高炉熔渣高效热回收技术与应用.docx
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高炉熔渣高效热回收技术与应用
2017年度山东省科技进步奖公示
项目名称：
高炉熔渣高效热回收技术与应用
推荐单位：
青岛理工大学
项目简介：
高炉熔渣（下称“熔渣”）排渣量大且不连续、温度高、成分复杂、物性变化大，现有水淬工艺造成大量余热损失、水资源消耗和有害气体及烟尘排放造成的环境污染等。
其它熔渣热回收技术存在能耗高、粒化品质低、热回收率低、粒化装置稳定性及可靠性低等瓶颈问题。
本项目的熔渣高效热回收技术与装备突破了以上局限和技术瓶颈，对国家节能减排战略的实施和减排环保具有重要作用。
本项目开展的技术基础研究、关键技术工艺装备开发和回收的熔渣余热产业化应用分别是：
熔渣离心粒化机制及相变传热与物相演化协同调控方法；控粒径等的熔渣高效紧凑高效离心粒化装置及调控技术；熔渣颗粒高效、连续热回收系统集成工艺技术装备；熔渣余热发电应用和办公、社区供暖应用。
在以上研究开发工作中，利用数值模拟和可视化技术，探析熔渣颗粒追踪-相界面捕获/物相演化-渣粒余热回收过程的关联关系。
采用优化壁面结构及调控措施防止渣粒粘结，研制高效紧凑熔渣离心粒化技术装置；采用中间缓存机构实现间歇出渣与连续粒化及余热回收匹配；采用渣粒移动换热装置结合受热面结构和布置优化，实现渣粒余热高效回收并控制渣粒流速和温度变化率、兼顾物料品质和抑制渣粒移动磨损；采用实验室研究、炼铁生产现场试验和试点纠偏的方法，将项目成果推广应用到熔渣余热发电和供暖中。
本项目取得的创新性成果是：
1、熔渣粒化技术。
一是，建立了熔渣颗粒在相变冷却过程中物相演化模型，导出变物性熔渣的离心粒化渣粒粒径分布关联式，确定了临界冷却速度等对换热及粘结的影响机制、粒化仓内渣粒物相与换热的相互关系。
二是，研制出控粒径等高效组合式离心粒化工艺技术装备。
2、熔渣颗粒换热技术。
一是，得到了换热效率和熔渣颗粒成分与冷却介质初始温度、速度、颗粒粒径的关联式及传热强化与渣粒品质协同的关系；建立了渣粒品质等与受热面磨损交互作用关系和气相流场等的调控机制。
二是，研制出兼顾渣粒品质和热回收率、抑制受热面磨损的高效热回收工艺技术装备。
3、熔渣高效热回收利用技术。
一是，开发出高炉-粒化装置-热回收装置无缝衔接界面控制技术、熔渣缓存及流量控制工艺技术装备。
二是，开发出以离心粒化工艺技术装备为核心的熔渣高效连续热回收利用系统集成技术。
研制了熔渣高、低品位余热应用于发电和供暖的技术工艺及装备。
本项目达到的研究目标和取得的效益是：
1、授权发明专利19项；出版山东省地方标准2个；发表SCI和EI检索论文45篇。
2、日处理熔渣400万吨、热回收率大于75%、粒化合格率大于90%、玻璃体含量大于92%。
3、成果取得8571万元经济效益。
主要技术内容及创新点：
熔渣离心粒化热回收技术主要由粒化装置和余热回收装置组成。
高温液态熔渣进入粒化装置后，由高速旋转的粒化器粒化成细小熔渣液滴，并与粒化仓内的冷却空气进行换热，因其比表面积较大从而实现快速相变冷却；随后半熔融的颗粒从粒化仓排出进入热回收装置，并与热回收装置内的受热面及冷空气进行换热，实现热回收目的；同时获得高玻璃体含量的渣粒，可进行后续资源化利用。
在实验室研究中，着力解决渣粒粒径偏大、渣棉量大、玻璃体含量难以保证、粒化效率低、粒化器表面结渣及高温熔蚀、粒化仓壁面及底部渣粒易粘结、渣粒热回收装置内受热面易磨损、回收余热品位与渣粒品质协同困难、运行稳定性和可靠性差等瓶颈问题。
在钢厂高炉出渣粒化的生产试验中，着力解决高炉间歇出渣与离心粒化连续热回收工艺运行的匹配、粒化仓进口熔渣进料波动大等技术难题。
