引言根据我国国家统计局发布的最新数据，2020年中国粗钢产量为10.53亿t，生铁产量为88 752万t[1]。钢铁生产过程会产生大量的高炉渣、转炉钢渣和电炉钢渣等冶炼熔渣，温度高达1 350~1 650 ℃，属于高品质余热资源[2-4]。为了缓解能源瓶颈问题，回收利用冶炼熔渣的余热资源成为冶金行业未来的重要节能任务之一。冶炼熔渣的处理及余热回收方法主要分为湿式水淬法、干式粒化法、化学法和直接制备产品法[5-7]。湿式水淬法利用水与冶炼熔渣直接接触，产生水蒸气带走熔渣热能，使熔渣温度迅速降低。湿式水淬法工艺简单、成本低、效率高，但水资源消耗量大，不利于余热回收，同时会排放大量的SO2、H2S等有害气体[8-11]。干式粒化法利用物理方式将液态熔渣制成小颗粒，使高温颗粒与冷却气流直接换热或与水冷盘管间壁式换热，利用高温空气或高温蒸汽，实现余热高效回收。与湿式水淬法相比，干式粒化法具有余热回收效率高、渣粒品质优及环境污染小等优点，但存在风机能耗高、回收余热品位差、出渣品质低、搅拌法颗粒尺寸大等缺点[12-17]。化学法以熔渣的热量作为吸热化学反应的热源，将熔渣物理热转化为化学热。与湿式水淬法、干式粒化法相比，化学法工艺更复杂，相关研究基本处于实验室阶段[18-21]。直接制备产品法利用冶炼熔渣直接进行改质等处理，在一定条件下制备炉渣产品，可以有效利用熔渣热能，节约生产能耗，产品附加值较高，但工业化制备的产品种类较少，大部分处于工业试验阶段[22-23]。离心粒化法存在工艺设备复杂、难度高、冷却后渣活性难以保障、金属回收率低等问题。因此，对冶炼熔渣离心粒化及余热回收技术进行研究，探讨冶炼熔渣离心风淬粒化机理，设计具有风淬功能的冶炼熔渣双层离心粒化装置，研发多级余热高效回收利用系统，对系统热回收效率进行模拟计算，为冶炼熔渣的离心粒化处理及余热回收提供参考，实现冶金工业绿色可持续发展。1冶炼熔渣离心粒化机理1.1冶炼熔渣特性冶炼熔渣主要指钢铁冶炼过程中产生的高炉渣、转炉钢渣和电炉钢渣等冶炼渣。高炉渣是高炉炼铁过程中由矿石中的脉石、燃料中的灰分和溶剂中的非挥发组分构成的固体废物，主要成分为CaO、SiO2、Al2O3、MgO、P2O5和少量硫化物等，高炉渣的出炉温度为1 400~1 550 ℃[24]，高炉渣比热容约1.05~1.10 kJ/(kg·℃)[25]。每吨铁约排出300 kg高炉渣[4]。钢渣按炼钢方法分为电炉钢渣和转炉钢渣，是炼钢过程中由生铁中的硅、锰、磷、硫等杂质在熔炼过程中氧化而成的各种氧化物以及氧化物与溶剂反应生成的盐类组成的固体废物，主要成分为CaO、MgO、FeO、MnO、SiO2、Al2O3、FeS等，钢渣出炉温度为1 450~1 650 ℃[26]，熔融钢渣比热容为1.20~1.25 kJ/(kg·℃)[27]，每吨钢铁约排出80~150 kg钢渣[28]。1.2离心粒化机理冶炼熔渣以流体状态从高处垂直下落，与高速旋转的转盘（或转杯）表面接触，均匀分布在转盘的表面形成熔渣液膜。随着转盘旋转，转盘上的熔渣受到离心力和摩擦力的作用，从转盘中心运动至转盘边缘，熔渣运动速度逐渐增大，液膜厚度逐渐减小；转盘边缘的熔渣液膜在离心力和表面张力的作用下脱离转盘破碎成液丝，液丝在飞行中受到气流冲击和表面张力作用，进一步断裂、破碎成细小的液滴；液滴在飞行过程中与周围空气发生热交换，并发生相变演化[29]。随着温度降低，液滴逐渐转变为固体小颗粒。