（机械设计及理论专业论文）高炉渣干法离心粒化理论与实验研究.pdf

c l a s s i f i e din d e x ：t k o1 + 9 u d c ： d i s s e r l a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r n g t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d y o nd r yc e n t r i f u g a lg r a n u l a t i o n o fb l a s tf u r n a c e s l a g c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： y a n gz 1 1 i y u a n p r o c h u i j i e a s s i s t a n ts u p e r 、，i s o r ：l e c t u r e rz h o uy a n g m i n a c a d e m i cd e g r e ea p p u e df o r ：m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s p e c i a l 够： m e c h a n i c a ld e s i g na n d 1 1 1 e o 巧 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： j u n e2 01o u n i v e r s i 毋：q i n g d a ot e c h n o l o g i c a lu 1 1 i v e r s i t y 青岛理工大学工学硕士学位论文 硕士学位论文 高炉渣干法离心粒化理论与实验研究 学位论文答辩日期： 劲f o 、b 、f 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： o 季毒 青岛理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第1 章绪论1 1 1研究背景1 1 2国内外研究现状4 1 2 1 高炉渣资源利用现状4 1 2 2 高炉渣余热利用现状6 1 3课题的提出及意义1 2 1 4本文的主要内容1 2 第2 章高炉渣离心粒化理论基础1 4 2 1高炉渣离心粒化原理1 4 2 2 高炉渣离心粒化模型1 4 2 2 1物理模型1 4 2 2 2 数学模型15 2 2 3模型求解计算18 2 3高炉渣颗粒的凝固热力学模型1 9 2 3 1物理模型1 9 2 3 2 数学模型2 0 2 3 3模型求解计算2 3 第3 章高炉渣离心粒化数值模拟2 5 3 1数值模拟流程2 5 3 2参数设定2 6 3 3网格划分2 8 3 4求解计算2 8 3 5模拟结果及分析2 9 第4 章高炉渣干法离心粒化实验j 3 6 4 1实验系统开发3 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 4 1 1 4 1 2 4 1 3 4 1 4 监控系统设计3 9 4 1 5 实验系统的安装调试4 0 4 2实验研究4 1 4 2 1 实验方案4 1 4 2 2 实验方法4 1 4 2 3 实验结果及分析4 2 4 3 结论4 8 第5 章结论与展望5 0 5 1 结论5 0 5 2 展望5l 参考文献。5 2 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作5 5 致 射5 6 附录5 7 6 7 8 2 j 2 j 气j计计计 设设设 案统统方系系体炼化 整熔粒 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 高炉渣是炼铁生产过程的主要副产品，每生产1 吨生铁要副产0 3 o 6 吨左 右的高炉渣，现有的水冲渣工艺存在严重的环境污染和能源浪费问题，每年造成1 千万吨标准煤左右的热量浪费和4 0 万吨的硫化氢、二氧化硫等有害气体排放。研 究高炉渣干法处理工艺，进行高炉渣余热高效回收利用，是当前研究的热点。 本文进行了高炉渣离心粒化理论与实验研究。通过建立高炉熔渣干法离心粒 化数学模型和高炉渣颗粒凝固热力学模型，研究离心粒化器结构、粒化器转速、 熔渣温度、熔渣流速、换热介质流速和初始温度等关键参数对高炉渣粒化颗粒粒 径的影响，掌握高炉渣的离心破碎理论和颗粒凝固热力学机理；利用f l u e n t 软 件对高炉渣粒化过程和凝固过程进行数值模拟，研究风速、粒化颗粒直径和初始 空气温度等参数对颗粒凝固速率的影响，从模拟的结果以及对模拟结果的分析可 得，高炉渣粒化颗粒的直径及风速是影响颗粒降温过程的两个主要因素；建立高 炉渣干法粒化实验台，进行8 0 m m i i l 、1 3 0 0 r 触i i l 、1 8 0 叽m i i l 、2 3 0 0 r m i n 转速下的 高炉渣离心粒化实验研究，对高炉渣干法离心粒化理论研究和颗粒凝固过程的数 值模拟结果进行实验验证。 