为解决以上技术问题，本项目采取了如表3所示的技术方案。
开发研制了熔渣缓存装置、熔渣流量控制装置、粒化装置、余热回收装置、高品位余热利用发电与低品位余热供暖装置系统。
技术路线
（1）把定向凝固法和热丝法与XRD、DSC表征相结合，获得熔渣在不同冷却条件下相变冷却及物相演变过程，为熔渣粒化提供了技术基础；利用图像处理结合红外温度测量同时捕捉熔渣液滴形状和表面温度随时间的变化，为粒化参数确定和热回收装置等研制提供了设计依据。
本项目采用软球模型和多孔焓法模型结合CLSVOF方法，给出颗粒运动轨迹、颗粒界面及颗粒内固液界面的状况。
提出了基于界面功能参数的提取及有效串联传递方法，实现了熔渣离心粒化-飞行沉降-渣粒热回收的全过程参数检测。
（2）针对控粒径、抑渣棉、防粘结的熔渣高效紧凑离心粒化及调控开展从机理研究、新技术开发、技术集成等方面展开递进式工作。
探析辅助冲击气流对熔渣离心粒化过程中的相变换热、物性变化和粒化器表面的结渣。
利用可视化实验手段捕捉熔渣离心粒化和颗粒撞击壁面的动态行为及温度响应、以获得颗粒的运动轨迹。
开发颗粒防粘结及紧凑式粒化仓高效热回收技术、熔渣进料参数控制技术，通过技术集成形成控粒径、抑渣棉、防粘结的高效紧凑离心粒化装备。
（3）采用移动换热装置，并协同渣粒品质调控进行熔渣颗粒热回收。
利用CFD-DEM模型对半熔融渣粒的换热过程进行模拟，得到移动换热装置内气-固相互作用及渣粒的相变换热特性。
结合FEM-DEM方法与颗粒接触换热模型，反映高温渣粒绕流受热面流动、传热及磨损过程，分析冲击磨损和绕流磨损特性。
（4）针对熔渣离心粒化及热回收与利用系统，运用CFD方法进行装备结构优化，提高大型化粒化仓和移动换热装置的设计质量与效率，减少设计成本。
采用多种成熟的能效评价方法对由离心粒化器、粒化仓、移动换热和余热锅炉构成的熔渣热回收和利用系统进行系统化的物料、能量优化与匹配，形成系统集成技术。
关键技术
（1）熔渣颗粒粒化技术
熔渣粒化与渣粒品质调控的技术基础。
一是，掌握了了熔渣颗粒相变冷却、物相结构演变和相变传热的规律，建立了熔渣颗粒在相变冷却过程中物相演化的预测模型，确定了风冷熔渣临界冷却速度。
二是，得到了粒化熔渣液滴/颗粒运动、碰撞及局部熔合过程中的非稳态相变换热及物相演变的耦合作用机理及颗粒成型及分布沉降特性；导出急冷条件下变物性熔渣的离心粒化及液丝延迟断裂机制和渣粒粒径分布关联式。
开发出粒化器渣壳厚度及形貌的调控技术。
研制出控粒径、控渣壳、抑渣棉和热防护的高效组合式离心粒化装置。
一是，提出熔渣离心粒化辅以冲击气流强化熔渣液膜/液丝破碎及相变换热的原理和强化离心粒化方法，确定了高效组合离心粒化器的设计原则与指标。
二是，确定了粒化颗粒撞击壁面动态特性对换热及粘结的影响机制和粒化仓内渣粒物相与换热的相互关系，提出粒化仓内熔渣颗粒换热强化方法，开发出协同渣粒物相调控的高效余热回收粒化仓技术。
通过四分法随机对制取的渣粒取样（按照散料取样规范GB/T13732-2009），利用标准筛网对样品进行筛分（按照细集料筛分实验规程），采用称重的方法得到各粒径颗粒的质量（称量仪器仪表及其检验校核符合GB/T7724-2008等国家标准），计算小于4mm的颗粒质量与样品总质量之比，得到粒化合格率；利用质量加权平均的计算方法，计算得到颗粒的平均粒径；依据国标GB/T18046-2008标准中规定的矿渣粉玻璃体含量的测定方法，采用XRD方法测量得到粒化颗粒的玻璃体含量。
测量结果表明，该项创新技术取得：
粒化合格率≥95%，平均粒径≤2mm，玻璃体含量≥95%，超过国内外同类技术水平。
因国内外尚无同类技术的实际应用，所以效应及市场竞争力无从比对。
（2）熔渣颗粒换热技术
熔渣颗粒高效热回收与渣粒品质调控的技术基础。