冶炼熔渣离心粒化过程受转盘转速、熔渣黏度、流量等参数影响，熔渣液膜在转盘表面边缘的分裂破碎方式可以分为滴状、纤维状、膜状和柱状[16]，如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.009.F001图1冶炼熔渣离心粒化分裂模式小流量熔渣的离心粒化及余热回收采用纤维状分裂模式；大流量熔渣离心粒化时，很难将液膜维持在纤维状分裂模式，在保证粒化效果的前提下，工业生产采用膜状分裂模式。2双层离心粒化装置及多级余热回收系统设计2.1双层离心粒化装置熔渣离心粒化工艺主要分为转杯法和转盘法。20世纪80年代初期，住友金属集团和石川岛播磨重工集团首先采用转杯法对高炉渣进行粒化试验[14]。Pickering[12]等利用离心力对熔渣进行粒化处理，采用流化床对热量进行回收。20世纪80年代中期，英国钢铁公司和诺丁汉大学联合研发高炉渣的转杯风碎粒化余热回收系统[30]。20世纪90年代后期，国内外研究者对熔渣的离心粒化及余热回收进行大量研究和试验[31-33]。2000年至今，钢铁研究总院、东北大学和青岛理工大学等[15-17]国内科研机构对离心粒化处理工艺进行大量试验研究。目前，熔渣离心粒化仍存在处理量小、粒化效果差等问题。因此，本研究设计具有风淬功能的冶炼熔渣双层离心粒化装置，如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.009.F002图2双层离心粒化装置双层离心粒化装置包括上层转杯、下层转杯、导风底盘、风管套筒、转轴、电机和固定支架。上层转杯、下层转杯的边缘设置斜坡式凸台，均布有密集的锯齿，上层转杯和下层转杯均固定在转轴上端，上层转杯上设置若干贯穿的引流孔，导风底盘与风管套筒固定连接，转轴穿套于风管套筒内部，转轴上端穿套第一轴承，第一轴承外部设置第一轴承座，第一轴承座通过若干辐条与风管套筒连接，辐条之间形成通风口，风管套筒底部设置进风口，通风口与进风口之间形成送风通道。冶炼熔渣从上部流入高速旋转的上层转杯进行粒化，随着流量增大，部分熔渣由上层转杯引流孔进入下层转杯进行粒化，两层转杯将熔渣破碎为液滴抛出，液滴在飞行过程中由冷风降温冷却，与水冷壁接触进一步降温，形成固体熔渣颗粒。装置采用双层转杯，能够有效提升冶炼熔渣处理量；转杯边缘的锯齿起切割分散熔渣的作用，可以更好地对熔渣进行破碎，保证熔渣粒化质量；多层导风板可以增大风流与熔渣的接触面，提高风流与熔渣的换热效率；设置送风通道可以降低转轴的工作温度，保证设备运行的稳定。装置设计方案可以有效解决粒化装置处理量小、粒化效果差等问题。2.2多级余热回收系统不同熔渣处理方法采用的余热回收技术各具特点。风淬法主要以空气为介质，通过空气与熔渣直接接触进行余热回收，热回收效率较高，但对熔渣的处理效率低；机械破碎法和离心法主要以空气和冷却水为介质，也采用导热效率高的导热油、有机液体等材料，通过空气与熔渣直接接触以及水（导热油等）与熔渣间接接触进行余热回收，热回收效率高、力度均匀，但设备和工艺相对复杂，单质铁不易回收。通过对现有熔渣余热回收技术进行分析，目前存在的主要问题是冷却水消耗量大、熔渣单质铁容易被氧化等。本研究设计多级余热高效回收利用系统，如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.009.F003图3多级余热回收系统流程多级余热高效回收利用系统主要包括粒化器、换热炉、移动床、输送带、汽包、换热器、除尘器、缓冲罐、储水罐、循环风机和循环水泵等设备。粒化器位于换热炉上部，用于粒化熔渣，通过风冷直接换热和水冷壁间接换热进行第一次余热回收。