高炉渣干法离心粒化是个复杂的液固两相转换过程，高炉熔渣粒化和颗粒固 化机理是本文研究的关键环节，掌握其规律对高炉渣干法处理工艺流程设计和余 热回收利用具有重大的指导意义。 关键词：高炉渣，离心粒化，凝固热力学，数值模拟 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t b l a s tf h m a c es l a gi st h em 血b y - p r o d u c ti nt 1 1 ep r o c e s so fs m e l t i n gt h ep i g 拍n t h e r ei so 3t oo 6t o i l so f b l a l s t 缸r i l a c es l a g 、) i ，h e ne v e 巧lt o no fp i gi i o ni sp r o d u c e d n o w a d a y s ，t 1 1 et e c b - n o l o g yo fw a t e rq u e n c h i n gt 0 仃c a tb l a s t 缸m a c es l a ge x i s t ss e d o u s p 哟b l e m st h a tc a u s ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n de n e 唱yw a s t e nr e s u l t si nh e a tw a s t e o fa ：b o u t10m i l l i o n st o n so fs t a n d a r dc o a la n d4 0 0 也o u s a n d st o n so fh a n n f u 1a i r p 0 1 l 嘶n ge m i s s i o n ss u c ha sh 2 s ，s 0 2 ni st 1 1 ec u r r e n tr e s e a r c hf o c u sm a ts t l l d 姐n gd 巧 s l a g 骶a 衄e n tt ec _ h n 0 1 0 9 ) ，t or e c y c l es l a gw a l s t eh e a te 伍c i e n t l y t h e p 印e rs t u d i e dt h e o d ra n de x p 洳e n to fc e i l t r i 如g a l 蓼a n u l a t i o no f b l a s tm m a c e s l a g b ye s t a b l i s h i n gb l a s tm m a c es l a gd 巧c e n t r i 如g a l 伊a n u l a t i o nm a _ t h e m a t i cm o d e l a i l d s l a gp 枷c l e sc o a g u l a t i o nt h 锄o d ) ，1 1 锄i cm o d e l ，t 1 1 ep 印e rs t l l d i e dt 1 1 ek e y p 釉酏e 】晤s u c ha sc e n t r i m g a lg 聊m l a t i o nd e v i c es 仃u c n l r e ，伊锄u l a t i o nd e v i c es p e e d ， t 锄p e r a t i l r eo fm o l t e ns l a g ，f l o wr a t eo fm o l t e ns l a g ，n o wr a t eo fh e a tt r a n s f 打m e d i w n ， i n i t i a lt e i i l p 翎l ：t i l r eo fh e a t 仃a n s f i 盯m e d i l l n l ，w h i c hi m p a 曲甜o nt 1 1 es l a g 黟a n u l a t i o n p a n i c l ed i 锄e t 既t l l e i lw em a s t e r e dc e n t r i 血g a le a g m e n t a t i o nm e o 巧o fb l a s t 胁l a c e s l a ga n dc o a g u l a t i o nt 1 1 e n i l o d ) ，n 锄i c st 1 1 e o r yo fs l a gp a n i c l e s p r o c e s s e so fs l a g 伊a n u l a t i o na 1 1 dc o a g u l a t i o nw c r es i i n u l a t e db yf l u e n ts o 脚a r et os