一是，建立了半熔融-宽筛分颗粒群多相流动及传热模型和熔渣颗粒体系中相变传质传热模型；掌握了渣粒移动床内颗粒群两相流传热系数、温度场分布和玻璃体含量的变化规律；得到了换热效率和熔渣颗粒成分与冷却介质初始温度、速度、颗粒粒径的关联式及传热强化与渣粒品质协同的关系。
二是，得到了协同渣粒品质调控的移动换热装置内换热强化新方法；建立了粒品质、热回收与受热面磨损交互作用关系和换热装置内气相流场、渣粒流场及渣粒温度场的调控机制。
研制出兼顾渣粒品质和热回收率、抑制受热面磨损的高效热回收装置。
突破了高温渣粒热回收率和品位低、渣粒品质调控难、受热面磨损严重等技术瓶颈。
采用称重法测量渣粒的质量流量（称量仪器仪表及其检验校核符合GB/T7724-2008等国家标准）和热重分析仪测量渣粒在高温下的比热容，计算获得移动换热装置的热效率。
测量渣粒温度在800℃处的移动换热装置高度、渣粒质量流量，计算出渣粒进入移动换热装置后，冷却下行至温度为800℃处所需的时间，计算出800℃以上，渣粒平均温降速率。
测量结果表明，该项创新技术取得：
移动换热装置热效率≥90%，渣粒温度高于800℃时平均温降速率≥10℃/s。
超过国内外同类技术水平（参见：
1.1项目背景和表1、表2等）。
因国内外尚无同类技术的实际应用，所以效应及市场竞争力无从比对。
（3）熔渣高效热回收利用技术
变流量熔渣离心粒化与连续热回收相适应的技术创新。
开发出适应间歇出渣且出渣流量大幅波动的高炉-粒化装置-热回收装置无缝衔接界面控制技术、高温熔渣缓存及流量控制工艺技术装置。
兼顾热回收率、渣粒粒径和玻璃体含量的协同调控技术创新。
提出了大型化熔渣离心粒化及高效热回收核心装备的设计准则和方法；开发出离心粒化工艺技术装为核心的熔渣高效连续热回收和利用系统集成技术。
熔渣高品位余热换热发电技术及装备系统的实际应用和熔渣低品位余热换热供暖技术及装备系统的实际应用。
本项目在莱钢高炉车间搭建一套5t/h熔渣离心粒化及渣粒热回收生产试验系统。
系统稳定运行后，采用标准流量计在线测量空气的流量，采用标准热电偶测量空气进/出口温度、粒化仓进渣/排渣温度，计算得到熔渣的放热量以及空气的吸热量，计算空气的吸热量与熔渣的放热量之比，得到粒化仓热回收率。
通过实时监测系统运行状况，获得系统连续运行数据。
测量结果表明，该项创新技术取得：
工生产试验系统规模≥120吨/日，熔渣热回收率≥75%、粒化合格率大于95%、玻璃体含量大于92%。
推广应用情况、经济效益和社会效益
项目成果获得授权国家发明专利19项、实用新型专利6项；出版《高炉渣干法处理技术规范》和《高炉冲渣水余热供暖技术规范》2项山东省地方标准。
项目成果在济钢、莱钢、耀华和青钢推广应用。
项目开发研制的熔渣低品位余热的供暖换热系统体积小、换热效率高、适应性强、可靠稳定和寿命长。
分别利用济钢1号、2号、3号高炉，莱钢1号高炉，青钢1号、2号高炉熔渣粒化的低品位余热，该系统用于济钢新苑及周边100万平方米居民小区冬季供暖，累计节约标煤4.5万吨、减少新水损耗550万吨，减排二氧化碳、硫化氢、粉尘69万吨；该系统分别用于莱钢和青钢30万平方米和40万平方米生产、办公和部分生活区供暖，累计节约标煤6万吨、减少新水损耗730万吨，减排二氧化碳、硫化氢、粉尘等71万吨。
以上系统自2012年1月先后投入运行至今，运行稳定、可靠，取得了8571万元的经济效益。
完成人情况
1、仪垂杰，教授，青岛大学
项目负责人：
项目抓总,技术方案与技术路线制定、技术创新研发。
主要科技获奖：
山东省科技进步一等奖、二等奖，山东省重大节能成果奖，青岛市科技进步一等奖、二等奖，等。
对项目成果的主要贡献是：
高炉熔渣凝固动力学理论等熔渣粒化和高效热回收技术的技术基础研究，熔渣离心粒化和移动换热技术设备、熔渣高效热回收系统集成等技术装备研发。
