他們觀察到渣粒進(jìn)入冷卻水后并未出現(xiàn)渣粒爆裂和冷卻水汽化現(xiàn)象，也沒有產(chǎn)生爆裂的聲音，分析其原因可能是因為渣粒在飛行過程中與外界換熱后導(dǎo)致熱能減少，沒有足夠能量使冷卻水汽化。

圖6 離心?；^程實拍圖[19]

3.結(jié)語

綜上所述，經(jīng)過大量學(xué)者的實驗研究發(fā)現(xiàn)，用離心?；ㄌ幚砀郀t渣是可行的，通過離心粒化得到的顆粒尺寸取決于?；鞯男螤?、轉(zhuǎn)速、熔融高爐渣的流量等因素，得到的顆粒尺寸越小，顆粒在飛行過程中與介質(zhì)的換熱能力越強(qiáng)，余熱回收率越高。但目前離心?；酂峄厥占夹g(shù)還存在以下技術(shù)問題急需解決，以早日實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

（1）對于3種不同分裂模式的研究，大多數(shù)學(xué)者的研究重點都是絲狀分裂模式下的離心?；瘷C(jī)理，但絲狀分裂模式下的熔渣處理量少，不能滿足工業(yè)需求。現(xiàn)目前對于大流量條件下膜狀分裂模式的離心?；瘷C(jī)理尚不明晰，有待研究。

（2）目前對于高爐渣黏度如何影響粒化性能的關(guān)系尚未明確。不同溫度的高爐渣，黏度也會有所不同，對高爐渣液膜如何在粒化器表面鋪展，在粒化器邊緣以何種方式破碎起著重要作用，還會影響渣粒粒徑。所以探明黏度如何影響?；阅芊浅ｊP(guān)鍵。