t u d yt 1 1 ek e y p a r a m e t e r ss u c ha sa i rn o wr a t e ，黟a n u l a ：t i o np a n i c l ed i 锄郇t e m p e r 栅eo fa i r w h i c h i i i l p a c t e d0 np 枷c l ec o a g u l a t i o nr a t e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i ss h o w 也a ts l a g 伊锄l l 撕o np a n i c l ed i 锄e t e ra n dn o wr a t eo fa i ra r e 铆om 旬o rf a c t o r st o 雅e c tp a n i c l e c 0 0 1 i n gp r o c e s s e x p 嘶m e n t a lt e s t b e do fd 巧c e l l t r i 向g a l 伊a n u l a t i o no fb l a s t 劬l a c e s l a gi se s t a b l i s h e d b a s e do n 也ee x p e r h n e i l t a lt e s t - b e d ，w ec 枷e do ne x p 嘶m e i l t so f c e n t r i m g 矾黟a i l u l 撕o no fb l a s t 缸n a c es l a gu n d e rm es p e e do f8 0 0 r m i n ，13 0 0 r m i n ， 18 0 0 r m i n ，2 3 0 0 r m i n t h ee x p 耐m e n t sv 嘶匆t l l en l e o 巧o fd 巧c e i l t r i 缸g a l 伊a n u l a t i o n o f b l a s t 丘l m a c es l a ga n d 也es i m u l a t i o nr e s u l t so f p a n i c l ec o a g i l l a t i o n d r ys l a gc e n t r i 向g a l 伊a n u l a t i o ni sac o m p l e xl i q u i d s o l i d 押o - p h a s ec o n v e r s i o n p r o c e s s t h ek e y st ot 1 1 i ss t l l d ya r eb l a s t 矗m l a c es l a gc e n t r i m g a l 孕a i l u l a t i o nm e c h a n i s m a n dp a n i c l ec u r i n gm e c h a i l i s m ni so fg r e a ts i 盟语c a i l c et om a s t e rt h e ms o a st 0 p r o v i d eg u i d 锄c et oc a n 了o u tb l a s t 胁l a c es l a gd 巧t r e a 衄e n tp r o c e s sd e s i 伊a n dw a s t e 青岛理工大学工学硕士学位论文 h e a tr e c 0 v e 巧p r o c e s sd e s i 盟 k e yw o r d s ：b 1 2 u s t 向m a c es l a g ，c 锄t r i 如g a lg r a n u l a t i o n ，c o a g u l a t i o nt l l 锄o d y n a m i c m e i h a i l i s m ，n 砌e n c a ls i m u l a ：t i o n 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 高炉渣是高炉炼铁产生的一种副产品，经加工处理，主要用于制作建筑材料。 高炉生产过程中，入炉的各种原、燃料经冶炼后，除获得铁水( 炼钢生铁或铸造 生铁) 和副产品高炉煤气以外，铁矿石中的脉石，燃料中的灰分与熔剂融合就形 成液态炉渣，其一般温度为1 4 0 0 1 6 0 0 ，定时从渣口、铁口排出。通常将从渣 口排出的熔渣称为“上渣”，从铁口随同铁水排出的称为“下渣”，下渣中往往混 有少量铁水。高炉炉渣的化学成分取决于原料成分、冶炼铁种、操作方法和冶炼 过程中的炉况变化。高炉渣中主要成分为c a o 、m g o 、s i 0 2 和a 1 2 0 3 ，其占总量 的9 5 以上。这四种成分基本可以决定高炉渣的冶金性能。攀枝花钒钦磁铁矿含 有较多的t i 0 2 ，包头白云鄂博矿含有较多的c a f 2 ，用这些特殊铁矿石冶炼，炉 渣中相应的t i 0 2 、c a f 2 较多。