2、于庆波，教授，东北大学
项目主要成员：
技术工艺研究、关键技术装备研发。
承担国家科技支撑计划、国家863、国家自然科学基金及企业合作等项目十余项，授权发明专利十余项。
对项目成果的主要贡献是：
熔渣离心粒化和高效热回收工艺技术路线的确定，熔渣颗粒渣热回收流化换热技术工艺参数确定及装备研制。
3、李朋，高级工程师，重庆赛迪热工环保工程技术有限公司
项目主要成员：
熔渣粒化粒化高效热回收利用关键工艺装备研制。
参加国家科技支撑计划、国家863、国家自然科学基金等研究项目，授权多项发明专利。
对项目成果的主要贡献是：
高炉渣余热回收系统能量回收模式及路线优化。
熔渣离心粒化热回收系统集成中关键装备的研制。
4、周扬民，讲师，青岛理工大学
项目主要成员：
高炉熔渣干法粒化理论与实验研究。
5、罗思义，副教授，青岛理工大学
项目主要成员：
熔渣粒化及分质利用中试试验研究。
6、杨启荣，教授，青岛大学
项目主要成员：
熔渣低品位余热供暖换热技术及装备开发。
7、郭健翔，教授，青岛理工大学
项目成员：
高炉渣干法粒化理论及分析方法研究。
8、吴荣华，教授，青岛大学
项目成员：
熔渣低品位余热供暖换热技术及装备开发。
9、王东，博士研究生，青岛理工大学
项目成员：
熔渣离心粒化钢厂生产试验研究。
10、刘军祥，副教授，东北大学
项目成员：
固定床熔渣颗粒余热回收及传热试验研究。
11、张道明，高级工程师，重庆赛迪热工环保工程技术有限公司
项目成员：
熔渣干法粒化及余热回收工业化实验平台研发。
12、秦勤，副教授，东北大学。
项目成员：
熔渣余热物理法和化学法回收的热力学分析及试验研究。
完成人合作关系说明
项目成果完成人为：
仪垂杰，于庆波，李朋，周扬民、罗思义、杨启荣、郭健翔、吴荣华、王东、刘军祥、张道明、秦勤。
仪垂杰作为项目负责人、周扬民、郭健翔作为主要完成人共同完成了国家自然科学基金重点项目：
高温异质离散运动颗粒间的传热传质机理研究（50934010）；仪垂杰作为第一发明人、周杨民作为第二发明人，获得授权发明专利“一种利用高炉渣冲渣水余热供暖的系统及方法（ZL201110428298.2）”；仪垂杰作为第一发明人、罗思义作为第四发明人，获得授权发明专利“一种利用高炉粒化渣余热制取生物质油的方法（ZL201310349224.9）”。
仪垂杰、周扬民分别作为第一、第二起草人，出版山东省地方标准《高炉渣干法处理技术规范》（DB37/T2265-2013）、《高炉渣余热供暖技术规范》（B37/T2266-2013）。
仪垂杰作为通讯作者、王东、周杨民、罗思义分别为作为第一、第二和第三作者发表学术论文“铁棉联产的优质矿渣棉生产工艺”（材料与冶金学报.2015.6）等。
于庆波作为课题负责人，刘军祥、秦勤作为主要完成人共同完成了国家高技术研究发展计划项目“液态渣高温显热回收的关键技术研究”（2006AA05Z209）；于庆波作第一发明人，秦勤、刘军祥分别作为第二和第三发明人，获得授权发明专利“高炉渣显热回收系统”（ZL200810229556.2）。
于庆波作为第一发明人，刘军祥作为第二发明人、秦勤作为第四发明人，获得授权发明专利“高温冶金渣粒余热回收装置”（ZL201110438859.7）。
于庆波作第一发明人，刘军祥作为第三、秦勤作为第四发明人，获得授权发明专利“一种高温熔渣急冷干法处理及回收显热的装置和方法”（ZL201310252945.8）。
李朋作第一发明人，张道明作为第五发明人，获得授权发明专利“高温熔渣余热回收系统及方法”（ZL201410755689.9）和“高炉熔渣粒化装置”（ZL201410755687.X）等。