换热炉中设置多层挡板，可以降低渣颗粒的下降速度，延长换热时间；挡板上设置不同直径的圆孔，使渣颗粒和烟气在换热炉截面上呈理想状态分布；通过风冷直接换热和水冷壁、水冷盘管间接换热对渣颗粒进行第二次余热回收。移动床位于换热炉附近，利用输送带将渣颗粒从换热炉底部运送至移动床上部入口，采用内部堆积埋管的方式（外壁为保温层）进行第三次余热回收，冷却的渣颗粒从移动床下部排出。系统中的冷却气体循环使用，循环气体最初为空气，经过一段时间循环，空气中的氧气经过氧化作用消耗殆尽，变为烟气。粒化器、换热炉内排出的热烟气经除尘后被送入换热器，从换热器流出的冷烟气经除尘后被送至缓冲罐储存，经补气后再次循环利用。系统产生的蒸汽进入汽包，蒸汽在汽包内进行汽水分离，热水进入储水罐，经补水后再次进行循环，回收利用蒸汽。系统的粒化器采用双层设计，可以增大熔渣的处理量。换热炉具有锥形盘管和带孔导板，可以减缓颗粒的下降速度，使颗粒更加分散，增加换热时间和换热面积，进而提升换热效率。粒化器和换热炉均采用烟气直接换热和水间接换热双重余热回收技术，进一步提升热回收效率。移动床内部设置换热管，固体颗粒在移动床内堆积，掩埋换热管，通过调节下部出料孔可以控制出料速度，保证换热管始终处于被固体颗粒覆盖的状态，进行渣颗粒的余热回收。缓冲罐收集烟气进行循环再利用，烟气含氧量低，可以延缓渣中金属氧化，有助于回收熔渣内的金属。3余热回收系统热平衡分析和计算3.1基本参数设定为了研究冶炼熔渣多级余热回收装置及系统的热回收效率，以转炉钢渣为研究对象，假设某钢厂建有一条120 t转炉生产线，转炉冶炼周期为30 min，每吨钢产生100 kg钢渣，每小时产24 t钢渣。钢厂产能为160万t/a，年产16万t钢渣。3.2余热回收系统热平衡分析多级余热回收系统热力图如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.009.F004图4多级余热回收系统热力图多级余热回收系统的介质主要为烟气、水和蒸汽，冷烟气经过粒化器和换热炉与高温钢渣进行换热，变为热烟气排出，热烟气作为热源进入换热器，经换热变为冷烟气，冷烟气经补气再次进入粒化器和换热炉进行循环。烟气在系统中进行闭式循环，只进行少量补气，不直接作为热源使用。汽包产生的热水经过储水罐补水，进入粒化器、换热炉、移动床和换热器作为循环水，水吸收高温渣余热后变为蒸汽，蒸汽进入汽包进行汽水分离，蒸汽作为直接热源被回收利用，热水进入储水罐循环利用。3.3余热回收系统计算3.3.1钢渣余热的总热量假设钢厂每小时产生24 t钢渣，钢渣余热的总热量指钢渣从1 600 ℃降至20 ℃释放的总热量，计算过程如下：Q总热量=C渣×m×(t1-t0)+r渣m (1)式中：C渣——钢渣的比热容，为1.2 kJ/(kg·℃)；m——钢渣质量，kg；r渣——钢渣的潜热，为209 kJ/kg；t1、t0——钢渣进入粒化器的温度和环境温度，℃。钢渣余热的总热量为50 520 MJ/h。3.3.2余热回收系统参数余热回收系统主要包括粒化器、换热炉、移动床和换热器等。粒化器包括水冷壁和烟气热回收，换热炉包括水冷壁、水冷盘管和烟气热回收，移动床为换热管热回收，换热器为热烟气与水冷盘管换热回收蒸汽。