“高温液态熔渣作为冶金工业的副产物，温度高，产量大，蕴含有丰富的余热亟待回收。工信部印发的《“十四五”工业绿色发展规划》中也明确指出，要加强对液态熔渣余热的回收利用，以及推进冶炼渣的规模化综合利用。”12月9日，在钢铁行业能效标杆三年行动方案现场启动会上，北京科技大学教授冯妍卉在做报告时指出，实现液态高炉渣余热回收和资源化利是国家战略需求，对实现“双碳”目标具有重要意义。
“去年，我国的高炉渣总量为3.55亿吨，余热资源折合约为1300余万吨标准煤。”冯妍卉介绍，高炉熔渣主要由四种氧化物组成，对其进行快速冷却后形成高含量的玻璃体，可用于水泥和混凝土掺合料。其主要处理工艺包括水淬法和干法。
冯妍卉进一步介绍，水淬法冷却速率快，易得到高玻璃体含量的渣粒，但存在浪费水资源、浪费熔渣余热等弊端。干法则是先对渣液进行粒化，再进行余热回收，根据粒化方式的不同，可以分为机械破碎、风淬和离心粒化技术。其中，离心粒化结合移动床余热回收技术，不消耗水量、能耗低，获得渣粒尺寸小、品质高，冷却速率快，余热回收率高，是液态高温熔渣处理的优选方案。“但其要在工业生产中获得进一步的应用，仍要解决3个技术难点。”她特别指出，一是熔渣成分复杂、温度高、物性变化大、粒化过程复杂。二是耦合矿物物相演变的相变颗粒在复杂条件下非稳态复合换热过程难以描述。三是粒化-余热回收多相多参数多过程信息传递困难。
“针对这些‘瓶颈’问题，我们团队开展了相应的基础研究工作。”冯妍卉介绍，围绕“变物性多组分液态熔渣粒化机制及相变传热与物相演化协同调控方法”的关键科学问题，该团队以工艺流程为主线，对各环节展开了研究，包括粒化器内的高温熔渣离心粒化机理与特性、渣粒飞离粒化器后在粒化仓中的碰壁相变沉积特性、面向余热回收的移动床内流动换热机理，以及贯穿整个过程的渣粒相变换热与矿物物相演化耦合作用机理。
一是针对高温熔渣离心粒化，该团队建立了转盘法粒化液态高炉熔渣的数值模型来探究液丝断裂机制和粒化液滴特性。该团队研究发现，高温渣粒粒化从不稳定到稳定，经历了液膜铺展、液环脱落、液指形成、液丝断裂的过程，且液丝上的不稳定毛细波直接导致液丝断裂形成液滴，是根本原因。进而在加入鼓风技术复合粒化后，气淬风的垂直剪切作用促进了不稳定波扰动，强化液丝破碎，加速粒化进程。最终，他们建立了同时适用于常规和复合离心粒化的通用粒径预测关联式，助力复合粒化技术的开发，并优化粒化性能。
二是针对熔融渣粒碰壁沉积，该团队通过冷态工质撞击壁面的替代实验结合模拟仿真手段开展研究。经过实验，他们获得了单/两个熔融渣粒碰撞壁面的多种现象，包括铺展、回缩、稳定、空气卷入、破碎、飞溅、重熔等。针对高温高粘度且复杂变物性熔融渣粒，他们建立了表征形变程度的铺展因数无量纲关联式，并通过调控工艺参数降低壁面液滴聚并的可能性；预测了Nu数（努塞尔数），可通过壁面冷却促进渣粒与壁面换热，有利于渣粒快速凝固后从壁面剥落。
三是针对移动床内流动换热，该团队提出了半熔融渣粒下降换热的CFD-DEM耦合方法。结果表明，在颗粒自由沉降阶段，中心温度会急剧降低，但由于凝固潜热的释放，表面温度会回升，出现“再辉”现象；在移动床内逐层推移阶段，随着颗粒流率的减小、气流量的增大，余热回收率升高，析出晶体含量减小/玻璃体含量增加。他们针对实际中的渣粒的宽筛分粒径展开分析，结果表明相对均一/正态粒径，二元混合粒径系统的余热回收率和平均温降速率最大。对此，他们进一步建立了适用于宽筛分粒径系统的综合换热系数预测关联式，并在小型埋管移动床上开展实验验证，修正了经验预测式，能更好地预测颗粒质量流率及余热回收率。
四是针对熔渣颗粒相变结晶，该团队建立了渣粒相变传热耦合矿物物相演化的模型。他们得到了渣粒最终晶体含量与（晶体生成区间内的）表面平均冷却速率近似呈线性关系，并获得了无晶体析出的临界表面冷却速率。“也就是说，控制冷却速率大于20℃/s才能避免晶体的析出。”冯妍卉介绍，“我们进一步从机理层面上构建了渣粒表面冷却速率与冷却条件的关系，表征渣粒的冷却快慢；从工艺层面上建立了关联式，可直接预测渣粒玻璃体含量。同时还可指导更多参数的协同优化，来提高渣粒品质。”
“在以上的系列研究中，对工艺每个环节都获得了重要指标的预测关联式。我们以粒化粒径作为传递参量，进行各环节预测关联式之间的衔接，最终得到了整个工艺流程最终的熔渣粒径、品质及余热回收率的终极预测关联式。相关小试、中试试验的结果也很好地验证了我们理论关联式的可靠性。”冯妍卉进一步解释，“也就是说，只要有系统装备的结构参数、操作参数等设计参数，用我们的理论公式就能直接预估粒化粒径、玻璃体含量、余热回收率等系列重要技术指标，而且理论公式还可进一步指导工艺参数的优化。”
“希望我们的研究能够为高温液态熔渣规模化综合利用技术，包括目前大家关注的离心粒化、离心-鼓风复合、水淬-鼓风复合等粒化技术，还有渣粒移动床余热回收及资源化利用技术等，以及相关装备的研发乃至系统集成提供理论支持和依据。”冯妍卉最后说道。
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