吴荣华作第一发明人，杨启荣作为第三发明人，获得授权发明专利“一种非清洁水换热器除垢装置及其系统”（ZL201510034000.8）和“一种强化除垢型换热装置”（ZL201410504112.0）等。
完成单位情况
1、青岛理工大学
创新推广贡献：
对“高炉熔渣高效热回收技术与应用”项目的研究开发和推广应用提供的主要支持：
一是，学校人事部门为项目开展需要补充的涉及项目相关学科的人员，给予了及时调配。
二是，学校科研等部门为项目的顺利开展沟通、协调合作单位的关系。
三是，学校提供相应经费加强与项目有关的实验室条件建设，配置了高炉熔渣粒子图像测速系统、多普勒检测仪等设备。
2、重庆赛迪热工环保工程技术有限公司
创新推广贡献：
重庆赛迪热工环保工程技术有限公司为项目开展需要的熔渣余热回收生产试验平台提供的支持：
一是，公司成立了专门的项目组，配备了热力、工艺、设备、电气、仪表、土建、通风、结构、建筑、动力、给排水等相关专业技术人员，确保了项目的及时推进。
二是，公司项目管理部、设计部、财务部等部门为项目组沟通、协调与合作单位的关系。
三是，公司为熔渣生成试验平台的研究提供了良好的研究环境和支撑平台，包括研究所需的场地条件、检测设备、经费等。
3、东北大学
创新推广贡献：
东北大学为项目开展提供的支持：
一是，学校人事部门为项目需要补充的涉及项目相关学科的人员，给予了及时调配。
二是，学校科研等部门为项目顺利开展，沟通、协调与合作单位的关系。
三是，学校为熔渣项目的研究提供了良好的研究环境和支撑平台，包括研究所需的场地条件、检测设备等。
4、青岛大学
创新推广贡献：
青岛大学为项目开展提供的支持：
一是，学校和机电学院对项目的开展积极配合，有求必应。
二是，为项目中熔渣低品位余热回收涉及到的换热和过滤方面的研发，给予了实验室及相关条件的大力支持。
支撑技术创新点的主要知识产权证明目录
序号
知识产权名称
知识产权类别
发明人
知识产权人
知识产权号
取得日期
国（区）别
发明专利有效状态
1
高炉渣显热回收系统
发明专利
于庆波、秦勤、刘军祥、陆钟武
东北大学
ZL200810229556.2
2010.06.09
中国
有效
2
高温冶金渣粒余热回收装置
发明专利
于庆波、刘军祥、胡贤忠;秦勤
东北大学
ZL201110438859.7
2013.05.01
中国
有效
3
一种利用高炉渣冲渣水余热供暖的系统及方法
发明专利
仪垂杰、周扬民
青岛理工大学
ZL201110428298.2
2013.07.10
中国
有效
4
一种高温熔渣急冷干法处理及回收显热的装置和方法
发明专利
于庆波、胡贤忠、刘军祥、秦勤
东北大学
ZL201310252945.8
2015.06.17
中国
有效
5
一种利用高炉粒化渣余热制取生物质油的方法
发明专利
仪垂杰、岳霞、周扬民、罗思义、李宗刚、王亭亭
青岛理工大学
ZL201310349224.9
2015.06.17
中国
有效
6
一种强化除垢型换热装置
发明专利
吴荣华、李康;杨启荣、何凌燕、师忠秀
青岛大学
ZL201410504112.0
2015.11.25
中国
有效
7
高温熔渣余热回收系统及方法
发明专利
李朋、陈君、程淑明、陈婉、张道明、陈德银、吴斌
重庆赛迪热工环保工程技术有限公司
ZL201410755689.9
2016.04.06
中国
有效
8
一种非清洁水换热器除垢装置及其系统
发明专利
吴荣华、王勇、杨启荣、李康、孙源渊、陈霄、郑记莘、孙春锦、刘敏
青岛大学
ZL201510034000.8
2017.01.12
中国
有效
9
高炉熔渣粒化装置
发明专利
李朋、陈君、程淑明、陈婉、张道明、陈德银、吴斌
重庆赛迪热工环保工程技术有限公司
ZL201410755687.X
2017.01.25
中国
有效
10
