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2021-02-03 16:33:59      点击:909    评论:0      来源:科技日报

高炉炼铁、铁水火红,除了钢铁,在此过程中的副产物高炉渣也是宝,蕴含着大量高温余热资源。如何能够在不消耗水和保证高品质渣的基础上回收余热,曾经是世界难题。

近日,记者从科技部高技术研究发展中心获悉,在国家重点研发计划专项成果中,由重庆大学牵头承担的“液态熔渣高效热回收与资源化利用技术”项目,成功实现了用离心粒化法高效回收熔融高炉渣余热的全工艺流程,该技术出渣品质高,余热回收率高且无需用水,可谓一举三得,这在世界上属于首次。该技术能够为我国钢铁行业每年节能1400万吨标煤,减排二氧化碳3640万吨。

世界首创 让技术设想变为现实

1月15日,在重庆大学能源与动力工程学院,项目负责人朱恂教授正带领学生在实验室里检查最新粒化出的高炉渣。只见一颗颗高炉渣颗粒细小,黑中发亮,好似一颗颗小玻璃珠。

“这就是离心粒化后的高炉渣,玻璃体含量高的渣可以作为水泥掺混料用于生产硅酸盐水泥、混凝土,很有经济价值。”朱恂介绍,高炉渣除了可以做水泥原料,还蕴含丰富的余热资源。高炉渣作为副产品,每生产1吨生铁将产生0.3吨高炉渣,且高炉渣出渣温度高达1500℃,以我国2019年8.1亿吨生铁产量计算,高炉渣所蕴含的余热资源相当于1400万吨标准煤,约占钢铁厂所产生余热量的30%。

不过,目前对高炉渣主要通过水淬急冷处理,这一技术虽然能得到高品质的渣,但却浪费了大量余热和水资源,还会产生环境污染气体。如何能够两全其美?各国的研究人员一直在探索高炉渣干式处理技术。

学界先后提出的高炉渣干式处理技术有风淬法、滚筒法、机械搅拌法、离心粒化法等。不过风淬法、滚筒法和机械搅拌法本身能耗高,而且后两个方法出渣品质、余热回收率也低。

“离心粒化法是业界公认最有前景的处理方法。”朱恂介绍,离心粒化法的基本原理是利用高速旋转的粒化器,使得液态熔渣在离心力作用下被粒化成小液滴,并与空气或水进行直接或间接的高效换热。该技术理论上可获得小粒径渣粒且玻璃体含量高,熔渣的余热回收率在90%以上。此外,相比水淬渣,离心粒化法还可以节约干燥水渣的能量消耗,节能更显著。

不过该技术实现工业化应用确是最难的,目前世界上还没有其他国家实现。

朱恂决定啃一啃这块“硬骨头”。2012年,在国家重点基础研究发展计划(973计划)的支持下,朱恂率团队开始研究高温熔渣余热回收的能质传输机理。随后在国家重点研发计划项目的支持下,联合北京科技大学、东北大学、重庆赛迪热工环保工程技术有限公司等开始将这项技术从理论向应用实践转移。

“在一次次艰难探索和不断试错过程中,我们逐渐攻克了各种核心技术难题,成功实现了离心粒化法余热回收技术。”团队核心成员王宏教授表示,这是世界上首次实现,是在该领域零到一的突破。

攻克难点 高炉渣冷却不再用水

从团队开始这项研究起,朱恂所带的博士生都会成为“渣主席”。

“我是第四任‘渣主席’。”在读博士生吕义文笑着说,学校实验室里是他们特制的实验炉,他们买遍了全国各地钢铁厂的高炉渣做实验,每开一次实验费用都以万为单位,他负责每次实验的

总体安排,也被团队成员们称呼为“渣主席”。

吕义文从硕士研究生时就进入团队,他主要负责研究高炉渣粒化液滴的换热过程。“打个简单的比喻,就是要研究高炉渣如何快速冷却并凝固成颗粒均匀细小的颗粒,不结团不成块。”吕义文说,让1500℃的液态高炉渣变为一颗颗小“珠子”,还要能把其中的热进行回收,这个操作听起来就像是不可能完成的任务。