除此之外，渣中还含有少量f e o 、m n o 和c a s 以 及一些微量化合物，其碱度一般为o 9 1 2 5 。高炉冶炼正常进行时，炉渣成分变 化不大，但在生产过程中有时需要调整炉料配比，此时炉渣成分相应变化，炉况 变化炉渣成分也会改变，例如炉冷时渣中f e o 、s i 0 2 含量会稍有增多。每生产1 吨生铁要副产3 0 0 6 0 0 埏炉渣n 1 ，其多少主要由入炉铁矿石的含铁量而定。铁矿 石含铁量越少，脉石含量就越多，相应地加入的熔剂和燃料也越多，所以渣量就 越大。自从1 9 世纪8 0 年代，世界上很多国家已经将高炉渣作为一种二次资源加 以利用晗1 。 目前，高炉熔渣常用湿法工艺对液态熔渣进行处理，主要有：底滤法( o c p ) 法、拉萨法( r a s a ) 法、因巴( i n b a ) 法、图拉( t 、i a ) 法等飞3 。 ( 1 ) 底虑法工艺 底滤法( o c p ) 工艺流程见图1 1 所示。从高炉流出的高炉熔渣在冲制箱内 由多孔喷头喷出的高压水进行水淬，水淬渣流经粒化槽，然后进入沉渣池。沉渣 池中的水渣由抓斗吊抓出堆放于渣场继续脱水。沉渣池内的水及悬浮物通过分配 渠流入过滤池，过滤池内设有砾石过滤层，过滤后的水经集水管由泵加压后送入 冷却塔冷却，循环使用，水量损失由新水补充。底滤法冲渣水的压力一般为0 3 o 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 m p a ，渣水比为1 ：1 0 1 ：1 5 ，水渣含水率为1 0 1 5 ，作业率1 0 0 ，出铁场 附近可不设干渣坑。 1 高炉渣2 抓斗吊车3 出料斗4 水溢流5 冲洗空气入口6 - 出水口7 粒化器8 - 冲渣器 图1 1 底虑法工艺流程图 ( 2 ) 拉萨法工艺 1 水渣槽；2 喷水口；3 搅拌槽；4 输液泵；5 循环槽搅拌泵； 6 搅拌槽搅拌泵；7 冷却塔；8 循环水槽；9 沉降槽；1 0 冲渣给水泵； 1 1 冷却泵；1 2 分配器；1 3 脱水槽；1 4 - 汽车：1 5 排泥泵 图1 2 拉萨法工艺流程图 拉萨法( r a s a ) 水渣处理系统1 9 6 7 年在日本福山1 号高炉上( 2 0 0 4 m 3 ) 首次使用，是由日本钢管公司和英国r a s a 公司共同研制开发的。我国宝钢集 团1 号高炉( 4 0 6 3 m 3 ) 首次从日本引进这套技术与设备。拉萨法的工艺流程如图 1 2 所示。从高炉流出的高炉熔渣由渣沟流入冲制箱与压力水相连进行水淬，经 过水淬后的渣浆在粗粒分离槽内进行浓缩，浓缩后的渣浆由渣浆泵运送至脱水 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 槽，脱水后水渣外运。脱水槽内的含渣水流到沉淀池，沉淀池出水循环使用。水 处理系统设有冷却塔，设置液面调整泵用以控制粗粒分离槽水位。 ( 3 ) 因巴法工艺 因巴法( i n b a ) 水渣处理系统是2 0 世纪8 0 年代初由比利时西德玛( s i d ) 公司与卢森堡p & w 公司共同开发的一项渣处理技术。我国首次引进用于宝钢集 团2 号高炉( 4 0 6 3m 3 ) ，于1 9 9 1 年6 月2 9 日投产。目前我国仍在使用该处理技术 的有武钢、马钢、鞍钢、本钢、太钢等钢铁公司。因巴法的工艺流程如图1 3 所 示。从高炉流出的高炉熔渣由熔渣沟流入冲制箱，被冲制箱的压力水冲成水渣进 入水渣沟，然后流入水渣方管、分配器、缓冲槽落入滚筒过滤器，随着滚筒过滤 器的旋转，水渣被带到滚筒过滤器的上部，脱水后的水渣落到筒内皮带机上运出， 然后由外部皮带机运至水渣槽。因巴法有热玳b a 、冷i n b a 和环保型i n b a 之 分。与冷、热烈b a 比较，环保型i n b a 最大的优点是硫的排放量很低，它把硫 大部分转移到循环水系统中。 ) 八 1 2 f 23 4 5 m m m 1 1 口工皿 箱2 水渣沟3 水渣槽禾分配器5 转鼓过滤器6 缓冲槽 7箱8热水池9冷却塔10水池11胶带机12成品槽 因巴法工艺流程图 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 图拉法工艺 ， 名 卜 3 冬 7 f 鞘 r 1 熔渣沟：2 粒化器；3 排气筒；禾脱水器；5 热水池；每胶带机；7 成品槽 图l _ 4 图拉法工艺流程图 图拉法( n 烈a ) 水渣处理系统是在俄罗斯图拉厂2 0 0 0 m 3 级高炉上首次使 用，是由俄罗斯国立冶金工厂设计院研制开发的。我国首次使用该技术是唐钢在 1 9 9 7 年对1 号高炉进行异地大修为2 5 6 0 m 3 高炉时，对应高炉的3 个铁口，从俄 罗斯引进了3 套粒化渣处理设备，于1 9 9 8 年高炉建成投产使用，并一直运行至 今。图拉法工艺流程如图1 - 4 所示。图拉法处理工艺是高炉熔渣先被机械破碎， 然后进行水淬的工艺过程的典型代表。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 高炉渣资源利用现状 随着世乔钢铁需求量的增长和钢铁工业的发展，高炉渣的排放量日益增大。 