一种利用高炉渣余热催化裂解废旧轮胎油气联产技术
发明专利
罗思义、王俊芝
青岛理工大学
ZL201610292456.9
2017.05.05
中国
有效
十一、支撑技术创新点的主要论文专著目录
序号
论文专著名称
发表刊物（出版社）
发表（出版）时间
作者（按刊物发表顺序）
1
Coldexperimentsonligamentformationforblastfurnaceslaggranulation
AppliedThermalEngineering
2012
LiuJX,YuQB,LiP,DuWY
2
CO2gasificationrateanalysisofcoalinmoltenblastfurnaceslag—Forheatrecoveryfrommoltenslagbyusingachemicalreaction
InternationalJournalofHydrogenEnergy
2015
LiP,LeiW,WuB,YuQB
3
Thermalenergyrecoveryfromhigh-temperatureblastfurnaceslagparticles
InternationalCommunicationsinHeatandMassTransfer
2015
LiuJX,YuQB,PengJY,HuXZ,DuanWJ
4
Experimentalinvestigationonmoltenslaggranulationforwasteheatrecoveryfromvariousmetallurgicalslag
AppliedThermalEngineering
2016
LiuJX,YuQB,ZuoZL,DuanWJ,HanZC,QinQ,YangF
5
ResearchoncharacteristicsandmodelingestimationofmoltenBFslagviscosityintheprocessofslagwasteheatrecovery
Ironmaking&Steelmaking
2016
DuanWJ,YuQB,LiuJX,WangK,XieHQ,QinQ,HanZC
6
Wasteheatrecoveryfromhigh-temperatureblastfurnaceslagparticles
JournalofScientific&IndustrialResearch
2017
LiuJX,YuQB,PengJY,DuanWJ
7
Numericalsimulationoffurnaceslagwasteheatrecoveryinfluidizedbed
Asia-pacificpowerandengineeringconference
2010
BaojinYang,JianxiangGuo,FangLiu,YuanyuanDu
8
CFDsimulationondensegas-solidflowforBLASTfurnaceslagwasteheatrecovery
Asia-pacificpowerandengineeringconference
2010
FangLiu,JianxiangGuo,BaojinYang,Changliu
9
Bio-oilproductionbypyrolysisandliquefactionofbiomassusingblast
furnaceslagasheatingsource
AdvancedMaterialsResearch
2012
SiyiLuo,ChaoLi,ChuijieYi,YangminZhou
10
Hydrogen-richgasproductionfrombiomasscatalyticgasificat
升级会员 