余热回收系统相关参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.009.T001表1余热回收系统相关参数参数粒化器换热炉移动床换热器钢渣入口温度/℃1 6001000570—钢渣出口温度/℃1 000600200—钢渣比热容/[kJ/(kg·℃)]1.201.201.20—钢渣潜热/(kJ/kg)209———钢渣质量/(kg/h)24 00024 00024 000—烟气入口温度/℃130130—850/800烟气出口温度/℃900850—180循环水入口温度/℃150150150150蒸汽压力/MPa2.02.02.02.0蒸汽温度/℃212.37212.37212.37212.37由表1可知，1 600 ℃液态熔渣进入粒化器，经过风冷和水冷换热，变为1 000 ℃固体渣颗粒，被排出粒化器，进入换热炉；固体渣颗粒在换热炉中经烟气冷却和水冷却换热，温度降至600 ℃排出，排出的渣颗粒经输送带被运送至移动床；移动床入口处渣颗粒温度为570 ℃，渣颗粒在移动床中堆积换热，以200 ℃排出，自然降温至环境温度20 ℃。烟气从粒化器和换热炉转移至换热器、从换热器至粒化器和换热炉的温降均设定为50 ℃，循环水入口温度根据补水温度、回水温度和循环倍率估算。3.3.3余热回收系统计算余热回收系统热量计算结果如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.009.T002表2余热回收系统热量计算结果项目粒化器换热炉移动床换热器合计水冷吸收热量10 494.075 667.0410 549.4414 862.941 573.45烟气吸收热量11 578.975 737.76——17 316.73蒸汽带出热量9 803.655 294.209 855.3813 885.0538 838.28MJ/h由表2可知，余热回收系统中粒化器产生蒸汽带出热量9 803.65 MJ/h，换热炉产生蒸汽带出热量5 294.2 MJ/h，移动床产生蒸汽带出热量9 855.38 MJ/h，换热器产生蒸汽带出热量13 885.05 MJ/h，系统产生蒸汽合计回收热量38 838.28 MJ/h。各装置产出蒸汽均进入汽包，从汽包排出的饱和蒸汽温度为212.37 ℃，压力为2.0 MPa，焓值为2 797.4 kJ/kg，每小时产出蒸汽13.88 t。3.3.4钢渣余热的有效利用率钢渣余热的有效利用率为：η=Q蒸汽/Q总热量 (2)计算得76.88%。3.3.5钢渣余热回收的经济效益利用余热回收系统对钢渣余热进行多级回收，每小时处理24 t钢渣，回收热量38 838.28 MJ。以年产16万t钢渣为例，将每年获取的热量折合为8 834.63 t标准煤，每年的煤炭节省量约8 834.63 t标准煤，每吨标准煤按1 200元计算，每年可产生经济效益1 060.16万元，确保在节约能源的同时，为企业创造可观的经济效益。4结语（1）熔渣液膜在转杯表面边缘的分裂破碎方式分为滴状、纤维状、膜状和柱状。小流量熔渣的离心粒化及余热回收适宜采用纤维状分裂模式；工业生产中，大流量熔渣离心粒化及余热回收适宜采用膜状分裂模式。（2）本研究设计的具有风淬功能的冶炼熔渣双层离心粒化装置能够提升冶炼熔渣处理量，增加气流与熔渣的接触面，优化气流与熔渣的换热效率，保证熔渣粒化质量，更好地实现熔渣粒化。（3）应用本研究设计的多级余热高效回收利用系统可以增大熔渣的处理量，有效提升热回收效率；储水罐对热水进行补水并作为循环水，充分利用热水余热；设计将低氧烟气进行循环利用，从而减少渣内金属氧化，有利于回收熔渣内的金属，更有利于烟气余热回收。（4）通过热平衡分析和计算，系统余热回收效率达76.88%，以年产16万t钢渣为例，回收余热相当于每年节省8 834.63 t标准煤，产生经济效益1 060.16万元。因此，系统可以高效回收冶炼熔渣余热资源，为企业创造可观的经济效益，具有很好的工业化应用前景。