这些高炉渣如果不加以资源化处理，不但是可利用资源的极大浪费i 而且日积月 累，势必造成占地侵田、污染环境等一系列严重问题。因此，高炉渣资源化既可 以变废为宝，又可以减少环境的污染、土地的占用等，从而达到经济效益与社会 效益双赢的局面。自从1 8 8 0 年高炉渣被利用以来，世界上已有很多国家把高炉 渣作为一种二次资源加以利用。 国外高炉渣的综合利用是在2 0 世纪中期开始发展起来的。目前欧美一些发 达国家已做到当年排渣，当年用完，全部实现了资源化3 。一些国家的高炉渣利 用情况列于表1 1 。 青岛理工大学工学硕士学位论文 木表示主要用途；料表示一般用途 国内很多钢铁企业正将废渣资源化作为技术研发的重点攻关项目，目前我国 高炉渣的利用率己达到8 5 以上，主要有以下几个方面： ( 1 ) 直接用于建筑材料及其制品 建筑材料是利用高炉渣的重要方面，常见的如：水泥混合材、石膏、高炉矿 渣微粉、混凝土掺合料、空心砖和矿渣刨花板等。以往，高炉渣主要进行水淬后 与水泥熟料及少量的石膏共同粉磨生产矿渣硅酸盐水泥。矿渣水泥具有优良的性 能，即在较热气候条件下能保证混凝土的耐久性。所以矿渣水泥可广泛应用于土 木建筑、水利渠道、道路交通等的修建 1 。另外，高炉渣经急冷加工成膨胀矿渣 珠或膨胀矿渣，可做轻混凝土骨料，浇注成型可做耐磨的热铸矿渣陋3 。宝钢现已 建成一座年产6 0 万吨微粉的生产厂，其产品可以替代混凝土中的水泥。自1 9 9 6 年以来，首钢高炉水渣微粉作为混凝土掺合料，先后在首都国际机场停车楼及1 号桥、北京通产大厦、沙滩后街综合楼等首都重大工程中应用，各项技术指标都 青岛理工大学工学硕士学位论文 达到了设计要求。目前北京市预拌混凝土的年需求量在4 5 0 万m 3 上，且高强度 混凝土的用量越来越多。将高炉水渣磨细到4 0 0 0 8 0 0 0 c m 2 g ，掺量可到达2 0 4 5 。 ( 2 ) 提取高附加值组分 此法是通过冶金工艺提取复合矿高炉冶金渣中的高附加值组分睁1 1 1 。例如， 硅热法制备硅钛合金；熔融电解法制各硅钛铝合金；硫酸法提取钛、铝：制造钛 白和人造金红石；综合回收其中铁、钛的工艺研究；用硫酸溶解法提取高炉渣中 的二氧化硅等。 ( 3 ) 制备复合材料 因高炉渣含有合成口一口一& 口肠胛的成分，可利用高炉渣为原料采用碳热还 原氮化的方法来合成c 口一口一& 口z d 咒一c 复合材料，该材料可作为新一代耐火材 料，用于诸如反向凝固炉底夹缝材料等领域，以提高高炉渣的附加值n 铂。与传统 采用纯原料制备方法相比，成本低廉，工艺简单。 ( 4 ) 开发复合矿物质肥料 高炉渣是一种以钙、硅为主，含多种养分、具有速效又有后劲的复合矿物质 肥料。除硅、钙外，高炉渣中还含有微量的锌、锰、铁、铜等元素，对作物生长 起一定的促进作用。有些高炉渣含磷较高，可生产钙镁磷肥和钢渣磷肥。宝钢集 团开发总公司利用高炉渣开发的硅肥不仅是利用消化了自身的炉渣，同时对周边 地区的农业生产也做出了贡献。相关资料显示，我国目前缺硅土壤面积相当大， 每年需大量的硅肥，其后期市场前景很被看好n 羽。 ( 5 ) 生产微晶玻璃 微晶玻璃是近几十年发展起来的一种用途很广的新型无机材料，微晶玻璃的 原料极为丰富，除采用岩石外，还可采用高炉矿渣。微晶玻璃的主要原料是高炉 矿渣6 2 7 8 ，硅石为3 8 2 2 或其他非冶金渣等。矿渣微晶玻璃产品，比 高碳钢硬，比铝轻，其机械性能比普通玻璃好，耐磨性不亚于铸石，热稳定性好， 电绝缘性能与高频瓷接近n 钔。 1 2 2 高炉渣余热利用现状 高炉水冲渣工艺会造成高炉渣余热品质的降低，冲渣水余热只能用于冬季供 暖等方式。与水冲渣工艺相比较，高炉渣干法处理工艺能够直接回收利用高炉渣 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 显热，进行余热发电、生物质裂解、煤气化等高效资源化利用h 5 。1 7 3 ，高炉渣干法 粒化及其余热资源高效回收利用是当前研究的热点。目前高炉渣干法处理工艺主 要有：风淬法、双内冷却转筒粒化法、m e r o t e c 熔渣粒化流化法、机械粒化法、 连铸连轧法、化学法等n 8 哪! 。 ( 1 ) 风淬法工艺 n k k 转炉钢渣风淬粒化工艺如图1 5 所示瞳卜2 2 1 。高炉流出的高炉熔渣进入倾 斜的渣罐，渣罐下设鼓风机，高炉熔渣从倾斜的渣罐流出时，与鼓风机吹出的高 速空气流接触后被吹散成颗粒，颗粒在飞行过程中固化，温度由1 5 0 0 降到1 1 0 0 ，然后在热交换器内进一步冷却到3 0 0 左右后，经传送带输送到粒化渣槽内 储存。 风淬法在粒化过程中动力消耗很大，风淬与水淬相比冷却速度很慢，为了防 止粒化渣在固结之前粘连到设备表面上，就要加大设备的尺寸。风淬法得到的粒 化渣的颗粒直径分布范围较宽，不利于后续处理。 1 渣罐2 鼓风机3 锅炉4 _ 干燥器5 粒化渣槽6 皮带 图1 5 转炉钢渣风淬粒化工艺流程图 ( 2 ) 双冷却转筒粒化工艺 该技术最早由日本钢管公司时k k ) 开发，其工艺流程如图1 6 所示瞳。