引言201工业能源消耗占全国能源总量的66%，而工业领域的能源消费中38%以上是由冶金、电力、化工等高温工业消费的[1]。冶金行业中，烧结、焦化等工序生产的固体产品在出炉时温度可达到800 ℃以上，炼铁工序的高炉炉渣温度通常在1 300 ℃以上，电熔镁固体产品的出炉温度高达2 000 ℃[2]，这些高温固体处理工序均有巨大的余热回收利用潜力，但目前冶金行业高温固体散料余热的回收利用技术普及程度尚存在提升空间。此外，截至2018年，我国全口径发电设备容量中，火力发电设备装机容量占全国各类发电设备总装机容量的60.2%[3]，火电在今后较长一段时间将依然是我国最主要的电力来源。火电厂节能可以降低供电煤耗、减少二氧化碳排放，其中，高温余热回收是降低火力发电设备能源消耗的重要方向之一，包括烟气、蒸气、炉渣等余热回收。高温气体的余热回收在火电行业应用广泛、技术较成熟，但高温炉渣的余热回收利用技术应用情况欠佳。我国的节能减排工作依然面临着严峻挑战，在未来20年的经济发展中我国仍应坚持节能优先的战略。由于我国工业体量大、余热资源丰富，在今后很长一段时间内余热的回收利用都将是我国工业节能减排的重要内容。综上，文中关注工业中高温固体散料的余热回收技术研究进展，重点梳理各行业现有技术及其装置的开发情况，举例说明已有装置在国内的应用情况，对未来固体散料余热回收技术的发展方向进行预测。高温固体散料余热回收根据换热介质的不同可分为湿式冷却法和干式冷却法。湿式冷却法是利用冷水直接水淬熔渣，获得粒化炉渣和热水，处理方法有Rasa法、渣池法、底滤法、InBa法等[4-6]，缺点是装置体积大、生产中易爆炸、污染多、用水量大、粒化炉渣的含水量大等。干式冷却法有直接换热干式法和间接换热法。直接换热干式法是采用冷空气或冷的惰性气体直接与熔渣接触换热，吸收了热量的气体进入余热锅炉产生蒸汽发电[7]或将热量用来预热锅炉循环水/锅炉供热水，常见的处理装置有冷渣机等[8]。由于水淬冷却法在生产应用过程中有诸多缺点，文中将重点介绍和对比现有的干式冷却法及其装置，从基本原理、工艺流程、技术特点等方面进行分析。1高温固体散料余热潜力我国电站锅炉的排渣系统多为水冷，水冷工序会耗费大量水，随着国家节能减排的要求与日俱高，减少废渣和污水的排放势在必行。目前国内新建电厂的锅炉排渣温度在700 ℃～1 000 ℃，新建冶金厂的锅炉排渣温度℃在1 200 ℃～1 600 ℃，高效回收这部分热量既可以节约锅炉燃料和水，同时可以间接减少CO2、SOx、NOx等燃烧污染物的生成和排放。回收烧结、焦化等工序出炉的高温固体产品的热能，同样能达到相似的节约能源消耗、降低污染排放的效果。一般情况下经过余热回收装置后，高温固体散料的温度可以下降到低于200 ℃。高温固体散料的可回收热焓值计算如下：E=Q⋅I1-I2 (1)式中：E——单位时间通过余热回收装置回收高温固体散料热量所获得的能量，kJ/h；Q——固体散料的质量流量，kg/h；I1——高温固体散料温度所对应的焓，kJ/kg；I2——经过余热回收装置回收余热后固体散料温度所对应的焓，kJ/kg。2高温固体散料干式冷却余热利用装置2.1干式冷渣机直接换热回收高温炉渣余热的主流装置是干式冷渣机[9]，在有些行业中称为环冷机[10]，二者工艺的原理相似，设备结构略有不同。高温炉渣经过干式冷渣机将热量传递给循环水，从干式冷渣机流出的高温循环水既可直接送入供热管网，也可注入锅炉用于预热。在众多冷渣机类型中，流化床冷渣机应用范围较广，具有代表性[11]。流化床冷渣机的主要组成和工作结构示意图如图1所示。冷渣器的入口与炉膛的炉渣出口通过排渣管相连，炉渣送进冷渣器后，气体冷却介质经由布风板进入冷渣器的风室，从下至上流过布风板，高温炉渣按序依次通过冷渣器的选择室以及第2、第3、第4仓，在这一过程中气体冷却介质对高温炉渣进行冷却，完成热交换后冷炉渣进入除渣系统，加热后的气体冷却介质经过回风管进入炉膛。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.021.F001图1流化床冷渣机工作结构简图高温锅炉炉渣进入冷渣机后，与冷却介质换热，将热量传递给循环水，冷却后的炉渣经锅炉底渣下游输送设备送出，加热后的循环水用于余热锅炉水或直接供热。