朱恂说,他们设计了一个转杯离心粒化器,这个装置就像一个梯形的杯子,当液态熔渣从高炉中排出并进入粒化仓时,会被高速旋转的转杯接住,随后熔渣会铺展、拉伸、破裂成小液滴并飞出去,撞击在四周的水冷壁上,在这个过程中液滴会和空气及水冷壁进行换热冷却凝固,冷却的颗粒再进入后续的移动床进行高效换热并最终排出,排出的冷颗粒则具有较高的附加利用价值。

什么材质的转杯才能长时间接住温度高达1500℃的熔渣?离心粒化的机理是什么?在什么运行工况下才能获得最小的粒化液滴?熔渣液滴飞出去后撞壁如何保证不粘在水冷壁上?如何保证颗粒快速凝固?能否顺利的向下滑落排出?这一个个问题都是项目团队要解决的难题。

“整个团队有二三十人。”王宏说,主要负责的老师带领各自学生,各有分工,大家都围绕自己的方向开展研究。

团队研究发现随着熔渣流量增大,熔渣在转杯离心力作用下,存在三种分裂模式:滴状、丝状和膜状。“一般认为滴状或丝状更利于获得小颗粒,但是我们研究却发现,其实膜状也能获得理想的小颗粒,并最有利于实现工业化应用。”朱恂说,这就涉及对熔渣流量和转杯转速的调节与控制,一点点不匹配就不能成功。当熔渣如何高效粒化的问题解决后,粒化液滴撞壁而不粘壁又是一项难题,吕义文反复研究后,提出一种水冷壁加倾斜布风板的复合式换热结构,强化了颗粒换热的同时又很好地解决了颗粒黏结这一问题。

经过无数次的实验,团队最终攻克了一个个难题,还分别提出了基于流化床和移动床的高温熔渣离心粒化余热回收系统,实验研究表明,粒化高炉渣平均颗粒直径小于2毫米,系统余热回收率均可达到70%以上,渣粒玻璃体含量高于92%,具有很好的工业化应用和推广前景。

节能减排 带动钢铁工业产能升级

在重庆江津,项目已在重庆赛迪热工环保工程技术有限公司的工厂内建起了液态熔渣离心粒化及余热高效回收中试试验平台。该平台验证了离心粒化技术方案,验证了粒化单元、余热回收单元结构设计及全工艺流程运行,实现了熔渣粒化和余热高效回收,达到了预期效果,平均粒化能力144吨/天,最大粒化能力288吨/天。

据测算,使用该技术1吨渣可回收蒸汽(1.3MPa, 350℃)300公斤左右,可节水1000公斤,可回收能源折合35公斤标煤,可减少硫排放5克,可解决目前高炉水淬法水蒸气中硫含量约5000 毫克每立方米的问题,运行能耗小于8千瓦时。朱恂介绍,如果按照1000万吨规模钢铁厂测算,采用该技术,年经济收益约1.3亿元。节能15万吨标准煤,节水240万吨,减少硫化物排放15吨,减少二氧化碳排放112万吨。如果按照全国现有生铁产能,将实现每年节能1400万吨煤,节水约2.4亿吨,减排二氧化碳3640万吨,减排二氧化硫37万吨,减排氮氧化物23万吨,减排粉尘2852万吨,将有力促进我国钢铁产业升级和节能减排。

“除了钢铁行业,该技术也可在铜镍铅等有色金属行业进行推广。”朱恂说,目前,他们正在积极和相关企业对接,希望能早一点把该技术在相关行业中应用。“这是一项颠覆性技术,前期投入较大,有难度,但我有信心!”

朱恂所在的动力工程及工程热物理教师团队,承担了多项我国节能减排重点研发计划项目,2018年,该团队入选首批全国高校黄大年式优秀教师团队。朱恂从1993年毕业留校任教至今,27年来,她和团队日复一日与各种工业废气、废水、废渣打交道。朱恂说:“我们都有一个碧水蓝天梦,都有着共同的理念和兴趣,所以我们能聚在一起,而且敢打敢拼、特别能攻关!”

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