2 3 1 。温 度为1 5 0 0 左右的液态高炉渣经渣槽流入位于转鼓b 1 和b 2 之间形成的渣池， 转鼓连续转动，通过挡板( a ) 来控制熔渣的液位，熔渣随转鼓的转动被带出并在 转鼓表面成膜，在转鼓内通过一种高沸点有机液体( 烷基联苯) 来快速冷却附着在 转鼓表面的渣膜，随后冷却的玻璃相炉渣由一种脱膜工具从转鼓上剥离落入料 斗，得到的成品渣温度约为9 0 0 。从转鼓出来有机液体蒸汽经热交换器( c ) 冷却 后通过循环泵( f 1 ) 返回冷却转鼓循环使用，回收的热量用于透平蒸汽发电。大型 一穆痧 hlll 青岛理工大学工学硕士学位论文 工业试验中，转鼓内热媒介物吸收热量约为熔渣显热的4 0 ，得到成品渣的玻璃 化率达到9 5 。 双冷却转筒粒化工艺的难点在于转鼓的设计和稳定运行、渣膜厚度的控制以 及具有高沸点高蒸发潜热的有机溶剂的选择。该工艺因整体热量回收率偏低以及 后续处理麻烦而未得到应用。 a 边缘挡板b 1 、b 2 冷却转鼓c 热交换器d 透平e 发电机f l 、f 2 循环泵g 冷凝器 图1 6 双冷却转筒粒化工艺流程图 ( 3 ) m e r o t e c 熔渣粒化流化工艺 m e r o t e c 熔渣粒化工艺最早由德国人设计开发，工艺流程如图1 7 所示晗4 1 。 高炉熔渣直接或通过缓冲罐( a ) 间接倒人粒化器( b ) ，在粒化器内将熔渣破碎成颗 粒状，然后渣粒进人流化床换热器( c ) 进行充分换热冷却，再由提升机( d ) 运往筛 子( e ) ，经筛分得到0 3i n m 和大于3 衄级别，分别进入渣粒储罐f 1 和渣粒储 罐f 2 。得到的细颗粒炉渣通过传送装置( g ) 进入循环渣粒储罐( h ) 循环操作，用于 熔渣的破碎过程，且用来冷却和保护工艺设备。熔渣的热量通过循环细渣粒的吸 热、粒化器( b ) 的空气冷却和流化床换热器( c ) 得到回收。冷却空气通过风机1 1 和 1 2 循环使用，产生的粉尘通过旋风除尘器j 1 和j 2 分离和回收。 m e r o t e c 熔渣粒化流化工艺，该装置的热量回收率约为6 4 ，但有效能利用 率偏低。 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 a 渣罐b 循环渣储仓c 粒化器d 流化床式换热器e 提升机 f 1 、f 2 渣仓g 皮带机h 振动筛i l 、1 2 风机j l 、j 2 旋风除尘器 图1 7m e r o t e c 熔渣粒化流化工艺流程图 ( 4 ) 机械粒化法工艺 机械粒化法是由英国k v a 锄e rm e t a l s 研究发明的，工艺流程如图1 8 所示 心h 刀。液态高炉渣从渣槽流到罩杯之后被甩出，甩出的颗粒在运行中与下部流化 上来的气体相遇，发生对流传热和与内壁辐射传热，使渣粒初步冷却。炉渣在粒 化和运行阶段降低1 0 0 2 0 0k 。之后高炉粒化渣粒打在设备内壁上，壁面所布 冷却水管中的冷却水将热量带走。高炉渣反弹回继续下落，通过与流化空气和埋 在床层内的换热管道的热交换来进行热回收。此法可使炉渣粒度达2l i m 左右， 比水冲渣性能更优越，但其设备较复杂。 g a 抽取空气到集尘袋室b 渣槽c 冷空气入口d 主转轴 e 粒化颗粒f 改进的粒化床g 水冷壁h 旋转杯 图1 8 机械法粒化工艺流程图 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 5 ) 连铸连轧法工艺 连铸连轧法熔渣平板固化工艺是由中国有关技术人员根据1 9 8 6 年乌克兰第 聂伯罗彼得罗夫斯克冶金学院开发的炉渣干式粒化方案，并参照有色金属连铸连 轧工艺，对原工艺进行改造而成，其工艺流程如图1 9 所示脚1 。其工作流程为： 由渣罐车运来的熔渣倒人渣池，熔渣从供渣嘴( a ) 连续流到水冷平辊( b ) 和水冷网 辊( c ) ，然后进入链式输送机( d ) ，在运输机下部通人冷空气，渣的热量传给冷空 气和膜式水冷壁( e ) ，冷却后的渣在碎渣机( f ) 中破碎，软化水经轧辊流入水箱， 经给水泵( g ) 压人省煤器( h ) ，然后进入汽包( i ) ，饱和水经循环泵( j ) 压人膜式水冷 壁，加热气化后回到汽包，从汽包出来的饱和蒸汽进入过热器，成为过热蒸汽。 据报道，该工艺热回收率可达6 6 5 ，具有良好的操作性和可观的投资回报， 但其最大困难在于冷却工序的设计，平板式高温渣的透气性严重影响冷空气和水 冷壁的换热效率，因而存在很大的缺陷，预测的热回收效率有待于生产性试验的 验证。 a 供渣嘴b 水冷平辊c 水冷网辊d 输送机e 膜式水冷壁f 碎渣机 g 给水泵h 省煤器i 汽包j 循环泵 图1 9 连铸连轧法熔渣余热回收工艺 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 6 ) 化学法工艺 高炉 c h 4 ( 3 0 0 k ) h ：0 供应蒸汽 c h 。t 。，+ h ：o t 。