冷渣机技术的关键在于强化传热，在一定的设计条件下，最大限度地增大有效传热面积。2.2干熄焦装置干熄焦技术是指使用惰性气体为冷却介质给赤热焦炭快速降温的一种熄焦技术。与传统的湿熄焦技术相比，干熄焦技术既可以回收赤热焦炭的高温显热，同时能够提高出炉焦炭产品的品质，又能够降低熄焦工艺对环境的污染[12]。干熄焦工艺是采用惰性气体为冷却介质与热焦进行热交换，150 ℃左右的冷却介质在干熄槽中与950 ℃ ～1 050 ℃的红焦发生热交换，赤热焦炭被冷却到200 ℃左右，进入排焦装置送出。冷却介质被加热到850 ℃左右，经过一次除尘后进入干熄焦余热锅炉进行热交换，将热量传给余热锅炉产生蒸汽，产生的蒸汽进入厂内蒸汽管网或者直接发电。在余热锅炉中降温后的冷却介质经过二次除尘后，进入干熄槽进行循环利用。熄焦装置工艺流程如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.021.F002图2干熄焦装置工艺流程图与传统的湿熄焦技术相比较，干熄焦技术突出的特点为：（1）高效回收赤红焦炭显热：焦炉消耗能源的35%～40%蕴含在赤红焦炭显热能量中，干熄焦技术能够将80%的赤红焦炭显热能量回收利用，节能效果显著。（2提高焦炭产品品质：干熄焦技术减弱了用水骤冷对焦炭内部构造的负面作用，提高了干熄焦得到焦炭的耐磨性、机械强度等品质。（3）减轻对环境的污染：干熄焦在封闭空间内进行，利用气体冷却介质与赤红焦炭进行热交换，并配置高效的除尘装置，对环境的污染很小。2.3间壁式固体散料余热回收器间壁式固体散料余热回收器是夏德宏[13- 14]等设计开发的一种高效、通用的间壁式气体-散料换热装置，主要由换热管束和壳体组成。方形壳体内布置与壳体平行排列的换热管束，气体冷却介质在换热管束内流动，固体散料在壳体与换热管束之间的通道流动，气体冷却介质与固体散料呈逆流形式，通过换热管束的管壁进行间接热交换。该余热回收装置的截面示意图如图3所示。该结构设计便于制造和安装，固体散料与流动的气体冷却介质连续换热，固体散料经过换热段的换热时间长，因此能够取得较好的热交换效果。此外，为了强化传热，在换热管内设计插件，提高了常规间壁式气-固换热器的热效率。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.021.F003图3间壁式固体散料余热回收器截面示意图间壁式固体散料余热回收器是针对传统间接换热器换热效果不好的难题，设计的新型间壁式换热器，具有如下特点：（1）装置构造简便，有很好的适用性，可用于各种高温固体产品或炉渣的余热回收；（2）采用逆流布置，管内设计换热插件，换热效率高；（3）装置中没有任何运动部件，有很高的运行可靠性。2.4立式间壁换热装置对粒径小于20 mm的高温颗粒进行余热回收，采用直接换热装置存在安全性较差、冷却介质易被二次污染的问题，采用间接换热的装置存在体积较大、造价较高的问题，针对这一难题，赵玉良[15]等设计了一种立式间壁换热装置，主要结构有导入管、换热体、导出管、壳体和导料板，用于高温小颗粒物料的冷却和余热回收。立式间壁换热器的工作过程是：小颗粒物料从换热器壳体顶部送入，自顶而下通过换热体结构之间的空隙。导入管在壳体下部，导出管在壳体上部。导入管在换热体中间均匀布置，冷却介质从导入管流入，从导出管流出，自下而上流动，与由上向下流动的高温颗粒物料通过换热体进行逆流间接换热。被加热后的冷却介质从导出管流出，根据现场情况需要进行热利用。若采用水为冷却介质，最终回收产品为蒸汽，可用于驱动汽轮器发电。立式间壁换热装置针对粒径较小的颗粒进行热交换，特点如下：（1）构造简易，设备的造价较低，易于设计制造和安装使用；（2）立式利用颗粒物料的自身重力运动，不依靠运动部件进行固体输运，运行稳定；（3）换热体是薄壁结构，为提高换热面积可将外形设计成折线或波浪形，减小设备体积；（4）颗粒物料自上而下运动，速度较慢，不容易激荡灰尘。