一h ：( 。，+ c 0 。， 熔渣 n 熔渣 ( 1 8 0 0 k ) r _ l 1( 1 5 0 0 k ) 薹尊t _ 1 瓦 熔渣粒化 1 粒化区域蒸汽供应 c 0 + h 2 ( 3 0 0 k ) 图1 1 0 甲烷循环反应热回收过程示意图 化学法高炉渣处理工艺首先是将高炉渣的热量作为吸热化学反应的热源储 存起来，然后在适当的时候通过放热反应将储存的热量释放出来加以应用。此工 艺是由b i s i o 等人提出的。其反应热回收过程如图1 1 0 所示堙扣2 7 - 2 2 1 。通过甲烷 与水蒸气的混合物在高炉渣高温热的作用下，生产一定的一氧化碳和氢气。反应 方程式为： c 日4 ( g ) + 日2 d ( g ) 一c d ( g ) + 3 日2 ( g ) 此反应为吸热反应，反应过程中所需要的热量来自于液态高炉渣冷却成颗粒 状的高炉渣所放出的热量。液态的高炉渣可以通过高速喷出的甲烷和水蒸气的混 合气体对其进行冷却粒化，二者进行强烈的热交换，液态高炉渣在因受到甲烷和 水蒸气气流的破碎和强制的冷却作用下，温度急剧下降粒化成小颗粒，如图1 1 1 所示。吸热反应生成的一氧化碳和氢气进入下一反应器，在一定的条件下，两者 发生化学反应生成甲烷和水蒸气，释放出热量。反应方程式为： c d ( g ) + 3 日2 ( g ) 一c 胃。( g ) + 日2 d ( g ) 放热反应生产的甲烷和水蒸气经热交换器冷却之后返回循环使用。热交换出 来的热量经过处理之后可高炉热风炉、发电等使用。 青岛理工大学工学硕士学位论文 i a 、壳体b 、渣液薄膜c 、表面波d 、现状物e 、小渣滴 图1 1 1 风淬装置 1 3 课题的提出及意义 从以上分析可以看出，各国在高炉渣资源利用方面己取得了很好成果，但是， 在高炉渣所含的丰富热量却还没有能够得到充分的利用。目前绝大部分高炉采用 的是湿法处理工艺，回收的炉渣余热用于取暖。但夏季和无取暖设备的地方，这 部分能量不但白白的浪费掉，而且造成水资源的大量浪费，对大气、水和土壤也 造成了严重的污染，恶化了工作环境。而干法处理工艺由于各自的缺陷大部分还 处于实验室研究阶段，未实现工业化。 针对上述对国内外研究现状及存在的问题，本课题研究的目的就是提出一种 新型高效的炉渣粒化与换热的处理工艺，主要涉及高炉渣的干法离心粒化机理和 流化换热机理的理论研究、数值模拟和实验研究三方面内容。新型高效的炉渣粒 化与换热处理工艺可以有效解决高炉渣显热回收和减少环境污染的难题，具有重 大的经济效益和环保效益，在钢铁等冶金行业液态熔渣的余热回收利用方面具有 广阔的应用前景。 1 4 本文的主要内容 ( 1 ) 通过建立高炉熔渣干法粒化数学模型和高炉渣颗粒凝固热力学模型， 分析粒化器结构、粒化器转速、熔渣温度、熔渣流速、换热介质流速和初始温度 等关键参数对高炉渣粒化颗粒粒径的影响，掌握高炉渣的离心粒化理论； 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 利用f l i j e n t 软件对高炉渣粒化过程和凝固过程进行数值模拟和参数 优化，掌握风速、粒化颗粒直径和初始空气温度等参数对凝固过程的影响； ( 3 ) 建立高炉渣干法粒化实验台，对高炉渣干法离心粒化理论研究和颗粒 凝固过程的数值模拟结果进行实验验证。 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章高炉渣离心粒化理论基础 2 1 高炉渣离心粒化原理 如图2 1 所示，固态高炉渣经高温熔块炉( 或是其它加热装置) 加热至1 5 0 0 使之完全熔化变为液态后，从高温熔块炉内部的坩埚底部落到高速旋转的粒化 器上。落到粒化器上面的高炉渣熔液与粒化器之间在摩擦力的作用下，高炉渣熔 液随粒化器进行圆周运动，在离心力作用下，高炉渣熔液逐渐向粒化器边缘运动， 离心力和线速度也随之迅速增加，到达粒化器边缘后的液态高炉渣呈片状被抛射 出去，片状的高炉渣在飞行过程中在表面张力的作用下收缩成椭球状或球状颗 粒，并同时与空气等介质进行直接换热，换热后的粒化颗粒下落到收集装置被回 收，余热被空气等介质带走进行利用。 图2 1 高炉渣离心粒化系统图 2 2 高炉渣离心粒化模型 2 2 1 物理模型 离心粒化高炉渣熔液可根据高炉渣熔液的分裂方式分为：膜状分裂、纤维状 分裂和液滴状分裂。根据粒化条件的不同，三种不同的分裂方式可以互相转化。 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 当圆盘直径较大，旋转速度，液体流量和粘滞系数均较小时，液体成滴状分裂； 中等的旋转速度和中等的金属流量时，线或纤维形成在旋转体周围进而破碎成液 滴；而当旋转速度，金属流量和粘滞系数均较大时，液膜主要以膜状分离方式破 碎。反过来，当旋转圆盘直径小、旋转速度、液体流量和粘滞系数均较大时，液 体成膜状分裂；当上述参数值居中时，液体成纤维状分裂阳3 删。我们采用了中等 方式粒化方式，如图2 2 所示，以便控制液滴颗粒的直径。图2 3 、图2 4 分别 为滴状分裂和膜状分裂示意图。 厂 、 | 7 转盘 ， f l 薄膜7 图2 2 高炉渣离心粒化原理图 图2 3 滴状分裂 图2 4 膜状分裂 2 2 2 数学模型 在研究熔融高炉渣粒化成颗粒的实际问题时，由于其流动情况复杂导致其影 响因素很多，所以目前还不易通过数值模拟的方式解决，只能通过实验的方式来 发现其规律性。 我们对熔融高炉渣离心粒化的分析采用的是相似模拟方法。对液态高炉渣在 离心场下的质点受力分析作如下假设： ( 1 ) 液态高炉渣的离心粒化是恒温且连续的流动； 帆丝一 9。p旦 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 液态高炉渣的动力粘度系数为常数； ( 3 ) 液态高炉渣不可压缩。 旋转粒化器上的液态高炉渣在运动过程中，一方面液态高炉渣质点在离心力 作用下相对旋转中心沿径向移动，另一方面液态高炉渣质点随旋转粒化器绕旋转 轴做圆周运动。根据运动合成的原理，此时运动的液态高炉渣质点将受到柯氏力 的作用。柯氏力是科里奥利力的简称，是对旋转体系中进行直线运动的质点由于 惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。另外，整个系统还处在 重力场中，因此液态高炉渣质点还受到重力的作用。综上所述：整个过程是在离 心力、柯氏力、重力三个力场的合成作用下合成运动的过程，其受力情况如图 2 5 所示。 a 水平面受力图b 竖直面受力图 图2 5 液态高炉渣受力图 如图所示： f = 气+ 名+ g = m g 二+ 口二+ 口；) = 研b 2 尺+ g 一2 ) ( 2 1 ) 式中：，口伊离心力( n ) ，离心加速度( 州s 2 ) ； 名，口舻柯氏力( n ) ，柯氏力及速度( 1 n s 2 ) ； g ，口。重力( n ) ，重力加速度( “s 2 ) ； 舻流体单元质量，k g ； r 重力加速度，m s 2 ； 角速度，r a d s ； 卜流体单元圆周运动半径，州s 。 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 高温状态f 的液态高炉渣粒化过程由于其运动过程的复杂性，司简化视为具 有自由表面的不可压缩的粘性流体的非稳态运动，其运动状态可用质量守恒方程 和动量守恒方程质量守恒方程来描述。 连续性方程( 质量守恒方程) ： 堕+ 丝+ 堕：o 缸 砂 包 ( 2 2 ) 直角坐标系下的n s ( n a v i 昏s t o k s ) 方程( 动量守恒方程) 如下： 等也警坞等鸭誓= 一吉罢坛+ ( 等+ 等+ 等) 。2 剐 等心等坞等心誓= 一吉考坞+ ( 誓+ 等+ 。2 削 鲁批警也等心警= 一古老幅+ ( 等+ 等+ 警 。2 剐 i 栅：蔷栅y 苟栅：苫一万言怊：叫【百+ 蒂+ 万j 、 式中：甜，、“，、“：分别为x 、y 、z 坐标方向上的速度分量( “s ) ； 邑、g ，、g ：分别为x 、y 、z 坐标方向上重力加速度分量( 1 n s 2 ) ( g ，= 国2 ，g y = 国2 0 ，g ：= g ) ； p 哺融高炉渣的密度，k 咖3 ； 流体运动粘度，m 2 s ； 卜时间，s ； 为了更直观地描述液态高炉渣的流动行为，离心力场下液态高炉渣的粒化过 程可视为在柱坐标下进行，将直角坐标系转换为柱坐标系。如图2 6 所示。 图2 6 直角坐标与柱坐标的关系 青岛理工大学工学硕士学位论文 令，- = 0 i 芦，p ：蝴上，z ：z 依据上述关系有： 堡：c o s 口堡：s i n p 塑：一堂塑：型 a x 。曲 j 敏r ：如r 警叫等字+ 等等托等= 旷净降+ 吾等一号等+ 吉等+ 钭 亿6 ， 鲁m 等+ 半+ 等等帆警= 旷吉舅+ 4 等t 等一等+ 吾等+ 吉等+ 等 协7 ， d 材：砌：“疗d “，d 材， 言栅，苗+ 子苟蜘：言2 z 弓考+ 等七等+ 专等+ 等 协8 ， 式中：口，、口。分别为流态高炉渣在r 方向和秒方向上的加速度，毗2 ； “，、“矿“：分别为流态高炉渣中某点在r 、p 以及z 方向上的流 2 2 3 模型求解计算 由于熔融高炉渣粒化后还需在流化床或是其它设备上进行换热，所以我们将 熔渣从旋转盘飞出后的分裂形式控制在纤维状的分裂形式，以便于形成高炉渣颗 粒。假设粒化后的颗粒形状为球形。根据建立的粒化模型，最终得到高炉渣离心 粒化颗粒的平均直径盔的表达式为： d ，= 研o 4l ( q ( 棚2 ) ) 0 5 ( 矽艘) n 2 ( 刮艘2 ) 0 1 】 ( 2 9 ) 式中：西一颗粒的平均直径，m m ； 驴一粒化器直径，m m ； 旷高炉渣流速，k s ； 彩粒化器角速度，m 挑： 青岛理工大学工学硕士学位论文 液体粘度系数，d y n s c m 2 ； p 液体密度，k g m 3 ； 仃液体面张力，d v 彬c m 2 。 2 3 高炉渣颗粒的凝固热力学模型 2 3 1 物理模型 熔渣颗粒凝固的物理模型如图2 7 所示，低温空气吹过半径为厂0 的球型液态 高炉渣颗