3高温固体散料余热利用技术应用情况3.1国内干式冷渣机的应用冷渣机在电厂排渣中已有不少应用，目前已投运的循环流化床锅炉基本上都采用了冷渣机作为锅炉底渣输送系统的前端设备。1999年，临沂恒源热电有限公司投资10万元安装了1台XPL-3型旋转抛洒干式冷渣机，应用后每天约可节约原煤2 t，1年节约的原煤量折合人民币价值约12万元[16]，取得了显著的节能经济效益。该冷渣机主要性能参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.021.T001表1旋转抛洒干式冷渣机主要性能参数参数名称冷渣量/(t/h)进渣温度/℃排渣温度/℃冷却介质冷却水量/(t/h)进水温度/℃出水温度/℃进水压力/MPa水压损失/MPa冷却风冷却风量/(m3/h)排风温度/℃设计值3＜1 000＜150除盐水4~152060~80＜0.5＜0.05自然风8002003.2国内间壁式固体散料余热回收器的应用目前国内已有应用间壁式固体散料余热回收器的案例，如湖北某企业采用该装置回收利用回转窑煅烧过的高温矾土矿余热。采用常温空气（20 ℃）作为冷却介质，固体散料和冷却介质的基本参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.021.T002表2间壁式固体散料余热回收器换热介质基本参数换热介质进口温度/℃出口温度/℃粒径/目比热容/[kJ/(kg·℃)]导热系数/[W/(m·℃)]流量矾土矿7507015~350.822.792.5 t/h冷却空气20282—1.310.05140 000m3/h3.3国内干熄焦技术的应用我国引进运行的第一个干熄焦装置坐落于上海宝钢，1985年正式投产，当年引进的是日本4×75 t/h干熄焦装置。随着节能减排的深入人心，干熄焦技术在国内逐步普及，目前已经投产运行的干熄焦装置有数十套[17-19]。国内最早的干熄焦装置建设情况如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.021.T003表3国内干熄焦装置建设情况项目内容宝钢一期宝钢二期宝钢三期济钢浦东煤气厂处理能力/(t/h)4×754×754×752×702×70预存段容积/m3200200200277277冷却段容积/m3300300300398398排焦方式连续连续连续间歇间歇气料比/(m3/t)1 5001 5001 5002 0001 750控制方式PLC+DCSPLC+DCS三电一体化PLC+DCS三型仪表软件编制来源国外国外国内国内国外技术来源日本日本日本乌克兰乌克兰投产时间1985年1991年1997年1999年1994年4高温固体散料余热利用技术最新进展在块料方面，新日铁公司率先提出的干熄焦技术已在世界范围获得广泛应用；西安交大研究了烧结矿异形颗粒堆积床内的流动换热规律[20]；北科大研究了高温散体气固换热特性，开发出了强化气-固换热的间壁式固体散料余热回收装置。在粉料方面，美国Foster Wheeler公司针对流化床锅炉冷渣器，设计了整体式再循环热交换器；循环流化床锅炉冷渣器能够回收粉状炉渣的余能；德国KHD Humbol Wedag公司研发了五级旋风预热技术，已经广泛运用于水泥生产。5结语工业余热回收利用作为我国工业降低能源消耗、减少污染排放工作的关键点，对我国能源发展实现清洁低碳具有举足轻重的作用。目前我国工业中固体散料余热回收利用技术的推广应用率较低，是工业领域余热回收利用率不高的一个重要因素。提高高温固体产品或炉渣的余热回收利用普及率，一方面要通过创新技术提供方与技术应用方的合作模式，进一步推广应用现有技术，尤其是对中小企业，发展低成本高收益的技术应用方法，探索引入第三方资本或多方联合投资的节能服务模式。另一方面要加强对固体散料余热回收技术难点的研究和攻克，拓宽技术应用领域，提高技术应用效果。目前针对单独块料和粉料的高温固体余热回收技术发展得比较成熟，但对于既含块状固体与又含粉末状固体的高温固体散料，余热回收利用技术应用仍存在问题。因此针对宽粒度范围固体散料含微细粉体不易直接取热、余热回收效率不高等关键问题进行研究，将是未来高温固体产品或炉渣余热回收利用的技术研发方向。